Способ измерения частоты и оборудование для измерения частоты
METHOD OF MEASURING FREQUENCY AND EQUIPMENT FOR MEASURING FREQUENCY

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к оборудованию для измерения частоты и к способу измерения частоты. Настоящее изобретение относится к оборудованию для измерения частоты и к способу измерения частоты для измерения значения параметра частоты системы энергоснабжения.
Уровень техники
Интеллектуальные электронные устройства (IED) систем энергоснабжения, такие как устройства релейной защиты и устройства управления устойчивостью, обычно должны точно измерять электрические величины, такие как ток, напряжение, частота и скорость изменения частоты (ROCOF), системы энергоснабжения. Традиционные схемы обработки сигналов для множества IED обычно используют принцип цифровой системы фазовой автоподстройки частоты для измерения частоты системы в реальном времени и динамической регулировки частоты выборки (дискретизации) сигнала, чтобы обеспечивать точность измерения электрических величин. Поскольку цифровая система фазовой автоподстройки частоты применяет итеративное вычисление и алгоритмы последовательной аппроксимации при реагировании на изменения частоты системы, она нуждается во времени частотной характеристики и часто не может удовлетворять требованиям производительности защиты для быстрой скорости изменения частоты, например, при запуске в течение 100 мс.
Сущность изобретения
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют способ измерения частоты, включающий в себя: осуществление выборки напряжения, которое должно быть измерено, с фиксированной частотой выборки; получение величины изменения угла напряжения прямой последовательности для предварительно определенного временного интервала работы с помощью образца выборки, полученного посредством выборки, и на основе вычисления с дискретным преобразованием Фурье (DFT); получение величины сдвига частоты с помощью величины изменения угла напряжения прямой последовательности; и получение связанного с частотой измеряемого значения с помощью величины сдвига частоты. Связанное с частотой измеряемое значение включает в себя по меньшей мере одно из группы, состоящей из измеряемого значения частоты и измеряемого значения скорости изменения частоты. Величина сдвига частоты является разницей между номинальной частотой и измеряемым значением частоты.
Способ измерения частоты применяет структуру с "разомкнутым контуром", использующую напряжение прямой последовательности в качестве входных данных для измерения частоты и использующую характеристики "величины изменения угла напряжения прямой последовательности, вычисленной посредством двух близких по времени DFT-вычислений в зависимости только от разницы между частотой реального времени и номинальной частотой". Без итеративного вычисления непосредственно получается частотно-зависимое измеряемое значение, с тем, чтобы быстро реагировать на изменения частоты.
Например, в некоторых вариантах осуществления, получение величины изменения угла напряжения прямой последовательности для предварительно определенного временного интервала работы с помощью образца выборки, полученного посредством выборки, и на основе вычислений с дискретным преобразованием Фурье (DFT), включает в себя: получение векторов напряжения посредством выполнения процесса обработки методом окна и DFT-процесса по образцу выборки; и вычисление величины изменения угла напряжения прямой последовательности на основе векторов напряжения.
Образец, полученный с помощью функции окна для отсечения выборки, может быть полезен для фильтрации или пресечения гармонических колебаний. В случае гармонических помех, измеренные значения частоты и скорости изменения частоты все еще имеют высокую точность.
Например, в некоторых вариантах осуществления, связанное с частотой измеряемое значение включает себя измеряемое значение скорости изменения частоты. Способ дополнительно включает в себя: сравнение измеряемого значения скорости изменения частоты с пороговой скоростью изменения, обновление связанного с частотой измеряемого значения, когда измеряемое значение скорости изменения частоты меньше пороговой скорости изменения; прекращение обновления связанного с частотой измеряемого значения, когда измеряемое значение скорости изменения частоты выше пороговой скорости изменения, и продолжение обновления связанного с частотой измеряемого значения, когда каждое измеряемое значение скорости изменения частоты больше пороговой скорости изменения в последовательном предварительно определенном числе энергетических циклов.
