KR20210122342A - Apparatus and method of estimating frequency - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 주파수 추정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력계통의 전압 신호의 샘플값만을 이용하여 주파수를 추정하되 상간 비대칭 현상에 의한 영향을 해석적으로 제거하여 주파수를 빠르고 정밀하게 추정하는 주파수 추정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for estimating a frequency, and more particularly, estimating a frequency using only a sample value of a voltage signal of a power system, but estimating the frequency quickly and precisely by analytically removing the effect of an asymmetry between phases It relates to a frequency estimation apparatus and method.
전력계통에서 주파수는 전력계통에서 계통부하와 발전량 사이의 균형을 반영하는 대표적인 척도이다. 주파수는 전력계통의 안정적인 운영을 위한 중요 요소 중 하나로써 광역 정전 방지, 발전기 터빈 보호, 분산전원 단독운전 검출을 위한 보호 계전기 이외에도 대용량 ESS 제어 등을 위해 정밀하게 계측되어야 한다. Frequency in the power system is a representative measure that reflects the balance between the grid load and the amount of power generation in the power system. Frequency is one of the important factors for the stable operation of the power system, and must be precisely measured for large-capacity ESS control, in addition to protection relays for wide area blackout prevention, generator turbine protection, and distributed power independent operation detection.
이러한 주파수 계측은 일반적으로 페이저측정장치(PMU; Phasor Measurement Unit)나 보호계전기(Relay) 등과 같은 전력감시기기에서 이루어지며, 이를 적용한 전력 시스템 제어 및 보호의 신뢰성 보장을 위해 주파수 추정 알고리즘의 테스트 방법 및 한계 성능이 IEEE60255-118.1:2018 표준에 제안되어 있다. This frequency measurement is generally performed in a power monitoring device such as a phasor measurement unit (PMU) or a protection relay (Relay). The limiting performance is proposed in the IEEE60255-118.1:2018 standard.
종래의 삼상 전력시스템 주파수 추정방법은 삼상 전압 정보를 Clarke- transform하여 직교하는 복소수 성분으로 변환한 뒤 해당 신호 상에 영점 교차 기법을 적용하거나, 이산 푸리에 변환을 통해 스펙트럼 변환 후 피크점을 찾는 방식들이 그 연산 효율성과 간편성 때문에 주로 사용되었다. In the conventional three-phase power system frequency estimation method, the three-phase voltage information is Clarke-transformed to transform it into an orthogonal complex component, and then the zero-crossing technique is applied to the signal, or the method of finding the peak point after spectrum transformation through discrete Fourier transform. It was mainly used because of its computational efficiency and simplicity.
이외에도 최소자승법과 칼만 필터 기법, 뉴턴 기법 및 인공 신경망 기법 등이 계통 주파수 추정을 위해 사용될 수 있다.In addition, least squares method, Kalman filter method, Newton method, artificial neural network method, etc. can be used for the systematic frequency estimation.
하지만, 전력시스템 평형 상태를 기반으로 도출된 주파수 추정 방식들은 삼상 전력 시스템의 대칭이 깨질 때 과도 상태의 영향이 추정식에 고려되지 않아 주파수 추정의 정밀도가 떨어지는 문제점이 존재한다. 실제 전력 시스템 상에선 급격한 로드의 변화 또는 Fault와 같은 다양한 동적 과도 현상에 의해 전력 상간의 대칭이 깨질 수 있으며, 기존의 삼상 평형 상태 신호를 대상으로 유도된 주파수 추정 방식들은 이러한 과도 상태 변화에 영향을 받아 표준에서 요구되는 주파수 추정 정밀도의 한계를 벗어나게 되므로 전력 시스템의 보호 및 제어를 위해 사용되기 부적절하다. 수요 공급 불균형 및 사고 등으로 인해 전력 계통이 안정하지 못한 상황에서 계통 주파수의 파악이 정밀하지 못하면 제어 및 보호 알고리즘이 제대로 동작하지 못해 추가적인 피해나 대규모 정전으로 이어질 수 있기 때문에 과도 상태에도 빠르고 정밀한 추정이 가능한 주파수 추정 알고리즘이 필요하다.However, the frequency estimation methods derived based on the power system equilibrium state have a problem in that when the symmetry of the three-phase power system is broken, the effect of the transient state is not taken into account in the estimation equation, and thus the precision of frequency estimation is lowered. In an actual power system, the symmetry between power phases may be broken by various dynamic transients such as sudden load changes or faults. It is inappropriate to be used for protection and control of the power system because it exceeds the limit of frequency estimation precision required by the standard. In a situation where the power system is not stable due to supply and demand imbalance and accidents, if the system frequency is not accurately identified, the control and protection algorithms may not operate properly, leading to additional damage or large-scale blackout. A possible frequency estimation algorithm is needed.
전력 시스템의 동적 과도현상으로 인해 발생한 상간 비대칭 현상은 Clarke transform 결과 역상 성분으로 나타나며, 이러한 상간 비대칭 현상의 영향을 정밀하게 제거하기 위해선 비대칭된 신호 파라미터에 대한 도출이 추가적으로 필요하지만 비선형적인 unbalanced 신호의 특성으로 인해 어려움이 존재한다.The interphase asymmetry caused by the dynamic transient of the power system appears as an antiphase component as a result of Clarke transform. To precisely remove the effect of the interphase asymmetry, additional derivation of the asymmetric signal parameter is required, but the characteristics of the nonlinear unbalanced signal difficulties exist because of
Unbalance로 인한 추정 오류를 제거하기 위해 주파수 추정에 필요한 파라미터의 수를 제한하거나 좀 더 단순화된 신호 모델을 사용하는 방법이 제안되었지만 추정 성능에 제약이 생기는 단점이 존재했다. In order to remove the estimation error due to unbalance, a method of limiting the number of parameters required for frequency estimation or using a more simplified signal model has been proposed, but there is a disadvantage in that the estimation performance is limited.
이외에도 PLL과 같은 추가적인 필터를 적용하거나 스펙트럼 피크점의 시간-도메인(time-domain) 상의 관계를 통해 상간 비대칭의 영향을 제거하는 방법들이 제안되어 왔지만 주파수 추정에 딜레이가 생기는 문제가 있었다.In addition, methods have been proposed to apply an additional filter such as PLL or to remove the influence of interphase asymmetry through the time-domain relationship of the spectral peak points, but there is a problem in that the frequency estimation is delayed.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허공보 10-1034469호(2011.05.04)호(2019.07.22)의 '주파수 추정 장치 및 그 방법을 기록한 기록매체'에 개시되어 있다.The background technology of the present invention is disclosed in 'frequency estimation apparatus and recording medium recording the method' of Korean Patent Registration No. 10-1034469 (2011.05.04) (2019.07.22).
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 전력계통의 전압 신호의 샘플값만을 이용하여 주파수를 추정하되 상간 비대칭 현상에 의한 영향을 해석적으로 제거하여 주파수를 빠르고 정밀하게 추정하는 주파수 추정 장치 및 방법을 제공하는 데 있다. The present invention was devised to improve the above problems, and an object according to an aspect of the present invention is to estimate the frequency using only sample values of the voltage signal of the power system, but analytically remove the influence of the phase asymmetry phenomenon. An object of the present invention is to provide a frequency estimation apparatus and method for estimating a frequency quickly and precisely.
