FI106069B - Menetelmä ja laitteisto sähköverkon yliaaltojen määrittämiseksi - Google Patents

Description

! 106069

Menetelmä ja laitteisto sähköverkon yliaaltojen määrittämiseksi

Keksinnön tausta Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja laitteisto sähköverkon 5 yliaaltojen määrittämiseksi.

Sähköverkon jännitteiden ja virtojen harmonisten yliaaltojen amplitudien määrittäminen on sähköverkon valvontaan liittyvä toimenpide, jonka avulla valvotaan sähköverkon sähkön laatua. Sähköverkkoon harmonisia yliaaltoja aiheuttavat esimerkiksi erilaiset suuntaajat. Sähköverkon virtojen ja 10 jännitteiden yliaaltojen osuuden ollessa tiettyä rajaa suurempi, sähkön laatu kärsii merkittävästi ja huonolaatuinen sähkö saattaa aiheuttaa toimintahäiriöitä ja vikoja sähkölaitteissa sekä sähkönjakelussa. Yliaaltojen valvontaan liittyy usein myös relesuojaus, jolloin selvästi häiriintyneet sähköverkon osuudet voidaan erottaa muusta sähköverkosta.

15 Yliaaltojen amplitudit pitää lisäksi pystyä laskemaan riittävällä tark kuudella vaikka verkon perustaajuus poikkeaisi nimellisarvostaan. Riittävän taajuuserottelun saamiseksi yliaaltojen amplitudit täytyy laskea ajallisesti pit- • · • ' kästä laskentaikkunasta näytteistykseen perustuvissa toteutuksissa. Näyttei den puskurointi ja amplitudien laskeminen puskurin täytyttyä vaatii paljon 20 muistia ja kaksi eri taajuudella ajastettua toimintoa; toisen näytteiden keräämiseen puskuriin ja toisen tulosten laskemiseen puskuroiduista näytteistä.

Yliaaltojen laskemiseen on käytetty sekä analogiatekniikkaan että digitaalitekniikkaan perustuvia laitteita. Analogisissa laitteissa signaali suodatetaan kaistanpäästösuodattimilla, joiden päästökaistat ovat oletetuilla yliaal-25 totaajuuksilla. Yliaaltoamplitudit saadaan suodatettujen signaalien amplitudeista.

Digitaalisissa järjestelmissä yliaaltojen amplitudit on laskettu diskreetin Fourier -muunnoksen (DFT) avulla käyttäen laskennallisesti tehokasta Fast Fourier -muunnosta (FFT). DFT kuvaa aikatason taajuustasoon, ·· 30 jolloin amplitudit saadaan suoraan DFT:n yliaaltotaajuuksille antamista ampli- tudiarvoista. Useita digitaalisia suotimia sisältävän suodatinpankin käyttöön perustuva menetelmä on esitetty julkaisussa Thong, T., Practical consideration for a continuous time digital spectrum analyzer, Proceedings of the IEEE international Symposium on Circuits and Systems, 1989, S. 1047-1050. Mainittu 35 menetelmä perustuu DFT:n laskemiseen tiukasti ikkunoidusta signaalista.

, 106069 2

On olemassa myös verkon perustaajuudesta riippumattomia menetelmiä. Esimerkiksi US patenttijulkaisun 5 615 302 mukaisessa menetelmässä tulos lasketaan useammasta DFT:n antamasta taajuuspisteestä niin sanotulla ratio detection -menetelmällä. US patenttijulkaisun 5 528 134 mukai-5 sessa menetelmässä signaali puolestaan näytteistetään ohjelmallisesti uudestaan niin, että näytteenottotaajuus on perustaajuuden monikerta.

Analogisten toteutusten haitta on niiden vaatimien analogisten suodattimien suuri määrä, komponenttien toleransseista ja lämpötilavaihteluista johtuvat virheet, sekä häiriöistä ja ylikuulumisesta aiheutuvat virheet.

10 DTF:en perustuvien tunnettujen digitaalisten menetelmien ongel mana on niiden herkkyys taajuuspoikkeamalle. Uudelleennäytteistykseen perustuvan menetelmän haitta on uudelleennäytteistyksen vaatima laskentatyö ja sen aiheuttama epätarkkuus. Ratio detection -menetelmän heikkous on sen vaatima suuri laskentatyö ja numeeriset ongelmat käytännön tilanteissa.

