CN102870304A - 保护继电装置及保护继电方法 - Google Patents

Abstract

能够减少在从电力系统取得信号的模拟输入部中产生的噪音，并且能够高精度且高可靠度地监视模拟输入部的部件的经时变化。保护继电装置具备：模拟/数字变换器，对从模拟输入部输入的模拟信号进行采样并变换为数字数据；可变滤波器，通过来自其他部件的控制而使滤波器系数可变，对所述数字数据进行滤波并输出；以及适应控制部，以使通过了可变滤波器后的数字数据与目标信号之间的差分变小的方式，对可变滤波器的滤波器系数进行可变控制。

Description

保护继电装置及保护继电方法

技术领域

本发明涉及对例如供电线等电力系统进行保护的保护继电装置及保护继电方法。

背景技术

例如，数字型的电力系统保护控制计测装置通过变量器（PCT）、模拟滤波器、模拟数字变换器，将来自电力系统的电流、电压变换成数字数据，并进行软件运算，根据该运算结果，对断路器或警报器等进行控制。

在这样的进行电力系统的保护控制的保护控制计测装置中，决定计测精度的主要因素在于输入变量器（PCT）、模拟滤波器、模拟/数字变换器（以下将这些统称为“模拟输入部”），为了提高保护控制计测装置的性能，需要进一步提高该模拟输入部的精度。此外，模拟滤波器等会逐渐经时劣化，从而需要对其高精度地进行监视。

作为进行电力系统的保护控制的现有技术，例如公开有如下的数字保护继电器：在模拟输入部中，对从模拟信号变换而来的数字数据进行过采样，使用该数据来减少模拟输入部的噪音（例如参照专利文献1）。

此外，作为模拟输入部的监视手法，例如公开有进行高次谐波的重叠监视的技术（例如参照专利文献2）。

在该监视手法中，为了始终监视模拟滤波器的各部件的经时劣化，将在电力系统中流动的工业频率（50Hz或60Hz）的信号作为模拟滤波器的输入进行重叠，通过软件来监视其大小和相位等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-248477号公报

专利文献2：日本特开平5-68321号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，在上述的专利文献1的技术的情况下，过采样的精度依赖于模拟数字变换器的性能，在利用通用的模拟数字变换器的情况下，存在过采样的精度较差而无法够减少模拟输入部的噪音的问题。

此外，在专利文献2的技术的情况下，容易受到电力系统侧产生的高次谐波的影响，难以实现监视结果的可靠性。

本发明是为了解决这样的技术问题而做出的，其目的在于，提供一种保护继电装置及保护继电方法，能够减少在从电力系统取得信号的模拟输入部中产生的噪音，并且能够高精度且高可靠度地监视模拟输入部的部件的经时变化。

用于解决技术问题的技术手段

实施方式的保护继电装置具备：模拟输入部，输出表示电力系统的电量的模拟信号；模拟/数字变换器，对从所述模拟输入部输入的所述模拟信号进行采样，并变换为数字数据；可变滤波器，通过来自其他部件的控制而使滤波器系数可变，对由所述模拟/数字变换器变换后的数字数据进行滤波并输出；目标信号产生部，产生与所述模拟信号对应的目标信号；差分计算部，计算通过了所述可变系数滤波器后的数字数据与由所述目标信号产生部产生的目标信号之间的差分；以及适应控制部，以使由所述差分计算部计算出的差分变小的方式，对所述可变滤波器的滤波器系数进行可变控制。

实施方式的保护继电方法具有：从模拟输入部输出表示电力系统的电量的模拟信号的步骤；对从所述模拟输入部输入至模拟/数字变换器的所述模拟信号进行采样、并变换为数字数据的步骤；通过来自其他部件的控制而使滤波器系数可变的可变滤波器对由所述模拟/数字变换器变换后的数字数据进行滤波并输出的步骤；目标信号产生部产生与所述模拟信号对应的目标信号的步骤；差分计算部计算通过了所述可变系数滤波器后的数字数据与由所述目标信号产生部产生的目标信号之间的差分的步骤；以及适应控制部以使由所述差分计算部计算出的差分变小的方式、对所述可变滤波器的滤波器系数进行可变控制的步骤。