Сравнение измеряемого значения скорости изменения частоты с пороговой скоростью изменения для оценки скачкообразного изменения состояния в фазовом угле напряжения является полезным для удаления аномальных связанных с частотой измеряемых значений при наличии внешних возмущений и обеспечения точности и достоверности обновленного значения частоты напряжения, которое должно быть измерено.
Например, в некоторых вариантах осуществления, способ дополнительно включает в себя: получение частоты повторной выборки с помощью связанного с частотой измеряемого значения; выполнение повторной выборки по образцу выборки с помощью частоты повторной выборки; и получение измеряемых значений другой электрической величины в дополнение к связанному с частотой измеряемому значению с помощью образца повторной выборки, полученного посредством повторной выборки, и на основе DFT-вычисления.
Для того, чтобы обеспечивать точность измерения электрических величин, таких как ток и напряжение, на основе частоты измерения в реальном времени, значения выборки тока и напряжения повторно отбираются, чтобы обеспечивать точность измерения электрических величин, таких как ток и напряжение.
Например, в некоторых вариантах осуществления, получают величину сдвига частоты с помощью величины изменения угла напряжения прямой последовательности и на основе следующей формулы: величина сдвига частоты = величина сдвига угла напряжения прямой последовательности / (2πT), где T является предварительно определенным временным интервалом работы.
Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют оборудование для измерения частоты, включающее в себя структуру с разомкнутым контуром для измерения частоты. Структура с разомкнутым контуром включает в себя: блок выборки, который выполнен с возможностью выполнять выборку напряжения, которое должно быть измерено, с фиксированной частотой выборки; блок вычисления напряжения прямой последовательности, который выполнен с возможностью получать величину изменения угла напряжения прямой последовательности для предварительно определенного временного интервала работы с помощью образца выборки, полученного посредством выборки, и на основе DFT-вычисления; и блок вычисления частоты, который выполнен с возможностью получать величину сдвига частоты с помощью величины изменения угла напряжения прямой последовательности, и чтобы получать связанное с частотой измеряемое значение с помощью величины сдвига частоты. Связанное с частотой измеряемое значение включает в себя, по меньшей мере, одно из группы, состоящей из измеряемого значения частоты и измеряемого значения скорости изменения частоты, и величина сдвига частоты является разницей между номинальной частотой и измеряемым значением частоты.
Например, в некоторых вариантах осуществления, блок вычисления напряжения прямой последовательности включает в себя: блок окна, который выполнен с возможностью выполнять процесс обработки методом окна по образцу выборки; DFT-блок, который выполнен с возможностью получать векторы напряжения посредством выполнения DFT-процесса по образцу выборки после процесса обработки методом окна; и блок вычисления угла напряжения прямой последовательности, который выполнен с возможностью вычислять величину изменения угла напряжения прямой последовательности на основе векторов напряжения.
Например, в некоторых вариантах осуществления, связанное с частотой измеряемое значение включает себя измеряемое значение скорости изменения частоты. Блок вычисления частоты дополнительно включает в себя блок оценки скачкообразного изменения фазового угла, который выполнен с возможностью сравнивать измеряемое значение скорости изменения частоты с пороговой скоростью изменения. Блок оценки скачкообразного изменения фазового угла выполнен с возможностью обновлять связанное с частотой измеряемое значение, когда измеряемое значение скорости изменения частоты меньше пороговой скорости изменения. Блок оценки скачкообразного изменения фазового угла выполнен с возможностью прекращать обновление связанного с частотой измеряемого значения, когда измеряемое значение скорости изменения частоты больше пороговой скорости изменения, и продолжать обновлять связанное с частотой измеряемое значение, когда каждое измеряемое значение скорости изменения частоты больше пороговой скорости изменения в последовательном предварительно определенном числе энергетических циклов.