본 발명의 일 측면에 따른 주파수 추정 장치는 각 상의 전압신호를 복소수 신호로 변환하는 페이저 변환부; 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호를 이산 푸리에 변환하여 업데이트된 N-포인트 DFT(Discrete Fourier Transform)값을 생성하는 이산 푸리에 변환 업데이트부; 상기 이산 푸리에 변환 업데이트부로부터 출력된 업데이트된 DFT값을 이용하여 수정된 주기도(Modified Periodogram)값을 계산하는 수정된 주기도 계산부; 상기 수정된 주기도 계산부를 통해 얻은 수정된 주기도값의 피크 인덱스값을 검출하는 피크 인덱스 검출부; 상기 수정된 주기 계산부에 의해 생성된 수정된 주기도값과 상기 피크 인덱스 검출부에 의해 검출된 피크 인덱스를 이용하여 주파수 보정 팩터를 검출하는 주파수 추정부; 및 상기 주파수 추정부를 통해 추정된 주파수 보정 팩터를 통해 주파수를 계산하는 주파수 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.A frequency estimating apparatus according to an aspect of the present invention includes: a phasor converter for converting a voltage signal of each phase into a complex signal; a discrete Fourier transform update unit configured to perform a discrete Fourier transform on the complex signal transformed by the phasor transform unit to generate an updated N-point Discrete Fourier Transform (DFT) value; a modified periodogram calculation unit for calculating a modified periodogram value using the updated DFT value output from the discrete Fourier transform update unit; a peak index detector configured to detect a peak index value of the corrected periodogram value obtained through the modified periodogram calculator; a frequency estimator configured to detect a frequency correction factor using the corrected periodogram value generated by the corrected period calculator and the peak index detected by the peak index detector; and a frequency calculator configured to calculate a frequency through the frequency correction factor estimated by the frequency estimator.
본 발명의 상기 페이저 변환부는 각 상의 전압신호를 Clarke transform을 거쳐 복소수 신호로 변환하는 것을 특징으로 한다.The phasor transform unit of the present invention is characterized in that it converts the voltage signal of each phase into a complex signal through Clarke transform.
본 발명의 상기 이산 푸리에 변환 업데이트부는 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호에 대해 슬라이딩 DFT 기법을 이용하는 것을 특징으로 한다.The discrete Fourier transform update unit of the present invention is characterized in that it uses a sliding DFT technique for the complex signal transformed by the phasor transform unit.
본 발명의 상기 이산 푸리에 변환 업데이트부는 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복수수 신호에 대해 슬라이딩 DFT 기법으로 업데이트된 복소수값과 상기 슬라이딩 DFT 기법에 의해 출력되는 시간 전의 복소수값을 이용하여 업데이트된 N-포인트 DFT값을 생성하는 것을 특징으로 한다.The discrete Fourier transform update unit of the present invention is updated by using the complex value updated by the sliding DFT technique and the complex value before the time output by the sliding DFT technique with respect to the plurality of signals transformed by the phasor transform unit. It is characterized in that the point DFT value is generated.
본 발명의 상기 이산 푸리에 변환 업데이트부는 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호에 대해 Rectangular window를 사용하여 DFT 스펙트럼값을 업데이트하는 것을 특징으로 한다.The discrete Fourier transform update unit of the present invention is characterized in that it updates the DFT spectrum value using a rectangular window with respect to the complex signal transformed by the phasor transform unit.
본 발명의 상기 이산 푸리에 변환 업데이트부는 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호에 대해 Rife-Vincent(RV) 윈도우(window)를 적용하여 매 샘플이 들어올 때마다 DFT 스펙트럼값을 업데이트하는 것을 특징으로 한다.The discrete Fourier transform update unit of the present invention applies a Rife-Vincent (RV) window to the complex signal transformed by the phasor transform unit, and updates the DFT spectrum value every time a sample is received. .
본 발명의 상기 수정된 주기도 계산부는 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼의 주기도와 복소 켤레(Complex-conjugated)된 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼의 주기도 간의 주기도차를 통해 수정된 주기도값을 계산하는 것을 특징으로 한다.The modified periodogram calculator of the present invention calculates the corrected periodogram value through the periodogram difference between the periodogram of the spectrum calculated with a complex input and the periodogram of the spectrum calculated with a complex-conjugated complex input. .
본 발명의 상기 수정된 주기 계산부는 상기 복소 켤레된 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼은 DFT 스펙트럼상의 대칭성을 이용하여 상기 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼을 대칭시켜 획득하는 것을 특징으로 한다.The modified period calculation unit of the present invention is characterized in that the spectrum calculated by the complex conjugated complex input is obtained by symmetrical the spectrum calculated by the complex input by using symmetry on the DFT spectrum.
본 발명의 상기 주파수 추정부는 현재 입력된 전압값으로 업데이트된 수정된 주기도값과 이전 추정된 주파수 보정 팩터를 사용하여 스케일 파라미터를 추정하고 상기 스케일 파라미터를 통해 네가티브 이미지 성분을 수정된 주기도상에서 보상하여 포지티브 이미지 성분을 얻은 후, 상기 포지티브 이미지 성분상에 보간법을 적용하여 DFT 포인트 간의 관계를 해석한 후, 상기 DFT 포인트 간의 관계를 이용하여 상기 주파수 보정 팩터를 검출하는 것을 특징으로 한다.The frequency estimator of the present invention estimates a scale parameter using a corrected periodic diagram updated with a current input voltage value and a previously estimated frequency correction factor, and compensates a negative image component on the corrected periodic diagram through the scale parameter to obtain a positive After obtaining an image component, an interpolation method is applied to the positive image component to analyze a relationship between DFT points, and then, the frequency correction factor is detected using the relationship between the DFT points.
본 발명의 일 측면에 따른 주파수 추정 방법은 페이저 변환부가 각 상의 전압신호를 복소수 신호로 변환하는 단계; 이산 푸리에 변환 업데이트부가 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호를 이산 푸리에 변환하여 업데이트된 N-포인트 DFT(Discrete Fourier Transform)값을 생성하는 단계; 수정된 주기도 계산부가 상기 이산 푸리에 변환 업데이트부로부터 출력된 업데이트된 DFT값을 이용하여 수정된 주기도(Modified Periodogram)값을 계산하는 단계; 피크 인덱스 검출부가 상기 수정된 주기도 계산부를 통해 얻은 수정된 주기도값의 피크 인덱스값을 검출하는 단계; 주파수 추정부가 상기 수정된 주기 계산부에 의해 생성된 수정된 주기도값과 상기 피크 인덱스 검출부에 의해 검출된 피크 인덱스를 이용하여 주파수 보정 팩터를 검출하는 단계; 및 상기 주파수 계산부가 상기 주파수 추정부를 통해 추정된 주파수 보정 팩터를 통해 주파수를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A frequency estimation method according to an aspect of the present invention comprises the steps of: converting, by a phasor converter, a voltage signal of each phase into a complex signal; generating, by a discrete Fourier transform updater, an updated N-point Discrete Fourier Transform (DFT) value by performing a discrete Fourier transform on the complex signal transformed by the phasor transform; calculating, by a modified periodogram calculator, a modified periodogram value using the updated DFT value output from the discrete Fourier transform updater; detecting, by a peak index detection unit, a peak index value of the corrected periodicity value obtained through the modified periodicity calculation unit; detecting, by a frequency estimator, a frequency correction factor, a corrected periodogram value generated by the corrected period calculator and a peak index detected by the peak index detector; and calculating, by the frequency calculator, a frequency using the frequency correction factor estimated by the frequency estimator.