根据实施方式，能够提供一种保护继电装置及保护继电方法，能够减少在从电力系统取得信号的模拟输入部中产生的噪音，并且能够高精度且高可靠度地监视模拟输入部的部件的经时变化。

附图说明

图1是表示一个实施方式的供电系统的概要结构的图。

图2是表示第一实施方式的保护控制测定部的结构的框图。

图3是表示可变系数滤波器的一个例子的图。

图4是输入信号的波形图。

图5是目标信号的波形图。

图6是表示输出信号的图。

图7是表示图4的输入信号的波形的波谱的图。

图8是表示图6的输出信号的波形的波谱的图。

图9是表示第二实施方式中的输入信号的波形的波谱的图。

图10是表示第二实施方式中的输出信号的波形的波谱的图。

图11是表示在第三实施方式中，由于时间k的经过而可变滤波器系数w1（k）变化的状况的图。

图12是表示第四实施方式的保护控制测定部的结构的框图。

图13是表示第五实施方式的保护控制测定部的结构的框图。

图14是表示基于直线近似法的电压波形的零交点与零交点前后的采样点之间的时间间隔的计算的状况的图。

图15是表示第六实施方式的图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明实施方式。图1是表示一个实施方式的供电系统的结构的图。

（第一实施方式）

如图1所示，该供电系统具有：电力系统的供电线101和变电设备；与供电线101连接的断路器CB、变流器108及计量仪器用变压器109；以及保护继电装置105，该保护继电装置105取得并监视由这些变流器108及计量仪器用变压器109分别检测到的表示电力量的模拟信号（电压信号、电流信号），并在异常时对断路器CB切断供电，来进行保护控制。

保护继电装置105具有保护控制测定部110、运算部107、输出部106。保护控制测定部110测定在供电线101中产生的电压以及在供电线101中流动的电流，将去除噪声后的运算用的数字数据被发送至运算部107。

运算部107使用从保护控制测定部110输入的数字数据进行逻辑运算，判定电力系统中是否产生了异常。输出部106在判定结果为产生了异常的情况下，输出用于将断路器CB断开的控制信号和异常警报信号。

如图2所示，第一实施方式的保护控制测定部110具有输入变量器111（以下称为“PCT111”）、模拟滤波器112、模拟/数字变换器113、自适应滤波器（adaptive filter）114。

PCT111对来自处于运行状态的供电线101的电压（电流）进行比例分配，减压（减流）为可由该测定部处理的电压（电流）。例如，将60v～65v左右的电压减压为5v～10v左右。

模拟滤波器112是抑制由PCT111取得的电压（电流）等信号的折返误差（噪声）等的低通滤波器。即，模拟滤波器112输出表示电力系统的电量的模拟信号。

模拟/数字变换器113对输入的所述模拟信号进行采样，并变换为数字数据。即，将由模拟滤波器112抑制了噪声后的模拟信号（滤波后的模拟信号）变换为数字数据并输出。

自适应滤波器114设置在模拟/数字变换器113的后段。自适应滤波器114具有可变滤波器115、适应控制部116、目标信号产生部117、差分计算器118等。

如图3所示，可变滤波器115具有：可变系数滤波器301，对从模拟/数字变换器113输出的输入信号（数字数据）x（k）施加滤波；多个延迟元件302，具有规定的分接抽头（tap）系数Z^-1；以及加法器303。可变系数滤波器301分别具有可变滤波器系数w（k）（k为0、1、2、3…的整数）。

可变滤波器115通过适应控制部116来控制可变系数滤波器301的可变滤波器系数w（k），并将输出数据y（k）输出至差分计算器118。即，可变滤波器115通过其他部件的控制（来自适应控制部116的控制）来调整（改变）滤波器系数，对由模拟/数字变换器113变换后的数字数据进行滤波并输出。

