KR100823832B1 - Apparatus and method for estimating frequency of signal in power system - Google Patents
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Abstract
Description
도 1a 및 1b는 종래의 영점교차법을 이용한 주파수 추정 방법을 설명하기 위해 도시한 도면이다.1A and 1B are diagrams for explaining a frequency estimation method using a conventional zero crossing method.
도 2는 종래의 영점교차법을 이용하여 주파수 추정시 발생하는 문제점을 설명하기 위해 도시한 도면이다.2 is a diagram illustrating a problem occurring in frequency estimation using a conventional zero crossing method.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 주파수 추정 장치를 나타낸 블록도이다.3 is a block diagram illustrating a frequency estimating apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4는 도 3에 도시된 코사인 필터와 사인 필터의 주파수응답특성의 크기를 설명하기 위해 도시한 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating the magnitude of frequency response characteristics of the cosine filter and the sine filter shown in FIG. 3.
도 5는 도 3에 도시된 코사인 필터와 사인 필터에서 출력되는 신호의 궤적을 복소평면상에 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating a trajectory of signals output from the cosine filter and the sine filter illustrated in FIG. 3 on a complex plane.
도 6은 본 발명에 의해 코사인필터와 사인필터를 통해 추출한 복수의 샘플값의 신호 궤적을 복소평면상에 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a diagram illustrating a signal trajectory of a plurality of sample values extracted through a cosine filter and a sine filter according to the present invention.
도 7은 본 발명에 의한 도 7은 본 발명에 의한 주파수 추정방법을 개략적으로 나타낸 플로우챠트이다.7 is a flowchart schematically illustrating a frequency estimation method according to the present invention.
도 8은 본 발명에 의한 전력계통의 주파수추정 시뮬레이션을 나타낸 도면이다.8 is a view showing a frequency estimation simulation of the power system according to the present invention.
도 9는 본 발명에 의한 주파수 추정장치가 계전기에 적용된 예를 나타낸 도면이다.9 is a diagram illustrating an example in which the frequency estimating apparatus according to the present invention is applied to a relay.
도 10은 본 발명에 의한 주파수 추정장치가 페이저측정기(PMU)에 적용된 예를 나타낸 도면이다.10 is a view showing an example in which the frequency estimating apparatus according to the present invention is applied to a pager measuring device (PMU).
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
100: 주파수 추정장치 110: 앤티-앨리어싱 필터100: frequency estimator 110: anti-aliasing filter
130: A/D변환부 150: 마이크로프로세서130: A / D conversion unit 150: microprocessor
160: 직교필터 161: 코사인필터160: orthogonal filter 161: cosine filter
165: 사인필터 170: 주파수추정부165: sine filter 170: frequency estimation
X1: 제 1샘플값 X0: 제 2샘플값X1: first sample value X0: second sample value
X2: 제 3샘플값 X2c: 제 3샘플값에 대한 샘플보상값X2: Third Sample Value X2c: Sample Compensation Value for Third Sample Value
본 발명은 주파수 추정장치 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전력계통의 전압 또는 전류신호의 샘플값만을 이용하여 주파수를 추정하되, 신호 크기의 변화와 관계없이 정밀한 주파수의 추정이 가능한 전력계통의 주파수 추정장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a frequency estimating apparatus and a method thereof, and more particularly, to estimate a frequency using only a sample value of a voltage or current signal of a power system, and to accurately estimate a frequency regardless of a change in signal size. The present invention relates to a frequency estimating apparatus and a method thereof.
일반적으로, 보호 계전기(Relay)나 페이저측정장치(PMU; Phasor Measurement Unit) 등과 같은 전력감시기기는 전원장치로부터 입력되는 전압 또는 전류에 대한 주파수를 추정하기 위해 주파수 추정장치를 구비하고 있다. 상기 보호 계전기에서 주파수 추정장치는 계통의 고장, 안정도 판단 및 고장 판단을 위해 이용되며, 페이저 측정 장치에서는 측정된 주파수 정보를 이용하여 계통의 상태 모니터링 및 안정적인 전력계통 운영에 필요한 기본적인 데이터로 사용한다. In general, power monitors such as relays or phaser measurement units (PMUs) include a frequency estimator to estimate a frequency of a voltage or a current input from a power supply. In the protection relay, the frequency estimating apparatus is used to determine the system's failure, stability, and failure, and the pager measuring device uses the measured frequency information as basic data for monitoring the system's status and operating a stable power system.
종래의 주파수 추정장치는 영점 교차법(Zero-crossing Method)을 입력되는 신호에 대한 주파수를 추정하였다. 종래 영점 교차법을 이용한 주파수 추정 방법으로는, 도 1a에 도시된 바와 같이, 입력되는 전압 또는 전류의 신호파형에서 영점을 교차하는 시점(T1, T2)을 검출하고, 상기 검출된 영점 교차 시점(T1, T2) 사이의 간격을 계산하여 주파수를 계산하는 방식과, 도 1b에 도시된 바와 같이 입력되는 신호파형을 일정한 주기로 샘플링(Tn-1, Tn)하고, 상기 샘플링한 두 점(Tn-1, Tn) 사이의 파형을 선형이라고 가정한 후, 직선의 방정식을 이용하여 영점 교차점(Tzc)을 계산하는 방식이 있다. The conventional frequency estimator estimates the frequency of a signal input by a zero-crossing method. In a conventional frequency estimation method using a zero crossing method, as illustrated in FIG. 1A, time points T1 and T2 that cross a zero point in a signal waveform of an input voltage or current are detected, and the detected zero point crossing time ( A method of calculating the frequency by calculating the interval between T1 and T2, and sampling the input signal waveform at regular intervals (Tn-1, Tn) as shown in FIG. 1B, and then sampling the two points (Tn-1). After assuming that the waveform between Tn) is linear, there is a method of calculating a zero point intersection point Tzc using an equation of a straight line.
