用于检测和评估电网中振荡的系统和方法与流程

本公开大体上涉及振荡检测，并且更确切地说，涉及用于检测和评估电网中振荡的系统和方法。

背景技术：

电网通常包括各种部件，例如安装在大范围地理区域内的输电线、塔架、电力发电机、变压器和断路器。在电网用户端处，各种元件例如照明元件(例如灯泡和灯具)、加热/冷却元件(例如加热器和空调)以及工业设备(例如，电动机和电机)作为从电网抽取电力的各种分布式负载操作。构成电网的各种部件以及构成电网上负载的各种部件会遭受可能引起不良振荡状况的各种电气、机械、机电和环境力。

例如，由于发电机中转子的摆动，输电线中可能产生一种类型的振荡。由于例如由具有开关操作模式的开关电源产生的开关瞬态或其他电气异常，输电线中可能产生另一类型的振荡。例如，由于输电线对电力发电机呈现的阻抗的性质(分布电感和分布电容)，输电线中可能产生又一类型的振荡。

这些不良振荡中的一些振荡会自动衰减，并且不会对操作产生重大影响。但是，例如由非常长输电线、包括电力电子设备的装置以及彼此交互的同步发电机引起的一些其他类型的振荡可能导致操作不稳定并且损坏电网的各种部件。所述不良振荡会对电网以及连接到电网的部件产生不利影响。

技术实现要素：

本公开的实施例大体上涉及用于检测和评估电网中振荡的系统和方法。

根据本公开的一个示例性实施例，一种系统可以包括振荡检测器。所述振荡检测器配置成：接收指示通过电网输送的电力中的幅度波动的数字数据；处理所述数字数据以检测五个预定义频带中的至少一个预定义频带中的振荡状况(oscillatorycondition)；并且在检测到所述振荡状况之后，确定贡献所述振荡状况的至少一个振荡频率的幅值特性(magnitudecharacteristic)、相位特性或衰减特性中的至少一者。

根据本公开的另一个示例性实施例，一种方法可以包括：接收指示通过电网输送的电力中的幅度波动的数字数据；处理所述数字数据以检测所述电网中的振荡状况；以及在检测到所述振荡状况之后，确定贡献所述振荡状况的至少一个振荡频率的幅值特性、相位特性或衰减特性中的至少一者。

根据本公开的又一个示例性实施例，一种方法可以包括：以实时方式获得指示通过电网输送的电力中的幅度波动的传感器数据；以实时方式将所述传感器数据转换成数字数据样本；处理所述数字数据以检测所述电网中的振荡状况；以及在检测到所述振荡状况之后，确定贡献所述振荡状况的至少一个振荡频率的幅值特性、相位特性或衰减特性中的至少一者。

实施例1：一种系统，包括：

振荡检测器，所述振荡检测器配置成：

接收指示通过电网输送的电力中的幅度波动的数字数据；

处理所述数字数据以检测五个预定义频带中的至少一个预定义频带中的振荡状况；以及

检测到所述振荡状况之后，确定贡献所述振荡状况的至少一个振荡频率的幅值特性、相位特性或衰减特性中的至少一者。

实施例2：根据实施例1所述的系统，其中所述五个预定义频带包括从约0.01hz到约0.1hz的第一频带，从约0.1hz到约1hz的第二频带，从约1.0hz到约10.0hz的第三频带，从约10hz到约55hz的第四频带，以及包括直流分量的第五频带。

实施例3：根据实施例2所述的系统，其中所述至少一个振荡频率在所述第一频带内，并且来源于作为所述电网的一部分的至少一个部件中的调速器或自动发电控制条件中的至少一者。

实施例4：根据实施例2所述的系统，其中所述至少一个振荡频率在所述第二频带内并且指示区域间振荡。

实施例5：根据实施例2所述的系统，其中所述至少一个振荡频率在所述第三频带内并且指示来源于连接到所述电网的两个或更多个部件之间的操作交互的强制振荡。

实施例6：根据实施例5所述的系统，其中所述两个或更多个部件中的至少一个部件是使用开关模式操作的装置，并且其中所述振荡检测器进一步配置成将所述强制振荡的幅值与基准阈值进行比较。