15 Kaikkien DFT:en perustuvien ja FFT:llä toteutettujen menetelmien yhteinen haitta on puskuroinnin tarve, jolloin tarvitaan eri toiminnot datan puskuriin keräämiseen ja sen analysointiin puskurista. Jos puskurointia ei voida ratkaista järjestelmässä laitteiston avulla, esimerkiksi suoralla muistisiirrolla : (DMA), tarvitaan sitä varten oma, eri taajuudella ajastettu ohjelmaprosessi itse 20 analysointiohjelman lisäksi. Kolmivaihejärjestelmässä yliaaltojen amplitudien määrittämiseen tarvitaan jokaista vaihetta kohti datan puskurointi, jossa riittävän ajallisen kattavuuden varmistamiseksi tarvitaan kaksi vuorotelevaa puskuria vaihetta kohti.

Keksinnön lyhyt selostus 25 Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä, joka välttää edellä mainitut epäkohdat, ja mahdollistaa sähköverkon yliaaltojen määrittämisen luotettavalla ja yksinkertaisella tavalla. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tunnusomaista se, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa muodostetaan useita digitaalisia komplek-30 sisia kaistanpäästösuodattimia käsittävä suodatinpankki, jonka kaistat on toteutettu siten, että suodattimen päästökaistan ja yhden transitiokaistan yhteis-leveys on enintään sähköverkon määritettävän ominaisuuden perustaajuuden minimiarvon suuruinen sekä siten, että suodatinpankin kahden rinnakkaisen suodattimen päästökaistat ovat päällekäin N kertaisesti suodattimen asteluvun 35 vaatiman näytejoukon ensimmäisen ja viimeisen näytteen välisen aikaeron aikana tapahtuvan perustaajuuden vaihtelun verran, missä N on korkeimman , 106069

O

mitattavan yliaallon järjestysluku, näytteistetään sähköverkon määritettävää ominaisuutta näytteiden aikaansaamiseksi, johdetaan näytteet suodatinpank-kiin, estimoidaan määritettävän ominaisuuden perustaajuus näytteisiin perustuen, valitaan taajuusestimoinnin perusteella ne suodattimet, joiden ulostu-5 loista kunkin taajuuskomponentin amplitudi on laskettavissa, ja lasketaan valittujen suodatinpankin suodattimien ulostuloista määritettävän ominaisuuden perus- ja yliaaltokomponenttien amplitudit.

Keksinnön mukainen menetelmä perustuu siihen ajatukseen, että sähköverkon yliaaltojen amplitudit voidaan laskea tehokkaasti käyttämällä 10 useasta kaistanpäästösuodattimesta koostuvaa suodatinpankkia. Kunkin taajuuskomponentin amplitudin laskemiseen käytettävä suodatinpankin suodatin valitaan keksinnön mukaisesti taajuusestimoinnin perusteella, jolloin suodatinpankin suodattimien päästökaistat voivat olla päällekkäin, eikä niiden tarvitse toteuttaa spektriestimoinnissa käytettäviltä suodattimilta vaadittavia ominai-15 suuksia. Suodattimien päällekkäisyyden avulla yliaaltoamplitudien estimointi-tarkkuutta voidaan parantaa yksinkertaisella toteutuksella. Suodatinpankin suodattimien ulostuloista voidaan laskea yksinkertaisella tavalla kyseisten suodattimien päästökaistan kohdalla olevien yliaaltojen amplitudit. Keksinnön : mukaisen menetelmän etuna on se, että menetelmän toteuttamiseksi tarvitta- 20 vaan erittäin vähän laskentakapasiteettia aikaisempaan verrattuna. Lisäksi näytteiden puskurointia erillisiin puskureihin ei tarvita, sillä yliaaltojen amplitudit voidaan laskea suoraan reaaliajassa aikaisempaa tarkemmalla tavalla.

Keksinnön kohteena on myös laitteisto sähköverkon yliaaltojen määrittämiseksi laitteiston käsittäessä näytteistyselimen, joka on sovitettu • 25 näytteistämään sähköverkon määritettävää ominaisuutta, jolloin laitteistolle on tunnusomaista se, että se käsittää lisäksi useita digitaalisia kompleksisia kaistanpäästösuodattimia käsittävän suodatinpankin, jonka kaistat on toteutettu siten, että suodattimen päästökaistan ja yhden transitiokaistan yhteisle-veys on enintään sähköverkon määritettävän ominaisuuden perustaajuuden 30 minimiarvon suuruinen sekä siten, että suodatinpankin kahden rinnakkaisen " suodattimen päästökaistat ovat päällekäin N kertaisesti suodattimen asteluvun vaatiman näytejoukon ensimmäisen ja viimeisen näytteen välisen aikaeron aikana tapahtuvan perustaajuuden vaihtelun verran, missä N on korkeimman mitattavan yliaallon järjestysluku, taajuudenestimointielimen, joka on sovitettu 35 valitsemaan ne suodatinpankin suodattimet, joiden päästökaistalle määritettävän ominaisuuden yliaaltoamplitudit osuvat, ja prosessointielimen, joka on so- 4 106069 vitettu suodatinpankin yhteyteen määrittämään määritettävän ominaisuuden perus-ja yliaaltokomponenttien amplitudit.