그런데, 상기 영점 교차법을 이용한 주파수 추정 방식은 정확한 영점 교차점을 검출하기 어려워 계산된 주파수와 실제 주파수 사이에 큰 오차가 발생하는 문제점이 있었다. 상기와 같은 오차를 줄이기 위해서는 상기 샘플링된 두 점(Tn-1, Tn) 사이의 파형을 2차 함수 또는 3차 함수로 가정하는 2차 또는 3차 보간법을 이용하면 된다. 그러나, 상기 2차 또는 3차 보간법을 이용하는 경우 차수의 증가에 따라 연산량이 기하급수적으로 증가하게 된다. 이러한 연산량의 증가는 주파수 추정장치에 큰 부담으로 작용한다.However, the frequency estimation method using the zero crossing method has a problem that a large error occurs between the calculated frequency and the actual frequency because it is difficult to detect the exact zero crossing point. In order to reduce such an error, a quadratic or cubic interpolation method may be used, which assumes a waveform between the sampled two points Tn-1 and Tn as a quadratic function or a cubic function. However, when the second or third order interpolation method is used, the amount of calculation increases exponentially as the order is increased. This increase in computation amount puts a heavy burden on the frequency estimator.
또한, 상기 영점 교차법은 원 신호에 포함되어 입력되는 잡음에 대해 매우 취약한 구조를 갖는다. 즉, 노이즈가 포함된 신호가 인가되는 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 여러 개의 영점 교차점(Tzc1, Tzc2, Tzc3)이 발생될 수 있으므로 영점 교차점이 검출이 어려운 문제점이 있다. In addition, the zero crossing method has a structure that is very vulnerable to the input noise contained in the original signal. That is, when a signal containing noise is applied, as illustrated in FIG. 2, since several zero crossing points Tzc1, Tzc2, and Tzc3 may be generated, it is difficult to detect zero crossing points.
본 발명의 목적은 전력계통에서 검출한 전압 또는 전류신호를 디지털신호로 변환하여 마이크로프로세서로 입력하고, 마이크로프로세서에 내장된 주파수추정 알고리즘을 이용하여 주파수를 추정함에 따라 부가적인 하드웨어 없이도 소프트웨어만으로 정확한 주파수의 추정이 가능한 전력계통의 주파수 추정장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to convert the voltage or current signal detected by the power system into a digital signal and input it to the microprocessor, and to estimate the frequency using a frequency estimation algorithm built in the microprocessor, the correct frequency only in software without additional hardware An apparatus and method for estimating a frequency of a power system capable of estimating is provided.
본 발명의 다른 목적은 전력계통에서 검출한 전압 또는 전류신호를 디지털신호로 변환하여 마이크로프로세서의 직교필터로 입력하고, 직교필터를 통해 생성된 코사인 및 사인신호를 일정시간 간격으로 샘플링하여 세 개의 샘플값을 획득한 후 세 개의 샘플값을 이용하여 직교필터로 입력되는 신호에 대한 주파수를 추정함에 따라 신호 크기의 변화에 관계없이 정밀한 주파수의 추정이 가능한 전력계통의 주파수 추정장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to convert the voltage or current signal detected by the power system into a digital signal and input to the orthogonal filter of the microprocessor, and sample the cosine and sine signal generated by the orthogonal filter at regular intervals three samples By acquiring a value and estimating the frequency of the signal input to the quadrature filter using three sample values, the frequency estimation apparatus of the power system capable of accurately estimating the frequency regardless of the change in the signal magnitude and a method thereof are provided. There is.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 수단은, 전력계통으로부터 검출한 전류 또는 전압값을 제공받아 디지털신호로 변환하는 A/D변환부; 상기 A/D변환부에서 변환된 디지털신호(x[n])로부터 실수축 성분의 코사인신호(Xr[n])를 생성하는 코사인필터; 상기 A/D변환부에서 변환된 디지털신호(x[n])로부터 허수축 성분 의 사인신호(Xi[n])를 생성하는 사인필터; 및 상기 코사인필터 및 상기 사인필터에서 생성되는 직교성분의 신호(Xr[n], Xi[n])를 일정시간 간격으로 샘플링하여 세 개의 샘플값을 추출하되, 마지막에 샘플링된 제 3샘플값(X2)의 보상계수(k)를 획득한 후 제 3샘플값(X2)과 연산하여 샘플보상값(X2c)을 구하고, 상기 샘플보상값(X2c)과 최초 샘플링된 제 1샘플값(X1)을 이용하여 상기 디지털신호에 대한 주파수(f)를 추정하는 주파수추정부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Technical means of the present invention for achieving the above object, A / D conversion unit for receiving a current or voltage value detected from the power system to convert into a digital signal; A cosine filter for generating a cosine signal Xr [n] of a real axis component from the digital signal x [n] converted by the A / D converter; A sine filter for generating a sine signal Xi [n] of a imaginary axis component from the digital signal x [n] converted by the A / D converter; And extracting three sample values by sampling the quadrature signals Xr [n] and Xi [n] generated by the cosine filter and the sine filter at predetermined time intervals, and finally extracting the third sample values ( After obtaining the compensation coefficient k of X2) and calculating with the third sample value X2, the sample compensation value X2c is obtained, and the sample compensation value X2c and the first sampled first sample value X1 are obtained. And a frequency estimator for estimating a frequency f for the digital signal using the frequency estimator.
