Securing Coherency in Digital Processing of Electric Power System Current and Voltage Signals with Decreasing the Sampling Frequency
Keywords:
digital signal processing, sampling frequency, coherence, decimation, distorting effect, interharmonic, phase ratio
Abstract
The development of Russia’s electric power industry includes, as one of important objectives, step by step intellectualization of the electric power system under the conditions of decentralized generating capacities and wide use of facilities on the basis of renewable energy sources. The Smart Energy System of Russia national project implies construction of digital substations equipped with state of the art relay
protection and automatic control devices, which exchange instantaneous values of currents and voltages. In implementing such exchange, a need may arise to decrease or increase the signal sampling frequency for optimally suiting to the process tasks. The results from analyzing the effects of digital processing involving loss of coherence of power frequency voltage and current signals, which arise in decreasing the sampling frequency, are presented. It is shown that, if the coherence requirements are not complied with in decimation, this will result in significant errors in estimating the signal parameters. It is also shown that for determining the current and voltage signals sine wave distortion degree due to loss of coherence in processing, it is advisable to use a normalized mutual correlation ratio. It has been demonstrated based on simulation results that for signals containing high frequency harmonic components, incoherent sampling
aggravates the distorting effect; it is also pointed out that in analyzing distortion effects on power frequency signals, it is important to take into account the initial phases of high frequency harmonic components.
References
1. Есяков С.Я., Лунин К.А., Стенников В.А., Воропай Н.И., Редько И.Я., Баринов В.А. Трансформация электроэнергетических систем. – Электроэнергия. Передача и распределение, 2019, № 4(55), с. 134–141.
2. Илюшин П.В., Куликов А.Л. Трансформация технических требований к устройствам РЗА в условиях массового внедрения распределенных источников энергии. – Электроэнергия. Передача и распределение, 2020, № 2 (59), с. 70–79.
3. Воропай Н.И., Губко М.В., Ковалев С.П., Массель Л.В., Новиков Д.А., Райков А.Н., Сендеров С.М., Стенников В.А. Проблемы развития цифровой энергетики в России. Проблемы управления, 2019, № 1, с. 2–14.
4. Воропай Н.И., Колосок И.Н., Коркина Е.С. Проблемы по вышения киберустойчивости цифровой подстанции. – Релейная защита и автоматизация, 2019, № 1 (34), с. 78–83.
5. Воропай Н.И., Стенников В.А. Направления и проблемы технологического развития электроэнергетических систем. – Автоматизация и IT в энергетике, 2019, № 11 (124), с. 5–8.
6. Куликов А.Л., Илюшин П.В. Статистические методы оценки параметров аварийного режима энергорайонов с объектами распределенной генерации. – Электричество, 2019, № 5, с. 4–11.
7. Куликов А.Л., Илюшин П.В., Пелевин П.С. Применение дискриминаторных методов для оценки параметров режима энергорайонов с объектами распределенной генерации. – Электричество, 2019, № 7, с. 22–35.
8. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой об работки сигналов/Пер.с англ. под ред. Ю.Н. Александрова. М.: Мир, 1978, 848 с.
9. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебное пос., 3е изд. СПб.: БХВПетербург, 2011, 768 с.
10. Рибейро П.Ф, Дуке К.А., да Сильвейра П.М., Серкейра А.С. Обработка сигналов в интеллектуальных сетях энергосис тем. М.: Техносфера, 2020, 417 с.
11. Куликов А.Л., Мисриханов М.Ш. Введение в методы цифровой релейной защиты высоковольтных ЛЭП: Учебное пос. М.: Энергоатомиздат, 2007, 197 с.
12. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов: Справочник. М.: Радио и связь, 1985, 312 с.
13. Кук Ч., Бернфельд. М. Радиолокационные сигналы/Пер. с англ. под ред. B.C. Кельзона. М.: Советское радио, 1971, 568 с.
14. Ширман Я.Д., Багдасарян С.Т., Маляренко А.С. и др. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория: Справочник/Под ред. Я.Д.Ширмана. М.: Радиотехника, 2007, 512 с.
