Способ обработки сигналов с дискретным преобразованием Фурье половины цикла Российский патент 2024 года по МПК H02H3/38 G01R19/00 

Область техники

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для измерения режимных параметров распределительной сети, в устройствах синхронизированных векторных измерений, в системах противоаварийной автоматики и релейной защиты и т.п.

Уровень техники

Известен способ релейной защиты энергообъекта [1], в котором с использованием его имитационных моделей в контролируемых режимах короткого замыкания и в альтернативных режимах путем фиксации отсчетов электрических величин, преобразования отсчетов в промежуточную величину, преобразования промежуточных величин в замер, обучения релейной защиты замерами от имитационных моделей и определения характеристики срабатывания на плоскости замера, промежуточные величины формируют как текущие сигналы на каждом шаге наблюдения режима короткого замыкания, начиная с двух отсчетов каждой величины, текущие сигналы преобразуют в текущий замер релейной защиты, обучение защиты проводят текущими замерами на каждом шаге наблюдения и для каждого шага наблюдения определяют собственные характеристики срабатывания защиты. Для подобных задач целесообразно использование фильтра Фурье, окно наблюдение которого можно варьировать в зависимости от внешних условий. Известен способ расчета режимных параметров энергосистемы, амплитуды, фазы, частоты тока или напряжения, на основании данного фильтра, работающего на половине периода промышленной частоты [2], - Дискретное преобразование Фурье (ДПФ). Данный способ предусматривает расчет параметров системы за оконную функцию длиной в половину цикла промышленной частоты сети. Накопление весовых коэффициентов происходит на половине длине окружности, так как фильтру достаточно полпериода промышленной частоты для агрегации входных значений и получения необходимых данных для последующей обработки. Данный факт позволяет быстрее реагировать на аварийные ситуации и предотвращать их возникновение и распространение.

Недостатками этого технического решения являются низкая точность оцениваемых параметров, что влечет за собой высокую вероятность ложного срабатывания защиты в энергосистеме; низкий уровень точности измерения электроэнергии, приводящий к операционным рискам и потерям; ограничение применения способа для произвольных сигналов, не обладающих периодической структурой и симметричностью; большая зависимость от характеристик и качества сигналов приводит к усложнению реализации метода.

Известен способ на основе ДПФ половины цикла, Half-Cycle DFT-Based Phasor Estimation (HCDFT, полупериодное Дискретное преобразование Фурье), в котором сигнал раскладывают на четные и нечетные выборки с последующим выделением реальных и мнимых составляющих [3]. В частности, данное решение предусматривает подавление апериодической составляющей в исходном сигнале за счет получения истинного вектора. Для вычисления истинного вектора вводят пять дополнительных коэффициентов () и параметр , который определяет постоянную составляющую исходного сигнала.

Недостатком данного технического решения является низкая точность оценки режимных параметров при наличии в исходном сигнале помех, отличных от периодической составляющей. Например, при отклонении частоты входного сигнала от номинального значения у алгоритма наблюдаются погрешности в оценке режимных параметров. Данный фактор являются блокирующим для применения решения в промышленном производстве, поскольку в сложных энергетических системах важна надежная и точная диагностика для предотвращения отказов и обеспечения стабильности работы установок.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ на основе модифицированного полупериодного способа ДПФ (modernized half-cycle DFT, далее MHDFT), который не требует подстройки частоты дискретизации и обеспечивает подавление апериодической составляющей [4]. При наличии апериодической составляющей её подавляют, для этого, либо оценивают ее параметры и в дальнейшем используют определенные алгоритмы для исключения из входного сигнала, либо апериодическую составляющую удаляют при дифференцировании, поступающих на вход данных. Далее оценивают число слагаемых в формуле фильтра Фурье, то есть определяют число выборок сигнала, соответствующих половине периода частоты входного сигнала. После получения нового периода частоты используют вариативные формулы для формирования корректирующих коэффициентов при отклонении частоты от номинального значения (при номинальном значении корректирующий коэффициент равен единице) или при наличии в сигнале помех (белый шум, естественные флуктуации и т.д.).

Недостатком этого технического решения является низкая устойчивость к различным видам внешних воздействий.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей предлагаемого способа является устойчивость к различным видам внешних воздействий.