본 발명의 상기 각 상의 전압신호를 복소수 신호로 변환하는 단계에서, 상기 페이저 변환부는 각 상의 전압신호를 Clarke transform을 거쳐 복소수 신호로 변환하는 것을 특징으로 한다.In the step of converting the voltage signal of each phase into a complex signal of the present invention, the phasor converter converts the voltage signal of each phase into a complex signal through Clarke transform.
본 발명의 상기 업데이트된 N-포인트 DFT(Discrete Fourier Transform)값을 생성하는 단계에서, 상기 이산 푸리에 변환 업데이트부는 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호에 대해 슬라이딩 DFT 기법을 이용하는 것을 특징으로 한다.In the step of generating the updated N-point Discrete Fourier Transform (DFT) value of the present invention, the discrete Fourier transform update unit uses a sliding DFT technique for the complex signal transformed by the phasor transform unit.
본 발명의 상기 업데이트된 N-포인트 DFT(Discrete Fourier Transform)값을 생성하는 단계에서, 상기 이산 푸리에 변환 업데이트부는 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복수수 신호에 대해 슬라이딩 DFT 기법으로 업데이트된 복소수값과 상기 슬라이딩 DFT 기법에 의해 출력되는 시간 전의 복소수값을 이용하여 업데이트된 N-포인트 DFT값을 생성하는 것을 특징으로 한다.In the step of generating the updated N-point Discrete Fourier Transform (DFT) value of the present invention, the discrete Fourier transform update unit includes a complex value updated by a sliding DFT technique with respect to the plurality of signals transformed by the phasor transform unit; It is characterized in that the updated N-point DFT value is generated by using the complex value before the time output by the sliding DFT technique.
본 발명의 상기 업데이트된 N-포인트 DFT(Discrete Fourier Transform)값을 생성하는 단계에서, 상기 이산 푸리에 변환 업데이트부는 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호에 대해 Rectangular window를 사용하여 DFT 스펙트럼값을 업데이트하는 것을 특징으로 한다.In the step of generating the updated N-point Discrete Fourier Transform (DFT) value of the present invention, the discrete Fourier transform update unit updates a DFT spectrum value using a rectangular window for the complex signal transformed by the phasor transform unit. characterized in that
본 발명의 상기 업데이트된 N-포인트 DFT(Discrete Fourier Transform)값을 생성하는 단계에서, 상기 이산 푸리에 변환 업데이트부는 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호에 대해 Rife-Vincent(RV) 윈도우(window)를 적용하여 매 샘플이 들어올 때마다 DFT 스펙트럼값을 업데이트하는 것을 특징으로 한다.In the step of generating the updated N-point Discrete Fourier Transform (DFT) value of the present invention, the discrete Fourier transform update unit Rife-Vincent (RV) window for the complex signal transformed by the phasor transform unit. It is characterized in that the DFT spectrum value is updated every time a sample is received by applying .
본 발명의 상기 수정된 주기도값을 생성하는 단계에서, 상기 수정된 주기도 계산부는 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼의 주기도와 복소 켤레(Complex-conjugated)된 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼의 주기도 간의 주기도차를 통해 수정된 주기도값을 계산하는 것을 특징으로 한다.In the step of generating the modified periodogram value of the present invention, the modified periodogram calculating unit through the periodogram difference between the periodogram of the spectrum calculated by the complex input and the periodogram of the spectrum calculated by the complex-conjugated complex input It is characterized in that the corrected periodogram value is calculated.
본 발명의 상기 수정된 주기도값을 생성하는 단계에서, 상기 수정된 주기 계산부는 상기 복소 켤레된 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼은 DFT 스펙트럼상의 대칭성을 이용하여 상기 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼을 대칭시켜 획득하는 것을 특징으로 한다.In the step of generating the modified periodogram value of the present invention, the modified period calculation unit obtains the spectrum calculated with the complex conjugated complex input by symmetrically using the symmetry on the DFT spectrum to obtain the spectrum calculated with the complex input characterized in that
본 발명의 상기 주파수 보정 팩터를 검출하는 단계에서, 상기 주파수 추정부는 현재 입력된 전압값으로 업데이트된 수정된 주기도값과 이전 추정된 주파수 보정 팩터를 사용하여 스케일 파라미터를 추정하고 상기 스케일 파라미터를 통해 네가티브 이미지 성분을 수정된 주기도상에서 보상하여 포지티브 이미지 성분을 얻은 후, 상기 포지티브 이미지 성분상에 보간법을 적용하여 DFT 포인트 간의 관계를 해석한 후, 상기 DFT 포인트 간의 관계를 이용하여 상기 주파수 보정 팩터를 검출하는 것을 특징으로 한다. In the step of detecting the frequency correction factor of the present invention, the frequency estimator estimates a scale parameter using the corrected periodicity value updated with the current input voltage value and the previously estimated frequency correction factor, and uses the scale parameter to be negative. After compensating the image component on the corrected periodogram to obtain a positive image component, applying interpolation on the positive image component to analyze the relationship between DFT points, and then using the relationship between the DFT points to detect the frequency correction factor characterized in that
본 발명의 일 측면에 따른 주파수 추정 장치 및 방법은 전력계통의 전압 신호의 샘플값만을 이용하여 주파수를 추정하되 상간 비대칭 현상에 의한 영향을 해석적으로 제거하여 주파수를 빠르고 정밀하게 추정한다. A frequency estimation apparatus and method according to an aspect of the present invention estimates a frequency using only a sample value of a voltage signal of a power system, but estimates the frequency quickly and precisely by analytically removing the effect of the phase asymmetry phenomenon.