15. Borkowski D. Estimation of power system spectral parameters with coherent resampling. Doctor’s Thesis, AGH – Univ. Sci. Technol., Cracow, Poland, 2007, (ISBN 839186247X).
16. Xi J, Chicharo J.F. A new algorithm for improving the accuracy of periodic signal analysis. IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 45, No. 4, pp. 109–115, Aug. 1996.
17. Илюшин П.В., Куликов А.Л. Автоматика управления нормальными и аварийными режимами энергорайонов с распределенной генерацией. Н. Новгород: НИУ РАНХиГС, 2019, 364 с.
18. Фальшина В.А., Куликов А.Л. Алгоритмы упрощенной цифровой фильтрации электрических сигналов промышленной частоты. – Промышленная энергетика, 2012, № 5, с. 39–46.
19. Arrilaga J., Neville W.R. Power System Harmonics. Chichester. – UK: Wiley, 2003. 14 Обеспечение когерентности цифровой обработки сигналов токов и напряжений «ЭЛЕКТРИЧЕСТВО»№8/2020
20. Kulikov A.L., Anan’ev V.V., Vukolov V.Y., Platonov P.S., Lachugin V.F. Modelling of wave processes on power transmission lines to improve the accuracy of fault location. Power Technology and Engineering, 2016, vol. 49, № 5. c. 378–385.
21. Илюшин П.В. Комплексное моделирование электрических режимов в сетях внешнего и внутреннего электроснабжения предприятий с собственной генерацией. – Вестник Иркутского государственного технического университета, 2018, т. 22, № 4 (135), с. 122–135.
22. Илюшин П.В., Куликов А.Л. Особенности реализации автоматики управления режимами энергорайонов с объектами распределительной генерации. – Релейная защита и автоматизация, 2019, № 3 (36), с. 14–23.
#
1. Yesyakov S.Ya., Lunin K.A., Stennikov V.A., Voropay N.I., Red’ko I.Ya., Barinov V.A. Elektroenergiya. Peredacha i raspredeleniye – in Russ. (Transformation of electrical power systems. Electricity. Transmission and distribution), 2019, No. 4(55), pp. 134–141.
2. Ilyushin P.V., Kulikov A.L. Elektroenergiya. Peredacha i raspredeleniye – in Russ. (Transformation of electrical power systems. Electricity. Transmission and distribution), 2020, No. 2 (59), pp. 70–79.
3. Voropay N.I., Gubko M.V., Kovalev S.P., Massel’ L.V., Novikov D.A., Raykov A.N., Senderov S.M., Stennikov V.A. Problemy upravleniya – in Russ. (Management problem), 2019, No. 1, pp. 2–14.
4. Voropay N.I., Kolosok I.N., Korkina Ye.S. Releynaya zashchita i avtomatizatsiya – in Russ. (Relay protection and automation), 2019, No. 1 (34), pp. 78–83.
5. Voropay N.I., Stennikov V.A. Avtomatizatsiya i IT v energetike – in Russ. (Directions and problems of technological development of electric power systems. – Automation and IT in the energy sector), 2019, No. 11 (124), pp. 5–8.
6. Kulikov A.L., Ilyushin P.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 5, pp. 4–11.
7. Kulikov A.L., Ilyushin P.V., Pelevin P.S. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 7, pp. 22–35.
8. Rabiner L., Gould B. Teoriya i primeneniye tsifrovoy obrabotki signalov/Per. s angl. pod red. Yu.N. Aleksandrova (Theory and application of digital signal processing / Transl. from English. ed. Yu.N. Alexandrov). M.: Mir, 1978, 848 p.
9. Sergiyenko A.B. Tsifrovaya obrabotka signalov: Uchebnoye pos., 3-ye izd. (Digital signal processing: Educational settlement. 3rd ed.). SPb.: BKhV-Peterburg, 2011, 768 p.
10. Ribeyro P.F, Duke K.A., da Sil’veyra P.M., Serkeyra A.S. Obrabotka signalov v intellektual’nykh setyakh energosistem (Signal processing in smart grids of power systems). M.: Tekhnosfera, 2020, 417 p.
