CN101881792B - 一种电力系统瞬变正弦信号的序分量获取方法 - Google Patents

Abstract

一种电力系统瞬变正弦信号的序分量获取方法，该方法将采集的输入信号输入到正弦逼近处理器中进行逼近，根据逼近后得到的函数来计算输入信号的余弦函数，然后根据采集的输入信号和计算得出的输入信号的余弦函数计算该正弦信号的正序分量、负序分量和零序分量。本方法采用正弦逼近处理器求取瞬变正弦信号的余弦函数来获取瞬变正弦信号的序分量，满足瞬变正弦信号的幅值和初相位随时间变化的性质，能够准确获取变化剧烈瞬变正弦信号的序分量，为以瞬时序分量为基础的电力工程提供了准确、及时、可靠的基础。

Description

一种电力系统瞬变正弦信号的序分量获取方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统瞬变正弦信号的序分量获取方法。

背景技术

在电力系统网络参数或电源发生变化时，电力系统各处的电流信号和电压信号会出现变化，若系统频率未变化，此变化瞬刻的电流正弦信号和电压正弦信号为电力系统的瞬变正弦信号。电力系统瞬变正弦信号中含有衰减的直流分量和衰减的周期分量，其幅值和初相位是时间的函数。对于三相对称的系统，由于元件相间阻抗存在电磁耦合，如果在线路上流过三相不对称的电流，则三相电压降也是不对称的，此时利用相电流和相电压的计算必须按三相进行。因而在系统处于不对称故障状态或不对称运行状态下，为了简化计算，一般需要通过对称分量法将三相电压和电流分解为相互独立的序分量以实现元件阻抗的解耦。现有的对称分量法是将序分量从稳态三相电流和电压的基波中分解出来的，只能在幅值和初相位不变化的基频正弦信号中获取序分量。序分量被广泛用于继电保护、故障分析、无功补偿、系统建模、系统辨识等电力系统各种领域，而瞬变正弦信号的序分量的准确获取有利于系统故障的实时暂态分析，在发生不对称故障或不对称运行瞬间，系统会出现电流和电压瞬变正弦信号，由于瞬变正弦信号的幅值和初相位随时间变化，现有的序分量获取方法不能准确地获取瞬变正弦信号的序分量。目前现有的就电力系统瞬变正弦信号的序分量获取方法中，无一例外地都假设瞬变正弦信号的幅值和初相位处于不变化的状态，这与瞬变正弦信号的幅值和初相位随时间变化的性质相矛盾，若瞬变正弦信号变化剧烈，现有文献所提方法不能获取瞬变正弦信号的序分量。以序分量在电力系统保护装置中的应用为例：输电线路是电网的基石，线路保护的正确动作是系统稳定、设备安全的重要保证，对于高压输电线路的保护，一般要求保护在20-40ms的时间内动作，在这个时间内，故障电压和电流处于瞬变的暂态过程，其瞬变电压电流信号为幅值及相位随时间变化的瞬变正弦信号，在此过程中，利用上述传统方法不能正确获取信号的序分量，使得以序分量为基础的保护装置可能发生不正确的动作，这会给电力系统的生产运行造成重大的影响和损失。

发明内容

本发明的目的就是提供一种及时准确地获取电力系统瞬变正弦信号的序分量的方法，它不仅能够获取电力系统处于稳态运行时的瞬时正弦信号的序分量而且能够获得电力系统处于暂态运行时的瞬时正弦信号的序分量。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，即一种电力系统瞬变正弦信号序分量的获取方法，包括以下步骤：

1)采集输入信号u_A、u_B、u_C：所述的输入信号u_A、u_B、u_C是三相电流瞬变正弦信号i_A，i_B，i_C或三相电压瞬变正弦信号v_A，v_B，v_C；

2)获取输入信号u_B和u_C的余弦函数

和

选择序分量的基准相为A相，将步骤1中的输入信号u_B，u_C分别输入到正弦逼近处理器中，经正弦逼近处理器逼近处理后，由正弦逼近处理器输出A(t)，B(t)的值并获得逼近后的输入信号u_B和u_C各自的正弦逼近函数

然后根据输出的A(t)，B(t)值，计算对应的余弦函数

3)获取正弦信号的序分量：将步骤1采集的输入信号u_A、u_B、u_C和步骤2中获得的输入信号u_B和u_C的余弦函数

输入到序分量获取模块中，经序分量获取模块处理即获得正弦信号的正序分量u_A1、负序分量u_A2和零序分量u_A0。

正弦逼近处理器由一个与输入信号u_B和u_C相同频率的正弦信号在一个Δt时域区间逼近输入信号u_B，u_C构成，在正弦逼近处理器中，u(t)即是输入信号u_B或u_C，y(t)为u_B或u_C所逼近的正弦基数学模型，