目标信号产生部117针对输入信号产生没有噪声和变形的理想的目标信号（收敛目标），在该情况下，产生正弦波的传递函数d（k）。即，该目标信号产生部117产生与模拟信号对应的目标信号。

差分计算器118计算输入信号（数字数据）x（k）与目标信号d（k）之间的误差e（k），并输出至适应控制部116。即，该差分计算器118计算通过可变滤波器115后的数字数据x（k）与由目标信号产生部117产生的目标信号d（k）之间的差分，并输出至适应控制部116。

差分计算器118计算由目标信号产生部117产生的目标信号d（k）与输出数据y（k）之间的差分并作为误差e（k），为了不受符号的影响而将误差e（k）进行了平方，并将平方后的值、即误差e²（k）输入至适应控制部116。

适应控制部116根据预先具备的适用算法，以使输入信号（数字数据）x（k）与目标信号d（k）之间的误差e2（k）成为最小的方式，调整可变系数滤波器301的可变滤波器系数w（k）（可变控制）。作为适应算法，例如使用LMS算法等。

作为目标信号d（k），使用下述（式1）所示的正弦波。在供电线101、变电设备等中流动的电流，例如在日本为基本频率50Hz或60Hz的正弦波，但即使频率从基本频率偏离，也能够适用下述（式1）。

【数1】

$A_0\sin (2\mathrm{\π}\frac{f_0}{f_s}n+{\mathrm{\θ}}_0)$ …(式1)

接着，说明供电系统的动作。该供电系统的情况下，保护控制测定部110测定在供电线101中产生的电压及在供电线101中流动的电流，并将去除了噪声的运算用的数字数据发送至运算部107。

运算部107使用从保护控制测定部110输入的数字数据进行逻辑运算，判定电力系统中是否产生了异常。

在该判定的结果为产生了异常的情况下，输出部106为了将供电停止，向断路器CB输出控制信号，并且向监视室的监视盘等输出异常警报信号，将电力系统的异常报告给监视人员等。

在此，在供电线101中承载有各种噪声的状态下进行供电，因此在保护控制测定部110中，必须一边从测定对象的输入信号去除噪声，一边测定信号，否则无法进行正确的判定。

因而，在保护继电装置105的保护控制测定部110中，在模拟/数字变换器113的后段设置自适应滤波器114，在输入了图4所示那样的输入信号的情况下，在自适应滤波器114中，差分计算部118计算来自供电线101的输入信号与图5所示的目标信号之间的误差（差分），并发送至适应控制部116，适应控制部116以使该误差（差分）成为最小的方式对可变滤波器115进行控制，由此得到图6所示的输出信号。

作为由适应控制部116对可变滤波器115的滤波器系数进行控制的结果，在图6所示的输出信号的波形中可知，由PCT111产生的非线性误差、在模拟滤波器112的周边产生的热噪音等白噪音、电源线等引起的噪音、模拟/数字变换器113等产生的量子化误差等，通过自适应滤波器114而被减少。

此外，图7是图4的输入信号的波形的波谱，图8是图6的输出信号的波形的波谱，比较彼此的波谱可知，除了基本频率附近之外，在其他频带噪声同样被减少。

这样，根据该第一实施方式的供电系统，在模拟/数字变换器113的后段配置自适应滤波器114，以（式1）的函数为目标信号，以使输入信号的误差成为最小的方式对滤波器系数进行调整控制，从而能够大幅减少模拟输入部的噪音，通过将通过了自适应滤波器114的输出信号用于电力系统的异常判定，能够提供高精度的保护继电装置。

具体地说，将距离继电器等保护运算和计量功能的输入动态范围不同的功能收纳在同一装置内，并且各个功能的输入精度较高，因此能够提供经济性及可靠性优良的保护继电装置。

结果，能够减少模拟输入部的白噪音及外来噪音、由PCT的非线性引起的变形等噪音，并且能够高精度且高可靠度地监视模拟输入部的经时变化。

（第二实施方式）

接下来，参照图9、图10来说明第二实施方式。在上述第一实施方式中，始终使自适应滤波器114动作，由此使输出信号的值收敛为减少噪声的最佳的值，但是在主要监视部件的经时变化的情况下，不需要使自适应滤波器114一直动作。

