CN101707396B - 基于电流电压数学模型的损失采样数据处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流电压数学模型的损失采样数据处理方法，其特征在于包括以下步骤：实时监测装置通信时，当发现采样数据帧异常时，根据采样数据合并单元的采样频率，从保护采样数据缓冲区当前点位置向前取K个连续点的有效采样数据，求取当前电流电压的波形表达式，对波形进行拟合，然后用插值法求损失采样数据的近似值，并将此数据对应状态置“估计”标记，直到装置收到正确采样数据帧为止，所述K值至少为3。本发明提供的基于电流电压数学模型的采样数据插值方法，可以解决因丢帧/误帧导致的数据源不完整问题所引起的数字化保护装置动作延时或闭锁。

Description

基于电流电压数学模型的损失采样数据处理方法

技术领域

本发明涉及一种数据采样值近似求解方法，适用于数字化变电站因误帧/丢帧造成的丢失采样数据处理，属于电力系统技术领域。

背景技术

数字化变电站中，当过程层数据采集传输部分受到严重电磁干扰后，误码的产生将不可避免，从而导致传输数据出现误帧/丢帧现象，造成采样数据丢失。当发生采样数据丢失情况时，目前保护装置采取的普遍措施是闭锁保护，待数据传输状态稳定后再重新开放。显然这种做法是以牺牲保护动作速度换取其可靠性的，若系统因稳定问题要求保护快速切除各种故障时，保护性能将无法满足要求。同时，受扰保护装置无法迅速动作，或将影响系统内各级保护的配合，进而导致事故影响的扩大化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服数字化站中继电保护装置因少量采样数据点丢失造成的拒动或延迟动作，确保继电保护装置在此情况下动作的快速性和准确性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于电流电压数学模型的损失采样数据处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1)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”；

2)实时监测装置通信时，当发现采样数据帧异常时，根据采样数据合并单元的采样频率，从保护采样数据缓冲区当前点位置向前取K个连续点的有效采样数据，通过已知采样点数据，求取当前电流电压的波形表达式，对波形进行拟合，然后用插值法求损失采样数据的近似值，并将此数据对应状态置“估计”标记，直到装置收到正确采样数据帧为止，所述K值至少为3，当无法取得足够的“有效”采样数据时，其估计值可用前一点采样数据代替，但其状态需置成“无效”；

3)在进行保护运算时，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，所述M取3～5；当发现参与运算的“估计”采样数据点数不大于N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，则闭锁保护，直到参与运算的均为“有效”采样数据为止，所述N的范围为5～10。

所述电流电压通用数学模型的建立和求解方法为：

由于电子互感器无饱和问题，当忽略故障暂态过程中系统谐波影响时，电力系统任意相电流电压通用表达式可描述如下

$x\left(t\right)=A\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})+B{e}^{\frac{t}{T_a}}---\left(1\right)$

式中A为周期分量幅值；ω为系统角频率；θ为初始角；B为非周期分量幅值，系统非故障状态下，B＝0；Ta为由线路阻抗参数决定的非周期分量衰减时间常数。显然，在给定任意时刻某一时间段内的A、B、T_a、ω和θ后，便可通过插值法确定此段时间内任意一点的电流电压值。考虑到电感电容等储能元件中的能量不能突变，通过式(1)亦可预测此段时间后短时间内电流电压的变化情况。

为减化计算，可取(1)式部分系数的近似值。如当已知系统的阻抗参数，则 $T_a=\frac{L}{R}.$ 对线路保护而言，可以令其中

为线路最大灵敏角定值，ω＝2πf_N，为额定角频率。当外部有精度满足要求的频率计算结果输入时，ω可以将其作为已知量对待，以减少计算量。否则可用下式求ω，计算结果经平滑处理后可作为本装置的系统实测角频率使用：

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\mathrm{abs}\left[\frac{x^{\′\′}\left(t_1\right)-x^{\′\′}\left(t_2\right)\exp (-\frac{t_1-t_2}{T_a})}{x\left(t_1\right)-x\left(t_2\right)\exp (-\frac{t_1-t_2}{T_a})}\right]}---\left(2\right)$

显然上式的求解要求知道t₁、t₂两个点的函数值及其二阶导数值。

当已知任意t时刻的函数值x(t)及其一、二阶导数值x′(t)、x″(t)后，可以求得

$B=\frac{{\mathrm{\ω}}^{2}x\left(t\right)+x^{\′\′}\left(t\right)}{({\mathrm{\ω}}^2+\frac{1}{T_a^2})\exp (-\frac{t}{T_a})}---\left(3\right)$

$A=\sqrt{[x\left(t\right)-\mathrm{Bexp}(-\frac{t}{T_a}){]}^2+[\frac{x^{\′}\left(t\right)+\frac{B}{T_a}\exp (-\frac{t}{T_a})}{\mathrm{\ω}}}{{]}^2}^{}---\left(4\right)$

$\mathrm{\θ}=f_1\left(t\right)=\arccos \left\{\frac{x\left(t\right)-\mathrm{Bexp}(-\frac{t}{T_a})-\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)[x\left(0\right)-B]}{A\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)}\right\}---(5-1)$

或

$\mathrm{\θ}=f_2\left(t\right)=\arcsin \left\{\frac{x\left(t\right)-\mathrm{Bexp}(-\frac{t}{T_a})-\frac{1}{\mathrm{\ω}}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)[x^{\′}\left(0\right)+\frac{B}{T_a}]}{A\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)}\right\}---(5-2)$