Техническим результатом является быстродействие и точность оценки режимных параметров в условиях наличия помех различного вида: апериодические составляющие, гармонические и интергармонические колебания, шумы и другие воздействия, усложняющие оценку.

Это достигается способом обработки сигналов, в котором осуществляют дискретизацию сигнала с выбранной частотой дискретизации в моменты времени, измеряют сигналы, собирают данные об измеренных значениях, производят преобразование входных данных тем, что при наличии апериодической составляющей её подавляют, формируют корректирующие коэффициенты при отличии частоты сигнала от номинальной, тем самым подстраивают фильтр под анализируемую частоту сигнала, отличающийся тем, что апериодическую составляющую подавляют в измерительном устройстве путем дифференцирования входного сигнала, используя зависимость , где - дискретный сигнал в момент времени , - шаг дискретизации, - циклическая частота сигнала, используя формулу дискретного преобразования Фурье половины периода промышленной частоты где - количество дискретных отсчетов, которые соответствуют одному периоду промышленной частоты, n- порядковый номер дискретного отсчета, j - мнимая единица, получают предварительные оценки амплитуды и фазы , рассчитывают предварительную оценку частоты и ее усредненное значение на количестве дискретов , которое было получено на предыдущей итерации, при этом на первой итерации значение принимают равным половине числа дискретов, которые соответствуют полному периоду частоты промышленной сети, подстраивают фильтр под анализируемую частоту сигнала тем, что определяют корректирующие коэффициенты частоты и амплитуды , определяют скорректированную амплитуду сигнала , усредняют скорректированную амплитуду на количестве дискретов по формуле ,

при необходимости вводят усреднение колебательной погрешности на числе дискретов, которое соответствует новому установившемуся значению частоты, полученные в измерительном устройстве параметры направляют в устройство потока выходных данных.

Кроме того, осуществляют дискретизацию сигнала тока и/или напряжения.

Также измеряют сигналы тока и/или напряжения.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено устройство синхронизированных векторных измерений (УСВИ), реализующее способ цифровой обработки сигналов с дискретным преобразованием Фурье половины цикла, где приняты следующие обозначения:

1 - GPS (спутниковая система навигации);

2 - аппаратура синхронизации;

3 - датчики сигналов;

4 - устройство сбора данных;

5 - измерительное устройство;

6 - устройство потока выходных данных.

На фиг. 2 представлено сопоставление точности алгоритмов по оценке частоты при ступенчатом изменении частоты тестового сигнала в диапазоне от 45÷55 Гц, показана ошибка оценки амплитуды U1.

На фиг. 3 - сопоставление точности алгоритмов при ступенчатом изменении частоты тестового сигнала в диапазоне от 45÷55 Гц, показана ошибка оценки фазы ϕ⋅1.

На фиг. 4 - сопоставление точности алгоритмов при ступенчатом изменении частоты тестового сигнала в диапазоне от 45÷55 Гц, показан модуль полной ошибки оценки вектора.

На фиг. 5 изображена оценка частоты сигнала четырьмя алгоритмами при появлении возмущения в виде апериодической составляющей в заранее смоделированный момент времени. Относительное значение амплитуды и постоянная времени затухания равны единице.

Осуществление изобретения

Способ обработки сигналов с дискретным преобразованием Фурье половины цикла реализуют следующим образом.

Осуществляют дискретизацию сигнала, например, тока и/или напряжения, с выбранной частотой дискретизации в момент времени.

Измеряют сигналы, например, тока и/или напряжения, собирают данные об измеренных значениях.

Производят преобразование входных данных тем, что подавляют апериодическую составляющую в измерительном устройстве путем дифференцирования входного сигнала:

(1),

где - дискретный сигнал в момент времени ;

- шаг дискретизации;

- циклическая частота сигнала.

Затем применяют формулу Дискретного преобразования Фурье половины периода промышленной частоты:

(2),

где - количество дискретных отсчетов, которые соответствуют одному периоду промышленной частоты,

n - порядковый номер дискретного отсчета,

j - мнимая единица.