11. Kulikov A.L., Misrikhanov M.Sh. Vvedeniye v metody tsifrovoy releynoy zashchity vysokovol’tnykh LEP: Uchebnoye pos. (Introduction to methods of digital relay protection of high-voltage transmission lines: Educational settlement). M.: Energoatomizdat, 2007, 197 p.
12. Gol’denberg L.M., Matyushkin B.D., Polyak M.N. Tsifrovaya obrabotka signalov: Spravochnik (Tsifrovaya obrabotka signalov: Spravochnik). M.: Radio i svyaz’, 1985, 312 p.
13. Kuk Ch., Bernfel’d. M. Radiolokatsionnyye signaly/Per. s angl. pod red. B.C. Kel’zona (Radiolokatsionnyye signaly/Transl. from English, ed. B.C. Kel’zon). M.: Sovetskoye radio), 1971, 568 p.
14. Shirman Ya.D., Bagdasaryan S.T., Malyarenko A.S. i dr. Radioelektronnyye sistemy: Osnovy postroyeniya i teoriya: Spravochnik/Pod red. Ya.D. Shirmana (Radioelectronic systems: Fundamentals of construction and theory: Handbook/Ed. Ya.D. Shirman). M.: Radiotekhnika, 2007, 512 p.
15. Borkowski D. Estimation of power system spectral parameters with coherent resampling. Doctor’s Thesis, AGH – Univ. Sci. Technol., Cracow, Poland, 2007, (ISBN 83-918624-7-X).
16. Xi J, Chicharo J.F. A new algorithm for improving the accuracy of periodic signal analysis. IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 45, No. 4, pp. 109–115, Aug. 1996.
17. Ilyushin P.V., Kulikov A.L. Avtomatika upravleniya normal’nymi i avariynymi rezhimami energorayonov s raspredelennoy generatsiyey (Automatic control of normal and emergency modes of power districts with distributed generation). N. Novgorod: NIU RANKhiGS, 2019, 364 p.
18. Fal’shina V.A., Kulikov A.L. Promyshlennaya energetika – in Russ. (Industrial Power Engineerinf), 2012, No. 5, pp. 39–46.
19. Arrilaga J., Neville W.R. Power System Harmonics. Chichester. – UK: Wiley, 2003.
20. Kulikov A.L., Anan’ev V.V., Vukolov V.Y., Platonov P.S., Lachugin V.F. Modelling of wave processes on power transmission lines to improve the accuracy of fault location. Power Technology and Engineering, 2016, vol. 49, No. 5. pp. 378–385.
21. Ilyushin P.V. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta – in Russ. (Bulletin of Irkutsk State Technical University), 2018, vol. 22, No. 4 (135), pp. 122–135.
22. Ilyushin P.V., Kulikov A.L. Releynaya zashchita i avtomatizatsiya – in Russ. (Relay protection and automation), 2019, № 3 (36), pp. 14–23.
2. Илюшин П.В., Куликов А.Л. Трансформация технических требований к устройствам РЗА в условиях массового внедрения распределенных источников энергии. – Электроэнергия. Передача и распределение, 2020, № 2 (59), с. 70–79.
3. Воропай Н.И., Губко М.В., Ковалев С.П., Массель Л.В., Новиков Д.А., Райков А.Н., Сендеров С.М., Стенников В.А. Проблемы развития цифровой энергетики в России. Проблемы управления, 2019, № 1, с. 2–14.
4. Воропай Н.И., Колосок И.Н., Коркина Е.С. Проблемы по вышения киберустойчивости цифровой подстанции. – Релейная защита и автоматизация, 2019, № 1 (34), с. 78–83.
5. Воропай Н.И., Стенников В.А. Направления и проблемы технологического развития электроэнергетических систем. – Автоматизация и IT в энергетике, 2019, № 11 (124), с. 5–8.
6. Куликов А.Л., Илюшин П.В. Статистические методы оценки параметров аварийного режима энергорайонов с объектами распределенной генерации. – Электричество, 2019, № 5, с. 4–11.
7. Куликов А.Л., Илюшин П.В., Пелевин П.С. Применение дискриминаторных методов для оценки параметров режима энергорайонов с объектами распределенной генерации. – Электричество, 2019, № 7, с. 22–35.
8. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой об работки сигналов/Пер.с англ. под ред. Ю.Н. Александрова. М.: Мир, 1978, 848 с.
9. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебное пос., 3е изд. СПб.: БХВПетербург, 2011, 768 с.
10. Рибейро П.Ф, Дуке К.А., да Сильвейра П.М., Серкейра А.С. Обработка сигналов в интеллектуальных сетях энергосис тем. М.: Техносфера, 2020, 417 с.
11. Куликов А.Л., Мисриханов М.Ш. Введение в методы цифровой релейной защиты высоковольтных ЛЭП: Учебное пос. М.: Энергоатомиздат, 2007, 197 с.
12. Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. Цифровая обработка сигналов: Справочник. М.: Радио и связь, 1985, 312 с.
13. Кук Ч., Бернфельд. М. Радиолокационные сигналы/Пер. с англ. под ред. B.C. Кельзона. М.: Советское радио, 1971, 568 с.
14. Ширман Я.Д., Багдасарян С.Т., Маляренко А.С. и др. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория: Справочник/Под ред. Я.Д.Ширмана. М.: Радиотехника, 2007, 512 с.
15. Borkowski D. Estimation of power system spectral parameters with coherent resampling. Doctor’s Thesis, AGH – Univ. Sci. Technol., Cracow, Poland, 2007, (ISBN 839186247X).
16. Xi J, Chicharo J.F. A new algorithm for improving the accuracy of periodic signal analysis. IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 45, No. 4, pp. 109–115, Aug. 1996.
17. Илюшин П.В., Куликов А.Л. Автоматика управления нормальными и аварийными режимами энергорайонов с распределенной генерацией. Н. Новгород: НИУ РАНХиГС, 2019, 364 с.
18. Фальшина В.А., Куликов А.Л. Алгоритмы упрощенной цифровой фильтрации электрических сигналов промышленной частоты. – Промышленная энергетика, 2012, № 5, с. 39–46.
19. Arrilaga J., Neville W.R. Power System Harmonics. Chichester. – UK: Wiley, 2003. 14 Обеспечение когерентности цифровой обработки сигналов токов и напряжений «ЭЛЕКТРИЧЕСТВО»№8/2020
20. Kulikov A.L., Anan’ev V.V., Vukolov V.Y., Platonov P.S., Lachugin V.F. Modelling of wave processes on power transmission lines to improve the accuracy of fault location. Power Technology and Engineering, 2016, vol. 49, № 5. c. 378–385.
21. Илюшин П.В. Комплексное моделирование электрических режимов в сетях внешнего и внутреннего электроснабжения предприятий с собственной генерацией. – Вестник Иркутского государственного технического университета, 2018, т. 22, № 4 (135), с. 122–135.
22. Илюшин П.В., Куликов А.Л. Особенности реализации автоматики управления режимами энергорайонов с объектами распределительной генерации. – Релейная защита и автоматизация, 2019, № 3 (36), с. 14–23.
#
1. Yesyakov S.Ya., Lunin K.A., Stennikov V.A., Voropay N.I., Red’ko I.Ya., Barinov V.A. Elektroenergiya. Peredacha i raspredeleniye – in Russ. (Transformation of electrical power systems. Electricity. Transmission and distribution), 2019, No. 4(55), pp. 134–141.
2. Ilyushin P.V., Kulikov A.L. Elektroenergiya. Peredacha i raspredeleniye – in Russ. (Transformation of electrical power systems. Electricity. Transmission and distribution), 2020, No. 2 (59), pp. 70–79.
3. Voropay N.I., Gubko M.V., Kovalev S.P., Massel’ L.V., Novikov D.A., Raykov A.N., Senderov S.M., Stennikov V.A. Problemy upravleniya – in Russ. (Management problem), 2019, No. 1, pp. 2–14.
4. Voropay N.I., Kolosok I.N., Korkina Ye.S. Releynaya zashchita i avtomatizatsiya – in Russ. (Relay protection and automation), 2019, No. 1 (34), pp. 78–83.