实施例7：根据实施例2所述的系统，其中所述至少一个振荡频率在所述第四频带内并且指示连接到所述电网的两个部件之间的次同步谐振状况或次同步扭转交互中的至少一者。

实施例8：根据实施例2所述的系统，其中所述至少一个振荡频率在所述第五频带内并且指示作为所述电网的一部分的至少一个部件中所存在的地磁感应电流。

实施例9：根据实施例1所述的系统，进一步包括：

一个或多个传感器，所述一个或多个传感器连接到作为所述电网的一部分的至少一个部件；以及

模数转换器，所述模数转换器配置成接收来自所述一个或多个传感器的传感器数据并且将所述传感器数据转换成指示通过所述电网输送的电力中的幅度波动的所述数字数据。

实施例10：一种方法，包括：

接收指示通过电网输送的电力中的幅度波动的数字数据；

处理所述数字数据以检测所述电网中的振荡状况；以及

检测到所述振荡状况之后，确定贡献所述振荡状况的至少一个振荡频率的幅值特性、相位特性或衰减特性中的至少一者。

实施例11：根据实施例10所述的方法，其中处理所述数字数据以检测所述振荡状况包括处理所述数字数据以检测五个预定义频带中的至少一个预定义频带中的所述振荡状况。

实施例12：根据实施例11所述的方法，其中所述五个预定义频带包括从约0.01hz到约0.1hz的第一频带，从约0.1hz到约1hz的第二频带，从约1.0hz到约10.0hz的第三频带，从约10hz到约55hz的第四频带，以及包括直流分量的第五频带。

实施例13：根据实施例12所述的方法，其中处理所述数字数据以检测所述振荡状况包括：

对所述数字数据执行包络提取程序以检测所述五个预定义频带中的所述第四频带中的所述振荡状况。

实施例14：根据实施例13所述的方法，其中执行所述包络提取程序包括一个或多个滤波操作以消除在所述第四频带之外的频率分量。

实施例15：一种方法，包括：

以实时方式接收指示通过电网输送的电力中的幅度波动的传感器数据；

以实时方式将所述传感器数据转换成数字数据样本；

处理所述数字数据以检测所述电网中的振荡状况；以及

检测到所述振荡状况之后，确定贡献所述振荡状况的至少一个振荡频率的幅值特性、相位特性或衰减特性中的至少一者。

实施例16：根据实施例15所述的方法，其中处理所述数字数据以检测所述振荡状况包括处理所述数字数据以检测五个预定义频带中的至少一个预定义频带中的所述振荡状况。

实施例17：根据实施例16所述的方法，其中所述五个预定义频带包括从约0.01hz到约0.1hz的第一频带，从约0.1hz到约1hz的第二频带，从约1.0hz到约10.0hz的第三频带，从约10hz到约55hz的第四频带，以及包括直流分量的第五频带。