A(t)＝A₀+A₁t+A₂t²+…+A_Nt^N

B(t)＝B₀+B₁t+B₂t²+…+B_Nt^N

A₀，A₁，...，A_N和B₀，B₁，...，B_N是函数A(t)，B(t)的参数，

记 $J=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}e{\left(t_i\right)}^2=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{(u\left(t_i\right)-y\left(t_i\right))}^2,$ $W^k={\left[\begin{array}{cccccc}{A}_0^k& \·\·\·& A_N^k& B_0^k& \·\·\·& B_N^k\end{array}\right]}^T,$ N为多项式函数的阶数，I为一个区段里的计算点数，k为逼近计算次数；

正弦逼近处理器的修正算法为：

μ是算法收敛因子，μ＞0；

当J＜Jmin时，正弦逼近处理器输出A(t)，B(t)的值并获得正弦逼近函数

从而余弦函数

Δt范围为2ms～10ms，在实践中，我们通常在一个Δt＝5ms的时域区间逼近输入信号u_B，u_C，获取函数A(t)，B(t)。

序分量获取模块中的获取方法是：计算，即获得瞬变正弦信号的正序分量u_A1；计算

，即获得瞬变正弦信号的负序分量u_A2；计算3u_A0(t)＝u_A(t)+u_B(t)+u_C(t)获得瞬变正弦信号的零序分量u_A0。

本发明所述的方法能够获取幅值和初相位随时间变化的瞬变正弦信号的实时序分量，尤其是在电力系统处于不对称故障或不对称运行时，能够为工作人员提供准确的实时序分量，运用该方法得到的实时序分量能够显著提高电力系统故障分析的准确性。以电力系统继电保护为例：电力系统的继电保护需要保护模块快速准确的判断故障的类型及位置，这就需要构成保护的算法同时满足快速性和准确性，体现在故障发生初期算法对信号处理的能力。电力系统发生故障时，系统除含有正序分量外，还可能含有负序分量和零序分量，继电保护是根据三个序分量满足的边界条件来构成保护算法的。因此三个序分量提取的快速性和准确性将直接影响继电保护的可靠性。运用本发明所提出的瞬变正弦信号的序分量获取方法不受故障初期暂态过程中的谐波分量和衰减直流分量影响，能够快速准确提取序分量，从而提高了保护的可靠性。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本方法采用正弦逼近处理器求取瞬变正弦信号的余弦函数来获取瞬变正弦信号的序分量，满足瞬变正弦信号的幅值和初相位随时间变化的性质，能够准确获取变化剧烈瞬变正弦信号的序分量，为以瞬时序分量为基础的电力工程提供了准确、及时、可靠的基础。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的方法框图；

图2为图1中正弦逼近处理器的处理方法示意图；

图3为图1中序分量获取模块的方法示意图；

图中：1.正弦逼近处理器；2.序分量获取模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：如图1、图2和图3所示，本发明所述的一种电力系统瞬变正弦信号序分量的获取方法，包括以下步骤：

1)采集输入信号u_A、u_B、u_C：所述的输入信号u_A、u_B、u_C是三相电流瞬变正弦信号i_A，i_B，i_C或三相电压瞬变正弦信号v_A，v_B，v_C；

2)获取输入信号u_B和u_C的余弦函数

和

选择序分量的基准相为A相，将步骤1中的输入信号u_B，u_C分别输入到正弦逼近处理器中，经正弦逼近处理器1逼近处理后，由正弦逼近处理器1输出A(t)，B(t)的值并获得输入信号u_B和u_C各自的正弦逼近函数

然后根据输出的A(t)，B(t)值，计算对应的余弦函数

3)获取正弦信号的序分量：将步骤1采集的输入信号u_A、u_B、u_C和步骤2中获得的输入信号u_B和u_C的余弦函数

输入到序分量获取模块2中，经序分量获取模块2处理即获得正弦信号的正序分量u_A1、负序分量u_A2和零序分量u_A0。

正序分量u_A1(t)根据以下公式计算获得：

变换后，

负序分量u_A2(t)根据以下公式计算获得：

3u_A2(t)＝u_mA(t)sin(ωt+φ_A(t))+u_mB(t)sin(ωt+φ_A(t)+240°)+u_mC(t)sin(ωt+φ_A(t)+120°)，

变化后，

零序分量u_A0(t)根据以下公式计算获得：

3u_A0(t)＝u_A(t)+u_B(t)+u_C(t)。

本发明所用的正弦逼近处理器由一个与输入信号u_B和u_C相同频率的正弦信号在一个Δt时域区间中逼近输入信号u_B，u_C构成，在正弦逼近处理器中，u(t)即是输入信号u_B或u_C，

