專利名稱：一種電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分析方法，尤其設(shè)計(jì)一種電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析方法及其裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，故障錄波裝置所錄數(shù)據(jù)為電力系統(tǒng)工作人員正確分析故障原因、研究反事故對(duì)策、及時(shí)處理事故、評(píng)價(jià)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置動(dòng)作的正確性等提供了可靠的依據(jù)。同時(shí)，根據(jù)故障錄波數(shù)據(jù)還可以分析系統(tǒng)的故障參數(shù)、諧波含量、各電氣量的變化規(guī)律、進(jìn)行故障定位和系統(tǒng)元件參數(shù)測(cè)量等。故障錄波裝置作為故障分析的重要工具已在電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。隨著電網(wǎng)日趨復(fù)雜化，故障錄波數(shù)據(jù)通常包含復(fù)雜擾動(dòng)成分，對(duì)數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性提出更高要求。因此，提出一種精度高、抗干擾能力強(qiáng)的故障錄波數(shù)據(jù)分析方法對(duì)于保護(hù)人員獲取準(zhǔn)確故障參數(shù)、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置動(dòng)作行為的正確性等有重要意義。故障錄波數(shù)據(jù)分析算法旨在測(cè)量能表征保護(hù)裝置運(yùn)行特點(diǎn)的電氣量，一般包含錄波信號(hào)基波幅值、頻率和相位參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)阻抗、序量和功率分析。針對(duì)故障發(fā)生時(shí)信號(hào)中伴隨的非周期分量，目前常用抑制方法包括基于傅氏算法的采樣值修正法和差分法等。采樣值修正法受同步采樣條件約束，在非同步情況下難以獲取信號(hào)整周波采樣數(shù)據(jù)信息，存在濾波誤差。差分法的濾波效果受衰減時(shí)間常數(shù)大小影響，當(dāng)常數(shù)較小，衰減較快時(shí)，差分法難以通過相鄰采樣數(shù)據(jù)相減來實(shí)現(xiàn)較為徹底的濾波。通常評(píng)價(jià)故障錄波數(shù)據(jù)分析算法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)為測(cè)量精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。電力錄波裝置為定采樣率錄取數(shù)據(jù)，頻偏會(huì)引起同步采樣條件不被滿足，且故障信號(hào)中可能含有諧波、間諧波和噪聲等干擾成分，因此一些常用的基波參數(shù)提取方法存在不足，例如，離散傅里葉變換(DFT)在非同步采樣條件下存在頻率泄漏和柵欄效應(yīng)，且對(duì)間諧波分量較為敏感。連續(xù)小波變換(CWT)具有較好的頻率特性，能克服頻率偏移干擾，但小波時(shí)頻域帶寬與頻帶中心頻率發(fā)生關(guān)聯(lián)，較難靈活調(diào)整，不具備緊湊的頻域支撐集和較短的時(shí)域計(jì)算窗長(zhǎng)度，動(dòng)態(tài)特性較差。因此，必須研究一種用于電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析的有效方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的在非同步采樣條件下不能有效地濾除故障信號(hào)中的非周期分量，且易受頻率偏移、諧波、間諧波干擾的問題；提供一種電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析方法，創(chuàng)造性地利用組合濾波算法較完備地濾除故障后信號(hào)中存在的非周期分量，再對(duì)濾波處理后的信號(hào)用時(shí)頻原子變換得到在每個(gè)采樣時(shí)刻的復(fù)值濾波輸出即為基波分量的復(fù)值相量，并被用于進(jìn)一步計(jì)算該時(shí)刻電壓和電流信號(hào)基波相位、頻率、幅值以及所派生的電氣量。本發(fā)明具有快速的動(dòng)態(tài)特性，能在固定采樣率條件下準(zhǔn)確測(cè)量故障錄波數(shù)據(jù)基波幅值、頻率和相位參數(shù)而不受非周期分量、諧波、間諧波和噪聲干擾，且無需同步采樣。