본 발명의 다른 측면에 따른 주파수 추정 장치 및 방법은 전력신호의 정상 성분과 역상성분의 위상 값들의 간섭에 의한 영향을 상쇄시켜 비대칭 영향을 해석적으로 보상할 수 있도록 하고, 이를 통해 해당 주기도상의 피크점과 주변점 간의 관계를 해석하여 현재 주파수를 이터러티브(iterative)하게 추정하며, 전력 시스템 상의 고장 및 부하 변동에 따라 나타나는 동적과도 구간 상에서도 정밀도를 유지한다. A frequency estimating apparatus and method according to another aspect of the present invention cancels the influence of the interference of the phase values of the normal component and the antiphase component of a power signal to analytically compensate the asymmetry effect, and through this, the peak on the periodogram Iteratively estimates the current frequency by analyzing the relationship between the points and the surrounding points, and maintains precision even in the dynamic transient section that appears according to failures and load fluctuations in the power system.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 주파수 추정 장치 및 방법은 동적 과도 구간에서도 정밀도 높은 주파수 추정을 가능하게 함으로써 기존에 비해 보다 빠르고 세밀한 구간에 대한 보호 및 차단 개념을 적용할 수 있도록 한다. The frequency estimation apparatus and method according to another aspect of the present invention enable high-precision frequency estimation even in a dynamic transient section, so that the concept of protection and blocking can be applied to a faster and more detailed section than before.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 주파수 추정 장치 및 방법은 상간의 대칭이 깨진 전력 시스템의 신호 상에서도 최신의 PMU 표준(IEEE60255-118.1:2018)이 요구하는 추정 정밀도를 만족할 수 있으므로 전력 시스템의 신뢰도를 제고할 수 있다.The frequency estimation apparatus and method according to another aspect of the present invention can satisfy the estimation precision required by the latest PMU standard (IEEE60255-118.1:2018) even on a signal of a power system whose phase symmetry is broken, so the reliability of the power system is improved can do.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 추정 장치의 블록 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 추정 방법의 순서도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 수정된 주기도(Modified Periodogram)의 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예가 주파수 릴레이에 적용된 예를 도시한 도면이다.
도 5 는 본 실시예가 PMU에 적용된 예를 도시한 도면이다.1 is a block diagram of a frequency estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart of a frequency estimation method according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a spectrum of a modified periodogram according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating an example in which the present embodiment is applied to a frequency relay.
5 is a diagram illustrating an example in which the present embodiment is applied to a PMU.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 추정 장치 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다. Hereinafter, an apparatus and method for estimating a frequency according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thickness of the lines or the size of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.Implementations described herein may be implemented in, for example, a method or process, an apparatus, a software program, a data stream, or a signal. Although discussed only in the context of a single form of implementation (eg, only as a method), implementations of the discussed features may also be implemented in other forms (eg, in an apparatus or a program). The apparatus may be implemented in suitable hardware, software and firmware, and the like. A method may be implemented in an apparatus such as, for example, a processor, which generally refers to a computer, a microprocessor, a processing device, including an integrated circuit or programmable logic device, or the like. Processors also include communication devices such as computers, cell phones, portable/personal digital assistants (“PDAs”) and other devices that facilitate communication of information between end-users.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 추정 장치의 블록 구성도이다.1 is a block diagram of a frequency estimation apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 추정 장치는 각 상의 전압신호를 복소수 신호로 변환하는 페이저 변환부(10), 페이저 변환부(10)에 의해 변환된 복소수 신호를 이산 푸리에 변환하여 업데이트된 N-포인트 DFT(Discrete Fourier Transform)값을 생성하는 이산 푸리에 변환 업데이트부(20), 이산 푸리에 변환 업데이트부(20)로부터 출력된 업데이트된 DFT값을 이용하여 수정된 주기도(Modified Periodogram)값을 생성하는 수정된 주기도 계산부(30), 수정된 주기도 계산부(30)를 통해 얻은 수정된 주기도값의 피크 인덱스값을 검출하는 피크 인덱스 검출부(40), 수정된 주기도 계산부(30)에 의해 생성된 수정된 주기도값과 피크 인덱스 검출부(40)에 의해 검출된 피크 인덱스를 이용하여 주파수 보정 팩터를 검출하는 주파수 추정부(50), 및 주파수 추정부(50)를 통해 추정된 주파수 보정 팩터를 통해 주파수를 계산하는 주파수 계산부(60)를 포함한다. Referring to FIG. 1 , the frequency estimation apparatus according to an embodiment of the present invention includes a
이와 같이 구성된 본 실시예의 동작 및 작용을 도 2 및 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다. The operation and operation of the present embodiment configured as described above will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3 .
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 추정 방법의 순서도이고, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 수정된 주기도의 스펙트럼을 도시한 도면이다. FIG. 2 is a flowchart of a frequency estimation method according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram illustrating a spectrum of a modified periodic diagram according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 먼저 페이저 변환부(10)는 각 상의 전압신호를 복소수 신호로 변환한다(S10). Referring to FIG. 2 , first, the
본 실시예에서는 단상이 아닌, 삼상 전력 시스템의 주파수 추정을 위하여 수학식 1과 같이 PMU(phasor measurement unit)에 의해 측정된 a,b,c 각 상의 전압 신호를 이용한다. In this embodiment, voltage signals of phases a, b, and c measured by a phasor measurement unit (PMU) are used as shown in
여기서 은 신호의 주파수, 은 현재 시간, 는 샘플링 간격이다. , , 는 각각 3상 전압 신호 정현파의 크기를 나타며 는 각 상의 초기 위상이다.here is the frequency of the signal, is the current time, is the sampling interval. , , represents the magnitude of the three-phase voltage signal sine wave, respectively. is the initial phase of each phase.
상기한 바와 같이 전압 신호를 복소수 신호로 변환한 결과 삼상의 영상 성분은 제거되고, 아래의 수학식 3과 같은 복소수 신호가 출력된다.As a result of converting the voltage signal into a complex signal as described above, the three-phase image component is removed, and a complex signal as shown in Equation 3 below is output.
전력시스템의 삼상이 균형이면 이 되어, 회전하는 단일 신호만 존재하게 되지만, 불균형이면 역으로 회전하는 성분이 존재하게 된다. If the three phases of the power system are balanced, Thus, there is only a single rotating signal, but if there is an imbalance, there is a component rotating in the opposite direction.
이때, 주파수 추정 알고리즘이 역으로 회전하는 성분을 고려하지 않으면 해당 성분의 영향으로 인해 추정 정밀도가 떨어지게 된다. At this time, if the frequency estimation algorithm does not consider the component rotating in reverse, the estimation accuracy is deteriorated due to the influence of the component.
해당 복소수 신호에는 신호의 주파수인 , 정상성분의 크기와 위상인 , 역상성분의 크기와 위상인 다섯 개의 언노운 파라미터(Unknown parameter)가 존재하기 때문에 해석적인 방법으로 주파수 추정식을 바로 유도하기는 상대적으로 어려울 수 있다.In the complex signal, the frequency of the signal is , which is the magnitude and phase of the normal component , which is the magnitude and phase of the antiphase component Since there are five unknown parameters, it may be relatively difficult to directly derive a frequency estimation equation in an analytical way.