5. Voropay N.I., Stennikov V.A. Avtomatizatsiya i IT v energetike – in Russ. (Directions and problems of technological development of electric power systems. – Automation and IT in the energy sector), 2019, No. 11 (124), pp. 5–8.
6. Kulikov A.L., Ilyushin P.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 5, pp. 4–11.
7. Kulikov A.L., Ilyushin P.V., Pelevin P.S. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2019, No. 7, pp. 22–35.
8. Rabiner L., Gould B. Teoriya i primeneniye tsifrovoy obrabotki signalov/Per. s angl. pod red. Yu.N. Aleksandrova (Theory and application of digital signal processing / Transl. from English. ed. Yu.N. Alexandrov). M.: Mir, 1978, 848 p.
9. Sergiyenko A.B. Tsifrovaya obrabotka signalov: Uchebnoye pos., 3-ye izd. (Digital signal processing: Educational settlement. 3rd ed.). SPb.: BKhV-Peterburg, 2011, 768 p.
10. Ribeyro P.F, Duke K.A., da Sil’veyra P.M., Serkeyra A.S. Obrabotka signalov v intellektual’nykh setyakh energosistem (Signal processing in smart grids of power systems). M.: Tekhnosfera, 2020, 417 p.
11. Kulikov A.L., Misrikhanov M.Sh. Vvedeniye v metody tsifrovoy releynoy zashchity vysokovol’tnykh LEP: Uchebnoye pos. (Introduction to methods of digital relay protection of high-voltage transmission lines: Educational settlement). M.: Energoatomizdat, 2007, 197 p.
12. Gol’denberg L.M., Matyushkin B.D., Polyak M.N. Tsifrovaya obrabotka signalov: Spravochnik (Tsifrovaya obrabotka signalov: Spravochnik). M.: Radio i svyaz’, 1985, 312 p.
13. Kuk Ch., Bernfel’d. M. Radiolokatsionnyye signaly/Per. s angl. pod red. B.C. Kel’zona (Radiolokatsionnyye signaly/Transl. from English, ed. B.C. Kel’zon). M.: Sovetskoye radio), 1971, 568 p.
14. Shirman Ya.D., Bagdasaryan S.T., Malyarenko A.S. i dr. Radioelektronnyye sistemy: Osnovy postroyeniya i teoriya: Spravochnik/Pod red. Ya.D. Shirmana (Radioelectronic systems: Fundamentals of construction and theory: Handbook/Ed. Ya.D. Shirman). M.: Radiotekhnika, 2007, 512 p.
15. Borkowski D. Estimation of power system spectral parameters with coherent resampling. Doctor’s Thesis, AGH – Univ. Sci. Technol., Cracow, Poland, 2007, (ISBN 83-918624-7-X).
16. Xi J, Chicharo J.F. A new algorithm for improving the accuracy of periodic signal analysis. IEEE Trans. Instrum. Meas., Vol. 45, No. 4, pp. 109–115, Aug. 1996.
17. Ilyushin P.V., Kulikov A.L. Avtomatika upravleniya normal’nymi i avariynymi rezhimami energorayonov s raspredelennoy generatsiyey (Automatic control of normal and emergency modes of power districts with distributed generation). N. Novgorod: NIU RANKhiGS, 2019, 364 p.
18. Fal’shina V.A., Kulikov A.L. Promyshlennaya energetika – in Russ. (Industrial Power Engineerinf), 2012, No. 5, pp. 39–46.
19. Arrilaga J., Neville W.R. Power System Harmonics. Chichester. – UK: Wiley, 2003.
20. Kulikov A.L., Anan’ev V.V., Vukolov V.Y., Platonov P.S., Lachugin V.F. Modelling of wave processes on power transmission lines to improve the accuracy of fault location. Power Technology and Engineering, 2016, vol. 49, No. 5. pp. 378–385.
21. Ilyushin P.V. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta – in Russ. (Bulletin of Irkutsk State Technical University), 2018, vol. 22, No. 4 (135), pp. 122–135.
22. Ilyushin P.V., Kulikov A.L. Releynaya zashchita i avtomatizatsiya – in Russ. (Relay protection and automation), 2019, № 3 (36), pp. 14–23.