本發(fā)明的上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的—種電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1，以系統(tǒng)額定頻率對(duì)應(yīng)的基波周期為一個(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)窗，由一次濾波單元獲取錄波信號(hào)中非周期分量的幅值和衰減時(shí)間常數(shù)參數(shù)，對(duì)錄波信號(hào)中的非周期分量進(jìn)行重構(gòu)，并將該分量從原始信號(hào)中減掉，實(shí)現(xiàn)對(duì)非周期分量的一次濾波處理，并分析非同步采樣條件下利用此步驟方法濾除非周期分量導(dǎo)致的誤差余項(xiàng)；步驟2，由二次濾波單元對(duì)完成步驟1中濾波后的錄波信號(hào)進(jìn)行二次差分濾波；步驟3，由故障錄波數(shù)據(jù)獲取單元獲取完成步驟2的錄波信號(hào)的故障錄波數(shù)據(jù)基波幅值、頻率和相位。在上述的電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析方法，其特征在于，所述的步驟1中，具體操作步驟如下步驟1. 1，在非同步采樣條件下，計(jì)算經(jīng)Ts采樣后的含衰減直流分量的信號(hào)s (η) 的額定整周波長(zhǎng)度數(shù)據(jù)和G'，具體計(jì)算基于公式
M
Kn) = Ade-· +ΣΛ ^ilknfnTs +φ,)-,
k=0其中，s(n)為經(jīng)Ts采樣后的含衰減直流分量的信號(hào)，η e (-c ，+⑴)，Ad為最大衰減幅值，τ為衰減時(shí)間常數(shù)，M為最高諧波次數(shù)，Ak和外分別為各次分量幅值和相位，f為基波頻率；對(duì)所述s (η)額定整周波長(zhǎng)度數(shù)據(jù)求和，并賦值于參數(shù)G'，可得
N—IN-IM N-I
G' = Σ = Σ +ΣΣΛ ^ilknfnTs +φ,) =
B=OH= 0k = 0 B = O；
Ad (1 - eT'N'z) / (1 - eTJZ) + AG = G +AG tool ] 其中，&為系統(tǒng)額定頻率，N= i/(fvrs)，AG為由非同步采樣和非工頻整數(shù)倍周期信號(hào)分量引起的周期信號(hào)求和余項(xiàng)；步驟1. 2，然后由信號(hào)采樣數(shù)據(jù)定義H' = 5(0)-S(N) = Ad(\-e-T'Nh) + Mi =H+ Mi ·,式中，ΔΗ為由非同步采樣和非工頻整數(shù)倍周期信號(hào)分量引起的周期信號(hào)求差余項(xiàng)；以系統(tǒng)標(biāo)稱頻率50Hz為基準(zhǔn)，取N = 1/ (50TS)，計(jì)算H'；步驟1.3，由所述H'和G'可獲得定義< ； [H=Ad(l-e^)由此得到τ = Ts/ln(G/(G-H))；Ad = H/(1-(1-H/G)n)；并結(jié)合上述G'和H'獲得衰減初值A(chǔ)' d和時(shí)間常數(shù)τ'，并重構(gòu)衰減直流分量，進(jìn)而獲取經(jīng)采樣值修正方法濾波后信號(hào)數(shù)據(jù)s' (n)= s (η) -D (A' d，τ ‘，η)。
在上述的電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析方法，所述的步驟2中，進(jìn)行二次差分濾波的具體操作方法基于y(n) =s' (n)_hs' (n_l)；式中，h為常數(shù)；s' (η)為η時(shí)刻采樣值修正方法的濾波數(shù)據(jù)，s' (n_l)為n_l 時(shí)刻采樣值修正方法的濾波數(shù)據(jù)；y(n)為η時(shí)刻對(duì)s' (η)作差分濾波后的數(shù)據(jù)，即為組合濾波后的信號(hào)數(shù)據(jù)。在上述的電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析方法，所述的步驟3中，獲取故障錄波數(shù)據(jù)基波幅值、頻率和相位的具體操作方法如下步驟3. 1，計(jì)算步驟2中進(jìn)行二次濾波后信號(hào)數(shù)據(jù)y (η)的幅值、相位和頻率，即 Ay(n), 0y(n)以及f (η)，具體方法如下以仁為采樣頻率對(duì)代0)進(jìn)行采樣，則可得定義TFA
函數(shù)離散條件下的表達(dá)式
權(quán)利要求
1.一種電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1，以系統(tǒng)額定頻率對(duì)應(yīng)的基波周期為一個(gè)計(jì)算數(shù)據(jù)窗，由一次濾波單元獲取錄波信號(hào)中非周期分量的幅值和衰減時(shí)間常數(shù)參數(shù)，對(duì)錄波信號(hào)中的非周期分量數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，并將該分量數(shù)據(jù)從原始信號(hào)中減掉，實(shí)現(xiàn)對(duì)非周期分量的一次濾波處理，并分析非同步采樣條件下利用此步驟方法濾除非周期分量導(dǎo)致的誤差余項(xiàng)；步驟2，由二次濾波單元對(duì)完成步驟1中濾波后的錄波信號(hào)進(jìn)行二次差分濾波； 步驟3，由故障錄波數(shù)據(jù)獲取單元獲取完成步驟2的錄波信號(hào)的故障錄波數(shù)據(jù)基波幅值、頻率和相位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析方法，其特征在于，所述的步驟1 中，具體操作步驟如下步驟1. 1，在非同步采樣條件下，計(jì)算經(jīng)Ts采樣后的含衰減直流分量的信號(hào)s(n)的額定整周波長(zhǎng)度數(shù)據(jù)和G'，具體計(jì)算基于公式MKn) = Ade-· +ΣΛ ^ilknfnTs +φ,)-,k=0其中，s(n)為經(jīng)Ts采樣后的含衰減直流分量的信號(hào)，η e (-c ，+⑴)，Ad為最大衰減幅值，τ為衰減時(shí)間常數(shù)，M為最高諧波次數(shù)，Ak和外分別為各次分量幅值和相位，f為基波頻率；對(duì)所述s (η)額定整周波長(zhǎng)度數(shù)據(jù)求和，并賦值于參數(shù)G'，可得Ν-\Ν-\M Ν-\G' = Σ = Σ +ΣΣΛ ^ilknfnTs +Cpk) =η=0η=0k=0 η=0；Ad (1 - eT'N'z) / (1 - eTJZ) + AG = G +AG其中，fo為系統(tǒng)額定頻率，N= l/(fvrs)，AG為由非同步采樣和非工頻整數(shù)倍周期信號(hào)分量引起的周期信號(hào)求和余項(xiàng)；步驟1. 