时域区间逼近输入信号u_B，u_C构成，在正弦逼近处理器中，

A(t)＝A₀+A₁t+A₂t²+…+A_Nt^N

B(t)＝B₀+B₁t+B₂t²+…+B_Nt^N

A₀，A₁，...，A_N和B₀，B₁，...，B_N是函数A(t)，B(t)的参数，

记 $J=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}e{\left(t_i\right)}^2=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{(u\left(t_i\right)-y\left(t_i\right))}^2,$ $W^k={\left[\begin{array}{cccccc}{A}_0^k& \·\·\·& A_N^k& B_0^k& \·\·\·& B_N^k\end{array}\right]}^T,$ N为多项式函数的阶数，I为一个区段里的计算点数，k为逼近计算次数；

正弦逼近处理器的修正算法为：

μ是算法收敛因子，μ＞0；

当J＜Jmin时，正弦逼近处理器输出逼近后的函数值A(t)，B(t)。

本发明所述的正弦逼近处理器是现有的成熟技术，在CN100538380C中公开了名称为基于人工神经网络模型的电缆故障在线测距方法的发明专利，在该发明专利中公开了有关正弦逼近处理器的详细说明。

本发明能够获取瞬变正弦信号的序分量，这在电力系统的许多领域中均具有重要意义。以电力系统继电保护为例：电力系统的继电保护需要保护模块快速准确的判断故障的类型及位置，这就需要构成保护的算法同时满足快速性和准确性，体现在故障发生初期算法对信号处理的能力。电力系统发生故障时，系统除含有正序分量外，还可能含有负序分量和零序分量，继电保护是根据三个序分量满足的边界条件来构成保护算法的。因此三个序分量提取的快速性和准确性将直接影响继电保护的可靠性。运用本发明所提出的瞬变正弦信号的序分量获取方法不受故障初期暂态过程中的谐波分量和衰减直流分量影响，能够快速准确提取序分量，从而提高了保护的可靠性。

Claims (4)

1.一种电力系统瞬变正弦信号的序分量获取方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)采集输入信号u_A、u_B、u_C：所述的输入信号u_A、u_B、u_C是三相电流瞬变正弦信号i_A，i_B，i_C或三相电压瞬变正弦信号v_A，v_B，v_C；

2)获取输入信号u_B和u_C的余弦函数 

和 

选择序分量的基准相为A相，将步骤1中的输入信号u_B，u_C分别输入到正弦逼近处理器中，经正弦逼近处理器(1)逼近处理后，由正弦逼近处理器(1)输出A(t)，B(t)的值并获得输入信号u_B和u_C各自的正弦逼近函数 

然后根据输出的A(t)，B(t)值，计算对应的余弦函数 

3)获取正弦信号的序分量：将步骤1采集的输入信号u_A、u_B、u_C和步骤2中获得的输入信号u_B和u_C的余弦函数 

输入到序分量获取模块(2)中，经序分量获取模块(2)处理即获得正弦信号的正序分量u_A1、负序分量u_A2和零序分量u_A0。

2.如权利要求1所述的电力系统瞬变正弦信号序分量的获取方法，其特征在于：正弦逼近处理器由一个与输入信号u_B和u_C相同频率的正弦信号在一个Δt时域区间中逼近输入信号u_B、u_C构成，在正弦逼近处理器中，u(t)即是输入信号u_B或u_C，y(t)为u_B或u_C所逼近的正弦基数学模型，

A(t)＝A₀+A₁t+A₂t²+…+A_Nt^N

B(t)＝B₀+B₁t+B₂t²+…+B_Nt^N

A₀，A₁，...，A_N和B₀，B₁，...，B_N是函数A(t)，B(t)的参数，

记

N为多项式函数的阶数，I为一个区段里的计算点数，k为逼近计算次数；

正弦逼近处理器的修正算法为：

μ是算法收敛因子，μ＞0；

当J＜Jmin时，正弦逼近处理器输出A(t)，B(t)的值并获得正弦逼近函数 

从而余弦函数 

3.如权利要求1所述的电力系统瞬变正弦信号序分量的获取方法，其特征在于：步骤3中序分量获取模块中(2)的获取方法是：计算 

，即获得瞬变正弦信号的正序分量u_A1，计算 ，即获得瞬变正弦信号的负序分量u_A2；计算3u_A0(t)＝u_A(t)+u_B(t)+u_C(t)获得瞬变正弦信号的零序分量u_A0。

4.如权利要求2所述的电力系统瞬变正弦信号序分量的获取方法，其特征在于：所述的Δt范围为2ms～10ms。 

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