Из полученных комплексных значений на выходе формулы (2) получают предварительные оценки амплитуды и фазы :

(3),

(4)

Рассчитывают предварительную оценку частоты и ее усредненное значение на количестве дискретов , которое было получено на предыдущей итерации:

(5),

(6),

На первой итерации значение принимают равным половине числа дискретов, которые соответствуют полному периоду частоты промышленной сети. Далее данное значение принимают равным корректирующему коэффициенту частоты согласно формуле (9).

Формируют корректирующие коэффициенты при отличии частоты сигнала от номинальной, тем самым подстраивают фильтр под анализируемую частоту сигнала. Рассчитывают корректирующие коэффициенты частоты и амплитуды на основании следующих формул:

(7),

(8),

(9)

Скорректированную амплитуду сигнала определяют по формуле (10), усредняют скорректированную амплитуду на количестве дискретов по формуле (11):

(10),

(11)

При наличии колебательной погрешности вводят усреднение колебательной погрешности на числе дискретов, которое соответствует новому установившемуся значению частоты. Суффикс означает степень сглаживания ( - однократное сглаживание, - двукратное и тд.):

(12),

(13)

Полученные в измерительном устройстве параметры направляют в устройство потока выходных данных и далее анализируют.

Представляемый способ возможен для реализации в устройствах, которые предназначены для сбора и анализа данных по мониторингу состояния электрической сети. Примерами таких устройств являются устройства синхронизированных векторных измерений (УСВИ), регистраторы аварийных событий (РАС). Структурная схемы реализации представлена на фиг. 1.

Осуществляют дискретизацию сигнала с выбранной частотой дискретизации в определенные моменты времени, для этого может быть реализован GPS 1 и использована аппаратура синхронизации 2, с помощью чего достигают синхронизацию часов устройства с глобальными навигационными спутниковыми системами. Сигналы, например, тока и напряжения измеряют соответствующими датчиками 3, затем сигналы через выходные каналы передают в устройство сбора данных 4, где собирают данные об измеренных значениях, после чего в измерительном устройстве 5 с использованием зависимостей (1) - (13) производят преобразование входных данных в анализируемые параметры частоты, амплитуды, фазы и других величин. Полученные анализируемые параметры направляют в устройство потока выходных данных 6 и анализируют для задач мониторинга, анализа состояния энергосистемы, фиксирования качества электроэнергии и т.д.

Устройства 4-6 могут быть выполнены на базе промышленного компьютера.

На фиг. 5 проиллюстрировано применение способа при реализации в УСВИ.

Верификация рассматриваемого способа по оценке параметров входных сигналов осуществлен согласно стандарту [5]. Данный стандарт устанавливает требования к функциональности УСВИ. При их достижении в части измерения погрешностей в различных модельных опытах полагается возможным использование способа в реальных устройствах. Часть проводимых, приведенных в стандарте, сертификационных испытаний описана ниже.

На фиг. 2-4 показаны результаты численного моделирования согласно стандарту [5] и представлены ошибки оценки основных параметров, включая модуль полной ошибки оценки вектора (TVE - величина, характеризующая отклонение амплитуды и фазы измеренного вектора от их заданных значений в совокупности), для трех разных способов: полное и полупериодное дискретное преобразование Фурье (синяя и красная сплошная характеристики соответственно) и заявленный способ (красные точечные характеристики). Из графиков видно, что использование коррекций оценок с учетом предварительной оценки частоты существенно повышают точность наблюдаемых параметров, так как красные точечные характеристики имеют наименьшую погрешность. При совпадении частоты входного сигнала и номинальной частоты сети значение корректирующих коэффициентов равны единице.

При появлении в исходном сигнале апериодической составляющей (см. фиг. 5) возникают затухающие синусоидальные колебания вокруг номинального значения частоты для классического полупериодного алгоритма (красная кривая). Наибольшая точность по сравнению с алгоритмами полного периода (FCDFT - синяя кривая) и модернизированного полупериодного HDFT5 (фиолетовая кривая) наблюдается у заявленного способа (красная точечная кривая), менее одной сотой Гц, что достигается за счет формирования корректирующих коэффициентов. На правой половине фигуры, при увеличенном масштабе, видно, что заявленный способ выходит на установившееся значение частоты за 10 мс, что соответствует половине периода промышленной частоты сети. Сравниваемые с заявленным способы имеют большие значения переходного процесса по времени и меньшую точность по вычисляемую значению.