由于提取数据的任意性，拟合波形的初始角θ可能落在[0，2π]之间的任意一点处。在式(5)中，由于f₁(t)的计算结果在[0，π]之间，f₂(t)计算结果在

之间，两者均是以π为周期的函数，故不能独立求取真实的初始角。考虑到当θ∈[π，2π]时，f₂(t)计算结果不大于零，故可用f₁(t)和f₂(t)计算结果的互补性最终确定θ的计算结果：

θ＝f₁(t)，当f₂(t)≥0时；

θ＝2π-f₁(t)，当f₂(t)＜0时；

当MU的采样频率足够高，其两个采样点间隔能够满足计算要求时，可近似求得某一点导数值

$x^{\′}\left(t_1\right)\≈\frac{x\left(t_2\right)-x\left(t_1\right)}{t_2-t_1}---(6-1)$

$x^{\′\′}\left(t_1\right)\≈\frac{x^{\′}\left(t_2\right)-x^{\′}\left(t_1\right)}{t_2-t_1}---(6-2)$

即确定一个采样点处的一阶导数需要已知两个点的采样值，确定一个二阶导数至少需要三个点的采样值。

由(2)-(6)式知，在ω已知的情况下，只须获得3个连续采样点便可确定一组系数，否则，至少需要知道4个连续采样点，或两组连续的3个采样点，方可确定一组系数。为获得足够的计算精度，可计算多组系数，然后取其平均值。

所述基于波形预测的丢失采样数据求取方法为：

通过已知采样点数据，求取电量当前的波形表达式，然后用插值法求丢失数据的近似值。

本发明所达到的有益效果：本发明提供的基于电流电压数学模型的损失采样数据处理方法，不但可以解决因丢帧/误帧导致的数据源不完整问题所引起的数字化保护装置动作延时或闭锁，而且根据电力系统电气量正常情况下无法突变的特点，还可以对电流电压波形的短时发展做出预测，为解决部分问题提供了新思路、新方法。

附图说明

图1是不同的Ta误差对应不同的波形拟合结果示意图；

图2是不同的ω误差对应不同的波形拟合结果示意图。

具体实施方式

本发明的一种基于电流电压数学模型的损失采样数据处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1)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”；

2)实时监测装置通信情况，当发现采样数据帧异常时，根据采样数据合并单元(MU)的采样频率，从保护采样数据缓冲区当前点位置向前取K(当MU采样频率为4800点/s时，K值可取4～8。以下举例时均指此采样率下的值)个连续点的有效采样数据，对波形进行拟合，然后用插值法求损失采样数据的近似值，并将此数据对应状态置“估计”标记，直到装置收到正确采样数据帧为止。当无法取得足够的“有效”采样数据时，其估计值可用前一点采样数据代替，但其状态需置成“无效”；

3)保护运算时，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(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，则闭锁保护，直到参与运算的均为“有效”采样数据为止。

对波形进行拟合过程中，对波形 $x\left(t\right)=0.1\sin \left(314.15926t\right)+0.08e^{-\frac{t}{0.05}}$ 以4800点/s的采样频率进行采样，形成两个数据集--时间序列t(k)和与其对应的采样值序列x(k)，然后从中提取5个连续点，对波形进行拟合计算。

图1是不同的Ta误差对应不同的波形拟合结果示意图；

从t(14)点开始取点，并令测量频率等于50.0Hz，Ta从0.03s至0.07s、以步长0.01s进行变化取值，对波形的拟合结果，反映了Ta估计误差对波形拟合结果的影响。实际系统中，Ta的真时值受系统运行工况、故障类型等客观因素，以及数据采集系统滤波回路等人为因素的影响，与估计值之间会出现一定的偏差。Ta的估计误差对计算结果影响甚小。

图2是不同的ω误差对应不同的波形拟合结果示意图。同样从t(14)点开始取点，并令Ta等于0.05s，测量频率从49.7Hz至50.5Hz、以步长0.02Hz进行变化取值，对波形的拟合结果，反映了频率估计误差对波形拟合结果的影响。当前软件频率跟踪精度可以控制在0.1Hz以内，频率计算误差影响在短时间内也可忽略。

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 (4)

1.一种基于电流电压数学模型的损失采样数据处理方法，其特征在于包括以下步骤：

1)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”；

2)实时监测装置通信时，当发现采样数据帧异常时，根据采样数据合并单元的采样频率，从保护采样数据缓冲区当前点位置向前取K个连续点的有效采样数据，通过已知采样点数据，求取当前电流电压的波形表达式，对波形进行拟合，然后用插值法求损失采样数据的近似值，并将此数据对应状态置“估计”标记，直到装置收到正确采样数据帧为止，所述K值至少为3；

3)在进行保护运算时，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，所述M取3～5；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，则闭锁保护，直到参与运算的均为“有效”采样数据为止，所述N的范围为5～10。

2.根据权利要求1所述的基于电流电压数学模型的损失采样数据处理方法，其特征在于：所述电流电压通用表达式为

$x\left(t\right)=A\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\θ})+{\mathrm{Be}}^{-\frac{t}{T_a}}$

式中A为周期分量幅值；θ为初始角；B为非周期分量幅值；Ta为由线路阻抗参数决定的非周期分量衰减时间常数。

3.根据权利要求1或2所述的基于电流电压数学模型的损失采样数据处理方法，其特征在于：当采样数据合并单元采样频率为4800点/s时，K值取4～8。

4.根据权利要求1或2所述的基于电流电压数学模型的损失采样数据处理方法，其特征在于：在所述步骤2)中，当无法取得足够的“有效”采样数据时，其估计值用前一点采样数据代替，其状态置成“无效”。

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