实施例18：根据实施例17所述的方法，其中处理所述数字数据以检测所述振荡状况包括：

对所述数字数据执行包络提取程序以检测所述五个预定义频带中的所述第四频带中的所述振荡状况。

实施例19：根据实施例17所述的方法，进一步包括：

对所述传感器数据施加时间戳；以及

使用所述带有时间戳的传感器数据来确定所述至少一个振荡频率的同步相位量信息。

实施例20：根据实施例19所述的方法，其中所述同步相量信息包括所述至少一个振荡频率的同步相量角信息。

参照附图来阅读以下说明可以显而易见地了解本公开的其他实施例和方面。

附图说明

因此在已经概括地描述本公开之后，现在将参考附图，所述附图不一定按照比例绘制，并且其中：

图1示出根据本公开示例性实施例的连接到电网的振荡监测系统。

图2示出可以包括在图1所示振荡监测系统中的一些示例性元件。

图3示出可以用于图1所示振荡监测系统的信号检测器部分的包络提取(envelopeextraction)的一些示例性元件。

下文中将参照附图更全面地描述本公开，其中附图中示出本公开的示例性实施例。但是本公开可以以许多不同形式来实施，并且不应解释成限于本说明书中所阐述的示例性实施例；相反，这些实施例的提供是为了使本公开满足适用法律要求。附图中类似的数字是指类似元件。应理解，某些词语和术语在本说明书中仅出于方便目的而使用，并且所述词语和术语应解释成指所属领域中的普通技术人员通常以各种形式和等同方式理解的各种对象和动作。此外，本说明书中所使用的词语“示例”旨在本质上是非排他性和非限制性的。更确切地说，本说明书中所使用的词语“示例性”表示若干示例中的一个示例，并且应理解，对所描述的特定示例不存在任何过度强调或偏好。

具体实施方式

就总体概述而言，本公开中描述的某些实施例涉及可用于检测和评估电网中振荡的示例性系统和方法。所述系统和方法可以例如通过具有振荡检测器的振荡监测系统来实施。所述振荡可以包括例如可能在五个预定义频带中的一个或多个频带中发生的振荡状况。所述五个预定义频带中的每一者至少部分按照来源于独特的不同来源的振荡来分类。例如，第一预定义频带中的振荡可以来源于作为电网一部分的部件中的调速器或自动发电控制条件(automaticgenerationcontrolcondition)；第二预定义频带中的振荡可以来源于区域间振荡；第三预定义频带中的振荡可以是来源于连接到所述电网的两个或更多个部件之间的操作交互的强制振荡；第四预定义频带中的振荡可以来源于连接到所述电网的两个部件之间的次同步谐振情况或次同步扭转交互；并且第五预定义频带中的振荡可以来源于作为所述电网的一部分的至少一个组件中存在的地磁感应电流(geomagneticallyinducedcurrents)。当检测到振荡状况时，振荡检测器可以确定贡献所述振荡状况的至少一个振荡频率的幅值特性、相位特性和/或衰减特性。

一般而言，并且根据本公开的各种实施例，所述第一预定义频带可以从约0.01hz延伸到约0.1hz，所述第二预定义频带可以从约0.1hz延伸到约1.0hz，所述第三预定义频带可以从约1.0hz延伸到约10hz，所述第四预定义频带可以从约10hz延伸到约45hz(或者55hz，具体取决于系统额定操作频率)，并且所述第五预定义频带可以包括直流(dc)分量。所述第五预定义频带可以进一步包括来源于各种来源例如太阳的电磁感应电流。

图1示出根据本公开示例性实施例的连接到电网110的振荡监测系统150。在某些实例中，电网110可以包括相对大量的部件和系统，所述部件和系统彼此连接，以使得能够将地理上分散的发电厂所产生的电力输送到地理上分散的最终用户例如工业用户、住宅用户和/或商业用户。可以作为电网110的一部分的部件和系统的一些示例包括发电机111、电力变压器112、保护设备113(继电器、断路器、熔断器等)和输电线114。可连接到电网110的部件和系统的一些示例可以包括商业用户所使用的商业设备105(办公设备106、空调(climatecontrol)107、计算机系统108等)、工业用户所使用的工业设备115(交流电动机116、开关系统117、交流到直流转换器118等)，以及住宅用户所使用的住宅设备120(照明121、加热器122、冷却器123等)。

作为电网110的一部分和/或连接到电网110的各种部件可以单独地或彼此协作地产生不良振荡，如果所述不良振荡没有被检测到和解决，则可能造成损害。另一不良振荡来源可以归因于受到太阳辐射的电磁能104。电磁能104可以促使电网110中产生电磁感应电流。

所述不良振荡的检测和解决可以通过使用连接到电网110的各种传感器来执行，以向振荡监测系统150提供传感器数据。例如，传感器130可以连接到一个或多个输电线114以获得输电线频率数据(输电线频率以及可能存在于输电线114中的任何振荡频率)。例如，传感器125可以连接到发电机111中的一个发电机和/或变压器112中的一个变压器，以便获得与可能存在于发电机111和/或变压器112中的振荡频率相关的频率数据。由传感器例如传感器125和传感器130收集的频率数据耦合到振荡监测系统150的系统接口135中。