구체적으로, 상기 주파수추정부의 세 개의 샘플값은, 상기 코사인 및 사인필터에서 생성되는 직교성분의 신호를 최초로 샘플링된 제 1샘플값(X1)과, 상기 제 1샘플값이 1/4회전된 시점 이내에서 샘플링된 제 2샘플값(X0), 및 상기 제 1샘플값이 n회전된 시점에서 샘플링된 제 3샘플값(X2)을 포함하는 것을 특징으로 한다.In detail, the three sample values of the frequency estimation unit include a first sample value X1 obtained by first sampling a quadrature signal generated by the cosine and a sine filter, and a time point at which the first sample value is 1/4 rotated. And a second sample value X0 sampled within the range, and a third sample value X2 sampled at the time when the first sample value is rotated n times.
또한, 상기 주파수추정부의 제 3샘플값(X2)에 대한 보상계수 k는 하기의 수학식 1을 이용하여 구하는 것을 특징으로 한다.In addition, the compensation coefficient k for the third sample value X2 of the frequency estimation may be obtained by using
수학식 1
단, a는 이고, b는 이고, Xr[n1]은 첫번째로 샘플링된 코사인필터의 출력값이고, Xi[n1]은 첫번째로 샘플링된 사인필터의 출력값이고, Xr[n0]은 두번째로 샘플링된 코사인필터의 출력값이고, Xi[n0]은 두번째로 샘플링된 사인필터의 출력값이고, Xr[n2]는 세번째로 샘플링된 코사인필터의 출력값이고, Xi[n2]는 세번째로 샘플링된 사인필터의 출력값임.Where a is And b is Xr [n1] is the output value of the first sampled cosine filter, Xi [n1] is the output value of the first sampled cosine filter, Xr [n0] is the output value of the second sampled cosine filter, and Xi [n0 ] Is the output value of the second sampled sine filter, Xr [n2] is the output value of the third sampled cosine filter, and Xi [n2] is the output value of the third sampled sine filter.
상기 주파수추정부의 디지털신호에 대한 주파수는, 제 1샘플값(X1)과 샘플보상값(X2c)의 위상차에 따라 하기의 수학식 1 또는 수학식 2로 계산되는 것을 특징으로 한다.The frequency of the digital signal of the frequency estimation is calculated by the following
수학식 1
, ,
여기서, α는 임.Where α is being.
수학식 2
, ,
여기서, α는 임.Where α is being.
단, 수학식 1 및 2에서, n1은 첫 번째 샘플링 시간이고, n2는 세번째 샘플링 시간이고, Xr[n1]은 첫번째로 샘플링된 코사인필터의 출력값이고, Xi[n1]은 첫번째로 샘플링된 사인필터의 출력값이고, Xr[n2]는 세번째로 샘플링된 코사인필터의 출력값이고, Xi[n2]는 세번째로 샘플링된 사인필터의 출력값이고, Xcr[n2]는 Xr[n2]의 보상값이고, Xci[n2]는 Xi[n2]의 보상값이고, N은 주기당 샘플수이고, k는 보상계수이며, T는 두 개의 샘플값의 위상차임.In
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 방법은, 전력계통으로부터 검출한 전류 또는 전압값을 제공받아 디지털신호로 변환하는 제 1단계; 코사인필터 및 사인필터를 이용하여 상기 디지털신호(x[n])로부터 직교성분인 코사인신호(Xr[n]) 및 사인신호(Xi[n])를 각각 검출하여 출력하는 제 2단계; 주파수추정부는 상기 코사인필터 및 사인필터에서 출력되는 직교성분의 신호를 일정시간 간격으로 샘플링하여 세 개의 샘플값(X1, X0, X2)을 각각 추출하는 제 3단계; 상기 추출한 세 개의 샘플값 중 마지막에 추출한 제 3샘플값(X2)의 보상계수(k)를 구한 후 제 3샘플값에 보상계수를 연산하여 샘플보상값(X2c)을 획득하는 제 4단계; 및 상기에서 획득한 최초 샘플값(X1)과 제 3샘플값에 대한 샘플보상값(X2c)을 이용하여 상기 디지털신호(x[n])에 대한 주파수를 추정하는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Technical method of the present invention for achieving the above object, the first step of receiving a current or voltage value detected from the power system to convert into a digital signal; A second step of detecting and outputting a cosine signal (Xr [n]) and a sine signal (Xi [n]), which are orthogonal components, from the digital signal (x [n]) by using a cosine filter and a sine filter; A frequency estimating step of extracting three sample values (X1, X0, X2) by sampling the quadrature signals output from the cosine filter and the sine filter at predetermined time intervals; A fourth step of obtaining a sample compensation value (X2c) by obtaining a compensation coefficient (k) of the third sample value (X2) extracted last among the extracted three sample values and calculating a compensation coefficient on the third sample value; And a fifth step of estimating the frequency of the digital signal x [n] using the sample compensation value X2c for the first sample value X1 and the third sample value obtained above. It features.