Использование изобретения обеспечивает быстродействие и точность оценки режимных параметров в условиях наличия помех различного вида: апериодические составляющие, гармонические и интергармонические колебания, шумы и другие воздействия, усложняющие оценку.

Литература:

1. Патент RU 2594361C1, МПК H02H 3/40, опубл. 20.08.2016, бюл. № 23

2. Л. Рабинер, Б. Гоулд. Теория и применение цифровой обработки сигналов, 1975. С. 277.

3. Tiago R. Honorato, Kleber M. Silva. Half-Cycle DFT-Based Phasor Estimation Algorithm for Numerical Digital Relaying, 2018.

4. Климова Т.Г., Ревякин В.А. Возможности применения устройств синхронизированных векторных измерителей в распределительных сетях. Электроэнергия. Передача и распределение, 2020. № 6. С. 82-87.

5. СТО 59012820.29.020.011-2016. Стандарт релейная защита и автоматика. Устройства синхронизированных векторных измерений. Нормы и требования.

Изобретение относится к электроэнергетике. Техническим результатом изобретения является быстродействие и точность оценки режимных параметров в условиях наличия помех различного вида: апериодические составляющие, гармонические и интергармонические колебания, шумы и другие воздействия, усложняющие оценку. Способ обработки сигналов дополнительно заключается в том, что апериодическую составляющую подавляют в измерительном устройстве путем дифференцирования входного сигнала, используя зависимость дискретного сигнала в момент времени от шага дискретизации, циклической частоты сигнала, используя дискретное преобразование Фурье половины периода промышленной частоты, получают предварительные оценки амплитуды и фазы, рассчитывают предварительную оценку частоты и ее усредненное значение на количестве дискретов, которое было получено на предыдущей итерации, при этом на первой итерации значение дискретов принимают равным половине числа дискретов, которые соответствуют полному периоду частоты промышленной сети, подстраивают фильтр под анализируемую частоту сигнала тем, что определяют корректирующие коэффициенты частоты и амплитуды, определяют скорректированную амплитуду сигнала, усредняют скорректированную амплитуду на количестве дискретов, при необходимости вводят усреднение колебательной погрешности на числе дискретов, которое соответствует новому установившемуся значению частоты, полученные в измерительном устройстве параметры направляют в устройство потока выходных данных. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ обработки сигналов, в котором осуществляют дискретизацию сигнала с выбранной частотой дискретизации в моменты времени, измеряют сигналы, собирают данные об измеренных значениях, производят преобразование входных данных тем, что при наличии апериодической составляющей её подавляют, формируют корректирующие коэффициенты при отличии частоты сигнала от номинальной, тем самым подстраивают фильтр под анализируемую частоту сигнала, отличающийся тем, что апериодическую составляющую подавляют в измерительном устройстве путем дифференцирования входного сигнала, используя зависимость , где X_a(ii) – дискретный сигнал в момент времени ii, Δt – шаг дискретизации, – циклическая частота сигнала, используя формулу дискретного преобразования Фурье половины периода промышленной частоты , где N – количество дискретных отсчетов, которые соответствуют одному периоду промышленной частоты, n – порядковый номер дискретного отсчета, j – мнимая единица, получают предварительные оценки амплитуды и фазы , рассчитывают предварительную оценку частоты и ее усредненное значение на количестве дискретов nn, которое было получено на предыдущей итерации, при этом на первой итерации значение nn принимают равным половине числа дискретов, которые соответствуют полному периоду частоты промышленной сети, подстраивают фильтр под анализируемую частоту сигнала тем, что определяют корректирующие коэффициенты частоты и амплитуды , определяют скорректированную амплитуду сигнала , усредняют скорректированную амплитуду на количестве дискретов nn по формуле , при необходимости вводят усреднение колебательной погрешности на числе дискретов, которое соответствует новому установившемуся значению частоты, полученные в измерительном устройстве параметры направляют в устройство потока выходных данных.

2. Способ обработки сигналов по п.1, отличающийся тем, что осуществляют дискретизацию сигнала тока и/или напряжения.

3. Способ обработки сигналов по п.1, отличающийся тем, что измеряют сигналы тока и/или напряжения.