因而，在该第二实施方式中，说明使自适应滤波器114的适应动作在经过一定时间后停止（经过一定时间后将滤波器系数固定）的一例。

在该情况下，预先在存储器等中设定一定的阈值的范围（从下限的某阈值到上限的某阈值的范围内），适应控制部116对于目标信号，以可变系数滤波器301的输出进入该规定阈值的范围内为条件，将可变系数滤波器301的系数固定。另外，也可以是，以从差分计算器118输入的误差（差分）进入规定范围内为条件，将可变系数滤波器301的滤波器系数固定。

通常，在适应控制部116中进行用于求出最佳的可变滤波器系数w（k）的运算。然后，以使误差e（k）最小的方式，逐渐调整各可变系数滤波器301的可变滤波器系数w（k）。

然后，在误差e（k）变得比预先设定的阈值e（s）小时，适应控制部116将适应控制停止，并将此时的系数w（0）、w（1）、w（2）…固定为之后的可变系数滤波器301的系数。将可变滤波器系数固定而求出的输入输出波形的波谱如图9、图10所示。

在图9的输入信号的波形的波谱中存在一定程度的噪声，但是在经过一定时间后，即使将可变系数滤波器301的可变滤波器系数固定，也能够得到图10所示那样的波谱，可知，噪音收敛到与图8所示的始终对滤波器系数进行了调整控制的情况几乎同等程度。

自适应滤波器114需要求出输入波形与目标信号之间的差分，但是经过了某种程度的观测时间后，存在可变系数滤波器301的系数大致收敛为某个值的趋势。这表示，得到了能够与各模拟输入部的特性一致地减少固有噪音的系数。

根据该第二实施方式，在保护继电装置105开始运行之后，在一定时间内使适应控制部116动作，求出可变滤波器115的可变滤波器系数，然后将可变滤波器系数固定，从而与第一实施方式同样地获得噪音减少的效果，并且，由于从装置运行开始起经过一定时间后将适应控制停止，因此能够减少装置的运算负荷，能够提供经济性较高的保护继电装置105。

（第三实施方式）

接下来说明第三实施方式。在第三实施方式中，适应控制部116监视可变系数向量的时间变化，在示出了从规定的基准范围脱离或规定的变化形态的情况下，判定为保护继电装置105异常。

换言之，适应控制部116监视从可变滤波器115输出的信号的时间变化，在伴随着时间变化而变化的输出信号的变化的值从规定的阈值的范围内脱离、或者随时间变化而变化的输出模式与规定的变化模式一致或近似的情况下，判定为保护继电装置105异常。

如第二实施方式所示，在为了使自适应滤波器114动作而开始系统的运行之后，如图11所示，从适应动作开始起，伴随着时间k的经过，可变系数滤波器301的系数wi（k）稳定为一定的值，通过经过某种程度的时间k后，能够求出最佳的可变系数滤波器301的系数wi（k）。

适应控制部116将该系数值与输入信号的电平进行比较，进行模拟输入部的始终监视，该模拟输入部的始终监视是指，监视输入信号的电平是否偏离了预先设定的、相对于系数值的规定基准范围之外。

作为具体的例子，通过下面的式（2）来比较上述求出的最佳系数w0（s）、w1（s）、w2（s）…和利用始终适应算法求出的系数w0（k）、w1（k）、w2（k）…。

【数2】

$\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{(w_i\left(k\right)-w_i\left(s\right))}^2>\mathrm{\ϵ}$ …(式2)

在上述（式2）成立时，适应控制部116判定为模拟输入部发生了经时劣化，并输出产生了经时劣化的意思的警报。作为警报，例如向蜂鸣器或监视盘等发送用于报告的消息等。此外，也可以进行控制，以在警报的同时停止保护继电装置105本身的动作。

