專利名稱：高阻抗故障算法的數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定高阻抗故障(HIF)狀況發(fā)生的算法，且具體涉及在繼電器平臺(tái)中使用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)來實(shí)現(xiàn)那些算法。

背景技術(shù)：
電力事業(yè)公司使用架空帶電導(dǎo)體將電能傳輸給用戶。美國有超過一百萬英里的架空配電線，為工業(yè)、商業(yè)和住宅用戶提供能量。架空導(dǎo)體暴露于自然環(huán)境和異常狀況。在某些情況下，導(dǎo)體落到地上且依賴于表面而建立導(dǎo)電路徑。如果該表面是草、土壤或?yàn)r青，會(huì)發(fā)生HIF，在這種情況下，故障電流遠(yuǎn)小于典型的相接地故障的故障電流。這種較小的故障電流使得難以用常規(guī)保護(hù)設(shè)備檢測(cè)這樣的情況。
下落(downed)或敞露導(dǎo)體的危險(xiǎn)在于公眾接觸帶電線的風(fēng)險(xiǎn)。人接觸下落導(dǎo)體會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重受傷或甚至死亡。一旦檢測(cè)到下落導(dǎo)體，則問題進(jìn)一步復(fù)雜化。如果繼電器使變電站的斷路器跳閘，則諸如醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)和交通信號(hào)的重要公共實(shí)體失去電力會(huì)導(dǎo)致同等或更大程度的威脅生命的情形。于是，保護(hù)工程師面臨的問題是首先檢測(cè)到干擾，然后適當(dāng)?shù)刈龀龇磻?yīng)。
2004年2月2日提交的美國專利申請(qǐng)Serial No.10/770,270，題為“HighImpedance Fault Detection”(‘270申請(qǐng))，其公開通過引用結(jié)合于此，且轉(zhuǎn)讓給與本發(fā)明相同的受讓人，說明了三種檢測(cè)算法在繼電器平臺(tái)中的實(shí)現(xiàn)，每種算法使用相和/或地電流的不同特征來單獨(dú)檢測(cè)HIF?！?70申請(qǐng)中說明的HIF檢測(cè)算法基于小波的，基于高階統(tǒng)計(jì)的以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的。理想的是用DSP實(shí)現(xiàn)這三種算法，因?yàn)镈SP是數(shù)據(jù)采集和縮放所需要的，且執(zhí)行某些工作，使得繼電器中的CPU(中央處理單元)不必做所有的事，然而 原始格式的每個(gè)算法覆蓋10秒的數(shù)據(jù)，因此需要大量的計(jì)算能力和精度；并且 由于硬件限制和浮點(diǎn)運(yùn)算的要求，不可能以原始格式實(shí)現(xiàn)所述算法。
本發(fā)明允許用DSP在繼電器平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)這三種檢測(cè)算法。根據(jù)本發(fā)明 將所述算法修改為處理1秒的數(shù)據(jù)而非10秒，且用循環(huán)緩沖和累加技術(shù)來實(shí)現(xiàn)該方案； 將雙緩沖用于采集；并且 存在對(duì)每個(gè)算法的定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)(fixed-point implementation)。


發(fā)明內(nèi)容
一種用于檢測(cè)電力線中的高阻抗故障的方法。所述方法包括 使用多個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置，每個(gè)裝置具有輸出，用于獨(dú)立檢測(cè)高阻抗故障，每個(gè)故障檢測(cè)裝置通過分析從電力線收集了預(yù)定時(shí)段的數(shù)據(jù)來檢測(cè)高阻抗故障，并在所述輸出提供基于分析數(shù)據(jù)、指示高阻抗故障發(fā)生或未發(fā)生的信號(hào)； 將所述多個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置中的每個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置修改為將所述預(yù)定時(shí)段減少到1/n，其中n是大于1的整數(shù)；以及 將緩沖系統(tǒng)連接到每個(gè)故障檢測(cè)裝置的輸出以從所述緩沖系統(tǒng)獲得指示高阻抗故障發(fā)生或未發(fā)生的信號(hào)，該信號(hào)基于收集了所述預(yù)定時(shí)段的數(shù)據(jù)。