在一个示例性实施方案中，系统接口135可以包括一个或多个频率滤波器，例如一个或多个带通滤波器，每个带通滤波器具有防止前四个预定义频带中的任何相应一个预定义频带发生混叠的带通特性。由于第五预定义频带可能包括直流分量，因此可以使用低通滤波器来替代第五预定义频带的带通滤波器。

由系统接口135输出的模拟信号耦合到模数转换器(adc)140中，所述模数转换器将所述模拟信号转换成数字数据样本。指示通过电网110输送的电力中的幅度波动的数字数据样本以预期采样率(例如每秒3840个样本)提供给振荡检测器145，以用于检测和评估电网110中可能存在的一个或多个振荡状况。在一个示例性实施方案中，所述数字数据样本可以由数据处理器155处理，以便获得表示例如电压测量值、电流测量值和/或功率测量值的处理后数字数据。所述处理后数字数据提供给振荡检测器145，以用于检测和评估可能存在于电网110中的一个或多个振荡状况。

在另一个示例性实施方案中，数据处理器155可以配置成作为可编程频率滤波器进行操作。例如，所述可编程频率滤波器可以是例如提供以下项中的一者的有限脉冲滤波器(fir)：与四个预定义频带中的一个预定义频带相匹配的带通特性，或者与第五预定义频带相匹配的低通特性(基于所关注的振荡频率)。因此，当振荡监测系统150在第一时刻配置成检测和评估第四预定义频带中的振荡频率时，所述fir在第一时刻期间配置成传播第四预定义频带中所存在的频率，并且在稍后时刻重新配置成传播第三预定义频带中所存在的频率，以便允许振荡监测系统150检测和评估第三预定义频带中的振荡频率。

图2示出可以包括在振荡检测器145中的一些示例性元件。所述振荡检测器145的示例性元件以功能块的形式示出。这些功能块可以以硬件、软件或者硬件和软件的组合来实施。例如，可以使用逻辑装置来实施作为示例性信号检测器210的一部分的振荡检测211，并且也包括在信号检测器210中的抽取块212、基波幅值抽取块(fundamentalmagnitudeextraction)213和包络提取块214中的每一者可以使用数字信号处理器(dsp)和/或执行计算机可执行可读指令的处理器来实施。

示例性信号检测器210经由链路141接收由adc140提供的数字数据样本，并且执行示例性块中的一个或多个，包括振荡检测211、抽取212、基波幅值抽取213和包络提取214。振荡检测211可以包括一个或多个滤波器以检测贡献电网110中的不良振荡状况的振荡频率。例如，抽取212可以用于将数字数据样本的采样率转换成不同采样率，例如从每秒3840个样本到每秒480个样本。基波幅值抽取213确定一个或多个振荡频率的幅值特性。在一个示例性实施方案中，所述量值特性基于使用傅立叶(fourier)技术计算所得的每单位为基准来限定。

尤其是当对频率分量处于第四频带中的数字数据样本进行操作时，可以使用包络提取214。下文将使用图3来描述与包络提取214相关的进一步细节。

信号检测器210的输出构成已经滤波并且以各种方式操作例如以上述方式操作的数字数据样本。可能属于五个预定义频带中的任一预定义频带的数字数据样本经由验证215进行验证，以验证所述数字数据样本属于所述五个预定义频带中的特定频带。在一个示例性实施方案中，验证215可以通过时域验证检查来执行。验证215还可以包括其他操作，例如死区(deadband)检查以确定连续正交流样本是否超出死区上限阈值和/或连续负交流样本是否超出死区下限阈值。所述死区阈值可以包括容差级以适应数字数据样本中的稳态条件，并且当存在低幅值噪声时防止对所述数字数据样本做出进一步处理。