根据该第三实施方式，不需要像以往的模拟输入部的监视方法那样将高次谐波重叠，就能够高精度地进行监视，也不需要用于重叠的硬件，能够提供经济性、可靠性优良的保护继电装置。

（第四实施方式）

参照图12说明第四实施方式。在该第四实施方式中，在电力系统的事故产生中将适应控制动作停止。在第一实施方式中，将自适应滤波器114的目标信号作为正弦波（固定信号），但是在输入信号中混入有与正弦波非常不同的信号，若比较该信号和正弦波，并且以使误差成为最小的方式驱动自适应滤波器114，则可变滤波器系数会较大地变动，但是在模拟输入部的误差减少和经时劣化的监视方面，不希望滤波器系数有较大变动。

这样的与正弦波非常不同的信号多数情况下是在电力系统的事故产生时被输入的，因此，如图12所示，例如在将从保护继电器120输出的继电器动作信号输入至适应控制部116、将继电器动作信号输入至适应控制部116的情况下，停止适应控制动作、即锁止。

即，适应控制部116在电力系统的事故发生时从动作的保护继电器120接收到继电器动作信号的情况下，停止对可变滤波器115的适应动作。

根据该第四实施方式，将从保护继电器120输出的继电器动作信号输入至适应控制部116，并将适应控制动作锁止，所以自适应滤波器114的可变滤波器115不会被调整成保护继电器120动作时的错误的滤波器系数，能够提供可靠度较高的保护继电装置105。

（第五实施方式）

参照图13、图14说明第五实施方式。在该第五实施方式中，如图13所示，在模拟/数字变换器113的后段设置频率计测部121，计测从电力系统得到的输入信号x（k）的频率。

然后，目标信号产生部117利用由频率计测部121得到的频率，对作为目标信号的正弦波的频率进行修正。即，目标信号产生部117基于由频率计测部121计测到的频率来产生目标信号。

自适应滤波器114的目标信号由（式1）示出，但是在第一实施方式中，固定成了与工业频率（50Hz或60Hz）相同的值。

但是，在实际的电力系统中，有时输入信号的频率稍微偏离工业频率而被运用。在这样的情况下，需要防止可变滤波器115的系数被不适当地控制。

因而，在该第五实施方式中，将从模拟/数字变换器113输出的信号x（k）分支，并输入至自适应滤波器114和频率计测部121，在频率计测部121中，测定输入信号x（k）的频率，使用测定出的频率，通过（式1）计算频率，在目标信号产生部117中产生计算出的频率。

由此，即使在频率偏离了工业频率的情况下，也能够获得适当的可变滤波器系数，能够提供可靠性较高的保护继电装置。另外，作为频率计测部121中的频率计测算法，例如使用下述的（式3）。

【数3】

$T_1=\frac{V_{m-3}}{V_{m-3}-V_{m-4}}\×\mathrm{\Δt}$

$T_3=\frac{V_{m-1}}{V_{m-1}-V_m}\×\mathrm{\Δt}$ …(式3)

T₂＝n×Δt

T＝(T₁+T₂+T₃)×2

频率计测部121使用采样到的电压数据，如图14所示，通过直线近似法分别求出：电压波形的零交点A、B与各零交点A、B前后的采样点（Vm-3、Vm-1）之间的时间间隔（零交点A与其之后的采样点Vm-3之间的时间间隔T1、零交点B与其之前的采样点Vm-1之间的时间间隔T3）。然后，对求出的时间间隔V1和时间间隔V3加上没有极性变化的数据的时间间隔（T2）而求出半周期时间（T1＋T2＋T3），将该半周期时间（T1＋T2＋T3）乘以2倍而求出1周期时间（（T1＋T2＋T3）×2），从而计算频率。

（第六实施方式）

参照图15说明第六实施方式。在该第六实施方式中，作为第五实施方式的频率计测部121，使用图15所示的可变带通滤波器122。

可变带通滤波器122通过改变滤波器的参数，能够使断路频率、带域宽度、衰减量等变化。例如通过对具有规定特性的数字滤波器的传递函数H（z）进行频率变换T（z），能够得到可变系数滤波器301的传递函数H’（z）。