Tällaisen laitteiston avulla voidaan keksinnön mukaisen menetelmän taijoamat edut toteuttaa yksinkertaisella tavalla.

5 Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää suodatinpankin suodattimien ominaisuuksia suhteessa yliaaltokomponentteihin; 10 Kuvio 2 esittää mahdollista taajuusvaihtelua suhteessa suodatin pankin suodattimien päästökaistoihin;

Kuvio 3 esittää keksinnön mukaista suodatinpankkia polyphase-muodossa;

Kuvio 4 esittää esimerkinomaisesti tasavälisen suodatinpankin suo-15 dattimien sijoittumista taajuustasoon; ja

Kuvio 5 esittää lohkokaavioesitystä keksinnön mukaista menetelmää hyödyntävästä järjestelmästä.

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Keksinnön menetelmän mukaisesti määritettäessä sähköverkon yli-20 aaltojen amplitudeja muodostetaan useita digitaalisia kompleksisia kaistan-päästösuodattimia käsittävä suodatinpankki. Suodatinpankki on suunniteltu siten, että sen kaistat kattavat analysoitavien yliaaltojen mahdollisen esiintymisalueen. Pankin suodattimet on suunniteltu kuvion 1 mukaan siten, että suodatinpankista löytyy ainakin yksi sellainen suodatin, jonka päästökaistalle 25 yliaalto osuu ja näiden suodattimien päästö- ja transitiokaistoilla ei ole muita yliaaltoja. Näin ollen muut harmonistaajuudet, mukaanlukien perustaajuus, osuvat kyseisen suodattimen estokaistalle. Matemaattisesti ilmaistuna suodattimen estokaistan leveyden Afp ja transitiokaistojen leveyksien Af, pitää toteut-. taa ehto Afp + Af, < fmin, missä fmin on perustaajuuden minimiarvo. Päästökaistat 30 suunnitellaan päällekkäin kuvion 2 mukaan suodattimen pituuden aikana tapahtuvan taajuusvaihtelun Af verran. Yliaaltoa N varten päällekkäisyyden pitää olla N-kertainen verrattuna perustaajuuteen. Suodattimien päästökaistat suunnitellaan riittävän tasaisiksi niin, että aiheutuvan virheen voidaan sallia siirtyä yliaaltoamplitudin estimaattiin. Vastaavasti estokaistan vaimennus suunnitel 5 106069 laan riittäväksi niin, että estokaistalle osuvien taajuuskomponenttien aiheuttamien virheiden voidaan sallia siirtyvän suoraan yliaaltoamplitudin estimaattiin.

Keksinnön mukaisesti sähköverkon määritettävää ominaisuutta, kuten jännitettä tai virtaa, näytteistetään diskreettien näytteiden aikaansaami-5 seksi. Näytteitä käytetään jatkossa hyväksi määritettävän ominaisuuden yliaaltojen amplitudien laskentaan. Keksinnön mukaisesti näytteistä estimoidaan signaalin perustaajuus, jonka perusteella valitaan oikeat suodatinpankin kaistat kunkin yliaallon laskemiseksi. Koska suodatinpankin suodattimet on suunniteltu kuvion 1 esimerkin mukaan, voidaan kullekin taajuuskomponentille valo Iita suodattimeksi mikä tahansa niistä suodattimista, joiden päästökaistalle suodattimen pituuden ajalta estimoidun perustaajuuden mukaan tarkasteltava taajuuskomponentti osuu. Keksinnön mukaisesti näytteet johdetaan suodatinpankin taajuusestimoinnin perusteella valittuihin suodattimiin, ja suodatinpankin ulostuloista lasketaan määritettävän ominaisuuden yliaaltojen amplitudit.

15 Suodatinpankki muodostetaan edullisesti tasavälisenä DFT- suodatinpankkina. Kuvio 4 esittää esimerkkiä tasavälisen DFT-suodatinpankin suodattimien sijoittumisesta taajuustasoon. Suodatinpankkia kutsutaan tasaväliseksi DFT pankiksi, jos suodatinpankin kaikki suodattimet on johdettu pe-: russuodattimesta H0(z) seuraavasti 20 Hk(z) = H0(zW^),ö<k<M-l.

