CN101635446B

CN101635446B - 基于波形拟合和二次采样的采样数据处理方法

Info

Publication number: CN101635446B
Application number: CN2009100329997A
Authority: CN
Inventors: 蒋雷海; 陈建玉; 俞拙非; 许捷
Original assignee: Nari Technology Co Ltd
Current assignee: Nari Technology Co Ltd; NARI Nanjing Control System Co Ltd
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2029-06-08
Also published as: CN101635446A

Abstract

本发明公开了一种基于波形拟合和二次采样的采样数据处理方法，包括以下步骤：1)根据数字化变电站中MU的采样频率和每帧传输的采样数据点数确定在满足一定计算精度条件下允许丢失的采样点数；2)对原始缓冲区和保护缓冲区中的各采样点数据建立状态字，当相应采样数据真实有效值时置“有效”标志，无效时置“无效”标志；3)实时监测装置通信情况，若有丢帧/误帧情况发生，则其对应采样数据状态位标记为“无效”；4)基于原始采样数据，用三阶样条函数构建电量拟合波形，然后在频率跟踪的基础上对其进行二次采样。本发明利用基于三次样条函数的波形拟合和二次采样方法，解决了保护装置在高速采样情况下数据处理能力不足的问题。

Description

基于波形拟合和二次采样的采样数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种基于波形拟合和二次采样的采样数据处理方法，适用于数字化变电站继电保护装置，属于电力系统技术领域。

背景技术

全数字化变电站继电保护与传统继电保护的不同之处集中表现在两点：第一是传统继电保护的数据采集由装置自身实现，且数据采样率较低，并采用频率跟踪技术以实现每周波采样点相对恒定，便于数据计算。而数字化保护采样数据是经通信方式由数据采集合并单元(MU)传输而来，其采样过程由MU或电子式互感器完成，数据采样频率高，采样频率恒定(如5k/s、10k/s)，不进行频率跟踪，可供各种智能设备使用。第二是断路器操作回路部分，传统保护是通过二次回路经断路器操作机构对断路器进行操作的，操作回路复杂，维护困难；数字化保护的跳合闸信号则以GOOSE方式经通信网络传送到智能操作单元进行断路器操作，操作回路大大简化，便于生产维护。

在全数字化的厂站中，虽然方便地实现了数据共享，但也对保护装置提出了新的挑战，概括如下：

1)当采样数据按IEC61850-9-1/2或IEC60044-8协议进行传输时，通信回路延时只要不大于4ms[IEC60044-8，国际电工委员会标准-互感器，第8部分：电子式电流互感器，IEC 2002.International standard instrumenttransformer Part 8：Electronic Current transformer，IEC 2002；IEC61850-9-1，Communication networks and systems in substations-Part9-1：Specific Communication Service Mapping(SCSM)，Sampled values overserial unidirectional multidrop point to point link，IDT，2003；IEC61850-9-2，Communication networks and systems in substations-Part9-2：Specific Communication Service Mapping(SCSM)，Sampled values overISO/IEC 8802-3link，IDT，2003]，均认为符合规范要求，当此延时不固定时，会对保护算法带来一定的影响。一种解决方案为采用数据源驱动法，即只有新数据到达后方进行保护计算，否则保护只执行与数据源无关的程序。此方法符合数字化变电站设计逻辑，但其要求保护装置能在短时间内处理完一定量的积压数据，对保护的硬件水平要求较高，否则保护将不能对采样数据进行实时跟踪处理，动作速度将出现迟滞效应。此外，传统保护中比较成熟的保护算法亦不能被直接继承，不利于继电保护装置的开发。

2)由于数据采样率较高，若MU不支持可定制的数据传输模式，保护装置不得不照单全收传送来的每个采样点数据，数据量庞大，对保护算法和运算能力均是一种考验。当前常用的解决方案为降低MU采样频率，或对采样数据进行重新抽取后再应用于保护计算。前者限制了厂站内部分智能装置的应用需求(如变压器保护中用间断角原理判励磁涌流时，要求有较高的采样率)，后者在固定点数的DFT算法中，会出现频率混叠、数据截断或栅栏效应现象，影响计算精度。