Например, в некоторых вариантах осуществления, оборудование дополнительно включает в себя: блок повторной выборки, который выполнен с возможностью повторно отбирать образец выборки на основе связанного с частотой измеряемого значения; и блок вычисления электрической величины, который выполнен с возможностью получать измеряемые значения другой электрической величины в дополнение к связанному с частотой измеряемому значению с помощью образца повторной выборки, полученного посредством повторной выборки, и на основе DFT-вычисления.
Например, в некоторых вариантах осуществления, связанное с частотой измеряемое значение включает себя измеряемое значение частоты. Блок вычисления частоты включает в себя: умножитель, который выполнен с возможностью умножать величину изменения угла напряжения прямой последовательности на обратную величину предварительно определенного временного интервала работы, чтобы получать величину сдвига частоты; и сумматор, который выполнен с возможностью складывать величину сдвига частоты с номинальной частотой, чтобы получать связанное с частотой измеряемое значение.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - это принципиальная электрическая схема оборудования для измерения частоты согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 2 - это структурная блок-схема оборудования для измерения частоты согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг. 3 - это блок-схема последовательности операций способа измерения частоты согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и
Фиг. 4 - это пояснительная схема для объяснения этапа оценки скачкообразного изменения фазового угла согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Краткое описание предпочтительных вариантов осуществления
Фиг. 1 - это принципиальная электрическая схема оборудования для измерения частоты согласно варианту осуществления настоящего изобретения, а фиг. 2 - это структурная блок-схема оборудования для измерения частоты согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1 и 2, оборудование для измерения частоты согласно вариантам осуществления настоящего изобретения имеет структуру с разомкнутым контуром для измерения частоты. Структура с разомкнутым контуром включает в себя блок 10 выборки, блок 20 вычисления напряжения прямой последовательности и блок 30 вычисления частоты.
Блок 10 выборки выполняет выборку напряжения, которое должно быть измерено, с фиксированной частотой выборки, чтобы получать образцы выборки. Фиксированная частота выборки может быть 2400 Гц, 2880 Гц, 4000 Гц или 4800 Гц и т.п.
Блок 20 вычисления напряжения прямой последовательности получает величину изменения угла напряжения прямой последовательности с помощью образцов выборки, полученных посредством выборки, и на основе DFT-вычисления.
Блок 30 вычисления частоты использует величину изменения угла напряжения прямой последовательности, чтобы получать величину сдвига частоты, и использует номинальную частоту и величину сдвига частоты для получения связанных с частотой измеряемых значений. Здесь, связанные с частотой измеряемые значения включают в себя измеряемое значение скорости изменения частоты и измеряемое значение частоты. Величина изменения угла напряжения прямой последовательности является величиной изменения угла напряжения прямой последовательности для предварительно определенного временного интервала T. Величина изменения напряжения прямой последовательности для предварительно определенного временного интервала T может быть, например, величиной изменения в угле напряжения прямой последовательности для двух следующих друг за другом DFT-вычислений.
Вследствие структуры с разомкнутым контуром итеративные вычисления не требуются, связанные с частотой значения измерений получаются непосредственно, тем самым, добиваясь быстрой частотной характеристики.
Блок 20 вычисления напряжения прямой последовательности включает в себя блок 21 окна, DFT-блок 22 и блок 23 вычисления угла напряжения прямой последовательности. Блок 21 окна выполняет процесс обработки методом окна по образцам выборки, т.е., отсекает образцы выборки с помощью функции окна. Функция окна предпочтительно является функцией окна Хэмминга или функцией окна Хэннинга, чтобы пресекать влияния гармонических колебаний. DFT-блок 22 выполняет DFT-процесс по образцам выборки после процесса обработки методом окна, чтобы получать векторы напряжения. Блок 23 вычисления угла напряжения прямой последовательности вычисляет величину изменения угла напряжения прямой последовательности на основе векторов напряжения.
Поскольку функция окна используется для выполнения процесса обработки методом окна по образцам выборки, влияния гармонических колебаний могут быть эффективно сдержаны или устранены.