구체적으로, 상기 제 3단계에서 세 개의 샘플값을 추출할 때, 주파수추정부는 두번째로 샘플링하는 제 2샘플값(X0)을 샘플링 주파수를 기준으로 제 1샘플값(X1)을 추출한 시점에 최대한 근접하여 추출하고, 마지막으로 샘플링하는 제 3샘플값(X2)을 제 1샘플값(X1)이 추출된 시점을 기준으로 시간간격이 큰 시점에서 샘플링하는 것을 특징으로 한다.Specifically, when extracting the three sample values in the third step, the frequency estimator is as close as possible to the time when the first sample value (X1) to the second sampling value (X0) to sample the second sampling frequency based on the sampling frequency And sampling the third sample value X2 to be sampled at a time point having a large time interval with respect to the time point at which the first sample value X1 is extracted.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 보다 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전력계통의 주파수 추정장치를 나타낸 개략적인 블록도로서, 주파수 추정장치(100)는 앤티-앨리어싱 필터(110), A/D변환부(130), 마이크로프로세서(150), 직교필터(160) 및 주파수추정부(170)를 포함하여 구성된다. 3 is a schematic block diagram illustrating an apparatus for estimating a frequency of a power system according to an exemplary embodiment of the present invention, wherein the apparatus for estimating
상기 앤티-앨리어싱 필터(110; Anti-aliasing Filter)는 전력시스템의 전압과 전류를 검출하는 전압검출기(PT)와 전류검출기(CT)로부터 각각 출력되는 신호에 포함된 위신호(aliasing)를 제거하기 위한 필터이다. The
상기 A/D변환부(130)는 앤티-앨리어싱 필터(110)로부터 입력되는 아날로그 전압 또는 전류 신호를 제공받아 디지털신호로 변환하여 마이크로프로세서(150)로 출력한다. The A /
상기 마이크로프로세서(150)의 직교필터(160)는 상기 A/D변환부(130)로부터 입력되는 디지털신호를 직교성분을 갖는 두 개의 신호로 분리하여 출력한다. 상기 직교필터(160)는 코사인필터(cosine Filter; 161)와 사인필터(Sine Filter; 165)로 구성되어 있다. The
상기 코사인필터(161)는 상기 A/D변환부(130)에 의해 변환된 디지털신호로부터 실수축 성분인 코사인신호를 추출하여 출력한다.The
상기 사인필터(165)는 상기 A/D변환부(130)에 의해 변환된 디지털신호로부터 허수축 성분인 사인신호를 추출하여 출력한다. 상기 코사인필터(161)와 사인필터(165)에서 출력되는 신호는 90°의 위상차를 갖는다. The
상기 코사인필터(161)에서 출력되는 실수축의 코사인신호(Xr[n])와 사인필터(165)에서 출력되는 허수축의 사인신호(Xi[n])는 아래 수학식 1과 같이, 유한 임펄스 응답(FIR; Finite Impulse Response) 특성을 갖는 필터이다.The cosine signal Xr [n] of the real axis output from the
여기서, x는 입력신호이고, N은 필터의 주기당 샘플수이다. Where x is the input signal and N is the number of samples per period of the filter.
상기 코사인필터(161) 및 상기 사인필터(165)에서 각각 출력되는 신호 Xr[n]과 Xi[n]은 도 4에서와 같은 주파수응답특성의 크기를 갖는다. 즉, 주파수가 기본주파수인 60Hz일 때에는 상기 코사인필터(161)와 사인필터(165)의 주파수응답특성의 크기가 1로 동일하나, 주파수에 따라 주파수응답특성의 크기는 달라진다. 예를 들면, 주파수가 기본주파수보다 작을 때는 상기 사인필터(165)의 주파수응답특성의 크기가 상기 코사인필터(161)보다 큰 반면, 주파수가 기본주파수보다 클 때에는 상기 코사인필터(161)의 주파수응답특성의 크기가 상기 사인필터(165)보다 크다.The signals Xr [n] and Xi [n] respectively output from the
이하에서는 상기 코사인필터(161) 및 사인필터(165)로 입력되는 신호 x[n]이 수학식 2와 같은 주파수 f이고, 위상각 φ인 코사인신호라고 가정한다. Hereinafter, it is assumed that the signal x [n] input to the
여기서, A는 입력되는 신호의 크기이고, N은 주기당 샘플수이다.Here, A is the magnitude of the input signal and N is the number of samples per period.
상기 코사인필터(161) 및 사인필터(165)로 상기 수학식 2와 같은 신호가 입력될 경우, 코사인필터(161)와 사인필터(165)에서 각각 출력되는 신호 Xr[n], Xi[n]은 다음 수학식 3과 같다. When the signal shown in
여기서, Hc(f)는 코사인필터의 주파수응답특성의 크기이고, Hs(f)는 사인필터의 주파수응답특성의 크기이고, φc는 코사인필터에서 발생하는 위상각 지연이며, φs는 사인필터에서 발생하는 위상각 지연이다.Here, Hc (f) is the magnitude of the frequency response characteristic of the cosine filter, Hs (f) is the magnitude of the frequency response characteristic of the sine filter, φc is the phase angle delay occurring in the cosine filter, and φs is generated in the sine filter. Phase angle delay.
상기 코사인필터(161)와 사인필터(165)에서 각각 출력되는 신호 Xr[n], Xi[n]은 90°의 위상차를 가지므로, 아래의 수학식 4가 성립된다. Since signals Xr [n] and Xi [n] output from the
상기 수학식 4를 상기 수학식 3에 대입하여 정리하면 아래 수학식 5와 같은 코사인 함수 및 사인 함수로 나타낼 수 있다. By substituting Equation 4 into Equation 3, it can be represented by a cosine function and a sine function as shown in Equation 5 below.
여기서, 상기 Hc(f)는 코사인필터의 주파수응답특성의 크기고, Hs(f)는 사인필터의 주파수응답특성의 크기고, A는 입력신호의 크기이고, N은 주기당 샘플수이다.Here, Hc (f) is the magnitude of the frequency response characteristic of the cosine filter, Hs (f) is the magnitude of the frequency response characteristic of the sine filter, A is the magnitude of the input signal, and N is the number of samples per period.