2，然后由信號(hào)采樣數(shù)據(jù)定義H' = 5(0)-S(N) = Ad{\-eT'Nlz) + AH=H + AH ；式中，ΔΗ為由非同步采樣和非工頻整數(shù)倍周期信號(hào)分量引起的周期信號(hào)求差余項(xiàng)； 以系統(tǒng)標(biāo)稱頻率50Hz為基準(zhǔn)，取N = 1/ (50TS)，計(jì)算H'； 步驟1.3，由所述H'和G'可獲得定義 0 = Α {\-βτ'ΝΙτ)Ι{\-βτ'Ιτ) H = AJl-e-釋)；由此得到τ = Ts/ln(G/(G-H))； Ad = H/(l-(l-H/G)N)；并結(jié)合上述G'和H'獲得衰減初值A(chǔ)' d=和時(shí)間常數(shù)τ'=，并重構(gòu)衰減直流分量 D(Ad,T,n) = A廣1 τ，進(jìn)而獲取經(jīng)采樣值修正方法濾波后信號(hào)數(shù)據(jù) s' (n) = s (η) -D (A' d，τ ‘，η)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析方法，其特征在于，所述的步驟2 中，進(jìn)行二次差分濾波的具體操作方法基于y(n) = s' (n)-hs' (n-1)；式中，h為常數(shù)；s' (n)為n時(shí)刻采樣值修正方法的濾波數(shù)據(jù)，s' (n-1)為n_l時(shí)刻 采樣值修正方法的濾波數(shù)據(jù)；y(n)為n時(shí)刻對(duì)s' (n)作差分濾波后的數(shù)據(jù)，即為組合濾波 后的信號(hào)數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電カ系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析方法，其特征在干，所述的步驟3 中，獲取故障錄波數(shù)據(jù)基波幅值、頻率和相位的具體操作方法如下步驟3. 1，計(jì)算步驟2中進(jìn)行二次濾波后信號(hào)數(shù)據(jù)y(n)的幅值、相位和頻率，即Ay (n)、 ey(n)以及f (n)，具體方法如下以fs為采樣頻率對(duì)代0)進(jìn)行采樣，則可得定義TFA函數(shù) 離散條件下的表達(dá)式 式中，n G [-0. 55N0,0. 55N0]；將變換核代(《)和經(jīng)組合濾波后的數(shù)據(jù)y(n)作內(nèi)積運(yùn)算z(a,con,n) = {y{n),(pa{n-z))-,式中，Z(a，《n，n)為y(n)的時(shí)頻原子變換，為復(fù)函數(shù)，て為時(shí)域位移因子，用于實(shí)現(xiàn)時(shí) 域滑窗計(jì)算；結(jié)合上述代(《)以及z (a，n)，并將TFA的帶通中心頻率《n設(shè)置為系統(tǒng)標(biāo) 稱頻率ZJif^ad/s，即可得出包含y(n)基波幅值、頻率和相位信息的復(fù)相量z (a，《n，n)； 設(shè)和Zini(H)為z(a，n)實(shí)部和虛部，則y(n)的幅值、相位和頻率可由下式得到 Ay (n) = Cf(zre(n)2+zim(n)2)1/2 ； 0 y(n) = tarT1 (zim(n)/zre(n))；
5.ー種使用權(quán)利要求1所述的電カ系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析方法的裝置，其特征在干， 包括依次連接的一次濾波單元、二次濾波單元以及故障錄波數(shù)據(jù)獲取単元。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)故障錄波數(shù)據(jù)分析方法及其裝置。本發(fā)明創(chuàng)造性地利用組合濾波算法有效濾除故障后信號(hào)中存在的非周期分量，再利用時(shí)頻原子變換準(zhǔn)確測(cè)取信號(hào)基波幅值、頻率和初相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障錄波數(shù)據(jù)工頻量的準(zhǔn)確提取。組合濾波通過推導(dǎo)并分析非同步采樣時(shí)采樣值修正算法對(duì)非周期分量的濾波誤差公式，提出利用差分法能有效消除誤差，實(shí)現(xiàn)更理想濾波。時(shí)頻原子變換具有良好的頻率特性，能克服非同步采樣影響；具有復(fù)帶通濾波特性，能準(zhǔn)確輸出基波復(fù)相量而不受諧波和間諧波干擾；具有靈活可調(diào)的時(shí)頻域帶寬，能獲取較快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。
文檔編號(hào)G01R31/08GK102313857SQ201110184518
公開日2012年1月11日 申請(qǐng)日期2011年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月4日
發(fā)明者劉林, 徐遐齡, 林濤 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)