Блок 30 вычисления частоты включает в себя блок 31 вычисления сдвига частоты, блок 32 вычисления значения частоты и блок 34 вычисления скорости изменения частоты. Блок 31 вычисления сдвига частоты может быть умножителем, который умножает величину изменения угла напряжения прямой последовательности, полученную посредством блока 20 вычисления напряжения прямой последовательности, на обратную величину предварительно определенного интервала работы, чтобы получать величину сдвига частоты. В частности, см. следующую Формулу 1. Блок 32 вычисления значения частоты может быть сумматором, который складывает величину сдвига частоты и номинальную частоту, чтобы получать значение вычисления частоты. В частности, см. следующую Формулу 2. В некоторых вариантах осуществления значение вычисления частоты может быть использовано в качестве значения измерения частоты. Блок 34 вычисления значения скорости изменения частоты получает значение вычисления скорости изменения частоты с помощью величины сдвига частоты. В некоторых вариантах осуществления значение вычисления скорости изменения частоты может быть использовано в качестве значения измерения скорости изменения частоты, которое указывает, насколько быстро частота изменяется со временем. Блок 34 вычисления значения скорости изменения частоты может включать в себя вычитающее устройство и умножитель, которые могут, например, вычислять скорость изменения частоты в реальном времени, или значение вычисления скорости изменения частоты, на основе двух соседних сдвигов частоты.
величина сдвига частоты = величина сдвига угла напряжения прямой последовательности / (2πT)    Формула 1
расчетное значение частоты = номинальная частота + величина изменения частоты       Формула 2
где T - это предварительно определенный интервал DFT-операции, соответствующий величине сдвига угла напряжения прямой последовательности, которая может быть, например, 5 мс, 10 мс или 20 мс и т.п.
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, например, блок 30 вычисления частоты дополнительно включает в себя блок 33 вычисления средней частоты и блок 35 вычисления средней скорости изменения частоты. Блок 33 вычисления средней частоты усредняет полученные расчетные значения частоты в нескольких энергетических циклах (например, 1,5 энергетических циклах), а затем получает измеряемое значение частоты. Блок 35 вычисления средней скорости изменения частоты усредняет расчетные значения скорости изменения частоты, полученные посредством блока 34 вычисления скорости изменения частоты в нескольких энергетических циклах (например, одном энергетическом цикле), а затем получает измеряемое значение скорости изменения частоты.
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления, например, блок 30 вычисления частоты дополнительно включает в себя блок 36 оценки скачкообразного изменения фазового угла, который оценивает скачкообразное изменение фазового угла, чтобы прекращать обновление связанных с частотой измеряемых значений в случае внешнего возмущения, устраняя влияние аномальных связанных с частотой измеряемых значений, чтобы обеспечивать точность измерения частоты. В частности, если измеряемая скорость изменения частоты меньше пороговой скорости изменения, блок 36 оценки скачкообразного изменения фазового угла выполнен с возможностью оценивать, что скачкообразного изменения фазового угла не произошло, и обновлять связанные с частотой измеряемые значения. Например, блок 36 оценки скачкообразного изменения фазового угла может управлять блоком 30 вычисления частоты, чтобы обновлять связанные с частотой измеряемые значения. Если измеряемое значение скорости изменения частоты больше пороговой скорости изменения, блок 36 оценки скачкообразного изменения фазового угла выполнен с возможностью оценивать, что скачкообразное изменение фазового угла произошло, и прекращать обновление связанных с частотой измеряемых значений. Например, блок 36 оценки скачкообразного изменения фазового угла может управлять блоком 30 вычисления частоты, чтобы прекращать обновление связанных с частотой измеряемых значений. Дополнительно, если каждая измеряемая скорость изменения частоты больше пороговой скорости изменения в последовательном предварительно определенном числе энергетических циклов (например, двух энергетических циклах), блок 36 оценки скачкообразного изменения фазового угла выполнен с возможностью оценивать, что скачкообразного изменения фазового угла не произошло, и продолжать использоваться для обновления связанных с частотой измеряемых значений. Пороговая скорость изменения может быть, например, 10 Гц/с.