3)数据采集传输部分受到电磁干扰后，在出现采样数据丢失情况时，当前保护装置普遍采取的措施是闭锁保护，待采样数据恢复稳定后再重新开放。此方案在系统故障期间会影响保护动作时间，并可能进一步影响系统内保护的配合，导致故障扩大化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，有效克服保护装置在高速采样情况下数据处理能力不足的问题，以及系统故障过程中数据采集传输部分受到严重电磁干扰后，出现采样数据丢失情况引起的保护闭锁或延时现象，确保数字化保护在复杂情况下动作的快速和准确性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于波形拟合和二次采样的采样数据处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据数字化变电站中MU的采样频率和每帧传输的采样数据点数确定在满足一定计算精度条件下允许丢失的采样点数；

2)对原始缓冲区中的各采样点数据建立状态字，当相应采样数据真实有效值时，置“有效”标志，无效时，置“无效”标志，初始化时，所有采样数据状态均置成“无效”；

3)对保护缓冲区中的各采样点数据建立状态字，当相应采样数据真实有效值时，置“有效”标志，无效时，置“无效”标志，若为估计值，则置“估计”，初始化时，所有采样数据状态均置成“无效”；

4)实时监测装置通信情况，正常通信情况下，原始数据区对应采样数据状态位均置“有效”，若有丢帧/误帧情况发生，则其对应采样数据状态位标记为“无效”；

5)基于原始采样数据，用三阶样条函数构建电量拟合波形，然后在频率跟踪的基础上对其进行二次采样；

6)进行保护运算。

在进行保护运算过程中，若丢失采样数据点数较少，丢失采样数据可通过基于三阶样条插值法求损失采样数据近似值的方法近似拟合，保护不需采取单独处理措施，保护逻辑正常执行；若丢失采样数据点数较多，数据拟合法无法保证计算精度时，可将各段保护延时定值相应增加一段延时(延时时间＝数据丢失时间+保护计算数据窗长度)，无需退出保护，或仅闭锁速动段，只保留长延时的后备段(其延时定值亦需增加相应延时)，待通信恢复正常后再恢复保护的正常逻辑功能。此方案可有效克服传统方案在此情况下出现的保护闭锁或延迟现象，确保装置动作的速动性和正确性。

本发明所达到的有益效果：本发明利用基于三次样条函数的波形拟合和二次采样方法，不但解决了保护装置在高速采样情况下数据处理能力不足的问题，最大限度地继承传统保护中成熟的保护算法，而且对少量采样数据丢失造成的影响有天然免疫力，结合本发明提出的采样数据丢失后保护处理方案，从根本上解决了数字化保护在此情况下的动作速度和准确性的问题，为数字化保护的功能实现提供了基础保障。

具体实施方式

下面为本发明的一种基于波形拟合和二次采样的采样数据处理方法的一种实施例，包括以下步骤：

构建三阶样条函数时利用奇偶点数据分别形成相应的奇偶拟合波形，然后基于频率跟踪方法，根据保护算法要求的采样点数，对奇、偶拟合波形进行二次采样，获得新的奇、偶点采样数据，形成新的数据源，供保护算法使用。采用奇、偶点数据分别拟合采样的方法可有效减小原始的单点坏数据对二次采样数据影响的扩大化。

二次采样点位置确定方法如下：

原始数据采样频率为f_samp1，采样间隔

Δ t_{1} = \frac{1}{f_{samp 1}},

采样点数据帧编号为0～M，二次采样时采样频率为f_samp2，采样间隔

Δ t_{2} = \frac{1}{f_{samp 2}},

采样点数据帧编号为0～N，由于二次采样为变频采样，Δt₂不是恒定的。设二次采样的当前采样点编号为k₂(i)，与其相邻的原始数据当前采样点编号为k₁(i)，两者间时间差为Δt_rem(i)，k₁(i)领先k₂(i)，下一采样点编号分别为k₂(i+1)、k₁(i+1)，则有

k_{1} (i + 1) = k_{1} (i) + \mod [\frac{Δ t_{2} + Δ t_{rem} (i)}{Δ t_{1}}] - - - (1)

k₁(i+1)、k₂(i+1)之间的时间差为

Δ t_{rem} (i + 1) = rem [\frac{Δ t_{2} + Δ t_{rem} (i)}{Δ t_{1}}] - - - (2)

式中mod函数取结果的模，rem函数取结果的余数。

由式(1)、(2)以及当前采样点的位置，可确定下一采样点所处区间，结合此区间的波形函数，用插值法可求其采样值。

在用三阶样条函数构建某一区间内的拟合波形时，要求参与运算的采样数据均为“有效”状态，且此区间前后各有不少于3个点的采样数据参与运算。在正常情况下，无采样数据丢失点，三阶样条函数的分段区间为正常的采样点间隔，在此区间内得到的二次采样值均置“有效”标志。若遇异常情况，出现采样数据点丢失时，则此采样点对应的分段函数将包含若干个采样点间隔，具体情况视丢失的采样点数而定。若丢失的采样点数不大于已设定的允许求取丢失采样点数时，则在此区间内得到的二次采样值均置“估计”标志，否则置“无效”标志。