Suodattimen Hk(z) amplitudivasteet ovat tasavälisesti siirrettyjä versioita pe-russuodattimen H0(z) amplitudivasteista. Perussuodatin H0 ja kaistojen lukumäärä M suunnitellaan niin, että edellä esitetyt kuvioiden 1 ja 2 mukaiset ehdot toteutuvat.

• 25 Tasavälinen DFT-suodatinpankki toteutetaan edullisesti käyttämällä polyphase -rakennetta. Polyphase-muodossa perussuodatin H0(z) voidaan esittää muodossa M-1 *=0 missä Ek on perussuodattimen H0(z) k. polyphase -komponentti " ·» «o oo ..... 30 Ek(z) = ^ek(n)z~" =^lhQ(k + nM)z~" , 0<k< M-\.

n=0 n=0

Edelleen sijoittamalla z:n tilalle ζ\ΛΛμ, saadaan suodattimet Hk(z) M-kaistan polyphase-muotoon M-1 n=0 κ 106069 6

Edeltävän yhtälön suodattimet En(zM) vastaavat sekä kuvion 3 suodattimia En(z) että näytteenottotaajuuden M kertaista pienentämistä alasnäyt-teistyslohkoissa 1. Tällöin edeltävän yhtälön osat z Έη(ζΜ) vastaavat kuvion 3 lohkokaaviossa yksikköviiveitä z\ näytteenottotaajuuden M kertaista pienen-5 nystä sekä suodattimia En(z). Yhtälöön jää jäljelle termi WM'kn, joka on merkintätapa lausekkeelle ej2,tnk/M.

Käänteisen diskreetin Fourier muunnoksen määritelmä on muotoa x(n) = Σ *( , n = 0,1,..., N -1, k=0 jossa termit X(k) vastaavat kuviossa 3 sisäänmenoja IDFT lohkoon, jolloin 10 näistä sisäänmenoista lasketaan käänteinen Fourier-muunnos. Alisuodattimen Hk(z) ulostulo saadaan siis laskemalla IDFT polyphase-suodattimien ΕοΦ.,.Εμ,Λζ) ulostuloista.

Käänteinen Fourier-muunnos lasketaan kaikista M kaistasta, eli kuviossa 3 Mistä IDFT-lohkoon 3 sisäänmenevästä signaalista, mutta keksinnön 15 mukaisesti vain niille kaistoille, joilla taajuusestimoinnin mukaan on yliaalto-komponentti. Käänteisen Fourier-muunnoksen tuloksena saadaan yliaalto-komponentit aikatasossa, jolloin tuloksena saaduista signaalin reaali- ja imagi-: nääriosista voidaan laskea amplitudi yksinkertaisesti komponenttien neliöiden summan neliöjuurena.

20 Kuvio 5 esittää keksinnön mukaista menetelmää hyödyntävän jär jestelmän toimintaperiaatetta lohkokaaviomuodossa. Taajuuden estimointieli-mellä 4 estimoidaan sisääntulevan signaalin perustaajuus. Taajuuden esti-mointielin 4 on yhdistetty suodattimien valinnan suorittavaan valinta elimeen 5, • jonka ulostulo on edelleen yhteydessä suodattimien kanavat valitsevaan loh- 25 koon 6, joka saa sisääntulonaan myös analysoitavan signaalin. Lohkon 6 ulostulot johdetaan edelleen suodattimille 7, joiden ulostuloista määritettävän ominaisuuden amplitudi voidaan laskea.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että tekniikan kehittyessä keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritus-*' 30 muodot eivät siten rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaih della patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (10)