Как показано на фиг. 2, блок 36 оценки скачкообразного изменения фазового угла может принимать расчетные значение(я) скорости изменения частоты от блока 34 вычисления значения скорости изменения частоты для определения скачкообразного изменения фазового угла, но не ограничивается этим. Например, блок 36 оценки скачкообразного изменения фазового угла может независимо вычислять скорость изменения частоты.
Кроме того, оборудование для измерения частоты может дополнительно включать в себя блок 40 повторной выборки и блок 50 вычисления электрической величины. Блок 40 повторной выборки осуществляет повторную выборку первоначальных образцов выборки на основе связанных с частотой измеряемых значений. Блок 50 вычисления электрической величины получает измеряемые значения другой электрической величины, такие как измеряемые значения напряжения и тока, с помощью образцов повторной выборки, полученных посредством повторной выборки, и на основе DFT-вычисления.
Блок 40 повторной выборки, выполняющий повторную выборку образцов выборки на основе связанных с частотой измеряемых значений, включает в себя вычисление частоты повторной выборки на основе следующей Формулы 3 и повторную выборку образцов выборки с помощью частоты повторной выборки.
Частота повторной выборки = измеряемое значение частоты × Ns         Формула 3
где Ns - это константа, например, 48 или 24. Кроме того, расчетные значения частоты могут быть усреднены в течение нескольких энергетических циклов (например, 5), чтобы получать измеряемое значение частоты.
Получение измеряемых значений другой электрической величины с помощью образцов повторной выборки, полученных посредством повторной выборки, и на основе DFT-вычисления включает в себя выполнение процесса обработки методом окна и DFT-процесса по образцам повторной выборки, чтобы получать измеряемые значения другой электрической величины, такой как напряжение и ток и т.п. Здесь, функция окна, используемая в процессе обработки методом окна, может быть функцией прямоугольного окна.
Далее в данном документе способ измерения частоты согласно настоящему изобретению будет описан со ссылкой на фиг. 3-4.
Фиг. 3 - это блок-схема последовательности операций способа измерения частоты согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 3, способ измерения частоты согласно варианту осуществления настоящего изобретения включает в себя: S10, этап выборки, выполнение выборки напряжения, которое должно быть измерено, с фиксированной частотой выборки; S20, этап вычисления величины изменения угла напряжения прямой последовательности, получение величины изменения угла напряжения прямой последовательности для предварительно определенного интервала времени T работы с помощью образцов выборки и на основе DFT-вычисления; S30, этап вычисления сдвига частоты, получение величины сдвига частоты с помощью величины изменения угла напряжения прямой последовательности; S40: этап вычисления связанного с частотой измеряемого значения, получение связанных с частотой измеряемых значений с помощью сдвига частоты. Связанные с частотой измеряемые значения включают в себя, по меньшей мере, одно из группы, состоящей из измеряемого значения частоты и измеряемого значения скорости изменения частоты, и величина сдвига частоты является разницей между номинальным значением частоты и измеряемым значением частоты.
Этот способ измерения частоты может быть выполнен с помощью оборудования для измерения частоты согласно настоящему варианту осуществления, описанному выше.
Кроме того, например, на этапе выборки S10, фиксированная частота выборки может быть 2400 Гц, 2880 Гц, 4000 Гц или 4800 Гц и т.п.
В некоторых вариантах осуществления этап S20 вычисления величины изменения угла напряжения прямой последовательности может включать в себя получение векторов напряжения посредством выполнения процесса обработки методом окна и DFT-процесса по образцам выборки и вычисление величины изменения угла напряжения прямой последовательности на основе векторов напряжения. Процесс обработки методом окна может включать в себя отсечение образцов выборки с помощью, например, функции окна Хэмминга или функции окна Хэннинга. Процесс обработки методом окна является полезным для пресечения влияний гармонических колебаний. Предварительно определенный временной интервал T может быть 5 мс, 10 мс или 20 мс.