상기에서 코사인 함수와 사인 함수의 내부 변수를 Ω이라고 두고, 코사인필터(161)와 사인필터(165)에서 각각 출력되는 신호 Xr[n]과 Xi[n]의 궤적을 복소평면 상에 도시하면 도 5와 같다. 도 5에 도시된 바와 같이, 궤적과 실수축(Re) 및 허수축(Im)과 만나는 지점은 코사인필터(161)의 주파수응답특성의 크기(Hc(f))와 사인필터(165)의 주파수응답특성의 크기(Hs(f))에 따라 달라진다. The internal variables of the cosine function and the sine function are Ω, and the locus of the signals Xr [n] and Xi [n] output from the
그리고, 상기 코사인필터(161)의 주파수응답특성의 크기(Hc(f))와 사인필터(165)의 주파수응답특성의 크기(Hs(f))는 주파수에 따라 달라지며, 그에 따라 복소평면 상의 궤적 또한 달라진다. 예를 들면, 코사인필터(161)와 사인필터(165)에서 각각 출력되는 신호 Xr[n]과 Xi[n]은 주파수가 기본주파수(60Hz)일 경우에는 복소평면 상에 원의 궤적을 그리며, 주파수가 기본주파수(60Hz)가 아닐 경우에는 타원의 궤적을 그린다.In addition, the magnitude (Hc (f)) of the frequency response characteristic of the
한편, 상기 주파수추정부(170)는 상기 코사인필터(161) 및 사인필터(165)에서 각각 생성되는 신호(Xr[n], Xi[n])에서 일정시간 간격으로 세 개의 샘플값(X1, X0, X2)을 추출한다. 이와 같이 샘플링한 세 개의 샘플값인 제 1샘플값(X1), 제 2샘플값(X0) 및 제 3샘플값(X2)을 각각 복소평면 상에 나타낸 것이 도 6이다. 여기서, 제 1샘플값(X1)은 첫 번째 샘플링한 값이고, 제 2샘플값(X0)은 제 1샘플값(X1)이 1/4회전된 시점에 샘플링한 값이고, 제 3샘플값(X2)은 제 1샘플값(X1)이 3회전된 시점에 샘플링한 값을 나타낸 것이다. On the other hand, the
상기에서 세 개의 샘플값(X1, X0, X2)을 추출하는 시점은 실시예에 불과한 데, 주파수추정부(170)는 제 2샘플값(X0)을 샘플링 주파수를 기준으로 제 1샘플 값(X1)이 추출된 시점에 최대한 근접하여 샘플링하는 것이 바람직하고, 제 3샘플값(X2)은 제 1샘플값(X1)이 샘플링된 시점을 기준으로 제 1샘플값(X1)과 가능한 시간간격이 최대한 크게 되도록 샘플링하는 것이 바람직하다.The time point at which the three sample values X1, X0, and X2 are extracted is only an embodiment, and the
상기 주파수추정부(170)는 이와 같이 샘플링한 세 개의 샘플값(X1, X0, X2)을 이용하여 코사인필터(161) 및 사인필터(165)에서 출력되는 신호의 크기변화에 관계없이 그 궤적 및 주파수를 추정할 수 있다.The
아울러, 상기 직교필터(160)와 주파수추정부(170)는 마이크로프로세서(150)에 내장된 주파수추정 알고리즘으로서, 마이크로프로세서(150)에 내장된 소프트웨어에 의해 주파수를 추정하는 것이다.In addition, the
도 6을 보면, 주파수추정부(170)에서 첫번째로 샘플링한 제 1샘플값(X1)이 세번째로 샘플링한 제 3샘플값(X2)으로 회전할 때 주파수는 변화하지 않고 신호의 크기가 변화하면, 제 3샘플값(X2)은 제 1샘플값(X1)과 다른 궤적에 위치함을 알 수 있다. 여기서, 만약 제 1샘플값(X1)과 제 3샘플값(X2)만을 이용하여 주파수를 추정하면 신호의 크기의 변화가 있기 때문에 오차가 발생하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 이와 같은 오차를 줄이기 위하여 제 3샘플값(X2)을 보상하여 샘플보상값(X2c)을 구한 후 제 1샘플값(X1)과 샘플보상값(X2c)을 이용하여 주파수를 추정하게 된다.Referring to FIG. 6, when the first sample value X1 sampled by the
먼저, 제 1샘플값(X1)과 제 2샘플값(X0)을 이용하여 가장 외곽의 타원의 방정식(Ellipse Equation)을 구하면 아래 수학식 6과 같다.First, an ellipse equation of the outermost ellipse is obtained using the first sample value X1 and the second sample value X0.
여기서, 상기 Hc(f)는 코사인필터의 주파수응답특성의 크기고, Hs(f)는 사인필터의 주파수응답특성의 크기고, A는 입력신호의 크기이고, Xr[n]은 n번째로 샘플링된 코사인필터의 출력값이고, Xi[n]은 n번째로 샘플링된 사인필터의 출력값이다.Where Hc (f) is the magnitude of the frequency response characteristic of the cosine filter, Hs (f) is the magnitude of the frequency response characteristic of the sine filter, A is the magnitude of the input signal, and Xr [n] is the nth sampling. Is the output value of the cosine filter, and Xi [n] is the output value of the nth sampled sine filter.
상기 수학식 6을 a와 b로 나타내면 아래 수학식 7과 같이 정리할 수 있다.If Equation 6 is represented by a and b, it can be summarized as Equation 7 below.
여기서, a와 b는 다음과 같다.Where a and b are as follows.
상기 수학식 6의 타원방정식에 제 1샘플값(X1)과 제 2샘플값(X0)의 좌표를 입력하여 연립방정식으로 정리하면 아래 수학식 8과 같다.When the coordinates of the first sample value X1 and the second sample value X0 are input to the elliptic equation of Equation 6 and arranged into a system of simultaneous equations, Equation 8 below.
여기서, Xr[n1]은 첫번째로 샘플링된 코사인필터의 출력값이고, Xi[n1]은 첫번째로 샘플링된 사인필터의 출력값이고, Xr[n0]은 두번째로 샘플링된 코사인필터의 출력값이고, Xi[n0]은 두번째로 샘플링된 사인필터의 출력값이다.Where Xr [n1] is the output value of the first sampled cosine filter, Xi [n1] is the output value of the first sampled cosine filter, Xr [n0] is the output value of the second sampled cosine filter, and Xi [n0 ] Is the output of the second sampled sine filter.
상기 수학식 8의 연립방정식을 a, b에 대하여 아래 수학식 9와 같다.The system of equations (8) is equal to Equation (9) below for a and b.