1. Menetelmä sähköverkon yliaaltojen määrittämiseksi, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää vaiheet, joissa muodostetaan useita digitaalisia kompleksisia kaistanpäästösuo-5 dattimia käsittävä suodatinpankki, jonka kaistat on toteutettu siten, että suodattimen päästökaistan ja yhden transitiokaistan yhteisleveys on enintään sähköverkon määritettävän ominaisuuden perustaajuuden minimiarvon suuruinen sekä siten, että suodatinpankin kahden rinnakkaisen suodattimen päästökaistat ovat päällekäin N kertaisesti suodattimen asteluvun vaatiman 10 näytejoukon ensimmäisen ja viimeisen näytteen välisen aikaeron aikana tapahtuvan perustaajuuden vaihtelun verran, missä N on korkeimman mitattavan yliaallon järjestysluku, näytteistetään sähköverkon määritettävää ominaisuutta näytteiden aikaansaamiseksi, 15 johdetaan näytteet suodatinpankkiin, estimoidaan määritettävän ominaisuuden perustaajuus näytteisiin perustuen, : valitaan taajuusestimoinnin perusteella ne suodattimet, joiden ulostuloista kunkin taajuuskomponentin amplitudi on laskettavissa, ja 20 lasketaan valittujen suodatinpankin suodattimien ulostuloista mää ritettävän ominaisuuden perus-ja yliaaltokomponenttien amplitudit.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suodatinpankkina käytetään tasavälistä DFT-suodatinpankkia, jonka muodostaminen käsittää vaiheet, joissa 25 muodostetaan perussuodatin (H0), ja muodostetaan yliaaltosuodattimet (Hn) monistamalla ja siirtämällä perussuodatinta taajuustasossa tasavälisesi.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että suodatinpankin muodostaminen käsittää vaiheen, jossa suodatin- 30 pankki muodostetaan käyttämällä polyphase-hajotelmaa. • « « . »

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että perus- ja yliaaltokomponenttien amplitudien laskeminen käsittää vaiheet, joissa valitaan suodatinpankin ne suodattimet, joiden päästökaistalla on . 35 määritettävän ominaisuuden perus- tai yliaaltokomponentti, 106069 8 lasketaan M:n kaistan DFT-suodatinpankin polyphase-esityksen ali-suodattimien tulokset lasketaan M:n pisteen käänteinen Fourier-muunnos polyphase-esityksen alisuodattimien tuloksista valittujen suodattimien osalta valittuihin 5 suodattimiin syötetyn signaalin reaali- ja imaginääriosan suuruuden aikaansaamiseksi M:n vastatessa suodatinpankin suodattimien kokonaismäärää, ja lasketaan aikaansaaduista reaali- ja imaginääriosista yliaaltokom-ponentin amplitudi valittujen suodatinpankin suodattimien osalta.

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetel-10 mä, tunnettu siitä, että määritettävä ominaisuus on sähköverkon jännite tai virta.

6. Laitteisto sähköverkon yliaaltojen määrittämiseksi laitteiston käsittäessä näytteistyselimen, joka on sovitettu näytteistämään sähköverkon määritettävää ominaisuutta, tunnettu siitä, että laitteisto käsittää lisäksi 15 useita digitaalisia kompleksisia kaistanpäästösuodattimia käsittävän suodatinpankin, jonka kaistat on toteutettu siten, että suodattimen päästö-kaistan ja yhden transitiokaistan yhteisleveys on enintään sähköverkon määritettävän ominaisuuden perustaajuuden minimiarvon suuruinen sekä siten, i että suodatinpankin kahden rinnakkaisen suodattimen päästökaistat ovat 20 päällekäin N kertaisesti suodattimen asteluvun vaatiman näytejoukon ensimmäisen ja viimeisen näytteen välisen aikaeron aikana tapahtuvan perustaajuuden vaihtelun verran, missä N on korkeimman mitattavan yliaallon järjestysluku, taajuudenestimointielimen, joka on sovitettu valitsemaan ne suoda-25 tinpankin suodattimet, joiden päästökaistalle määritettävän ominaisuuden yli-aaltoamplitudit osuvat, ja prosessointielimen, joka on sovitettu suodatinpankin yhteyteen määrittämään määritettävän ominaisuuden perus- ja yliaaltokomponenttien amplitudit.

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, • että suodatinpankki on muodostettu tasavälisenä DFT-suodatinpankkina siten, että suodatinpankki käsittää perussuodattimen ja perussuodattimen kopioita taajuustasossa tasavälisesti siirrettynä.

7 106069

8. Patenttivaatimuksen 6 tai 7 mukainen laitteisto, tunnettu 35 siitä, että suodatinpankki on muodostettu polyphase-hajotelmalla. 106069 9

9. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 6 - 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että prosessointielin on sovitettu laskemaan DFT-suodatinpankin polyphase hajotelman mukaisen alisuodattimien tulokset ja määritettävän ominaisuuden amplitudin suodatinpankin suodattimien ulostulo- 5 signaaleista valittujen suodattimien osalta polyphase hajotelman välituloksista IDFT:n avulla.

10. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 6-9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, määritettävä ominaisuus on sähköverkon jännite tai virta. « • · 106069 10