이에, 이산 푸리에 변환 업데이트부(20)는 페이저 변환부(10)에 의해 변환된 복소수 신호를 이산 푸리에 변환하여 업데이트된 N-포인트 DFT(Discrete Fourier Transform)값을 생성한다(S20).Accordingly, the discrete Fourier
이산 푸리에 변환 업데이트부(20)는 페이저 변환부(10)의 결과로 출력된 수학식 3의 복소수 신호를 사용하여 업데이트된 N-포인트 DFT값을 출력한다.The discrete Fourier
이때, 연산 복잡도를 감소시키기 위하여 연속된 입력값에 대해 사용할 수 있는 Sliding DFT 기법이 적용될 수 있으며, 윈도우 상에 제로-패딩(Zero-Padding)을 적용한 경우와 제로-페딩을 적용하지 않은 경우로 나누어질 수 있다.In this case, in order to reduce the computational complexity, a sliding DFT technique that can be used for continuous input values may be applied, and it is divided into a case in which zero-padding is applied and a case in which zero-padding is not applied on the window. can get
윈도우 상에 제로-패딩을 적용한 경우와 제로-패딩을 적용하지 않은 경우는 수학식 4와 수학식 5와 같이 각각 표현될 수 있다. A case in which zero-padding is applied and a case in which zero-padding is not applied to the window may be expressed as Equations 4 and 5, respectively.
상기한 수학식 4와 5의 경우는 윈도윙(Windowing)을 적용하지 않은, Rectangular window의 경우 사용할 수 있는 수식이다.Equations 4 and 5 above are equations that can be used in the case of a rectangular window that does not apply windowing.
여기서, k는 DFT 포인트 인덱스(Point index)이고, L은 사용한 데이터의 개수(길이)이며, N은 제로-패딩을 통해 확장된 DFT 포인트 수이다. Here, k is a DFT point index, L is the number (length) of used data, and N is the number of DFT points extended through zero-padding.
본 실시예에선 Rectangular window 뿐만이 아닌 다른 윈도윙 형태에 대해서도 적용이 가능한 주파수 추정 알고리즘을 포함한다. In this embodiment, a frequency estimation algorithm applicable not only to the rectangular window but also to other windowing shapes is included.
연산 효율성을 위하여 시간 도메인(time-domain) 상에서 적용되는 일반적인 윈도윙 방식이 아닌 아래의 수학식 6과 7과 같이 주파수 도메인(Frequency Domain) 상에서 업데이트(Update)될 수 있는 sin기반 윈도윙인 Rife-Vincent(RV) window을 적용하여 매 샘플이 들어올 때 마다 DFT 스펙트럼값을 업데이트할 수 있으며, 해당 값을 사용한 주파수 추정을 구현할 수 있다. Rife-, which is a sin-based windowing that can be updated on the frequency domain as in Equations 6 and 7 below, rather than the general windowing method applied on the time-domain for computational efficiency By applying the Vincent (RV) window, the DFT spectrum value can be updated for every sample, and frequency estimation using the value can be implemented.
여기서, 값은 상기한 수학식 4를 통해 업데이트된 값이고, DFT index 간의 간격을 나타내는 을 의미한다.here, The value is a value updated through Equation 4 above, and represents the interval between DFT indices. means
결과적으로, 이산 푸리에 변환 업데이트부(20)는 Sliding DFT 입력으로 들어온 수학식 3의 복소수 값 과 Sliding DFT 기법에 의해 출력되는 L 시간 전의 값(복소수 값)을 사용하여, 업데이트된 N-포인트 DFT 값을 생성하여 출력한다.As a result, the discrete Fourier
수정된 주기도 계산부(30)는 이산 푸리에 변환 업데이트부(20)로부터 출력된 업데이트된 DFT값을 이용하여 수정된 주기도(Modified Periodogram)값을 계산한다(S30).The modified
즉, 수정된 주기도 계산부(30)는 이산 푸리에 변환 업데이트부(20)로부터 입력된 업데이트된 스펙트럼을 이용하여 수정된 주기도값을 계산한다. That is, the modified
본 실시예에서는 수정된 주기도는 DFT 스펙트럼 상에 존재하는 삼상 불균형으로 인한 추정 오류의 영향을 제거하기 위한 방법으로써, 수정된 주기도는 아래의 수학식 8과 같은 방식으로 계산할 수 있다. In the present embodiment, the corrected periodogram is a method for removing the influence of estimation error due to three-phase imbalance existing on the DFT spectrum, and the corrected periodogram can be calculated as in Equation 8 below.
수정된 주기도는 기존의 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼인 의 주기도값인 과, 복소 켤레(complex-conjugated)된 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼인 의 주기도값인 의 주기도값 간의 차를 통해 산출될 수 있다. The modified periodogram is a spectrum computed with a conventional complex input. is the periodogram value of and, a spectrum computed with a complex-conjugated complex input is the periodogram value of It can be calculated through the difference between the periodicity values of
이 때, 은 신호의 스펙트럼 상 실제 주파수이고, 은 windowed 신호의 DTFT 결과로 나온 값이며, 적용된 윈도윙 방법에 따라 다음의 표 1과 같은 값이 출력된다. At this time, is the actual frequency in the spectrum of the signal, is a value obtained as a result of the DTFT of the windowed signal, and the values shown in Table 1 below are output according to the applied windowing method.
상기한 바와 같이, 수정된 주기도(이하, M.P.라 지칭함)이 적용됨으로써 수학식 3에 존재하던 언노운 파라미터 중 Phase 성분()의 영향이 제거될 수 있으며, 크기 성분 ()의 영향이 수정된 주기도의 전체 주기도 상에 동일하게 적용됨으로써 해석적으로 신호 주파수 에 대한 주파수 추정식이 도출될 수 있게 된다.As described above, by applying the modified periodogram (hereinafter referred to as MP), the Phase component ( ) can be eliminated, and the size component ( ) is applied equally on the entire periodogram of the modified periodogram, so that analytically the signal frequency It is possible to derive a frequency estimation equation for .
복소 켤레 입력(complex-conjugated input)으로 계산된 스펙트럼인 는 일일이 계산할 필요없이 DFT 스펙트럼상의 대칭성을 이용해 아래의 수학식 9와 같이 값을 대칭시켜 얻을 수 있다. Spectrum computed with complex-conjugated input without having to calculate each one using the symmetry on the DFT spectrum as in Equation 9 below It can be obtained by symmetrical values.
피크 인덱스 검출부(40)는 수정된 주기도를 통해 얻어진 수정된 주기도값 중 최대값인 피크 인덱스(Peak index) 를 아래의 수학식 10을 통해 검출한다(S40).The peak
주파수 추정부(50)는 수정된 주기 계산부에 의해 생성된 수정된 주기도값과 피크 인덱스 검출부(40)에 의해 검출된 피크 인덱스를 이용하여 주파수 보정 팩터를 검출한다(S50).The
주파수 추정부(50)는 수정된 주기도 계산부(30)를 통해 얻어진 수정된 주기도값들과, 피크 인덱스 검출부(40)를 통해 얻어진 를 입력값을 사용하여 DFT 도메인상의 현재 주파수를 나타내는 주파수 보정 팩터(frequency correction factor) 를 출력한다.The
본 실시예에서는 수정된 주기도상의 효율적인 주파수 추정을 위해 DFT 포인트값들 간의 관계를 해석해 신호 주파수를 얻어내기 위해 보간법(interpolation)이 적용될 수 있다. 원활한 주파수 추정을 위해 이전 계산값에서 이터러티브(iterative)하게 추정하는 방식이 사용될 수 있다. In the present embodiment, interpolation may be applied to obtain a signal frequency by analyzing the relationship between DFT point values for efficient frequency estimation on the modified periodogram. For smooth frequency estimation, a method of iteratively estimating from a previous calculated value may be used.