제 1샘플값(X1)이 있는 타원과 제 3샘플값(X2)이 있는 타원은 주파수가 같기 때문에 타원의 크기만 다르고, 실수와 허수축과 만나는 지점의 비율은 동일하다. 따라서, 제 1샘플값(X1)의 타원에 있는 제 3샘플값(X2)과 제 3샘플값에 대한 샘플보상값(X2c)은 아래의 수학식 10과 같은 비례관계에 있다.The ellipse with the first sample value (X1) and the ellipse with the third sample value (X2) have the same frequency, so only the size of the ellipse is different, and the ratio of the point where the real and imaginary axes meet is the same. Therefore, the third sample value X2 in the ellipse of the first sample value X1 and the sample compensation value X2c with respect to the third sample value have a proportional relationship as shown in
여기서, k는 제 3샘플값(X2)의 보상계수임.Where k is the compensation coefficient of the third sample value (X2).
상기 수학식 10은 실수와 허수부로 나누어 표시하면 아래의 수학식 11과 같다.
상기 수학식 11의 제 3샘플값(X2)의 실수축 샘플보상값(X2cr)과 허수축 샘플보상값(X2ci)을 상기 수학식 7의 타원방정식에 대입하여 정리하면 아래 수학식 12와 같다.When the real axis sample compensation value X2cr and the imaginary axis sample compensation value X2ci of the third sample value X2 of Equation 11 are substituted into the elliptic equation of Equation 7, the following Equation 12 is obtained.
상기 수학식 12에서 제 3샘플값(X2)의 보상계수 k를 구하면 아래 수학식 13과 같다.When the compensation coefficient k of the third sample value X2 is obtained from Equation 12, Equation 13 is obtained.
단, a는 이고, b는 이고, Xr[n1]은 첫번째로 샘플링된 코사인필터의 출력값이고, Xi[n1]은 첫번째로 샘플링된 사인필터의 출력값이고, Xr[n0]은 두번째로 샘플링된 코사인필터의 출력값이고, Xi[n0]은 두번째로 샘플링된 사인필터의 출력값이고, Xr[n2]는 세번째로 샘플링된 코사인필터의 출력값이고, Xi[n2]는 세번째로 샘플링된 사인필터의 출력값임.Where a is And b is Xr [n1] is the output value of the first sampled cosine filter, Xi [n1] is the output value of the first sampled cosine filter, Xr [n0] is the output value of the second sampled cosine filter, and Xi [n0 ] Is the output value of the second sampled sine filter, Xr [n2] is the output value of the third sampled cosine filter, and Xi [n2] is the output value of the third sampled sine filter.
상기 수학식 12에서 구해진 보상계수 k를 제 3샘플값(X2)에 곱하여 샘플보상값(X2c)을 구하고, 이와 같이 구해진 샘플보상값(X2c)과 제 1샘플값(X1)을 주파수 추정식에 대입하여 정리하면 아래 수학식 14 및 15와 같다.The compensation coefficient k obtained in Equation 12 is multiplied by the third sample value X2 to obtain a sample compensation value X2c, and the sample compensation value X2c and the first sample value X1 obtained as described above are converted into a frequency estimation equation. Substituting and arranging, it is shown in Equations 14 and 15 below.
여기서, α는 이다.Where α is to be.
여기서, α는 이다.Where α is to be.
그리고, 상기 수학식 14 및 15에서, n1은 첫 번째 샘플링 시간이고, n2는 세번째 샘플링 시간이고, Xr[n1]은 첫번째로 샘플링된 코사인필터의 출력값이고, Xi[n1]은 첫번째로 샘플링된 사인필터의 출력값이고, Xr[n2]는 세번째로 샘플링된 코사인필터의 출력값이고, Xi[n2]는 세번째로 샘플링된 사인필터의 출력값이고, Xcr[n2]는 Xr[n2]의 보상값이고, Xci[n2]는 Xi[n2]의 보상값이고, N은 주기당 샘플수이고, k는 보상계수이며, T는 두 개의 샘플값의 위상차이다.In Equations 14 and 15, n1 is the first sampling time, n2 is the third sampling time, Xr [n1] is the output value of the first sampled cosine filter, and Xi [n1] is the first sampled sine. Xr [n2] is the output value of the third sampled cosine filter, Xi [n2] is the output value of the third sampled sine filter, Xcr [n2] is the compensation value of Xr [n2], and Xci. [n2] is the compensation value of Xi [n2], N is the number of samples per period, k is the compensation factor, and T is the phase difference between two sample values.
상기에서 cos-1α값은 일정한 주기성을 갖고 반복되므로, 상기 cos-1α값이 어느 범위에 속하는지를 알아내야 한다. 상기 cos-1α값이 어느 범위에 속하는지의 여부는 상기 두 개의 샘플값(X1, X2c)의 위상차(T)를 통해 알 수 있다. 그리고, 상기 두 개의 샘플값(X1, X2c)은 상기 주파수추정부(170)에서 취해지는 값이므로, 상기 주파수추정부(170)는 추정을 통해 상기 두 개의 샘플값(X1, X2c)의 위상차(T)를 알 수 있다. 상기 두 개의 샘플값(X1, X2c)의 위상차(T)가 결정되면, 상기 k값이 정해지면 상기 cos-1α값이 코사인 함수의 어느 범위에 해당되는지를 알 수 있으므로, 주파수(f)를 계산할 수 있다. Since the cos -1 α value is repeated with a certain periodicity, it is necessary to find out which range the cos -1 α value belongs to. The range of the cos -1 α value can be determined by the phase difference T between the two sample values X1 and X2c. In addition, since the two sample values X1 and X2c are values taken by the
한편, 상기에서 두 개의 샘플값(X1, X2c)을 취하는 간격을 증가시키는 경우 주파수 추정시에 발생하는 오차를 감소시킬 수 있다. 여기서, 상기 주파수 추정시에 발생하는 오차는 주파수 추정을 위해 이용되는 요소들 계산에 따른 오차로, 상기 수학식 14 또는 15에서는 'cos-1 α'값을 계산시에 많은 오차가 발생한다. 상기 'cos-1 α'값 계산에 따른 오차는 상기 두 개의 샘플값(X1, X2c)을 취하는 간격이 클수록 감소하게 된다. 따라서, 두 개의 샘플값(X1, X2c)을 취하는 간격이 클수록 주파수 추정시의 정밀도는 증가하게 된다. On the other hand, in the case of increasing the interval between the two sample values (X1, X2c) it can reduce the error that occurs during the frequency estimation. Here, the error occurring during the frequency estimation is an error according to the calculation of the elements used for frequency estimation. In Equation 14 or 15, many errors occur when calculating the 'cos -1 α' value. The error according to the 'cos −1 α' value decreases as the interval between the two sample values X1 and X2c is increased. Therefore, the larger the interval between the two sample values X1 and X2c, the greater the accuracy in frequency estimation.