На этапе S30 вычисления сдвига частоты, например, величина сдвига частоты может быть вычислена на основе Формулы 1 выше. На этапе S40 вычисления связанного с частотой измеряемого значения, например, расчетное значение частоты может быть вычислено на основе вышеупомянутой Формулы 2, и расчетное значение скорости изменения частоты может быть получено с помощью сдвига частоты.
Кроме того, как показано на фиг. 3, способ измерения согласно варианту осуществления настоящего изобретения может дополнительно включать в себя этап S50 оценки скачкообразного изменения фазового угла.
Фиг. 4 показывает этап S50 оценки скачкообразного изменения фазового угла, который включает в себя сравнение измеряемого значения скорости изменения частоты с пороговой скоростью изменения. В частности, когда измеряемое значение скорости изменения частоты меньше пороговой скорости изменения, связанное с частотой измеряемое значение обновляется, когда измеряемое значение скорости изменения частоты больше пороговой скорости изменения, связанное с частотой измеряемое значение прекращает обновляться, и когда каждое измеряемое значение скорости изменения частоты больше пороговой скорости изменения в последовательном предварительно определенном числе энергетических циклов, связанное с частотой измеряемое значение будет продолжать обновляться. Пороговая скорость изменения может быть, например, 10 Гц/с. Этап оценки скачкообразного изменения фазового угла является полезным для устранения влияния аномальных связанных с частотой измеряемых значений и обеспечения точности измерения частоты.
Кроме того, как показано на фиг. 3, способ измерения согласно варианту осуществления настоящего изобретения может дополнительно включать в себя этап S60 повторной выборки и этап S70 вычисления электрической величины. На этапе S60 повторной выборки частота повторной выборки получается с помощью связанных с частотой измеряемых значений, и образцы выборки повторно отбираются с помощью частоты повторной выборки. На этапе S70 вычисления электрической величины измеряемые значения других величин в дополнение к связанным с частотой измеряемым значениям получаются с помощью образцов повторной выборки, полученных посредством повторной выборки и на основе DFT-вычисления. Измеряемые значения другой электрической величины могут быть, например, измеряемыми значениями напряжения и тока.
Соотношение соединения и композиционное соотношение каждого блока в различных вариантах настоящего изобретения не ограничивают рамки защиты настоящего изобретения. Они могут быть объединены в единый блок для реализации, или конкретный блок в ней может быть разделен на множество блоков с меньшими функциями для реализации.
Каждая блок-схема на чертежах показывает структуру, функцию и действие, которые оборудование для измерения частоты согласно варианту осуществления настоящего изобретения может реализовывать. В этом отношении, каждый блок в блок-схеме может представлять модуль, который содержит одну или более исполняемых инструкций для реализации указанной логической функции. В альтернативных реализациях функции, помеченные в блоках, могут возникать в другом порядке по сравнению с функциями, обозначенными на чертежах. Например, два последовательных блока могут фактически выполняться практически параллельно, и они могут иногда выполняться в обратном порядке, в зависимости от подразумеваемых функций. Следует также отметить, что каждый блок в блок-схеме может быть реализован посредством специализированной аппаратной ASIC, которая выполняет предписанную функцию или действие, или может быть реализован посредством сочетания специализированных аппаратных средств и компьютерных инструкций.
Варианты осуществления настоящего изобретения были описаны выше. Приведенное выше описание является примерным, неисчерпывающим и не ограничивается описанными вариантами осуществления. Множество модификаций и вариантов будут очевидны специалистам в области техники без отступления от рамок и духа различных описанных вариантов осуществления. Терминология, использованная в данном документе, выбрана для лучшего понимания принципов, практических применений или улучшений в технологии на рынке различных вариантов осуществления или для предоставления возможности другим обычным специалистам в области техники понять различные варианты осуществления, описанные в данном документе.