可以在验证215之后立即执行振荡频率估计220，特别是用于检测区域间低频振荡。时域频率估计程序可以用于估计振荡频率的原始频率，随后是振荡幅值和相位估计225。振荡幅值和相位估计225可以通过使用自适应窗口长度全周期傅里叶变换来执行。可以基于估计的振荡频率来调整傅立叶变换中的窗口长度(例如，要操作的数据量)。

然后可以通过处理所述数字数据样本来执行振荡衰减比率估计230。所述处理提供衰减特性的性质指示(无论幅值是随时间增加还是减小)，其中所述处理可以包括使用算法来确定衰减系数。

需要指出的是，当由信号检测器210提供的数字数据样本与所述预定义第五频带中的直流分量或非常低频率分量相对应时，振荡频率估计220、振荡幅值和相位估计225和/或振荡衰减比率估计230中的一者或多者可以省略或适当更改。

当幅值、相位和/或衰减系数超出预设阈值时，报警和跳闸逻辑235可以快速产生补救动作、保护操作和/或警告。例如，一旦振荡频率估计220以及振荡幅值和相位估计225所提供的结果在振荡频率开始之后的约1.25到约1.75个振荡周期的范围内或者跨振荡频率开始之后的约1.25到约1.75个振荡周期，以及/或者当振荡衰减比率估计230所提供的结果在振荡频率开始之后的约2.5到约3.5个振荡周期的范围内或跨振荡频率开始之后的约2.5到约3.5个振荡周期，就立即启动补救动作。预设阈值可以由各种实体确定，例如振荡监测系统150的现场操作员、技术人员、设计师或制造商。预设阈值的一个示例是由各种实体中的一个实体设置的衰减比率。

所述补救动作可以包括通过更改和/或停止对贡献所述振荡状况的一个或多个元件的操作来应对所述振荡状况。例如，报警和跳闸逻辑235可以经由线路146将控制信号输送到保护设备113，以便防止开关系统117例如将信号注入到电网110中，进而贡献所述电网110中的振荡状况。所述控制信号可以用于例如操作断路器、熔断器和/或开关，以将开关系统117与电网110隔离。在另一个示例中，报警和跳闸逻辑235可以经由线路146将报警信号发送至控制设施或者技术人员以采取补救动作。

图3示出可以用于图2所示信号检测器210的包络提取214的一些示例性元件。包络提取214特别与第四预定义频带(约10hz到约45/55hz)相关联。当通过电网110输送的电力的系统额定频率为约50hz时，45hz的频率是适用的，而当通过电网110输送的电力的系统额定频率为约60hz时，55hz是适用的。在此示例性实施例中，所述数字数据样本由adc140(如图1所示)经由链路141以每周期64个样本的速率提供。在其他实施例中，可以使用其他采样率。

高通无限脉冲响应(iir)滤波器305对数字数据样本(每周期64个样本)进行操作以输出第一滤波后数字数据流“yh”，所述第一滤波后数字数据流随后由低通有限脉冲(fir)滤波器310进行操作。低通fir滤波器310的输出是耦合到正交滤波器对(fir滤波器315和fir滤波器325)中的第二滤波后数字数据流“yl”。fir滤波器315对第二滤波后数字数据流“yl”的正交分量“hs”进行操作并且输出滤波后数字数据流“ys”。fir滤波器325对第二滤波后数字数据流“yl”的实部分量(realcomponent)“hc”进行操作并且输出滤波后数字数据流“yc”。数字数据流“ys”和数字数据流“yc”中的每一者处于每周期64个样本的示例性数据速率下。

抽取320通过将每周期64个样本的示例性数据速率抽取为较低数据速率例如每周期8个样本，将数字数据流“ys”改变成数字数据流“xs”。同样，抽取330通过将每周期64个样本的示例性数据速率抽取为较低数据速率例如每周期8个样本，将数字数据流“yc”改变成数字数据流“xc”。随后对数字数据流“xs”和数字数据流“xc”中的每一者执行包络提取335。