좀 더 구체적으로 설명하면, 주파수 추정부(50)는 이전 주파수 추정값을 사용하여 수정된 주기도상에 남아있는 언노운 파라미터의 영향인 변수 M()을 추정할 수 있다. 여기서, 파라미터 M의 값은 수학식 8에서 현재 입력된 전압값으로 업데이트된 수정된 주기도값과 이전 추정된 주파수 보정 팩터 를 사용해서 수학식 11과 통해 추정 가능하다. More specifically, the
수학식 8을 참조하면, 수정된 주기도는 공통된 스케일러 팩터(Scale factor) M을 제외하면 대칭되는 두 Sinc 성분의 차로 나타난다. 그러므로, 단순히 피크점을 구하는 것만으로는 정확한 주파수 추정이 불가능하다. Referring to Equation (8), the corrected periodogram appears as a difference between two symmetric sinc components except for a common scale factor M. Therefore, accurate frequency estimation is impossible by simply finding the peak point.
도 3을 참조하면, 수정된 주기도상의 네거티브-이미지(Negative-Image) 성분으로 인해 스펙트럼의 최고점이 실제 주파수를 의미하지 않게 된다. Referring to FIG. 3 , the peak of the spectrum does not mean an actual frequency due to a negative-image component on the corrected periodogram.
따라서, 이를 해결하기 위해, 주파수 추정부(50)는 네거티브-이미지 성분의 영향인 값을 추정한 뒤 수정된 주기도상에서 보상하는 과정을 거치고, 보상된 결과로 얻은 포지티브-이미지(Positive-Image) 성분 값 상에 보간법(interpolation)을 적용하여 현재 주파수를 추정한다. Therefore, in order to solve this problem, the
이때, 주파수 추정을 위해 피크점 주변의 세 값을 사용하면 되므로, 수학식 12와 같이 피크값과 그 좌우 수정된 주기도상에 값을 보상한 값은 C로 나타낼 수 있다.At this time, since it is enough to use three values around the peak point for frequency estimation, the peak value and its left and right periodograms are modified as shown in
보상을 위한 각 윈도우별 수식은 상기한 표 1에 나타나 있다.Equations for each window for compensation are shown in Table 1 above.
한편, 상기한 수학식 12의 결과로 나온 C0, C1, C2는 정상 성분만 존재하는 주기도의 피크값과 좌우값이다. 따라서, 기존의 보간 방식을 응용하여 DFT 포인트간의 관계를 사용함으로써, 주파수 보정 팩터 에 대한 관계식이 도출될 수 있으며, 적용한 윈도윙 방법에 따라 다음과 같이 표현될 수 있다.Meanwhile, C0, C1, and C2 obtained as a result of Equation (12) are the peak values and left and right values of the periodogram in which only the normal component exists. Therefore, by using the relationship between the DFT points by applying the existing interpolation method, the frequency correction factor A relational expression for can be derived and can be expressed as follows depending on the applied windowing method.
한편, 주파수 추정부(50)는 상기한 과정을 반복(iteration)하면 좀 더 정밀하게 주파수를 추정할 수 있다. On the other hand, the
주파수 계산부(60)는 주파수 추정부(50)를 통해 추정된 주파수 보정 팩터 통해 주파수를 계산한다(S60).The
즉, 주파수 계산부(60)는 주파수 추정부(50)로 결과로 나온 주파수 보정 팩터 를 아래의 수학식 14을 이용하여 주파수 값으로 변환한다. That is, the
여기서 는 샘플링 주파수(sampling frequency)이다.here is the sampling frequency.
한편, 상기한 바와 같은 본 실시예는 주파수 릴레이(frequency relay) 또는 PMU 상에 적용될 수 있다. 이를 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다. Meanwhile, the present embodiment as described above may be applied to a frequency relay or a PMU. This will be described with reference to FIGS. 4 and 5 .
도 4는 본 실시예가 주파수 릴레이에 적용된 예시를 도시한 도면이다. 4 is a diagram illustrating an example in which the present embodiment is applied to a frequency relay.
도 4를 참조하면, 주파수 릴레이가 전력선에서 삼상 주파수 추정값을 A/D 변환하여 가져오면, 변환된 삼상 전압 신호값을 기반으로 본 실시예에 따라 주파수를 추정한다. Referring to FIG. 4 , when the frequency relay A/D-converts the estimated three-phase frequency from the power line and brings it, the frequency is estimated according to the present embodiment based on the converted three-phase voltage signal value.
추정된 주파수값이 특정값(Threshold)을 초과하거나 미달되는지를 통해 시스템 이상을 판단하게 되고, 판단된 이상 정보를 바탕으로 회로 차단기(Circuit breaker) 등에 Trip 신호 등을 보내는 작동을 할 수 있다. System abnormality is judged by whether the estimated frequency value exceeds or falls short of a specific value (Threshold), and a trip signal, etc. can be sent to a circuit breaker based on the determined abnormality information.
본 실시예는 기존 주파수 추정 알고리즘과는 다르게 삼상 불평형에 의한 영향을 받지 않아 주파수 릴레이의 오작동을 방지할 수 있다. Unlike the conventional frequency estimation algorithm, the present embodiment is not affected by the three-phase unbalance, thereby preventing malfunction of the frequency relay.
도 5 는 본 실시예가 PMU에 적용된 예를 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating an example in which the present embodiment is applied to a PMU.
도 5를 참조하면, 주파수 릴레이가 전력선에서 삼상 주파수 추정값을 A/D 변환하여 가져오면, PTP(Precision Time Protocol)와 같은 정밀시각동기 알고리즘이 샘플이 측정된 시각 및 측정간격을 보증한다. 변환된 삼상 전압 신호값을 기반으로 본 실시예가 수행되고 시각정보가 태깅된 주파수 추정치가 네트워크를 통해 중앙 시스템으로 보내지게 된다. Referring to FIG. 5 , when the frequency relay A/D converts the three-phase frequency estimate from the power line and brings it, a precision time synchronization algorithm such as PTP (Precision Time Protocol) guarantees the time at which the sample is measured and the measurement interval. This embodiment is performed based on the converted three-phase voltage signal value, and the frequency estimate tagged with visual information is sent to the central system through the network.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 추정 장치 및 방법은 전력계통의 전압 신호의 샘플값만을 이용하여 주파수를 추정하되 상간 비대칭 현상에 의한 영향을 해석적으로 제거하여 빠르고 정밀하게 주파수를 추정한다. As described above, the frequency estimation apparatus and method according to an embodiment of the present invention estimate the frequency using only the sample value of the voltage signal of the power system, but estimate the frequency quickly and precisely by analytically removing the effect of the phase asymmetry phenomenon. .