一種用于檢測(cè)電力線中的高阻抗故障的系統(tǒng)。所述系統(tǒng)包括 多個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置，每個(gè)裝置具有輸出，用于獨(dú)立檢測(cè)高阻抗故障，每個(gè)故障檢測(cè)裝置通過分析從電力線收集了預(yù)定時(shí)段的數(shù)據(jù)來檢測(cè)高阻抗故障，并在所述輸出提供基于分析數(shù)據(jù)、指示高阻抗故障發(fā)生或未發(fā)生的信號(hào)，所述多個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置中的每個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置被修改為將所述預(yù)定時(shí)段減少到1/n，其中n是大于1的整數(shù)；以及 緩沖系統(tǒng)，其連接到每個(gè)故障檢測(cè)裝置的輸出以便從所述緩沖系統(tǒng)獲得指示高阻抗故障發(fā)生或未發(fā)生的信號(hào)，該信號(hào)基于收集了所述預(yù)定時(shí)段的數(shù)據(jù)。
一種用于確定電力線中的高阻抗故障發(fā)生的處理設(shè)備。所述處理設(shè)備包括 兩個(gè)緩沖器，各用于存儲(chǔ)從電力線收集了第一預(yù)定時(shí)段的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)指示電力線上的電流； 多個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置，每個(gè)裝置具有輸出，用于獨(dú)立檢測(cè)電力線上的高阻抗故障，每個(gè)故障檢測(cè)裝置交替地首先對(duì)存儲(chǔ)在所述兩個(gè)緩沖器中的一個(gè)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)、然后對(duì)存儲(chǔ)在所述兩個(gè)緩沖器中的另一個(gè)緩沖器中的數(shù)據(jù)處理第一預(yù)定時(shí)段，每個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置在所述輸出提供基于經(jīng)處理的數(shù)據(jù)、指示高阻抗故障發(fā)生或未發(fā)生的信號(hào)；以及 緩沖系統(tǒng)，其連接到每個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置的輸出，用于獲得指示高阻抗故障發(fā)生或未發(fā)生的信號(hào)，該信號(hào)基于收集了第二預(yù)定時(shí)段的數(shù)據(jù)，所述第二預(yù)定時(shí)段是所述第一預(yù)定時(shí)段的n倍，其中n是2或更大的整數(shù)。



圖1所示為本發(fā)明的系統(tǒng)中使用的雙緩沖采集系統(tǒng)的框圖。
圖2所示為本發(fā)明的系統(tǒng)中使用的循環(huán)緩沖系統(tǒng)的實(shí)施例。

具體實(shí)施例方式 現(xiàn)在參考圖1，示出了雙緩沖采集系統(tǒng)10的框圖。系統(tǒng)10使用第一緩沖器12和第二緩沖器14來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)10將進(jìn)入的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在第一緩沖器12中的同時(shí)，對(duì)已存儲(chǔ)在第二緩沖器14中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)?shù)谝痪彌_器12裝滿時(shí)，開關(guān)S1切換到第二緩沖器14，且開關(guān)S2切換到第一緩沖器12。每當(dāng)一個(gè)緩沖器裝滿時(shí)開關(guān)S1和S2都來回切換。緩沖器12和14的大小設(shè)計(jì)為各容納1秒的數(shù)據(jù)。
帶通濾波器16處理來自緩沖器12或14的數(shù)據(jù)并傳遞濾波后的數(shù)據(jù)以便由算法18來分析，如圖1所示。算法18是‘270申請(qǐng)中所述的三種檢測(cè)算法，即基于小波的，基于高階統(tǒng)計(jì)的以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的。
盡管處理器的時(shí)間步長(zhǎng)等于32個(gè)循環(huán)/秒，但結(jié)果每秒被刷新，因?yàn)樘幚硪痪彌_器的數(shù)據(jù)要用1秒。
格式如‘270申請(qǐng)所述的每個(gè)算法18覆蓋10秒的數(shù)據(jù)。因?yàn)楸景l(fā)明不可能以該格式實(shí)現(xiàn)算法，每個(gè)算法18都被修改為一次處理1秒的數(shù)據(jù)。