그러나, 상기 두 개의 샘플값(X1, X2c)을 취하는 간격이 증가하게 되면 주파수 추정 속도는 감소하게 되므로, 주파수 추정 밀도와 추정 속도를 고려하여 적절한 샘플링 주기를 설정하여야 한다. However, if the interval between the two sample values X1 and X2c is increased, the frequency estimation speed is decreased. Therefore, an appropriate sampling period should be set in consideration of the frequency estimation density and the estimation speed.
도 7은 본 발명에 의한 주파수 추정방법을 개략적으로 나타낸 플로우챠트로서, 먼저 전압검출기(PT) 또는 전류검출기(CT)는 전력계통으로부터 전압과 전류를 검출하여 아날로그신호처리부인 앤티-앨리어싱 필터(110)를 통해 A/D변환부(130)로 출력하고, A/D변환부(130)는 전류 또는 전압값을 디지털신호로 변환하여 마이크로프로세서(150)로 출력하게 된다(S1).7 is a flowchart schematically illustrating a frequency estimation method according to the present invention. First, a voltage detector PT or a current detector CT detects a voltage and a current from a power system to prevent an
상기 마이크로프로세서(150)의 직교필터(160)는 A/D변환부(130)에서 출력되는 디지털신호(x[n])를 제공받아 코사인필터(161)와 사인필터(165)를 통해 2개의 직교성분인 실수축 코사인신호(Xr[n])와 허수축 사인신호(Xi[n])를 상기의 수학식 5와 같이 생성하고, 생성된 직교성분의 신호(Xr[n], Xi[n])를 주파수추정부(170)로 출력한다(S2).The
상기 주파수추정부(170)는 직교필터(160)로부터 출력되는 직교성분의 신호(Xr[n], Xi[n]) 중에서 일정시간 간격으로 세 개의 샘플값(X1, X0, X2)을 각각 추출하고, 추출된 제 1샘플값(X1)과 제 2샘플값(X0) 및 제 3샘플값(X2)을 일시 저장한다(S3). 상기 추출한 세 개의 샘플값(X1, X0, X2)을 복소평면에 나타낸 것이 도 6인 것이다. 여기에서 세 개의 샘플값을 추출할 때, 두번째로 샘플링하는 제 2샘플값(X0)은 샘플링 주파수를 기준으로 제 1샘플값(X1)을 추출한 시점에 최대한 근접하여 추출하는 것이 바람직하고, 마지막으로 샘플링하는 제 3샘플값(X2)은 제 1샘플값(X1)을 추출한 시점을 기준으로 최대한 시간간격이 큰 시점에서 샘플링하는 것이 주파수추정 오차를 줄일 수 있어 바람직하다. The
이와 같이 추출된 세 개의 샘플값(X1, X0, X2)을 이용하여 상기의 수학식 13을 이용하여 보상계수 k를 구하고(S4), 주파수추정부(170)는 구해진 보상계수 k와 제 3샘플값(X2)을 승산하여 연산함에 따라 제 3샘플값에 대한 샘플보상값(X2c)을 획득하게 된다(S5).Using the three sample values X1, X0, and X2 extracted as described above, a compensation coefficient k is obtained using Equation 13 above (S4), and the
주파수추정부(170)는 이와 같이 구해진 샘플보상값(X2c)과 첫번째로 샘플링한 제 1샘플값(X1)을 상기의 수학식 14 또는 수학식 15와 같은 주파수 추정식에 대입하여 주파수(f)를 계산함에 따라 A/D변환부(130)에서 출력된 신호(x[n])에 대한 주파수를 추정하게 된다(S6). The
상기 수학식 14의 경우에는 두 개의 샘플값(X1, X2c)의 위상차(T)가 에 속할 경우에 적용하는 주파수 추정식이고, 수학식 15의 경우에는 두 개의 샘플값(X1, X2c)의 위상차(T)가 에 속할 경우 에 적용하는 주파수 추정식이다.In the case of Equation 14, the phase difference T between two sample values X1 and X2c is Is a frequency estimation equation to be applied to the equation, and in the case of Equation 15, the phase difference T between two sample values X1 and X2c is It is a frequency estimation formula applied to when.
도 8은 본 발명에 의한 전력계통의 주파수 추정 시뮬레이션을 나타낸 도면으로서, a는 전력계통에서의 실제 전압의 주파수이고, b는 실제 주파수를 제 1샘플값(X1)과 제 3샘플값(X2)만을 이용하여 추정한 경우를 나타낸 것이며, c는 실제 주파수를 본 발명에 의한 주파수추정 알고리즘을 이용하여 추정한 경우를 나타낸 것이다.8 is a diagram illustrating a frequency estimation simulation of a power system according to the present invention, where a is a frequency of an actual voltage in a power system, and b is a first sample value (X1) and a third sample value (X2). It shows the case of estimating using only, and c shows the case of estimating the actual frequency using the frequency estimation algorithm according to the present invention.