본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 추정 장치 및 방법은 전력신호의 정상 성분과 역상성분의 위상 값들의 간섭에 의한 영향을 상쇄시켜 비대칭 영향을 해석적으로 보상할 수 있도록 하고, 이를 통해 해당 Periodogram 상의 피크점과 주변점 간의 관계를 해석하여 현재 주파수를 이터러티브(iterative)하게 추정하며, 전력 시스템 상의 고장 및 부하 변동에 따라 나타나는 동적과도 구간 상에서도 정밀도를 유지한다. Frequency estimation apparatus and method according to an embodiment of the present invention cancels the influence of the interference of the phase values of the normal component and the antiphase component of a power signal to analytically compensate the asymmetry effect, and through this, Iteratively estimates the current frequency by analyzing the relationship between the peak point and the peripheral point, and maintains precision even in the dynamic transient section that appears according to failures and load changes in the power system.
본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 추정 장치 및 방법은 동적 과도 구간에서도 정밀도 높은 주파수 추정을 가능하게 함으로써 기존에 비해 보다 빠르고 세밀한 구간에 대한 보호 및 차단 개념을 적용할 수 있도록 한다. The frequency estimation apparatus and method according to an embodiment of the present invention enable high-precision frequency estimation even in a dynamic transient section, so that the concept of protection and blocking can be applied to a faster and more detailed section than before.
본 발명의 일 실시예에 따른 주파수 추정 장치 및 방법은 상간의 대칭이 깨진 전력 시스템의 신호 상에서도 최신의 PMU 표준(IEEE60255-118.1:2018)이 요구하는 추정 정밀도를 만족할 수 있으므로 전력 시스템의 신뢰도를 제고할 수 있다.The frequency estimation apparatus and method according to an embodiment of the present invention can satisfy the estimation precision required by the latest PMU standard (IEEE60255-118.1:2018) even on a signal of a power system in which the symmetry between phases is broken, thereby improving the reliability of the power system can do.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and it is understood that various modifications and equivalent other embodiments are possible by those skilled in the art. will understand Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the following claims.
10: 페이저 변환부
20: 이산 푸리에 변환 업데이트부
30: 수정된 주기도 계산부
40: 피크 인덱스 검출부
50: 주파수 추정부
60: 주파수 계산부
10: phasor transform unit 20: discrete Fourier transform update unit
30: modified periodogram calculation unit 40: peak index detection unit
50: frequency estimator 60: frequency calculator
Claims (18)
상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호를 이산 푸리에 변환하여 업데이트된 N-포인트 DFT(Discrete Fourier Transform)값을 생성하는 이산 푸리에 변환 업데이트부;
상기 이산 푸리에 변환 업데이트부로부터 출력된 업데이트된 DFT값을 이용하여 수정된 주기도(Modified Periodogram)값을 계산하는 수정된 주기도 계산부;
상기 수정된 주기도 계산부를 통해 얻은 수정된 주기도값의 피크 인덱스값을 검출하는 피크 인덱스 검출부;
상기 수정된 주기 계산부에 의해 생성된 수정된 주기도값과 상기 피크 인덱스 검출부에 의해 검출된 피크 인덱스를 이용하여 주파수 보정 팩터를 검출하는 주파수 추정부; 및
상기 주파수 추정부를 통해 추정된 주파수 보정 팩터를 통해 주파수를 계산하는 주파수 계산부를 포함하는 주파수 추정 장치. a phasor converter converting each phase voltage signal into a complex signal;
a discrete Fourier transform update unit configured to perform a discrete Fourier transform on the complex signal transformed by the phasor transform unit to generate an updated N-point Discrete Fourier Transform (DFT) value;
a modified periodogram calculation unit for calculating a modified periodogram value using the updated DFT value output from the discrete Fourier transform update unit;
a peak index detector configured to detect a peak index value of the corrected periodogram value obtained through the modified periodogram calculator;
a frequency estimator configured to detect a frequency correction factor using the corrected periodogram value generated by the corrected period calculator and the peak index detected by the peak index detector; and
and a frequency calculator configured to calculate a frequency using the frequency correction factor estimated by the frequency estimator.
각 상의 전압신호를 Clarke transform을 거쳐 복소수 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 장치.According to claim 1, wherein the phasor conversion unit
A frequency estimator, characterized in that the voltage signal of each phase is converted into a complex signal through Clarke transform.
상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호에 대해 슬라이딩 DFT 기법을 이용하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 장치.The method of claim 1, wherein the discrete Fourier transform update unit
The frequency estimation apparatus according to claim 1, wherein a sliding DFT technique is used for the complex signal transformed by the phasor transform unit.
상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복수수 신호에 대해 슬라이딩 DFT 기법으로 업데이트된 복소수값과 상기 슬라이딩 DFT 기법에 의해 출력되는 시간 전의 복소수값을 이용하여 업데이트된 N-포인트 DFT값을 생성하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 장치. The method of claim 1, wherein the discrete Fourier transform update unit
For the plurality of signals transformed by the phasor transform unit, an updated N-point DFT value is generated using a complex value updated by a sliding DFT technique and a complex value before a time output by the sliding DFT technique frequency estimation device.
상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호에 대해 Rectangular window를 사용하여 DFT 스펙트럼값을 업데이트하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 장치. 5. The method of claim 4, wherein the discrete Fourier transform update unit
The frequency estimating apparatus according to claim 1, wherein the DFT spectrum value is updated using a rectangular window with respect to the complex signal transformed by the phasor transform unit.
상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호에 대해 Rife-Vincent(RV) 윈도우(window)를 적용하여 매 샘플이 들어올 때마다 DFT 스펙트럼값을 업데이트하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 장치. 5. The method of claim 4, wherein the discrete Fourier transform update unit
The frequency estimation apparatus according to claim 1, wherein the DFT spectrum value is updated every time a sample is received by applying a Rife-Vincent (RV) window to the complex signal converted by the phasor transform unit.
복소수 입력으로 계산된 스펙트럼의 주기도와 복소 켤레(Complex-conjugated)된 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼의 주기도 간의 주기도차를 통해 수정된 주기도값을 계산하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 장치.The method of claim 1, wherein the modified periodogram calculator
A frequency estimating apparatus, characterized in that the corrected periodogram value is calculated through the periodogram difference between the periodogram of the spectrum calculated with a complex input and the periodogram of the spectrum calculated with the complex-conjugated complex input.
상기 복소 켤레된 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼은 DFT 스펙트럼상의 대칭성을 이용하여 상기 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼을 대칭시켜 획득하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 장치. The method of claim 7, wherein the modified period calculator
The frequency estimating apparatus according to claim 1, wherein the spectrum calculated with the complex conjugated complex input is obtained by symmetrical the spectrum calculated with the complex input using symmetry on the DFT spectrum.
현재 입력된 전압값으로 업데이트된 수정된 주기도값과 이전 추정된 주파수 보정 팩터를 사용하여 스케일 파라미터를 추정하고 상기 스케일 파라미터를 통해 네가티브 이미지 성분을 수정된 주기도상에서 보상하여 포지티브 이미지 성분을 얻은 후, 상기 포지티브 이미지 성분상에 보간법을 적용하여 DFT 포인트 간의 관계를 해석한 후, 상기 DFT 포인트 간의 관계를 이용하여 상기 주파수 보정 팩터를 검출하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 장치.The method of claim 1, wherein the frequency estimator
A positive image component is obtained by estimating a scale parameter using the corrected periodicity value updated with the current input voltage value and a previously estimated frequency correction factor, and compensating for a negative image component on the corrected periodogram through the scale parameter, An apparatus for estimating a frequency, characterized in that after analyzing a relationship between DFT points by applying an interpolation method on a positive image component, the frequency correction factor is detected using the relationship between the DFT points.