包络提取335包括对数字数据流“xs”和数字数据流“xc”中的每一者中的每个数字样本应用等式1(如下所示)以获得输出信号“x(n)”。

包络提取335的输出由高通iir滤波器340和低通fir滤波器345进行滤波。高通iir滤波器340包括等式2(如下所示)，而低通fir滤波器345包括等式3(如下所示)，其中“a”和“b”是滤波器系数阵列，“lb”和“la”是滤波器阵列长度，“x”是输入信号(即，图3中的“x(n)”)，并且“y”是输出信号(即，图3中的“y(n)”)。

输出信号“y(n)”经由链路216(如图2中所示)传播以用于验证215。如上所述，包络提取214特别与第四预定义频带相关联。此外，在振荡幅值和相位估计225(如图2所示)中执行的某些操作也特别与第四预定义频带相关联。等式4至等式7(如下所示)可用于执行振荡幅值和相位估计225，其中“n”是一个周期中数字数据样本的数量，“fs”是采样率，“freq”是当前计算所得频率值，以hz为单位，“offset”基于用于计算数字数据样本数量偏移量的分数，“fraction”是完整周期的分数偏移量，u(n)是振荡信号，t(n)是与所述振荡信号相对应的时间戳，并且“n”是当前样本索引。

fraction＝t(n)·freq-fix(t(n)·freq).....等式5

可以对第一预定义频带、第二预定义频带、第三预定义频带或第四预定义频带中的任一预定义频带执行振荡衰减比率估计230(如图2所示)。可以使用等式8(如下所示)来限定具有幅值调制的正弦振荡信号，其中“a”是正弦信号的幅值，“f1”是系统频率，“ωm”是调制信号的角频率(这是在振荡频率估计220中估计的振荡频率)，“m”是调制信号的幅值(以幅值a的分数表示，请注意，这是在振荡幅值和相位估计225中获得的振荡幅值)，σ是调制信号的指数增长(或衰减)率，u(t)是阶跃函数，即当t>t0时，振荡开始。

振荡信号的衰减比率可以由如下所示的等式9限定，其中当是σ负数时，所述衰减比率为正值，这意味着振荡被衰减，即振荡幅值将随时间逐渐减小；当σ是正数时，所述衰减比率是负值，这意味着振荡不衰减，即振荡幅值随时间逐渐增大。

所述衰减比率可以使用如下所示的等式10和等式11估计，其中(t1,y1)和(t2,y2)是指数增长曲线(或指数延迟曲线)上两个点的坐标，z是中间变量，并且ξ是计算所得的衰减比率。等式11可以根据需要表达成百分数。

与在经历与各种活动例如数据收集(等待收集到充足数据量)和数据传送(例如使用各种类型的储存介质)相关联的延迟之后进行数据处理的常规解决方案相反，上文相对于各个附图所描述的各种操作可以实时或接近实时地执行。

此外，在一些示例性实施方案中，由振荡监测系统150操作的数字数据样本可以添加时间戳(例如具有绝对时间基准)。带有时间戳时，振荡幅值和相位估计225以及振荡衰减比率估计230提供预定义频带例如第四预定义频带或第五预定义频带中的一个或多个振荡频率的同步相量信息。此同步相量信息可以用于对具有相同振荡频率的两个地理上分开的位置之间进行比较。因此，可以将在第一位置处获得的同步相量相角信息与在第二位置处获得的同步相量相角信息进行比较。根据本公开一些实施例获得的同步相量信息可能具有某一容差，所述容差可能在没有对各种滤波器引起的相移和延迟执行补偿时出现。在这一情况下，根据本公开内容，所述同步相量信息可以解释成准同步相量信息，并且称为同步振荡相量(synchrooscphasor)。

受益于以上说明及相关附图中提出的教义的人员将了解本说明书中所阐述的示例性描述的许多修改以及与这些描述相关的其他实施例。因此，应理解，本公开可以以许多形式实施，并且不应限于上述示例性实施例。因此，应理解，本公开不限于所公开的具体实施例，并且所述修改和其他实施例旨在包括在随附权利要求书的范围内。尽管本说明书中采用了特定术语，但它们仅在通用和描述性意义上使用，并不用于限制目的。