6)进行保护算法运算。采用每周波固定采样的DFT算法。算法要求实时跟踪系统当前频率，调整采样间隔，确保DFT算法精度。

在进行保护运算时，保护计时元件须对参与运算的采样数据状态进行甄别统计。当发现参与运算的“无效”采样数据点数大于M(可取3)时，闭锁保护；当发现参与运算的“估计”采样数据点数不大于N(对不同类型保护其值可以不同，如对速动段保护可取较小值，长延时段保护则取较大值)时，可将其保护延时增加相应点数的时间；当发现参与运算的“估计”采样数据点数大于N时，可将各段保护延时定值相应增加一段延时(延时时间＝数据丢失时间+保护计算数据窗长度)，无需退出保护，或仅闭锁速动段，只保留长延时的后备段(其延时定值亦需增加相应延时)，直到参与运算的均为“有效”采样数据为止。

以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基于波形拟合和二次采样的采样数据处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据数字化变电站中数据采集合并单元的采样频率和每帧传输的采样数据点数确定在满足一定计算精度条件下允许丢失的采样点数；

5)基于原始采样数据，用三阶样条函数构建电量拟合波形，然后在频率跟踪的基础上对其进行二次采样，在用三阶样条函数构建某一区间内的拟合波形时，若出现采样数据点丢失时，则此采样点对应的分段函数将包含若干个采样点间隔，若丢失的采样点数不大于已设定的允许求取丢失采样点数时，则在此区间内得到的二次采样值均置“估计”标志，否则置“无效”标志，在正常情况下，无采样数据丢失点，三阶样条函数的分段区间为正常的采样点间隔，在此区间内得到的二次采样值均置“有效”标志；

6)进行保护运算，在进行保护运算过程中，若丢失采样数据点数较少，丢失采样数据通过基于三阶样条插值法求损失采样数据近似值的方法近似拟合，保护不需采取单独处理措施，保护逻辑正常执行；若丢失采样数据点数较多，数据拟合法无法保证计算精度时，将各段保护延时定值相应增加一段延时，无需退出保护，或仅闭锁速动段，只保留长延时的后备段，待通信恢复正常后再恢复保护的正常逻辑功能。

2.根据权利要求1所述的基于波形拟合和二次采样的采样数据处理方法，其特征在于：在所述步骤5)中，在构建三阶样条函数时，利用奇偶点数据分别形成相应的奇偶拟合波形，然后基于频率跟踪方法，根据保护算法要求的采样点数，对奇、偶拟合波形进行二次采样，获得新的奇、偶点采样数据，形成新的数据源，供保护算法使用，所述保护算法的运算过程为：保护计时元件对参与运算的采样数据状态进行甄别统计，当发现参与运算的“无效”采样数据点数大于M时，闭锁保护；当发现参与运算的“估计”采样数据点数不大于N时，将其保护延时增加相应点数的时间；当发现参与运算的“估计”采样数据点数大于N时，将各段保护延时定值相应增加一段延时，延时时间＝数据丢失时间+保护计算数据窗长度，无需退出保护，或仅闭锁速动段，只保留长延时的后备段，直到参与运算的均为“有效”采样数据为止，M为原始数据采样点数据帧编号，N为二次采样时采样点数据帧编号。

3.根据权利要求2所述的基于波形拟合和二次采样的采样数据处理方法，其特征在于：二次采样点位置确定方法为：

k_{1} (i + 1) = k_{1} (i) + \mod [\frac{Δ t_{2} + Δ t_{rem} (i)}{Δ t_{1}}] - - - (1)

t_{rem} (i + 1) = rem [\frac{Δ t_{2} + Δ t_{rem} (i)}{Δ t_{1}}] (2)

根据式(1)、(2)以及当前采样点的位置，确定下一采样点所处区间，结合此区间的波形函数，用插值法求其采样值，其中原始数据采样频率为f_samp1，采样间隔

二次采样时采样频率为f_samp2，采样间隔

二次采样的当前采样点编号为k₂(i)，与其相邻的原始数据当前采样点编号为k₁(i)，两者间时间差为Δt_rem(i)，下一采样点编号分别为k₂(i+1)、k₁(i+1)。