이산 푸리에 변환 업데이트부가 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호를 이산 푸리에 변환하여 업데이트된 N-포인트 DFT(Discrete Fourier Transform)값을 생성하는 단계;
수정된 주기도 계산부가 상기 이산 푸리에 변환 업데이트부로부터 출력된 업데이트된 DFT값을 이용하여 수정된 주기도(Modified Periodogram)값을 계산하는 단계;
피크 인덱스 검출부가 상기 수정된 주기도 계산부를 통해 얻은 수정된 주기도값의 피크 인덱스값을 검출하는 단계;
주파수 추정부가 상기 수정된 주기 계산부에 의해 생성된 수정된 주기도값과 상기 피크 인덱스 검출부에 의해 검출된 피크 인덱스를 이용하여 주파수 보정 팩터를 검출하는 단계; 및
상기 주파수 계산부가 상기 주파수 추정부를 통해 추정된 주파수 보정 팩터를 통해 주파수를 계산하는 단계를 포함하는 주파수 추정 방법.converting the voltage signal of each phase into a complex signal by a phasor converter;
generating, by a discrete Fourier transform updater, an updated N-point Discrete Fourier Transform (DFT) value by performing a discrete Fourier transform on the complex signal transformed by the phasor transform;
calculating, by a modified periodogram calculator, a modified periodogram value using the updated DFT value output from the discrete Fourier transform updater;
detecting, by a peak index detection unit, a peak index value of the corrected periodicity value obtained through the modified periodicity calculation unit;
detecting, by a frequency estimator, a frequency correction factor, a corrected periodogram value generated by the corrected period calculator and a peak index detected by the peak index detector; and
and calculating, by the frequency calculator, a frequency through the frequency correction factor estimated by the frequency estimator.
상기 페이저 변환부는 각 상의 전압신호를 Clarke transform을 거쳐 복소수 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 방법.11. The method of claim 10, wherein in the step of converting the voltage signal of each phase into a complex signal,
The phasor transform unit converts the voltage signal of each phase into a complex signal through Clarke transform.
상기 이산 푸리에 변환 업데이트부는 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호에 대해 슬라이딩 DFT 기법을 이용하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 방법.11. The method of claim 10, wherein in the step of generating the updated N-point Discrete Fourier Transform (DFT) value,
The frequency estimation method according to claim 1, wherein the discrete Fourier transform update unit uses a sliding DFT technique on the complex signal transformed by the phasor transform unit.
상기 이산 푸리에 변환 업데이트부는 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복수수 신호에 대해 슬라이딩 DFT 기법으로 업데이트된 복소수값과 상기 슬라이딩 DFT 기법에 의해 출력되는 시간 전의 복소수값을 이용하여 업데이트된 N-포인트 DFT값을 생성하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 방법. 11. The method of claim 10, wherein in the step of generating the updated N-point Discrete Fourier Transform (DFT) value,
The discrete Fourier transform update unit is an N-point DFT value updated by using the complex value updated by the sliding DFT method and the complex value before the time output by the sliding DFT method with respect to the plurality of signals transformed by the phasor transform unit Frequency estimation method, characterized in that for generating.
상기 이산 푸리에 변환 업데이트부는 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호에 대해 Rectangular window를 사용하여 DFT 스펙트럼값을 업데이트하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 방법. 14. The method of claim 13, wherein in generating the updated N-point Discrete Fourier Transform (DFT) value,
The frequency estimation method according to claim 1, wherein the discrete Fourier transform update unit updates a DFT spectrum value using a rectangular window with respect to the complex signal transformed by the phasor transform unit.
상기 이산 푸리에 변환 업데이트부는 상기 페이저 변환부에 의해 변환된 복소수 신호에 대해 Rife-Vincent(RV) 윈도우(window)를 적용하여 매 샘플이 들어올 때마다 DFT 스펙트럼값을 업데이트하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 방법. 14. The method of claim 13, wherein in generating the updated N-point Discrete Fourier Transform (DFT) value,
The discrete Fourier transform update unit applies a Rife-Vincent (RV) window to the complex signal transformed by the phasor transform unit, and updates the DFT spectrum value every time a sample is received. Frequency estimation method .
상기 수정된 주기도 계산부는 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼의 주기도와 복소 켤레(Complex-conjugated)된 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼의 주기도 간의 주기도차를 통해 수정된 주기도값을 계산하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 방법.11. The method of claim 10, wherein in generating the modified periodogram value,
The modified periodogram calculator calculates the corrected periodogram value through the periodogram difference between the periodogram of the spectrum calculated by the complex input and the periodogram of the spectrum calculated by the complex-conjugated complex input .
상기 수정된 주기 계산부는 상기 복소 켤레된 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼은 DFT 스펙트럼상의 대칭성을 이용하여 상기 복소수 입력으로 계산된 스펙트럼을 대칭시켜 획득하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 방법.17. The method of claim 16, wherein in generating the modified periodogram value,
The frequency estimation method, characterized in that the corrected period calculator obtains the spectrum calculated with the complex conjugated complex input by using symmetry on the DFT spectrum to symmetrically obtain the spectrum calculated with the complex input.
상기 주파수 추정부는 현재 입력된 전압값으로 업데이트된 수정된 주기도값과 이전 추정된 주파수 보정 팩터를 사용하여 스케일 파라미터를 추정하고 상기 스케일 파라미터를 통해 네가티브 이미지 성분을 수정된 주기도상에서 보상하여 포지티브 이미지 성분을 얻은 후, 상기 포지티브 이미지 성분상에 보간법을 적용하여 DFT 포인트 간의 관계를 해석한 후, 상기 DFT 포인트 간의 관계를 이용하여 상기 주파수 보정 팩터를 검출하는 것을 특징으로 하는 주파수 추정 방법.
11. The method of claim 10, wherein in the step of detecting the frequency correction factor,
The frequency estimator estimates a scale parameter by using the corrected periodicity value updated with the current input voltage value and the previously estimated frequency correction factor, and compensates the negative image component on the modified periodic diagram through the scale parameter to obtain a positive image component After obtaining, interpolation is applied to the positive image component to analyze the relationship between DFT points, and then, the frequency correction factor is detected using the relationship between the DFT points.
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---|---|---|---|---|
AT525717A1 (en) * | 2021-11-24 | 2023-06-15 | Sprecher Automation Gmbh | Procedure for determining the phasor of a current or voltage signal |
WO2024083490A1 (en) * | 2022-10-19 | 2024-04-25 | Siemens Energy Global GmbH & Co. KG | Determining a frequency spectrum of an electric current |
-
2020
- 2020-03-30 KR KR1020200038229A patent/KR20210122342A/en active Search and Examination
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