如圖2所示的循環(huán)緩沖系統(tǒng)20連接到算法18的輸出以便獲得將從每個(gè)算法18獲得的10秒的數(shù)據(jù)。雖然圖2僅示出一個(gè)連接到算法18輸出的系統(tǒng)20，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)理解每個(gè)算法有一個(gè)系統(tǒng)20。
如圖2所示，每加第10個(gè)值，系統(tǒng)20移除(remove)第一值。算法等式被修改為補(bǔ)償由非線性引入的誤差，所述非線性是由于10秒間隔的斬?cái)?chopping)而導(dǎo)致的。每秒采集的數(shù)據(jù)被處理并作為初始條件用于計(jì)算隨后一秒的數(shù)據(jù)。結(jié)果存儲(chǔ)在10秒循環(huán)緩沖器中，該緩沖器也用作累加器。
對(duì)算法的修改如下 a.對(duì)第一個(gè)1秒間隔進(jìn)行計(jì)算，且輸出被存儲(chǔ)為累加器第一值； b.計(jì)算的輸出也作為初始輸入用于計(jì)算第二個(gè)1秒間隔，且輸出被存儲(chǔ)為第二累加器值；以及 c.該過程繼續(xù)進(jìn)行，直到達(dá)到10秒。
第11個(gè)1秒被當(dāng)作第一秒且過程如上重復(fù)。在任何給定的時(shí)間，總輸出是10個(gè)緩沖器值的總和。
根據(jù)本發(fā)明，存在對(duì)所述三個(gè)高阻抗故障檢測(cè)算法中的每個(gè)算法的定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。所述算法最初使用浮點(diǎn)運(yùn)算來開發(fā)以驗(yàn)證和確認(rèn)該構(gòu)思，然后轉(zhuǎn)化為定點(diǎn)運(yùn)算以便最終實(shí)現(xiàn)。定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器適于以經(jīng)濟(jì)的方式實(shí)現(xiàn)大量產(chǎn)品，因?yàn)樗鼈儽劝↑c(diǎn)運(yùn)算單元的信號(hào)處理器便宜得多、耗電少且執(zhí)行快。
每個(gè)算法的代碼實(shí)施在合適的中央處理單元上，例如，具有66MHz時(shí)鐘速度和64KB統(tǒng)一高速緩存的Motorola ColdFire 5307CPU。數(shù)據(jù)采集以每秒32個(gè)采樣的速率進(jìn)行，并且所述HIF算法的處理在最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)中每秒執(zhí)行一次，所述任務(wù)每4.1ms被中斷一次以便執(zhí)行來自DSP的數(shù)據(jù)傳輸和保護(hù)算法。
對(duì)來自浮點(diǎn)和定點(diǎn)仿真的結(jié)果進(jìn)行比較，顯示出在轉(zhuǎn)換過程中無精度損失。
應(yīng)理解，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的說明僅是示例性的，而非窮舉的。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以在不背離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，對(duì)所公開的主題的實(shí)施例做出某些增加、刪除和/或修改。
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)電力線中的高阻抗故障的方法，包括
使用多個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置，每個(gè)裝置具有輸出，用于獨(dú)立檢測(cè)所述高阻抗故障，每個(gè)所述故障檢測(cè)裝置通過分析從所述電力線收集了預(yù)定時(shí)段的數(shù)據(jù)來檢測(cè)所述高阻抗故障，并在所述輸出提供基于所述分析數(shù)據(jù)、指示所述高阻抗故障發(fā)生或未發(fā)生的信號(hào)；
將所述多個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置中的每個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置修改為將所述預(yù)定時(shí)段減少到1/n，其中n是大于1的整數(shù)；以及
將緩沖系統(tǒng)連接到每個(gè)所述故障檢測(cè)裝置的所述輸出以從所述緩沖系統(tǒng)獲得指示所述高阻抗故障發(fā)生或未發(fā)生的信號(hào)，該信號(hào)基于收集了所述預(yù)定時(shí)段的所述數(shù)據(jù)。
2.一種檢測(cè)電力線中的高阻抗故障的系統(tǒng)，包括