도시된 바와 같이 전력계통의 실제 주파수 a는 갑작스런 부하의 변동으로 인해 주파수가 갑자기 감소된 후 원래의 주파수로 복귀하게 된다.As shown, the actual frequency a of the power system returns to the original frequency after the frequency suddenly decreases due to a sudden load change.
여기에서, 본 발명의 주파수 추정방식을 적용한 c의 경우는 전압 크기의 시간당 변화량이 가장 큰 부분에서도 불연속적인 변화없이 실제 주파수를 정확하게 추정하게 되지만, 제 1샘플값(X1)과 제 3샘플값(X3)만으로 주파수를 추정한 경우에는 b의 신호파형과 같이 전압 크기의 시간당 변화량이 가장 큰 부분에서 불연속적으로 변화하는 현상이 발생하여 주파수 추정에 다소의 오차가 발생되는 것을 알 수 있다.Herein, in the case of c to which the frequency estimation method of the present invention is applied, the actual frequency can be accurately estimated without discontinuous change even in the portion where the amount of change in the voltage magnitude is the largest, but the first sample value X1 and the third sample value ( In the case of estimating the frequency by X3) alone, it can be seen that some errors occur in the frequency estimation due to the discontinuous change in the hourly variation of the voltage magnitude, such as the signal waveform of b.
따라서, 세 개의 샘플값(X1, X0, X2)을 추출하되, 마지막에 추출한 제 3샘플값(X2)에 대한 샘플보상값(X2c)을 구하고, 상기 샘플보상값(X2c)과 제 1샘플값(X1)을 이용하여 주파수를 추정하는 것이 바람직한 것이다.Accordingly, three sample values (X1, X0, X2) are extracted, and a sample compensation value (X2c) for the third sample value (X2) extracted last is obtained, and the sample compensation value (X2c) and the first sample value are obtained. It is desirable to estimate the frequency using (X1).
도 9는 본 발명에 의한 주파수 추정장치(100)가 계전기(200)에 적용된 예를 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이 아날로그신호처리부인 아날로그 채널(110)과 A/D변환부(130)를 통해 입력된 전압신호는 본 발명의 주파수추정 알고리즘이 내장 된 마이크로프로세서(150)의 직교필터(160)와 주파수추정부(170)에 입력되고, 주파수추정부(170)에 의해 추정된 주파수는 계전요소(예컨대, Underfrequency, Overfrequency, df/dt 등)의 동작을 위한 기본 동작값으로 사용된다. 또한 과여자 V/F에도 적용이 가능하다.9 is a view showing an example in which the
도 10은 본 발명에 의한 주파수 추정장치(100)가 페이저측정장치(300; PMU)에 적용된 예를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이 아날로그신호처리부인 아날로그 채널(110)과 A/D변환부(130)를 통해 입력된 전압 또는 전류신호는 본 발명의 핵심 구성인 주파수추정 알고리즘이 내장된 마이크로프로세서(150)의 직교필터(160)와 주파수추정부(170)에 입력되고, 주파수추정부(170)에 의해 측정된 주파수와 페이저측정기(350)에 의해 측정된 페이저는 통신선로를 통해 상위 시스템으로 전달된다.10 is a view showing an example in which the
이와 같이 추정된 주파수는 측정된 페이저의 보상에 이용될 수 있다.The estimated frequency may be used to compensate for the measured phaser.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Although the present invention has been described in detail with reference to exemplary embodiments above, those skilled in the art to which the present invention pertains can make various modifications to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. I will understand. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the claims below and equivalents thereof.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는, 전력계통에서 검출한 전압 또는 전류신호를 디지털신호로 변환하여 마이크로프로세서로 입력하고, 마이크로프로세서에 내장된 주파수추정 알고리즘을 이용하여 주파수를 추정함에 따라 부가적인 하드웨어 없이도 소프트웨어만으로 정확한 주파수의 추정이 가능한 이점이 있다.As described above, in the present invention, the voltage or current signal detected by the power system is converted into a digital signal and input to the microprocessor, and the frequency is estimated using a frequency estimation algorithm built in the microprocessor, so that no additional hardware is required. The software alone has the advantage of allowing accurate frequency estimation.
또한, 직교필터를 통해 생성된 코사인 및 사인신호를 일정시간 간격으로 샘플링하여 세 개의 샘플값을 획득한 후 세 개의 샘플값을 이용하여 직교필터로 입력되는 신호에 대한 주파수를 추정함에 따라 신호 크기의 변화에 관계없이 정밀한 주파수의 추정이 가능한 이점이 있다.In addition, the cosine and sine signals generated by the orthogonal filter are sampled at predetermined time intervals to obtain three sample values, and then the frequency of the signal input to the orthogonal filter is estimated using the three sample values. There is an advantage in that accurate frequency estimation is possible regardless of the change.
또한, 직교필터를 통과한 신호를 이용하여 주파수를 추정함으로써, 신호에 포함된 잡음에 의해 발생하는 주파수추정 오차를 감소시킬 수 있고, 직교필터를 통과한 샘플값들을 취하는 간격을 변화시키는 경우 주파수추정 정밀도와 추정 속도를 변화시킬 수 있어 설계조건에 따라 주파수추정 특성을 최적화시킬 수 있는 이점이 있다.In addition, by estimating the frequency using the signal passing through the orthogonal filter, the frequency estimation error caused by the noise included in the signal can be reduced, and the frequency estimation when the interval of taking the sample values passed through the orthogonal filter is changed. Since the precision and the estimated speed can be changed, there is an advantage of optimizing the frequency estimation characteristics according to the design conditions.
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