多個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置，每個(gè)裝置具有輸出，用于獨(dú)立檢測(cè)所述高阻抗故障，每個(gè)所述故障檢測(cè)裝置通過分析從所述電力線收集了預(yù)定時(shí)段的數(shù)據(jù)來檢測(cè)所述高阻抗故障，并在所述輸出提供基于所述分析數(shù)據(jù)、指示所述高阻抗故障發(fā)生或未發(fā)生的信號(hào)，所述多個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置中的每個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置都被修改為將所述預(yù)定時(shí)段減少到1/n，其中n是大于1的整數(shù)；以及
緩沖系統(tǒng)，其連接到每個(gè)所述故障檢測(cè)裝置的所述輸出以便從所述緩沖系統(tǒng)獲得指示所述高阻抗故障發(fā)生或未發(fā)生的信號(hào)，該信號(hào)基于收集了所述預(yù)定時(shí)段的所述數(shù)據(jù)。
3.如權(quán)利要求2所述的高阻抗故障檢測(cè)系統(tǒng)，還包括兩個(gè)緩沖器，各用于交替地將從所述電力線收集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所述減少的預(yù)定時(shí)段，所述多個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置中的每個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置交替地處理來自所述兩個(gè)緩沖器的所述減少的預(yù)定時(shí)段的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求3所述的高阻抗故障檢測(cè)系統(tǒng)，還包括連接在所述兩個(gè)緩沖器和所述高阻抗故障檢測(cè)裝置之間的濾波器。
5.如權(quán)利要求2所述的高阻抗故障檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述緩沖系統(tǒng)是循環(huán)緩沖系統(tǒng)。
6.如權(quán)利要求2所述的高阻抗故障檢測(cè)系統(tǒng)，其中n為10且所述預(yù)定時(shí)段為10秒。
7.一種用于確定電力線中的高阻抗故障發(fā)生的處理設(shè)備，包括
兩個(gè)緩沖器，各用于存儲(chǔ)從所述電力線收集了第一預(yù)定時(shí)段的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)指示所述電力線上的電流；
多個(gè)高阻抗故障檢測(cè)裝置，每個(gè)裝置具有輸出，用于獨(dú)立檢測(cè)所述電力線上的高阻抗故障，每個(gè)所述故障檢測(cè)裝置交替地首先對(duì)存儲(chǔ)在所述兩緩沖器中的一個(gè)緩沖器中的所述數(shù)據(jù)、然后對(duì)存儲(chǔ)在所述兩緩沖器中的另一個(gè)緩沖器中的所述數(shù)據(jù)處理所述第一預(yù)定時(shí)段，每個(gè)所述高阻抗故障檢測(cè)裝置在所述輸出提供基于所述經(jīng)處理的數(shù)據(jù)、指示所述高阻抗故障發(fā)生或未發(fā)生的信號(hào)；以及
緩沖系統(tǒng)，其連接到每個(gè)所述高阻抗故障檢測(cè)裝置的所述輸出，用于獲得指示所述高阻抗故障發(fā)生或未發(fā)生的信號(hào)，該信號(hào)基于收集了第二預(yù)定時(shí)段的所述數(shù)據(jù)，所述第二預(yù)定時(shí)段是所述第一預(yù)定時(shí)段的n倍，其中n是2或更大的整數(shù)。
8.如權(quán)利要求7所述的處理設(shè)備，其中所述緩沖系統(tǒng)是循環(huán)緩沖系統(tǒng)。
9.如權(quán)利要求7所述的處理設(shè)備，還包括連接在所述兩個(gè)緩沖器和所述高阻抗故障檢測(cè)裝置之間的濾波器。
10.如權(quán)利要求7所述的處理設(shè)備，其中所述第一預(yù)定時(shí)段為1秒且所述整數(shù)為10。
全文摘要
用于檢測(cè)高阻抗故障的三種算法的數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)。算法可以是基于小波的，基于高階統(tǒng)計(jì)的以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的。算法被修改為處理1秒的數(shù)據(jù)而非10秒的數(shù)據(jù)，且雙緩沖采集被連接到算法的輸出。
文檔編號(hào)H02H3/00GK1957513SQ20058000838
公開日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2005年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月16日
發(fā)明者約翰·彼得森, 史蒂文·A·孔斯曼, 穆罕默德·Y·哈吉-馬哈西, 雷納爾多·努奎, 詹姆斯·斯陶皮斯 申請(qǐng)人:Abb技術(shù)有限公司, Abb研究有限公司