设用于进行频率变换T（z）的函数为下述（式4）

【数4】

$T\left(z\right)=-z^{-1}\frac{z^{-1}-\mathrm{\α}}{1-{\mathrm{\αz}}^{-1}}$ …(式4)

α＝cos ω₀

则能够得到可变带通滤波器122的传递函数。另外，在上述（式4）中，α为可变带通滤波器122的可变参数、ω₀为中心频率。通过可变带通滤波器122来适应性地更新该参数。

根据该第六实施方式，作为频率计测部121而使用可变带通滤波器122，通过该可变带通滤波器122来适应性地更新参数，由此能够高精度地计测包含有噪音的输入信号的频率。即，通过将该可变带通滤波器122应用于频率计测部121，能够提供可靠性较高的保护继电装置。

另外，本申请发明不限于上述实施方式，在实施阶段，在不脱离其主旨的范围内，能够对结构要素进行变形。例如，可以通过安装在计算机的硬盘装置等存储器中的程序来实现各结构要素，并且，也可以是，将上述程序预先存储在计算机可读取的电子介质（electronic media）中，从电子介质将程序读取至计算机中而由计算机实现本发明的功能。

作为电子介质，例如包括CD-ROM等记录介质、闪存器、可移动介质（Removable media）等。而且，也可以是，将结构要素分散地存储在经由网络连接的不同的计算机中，通过在作为各结构要素发挥功能的计算机间进行通信来实现。

而且，也可以是，将各结构要素分散地存储在经由网络连接的不同的计算机中，通过在作为各结构要素发挥功能的计算机间进行通信，来实现本发明。

附图标记说明

101…供电线、105…保护继电装置、106…输出部、107…运算部、108…变流器、109…计量仪器用变压器、110…保护控制测定部、111…输入变量器、112…模拟滤波器、113…模拟/数字变换器、114…自适应滤波器、115…可变系数滤波器、116…适应控制部、117…目标信号产生部、118…差分计算部、120…保护继电器、121…频率计测部、122…可变带通滤波器、301…可变系数滤波器、302…延迟元件、303…加法器。

Claims (7)

1.一种保护继电装置，具备：

模拟输入部，输出表示电力系统的电量的模拟信号；

模拟/数字变换器，对从所述模拟输入部输入的所述模拟信号进行采样，并变换为数字数据；

可变滤波器，通过来自其他部件的控制而使滤波器系数可变，对由所述模拟/数字变换器变换后的数字数据进行滤波并输出；

目标信号产生部，产生与所述模拟信号对应的目标信号；

差分计算部，计算通过了所述可变系数滤波器后的数字数据与由所述目标信号产生部产生的目标信号之间的差分；以及

适应控制部，以使由所述差分计算部计算出的差分变小的方式，对所述可变滤波器的滤波器系数进行可变控制。

2.如权利要求1所述的保护继电装置，

所述适应控制部以所述差分进入规定范围内为条件，将所述可变滤波器的滤波器系数固定。

3.如权利要求1所述的保护继电装置，

所述适应控制部监视从所述可变滤波器输出的信号的时间变化，在伴随着所述时间变化而变化的输出信号的变化的值从规定的阈值的范围内脱离、或者随所述时间变化而改变的输出模式与规定的变化模式一致或近似的情况下，判定为异常。

4.如权利要求1所述的保护继电装置，

所述适应控制部在所述电力系统发生事故时接收到来自动作的保护继电器的信号的情况下，停止对所述可变滤波器的适应动作。

5.如权利要求1所述的保护继电装置，

设置频率计测部，对从电力系统得到的模拟信号的频率进行计测；

所述目标信号产生部基于由所述频率计测部计测到的频率，产生目标信号。

6.如权利要求5所述的保护继电装置，

在所述频率计测部中使用可变带通滤波器。

7.一种保护继电方法，具有：

从模拟输入部输出表示电力系统的电量的模拟信号的步骤；

对从所述模拟输入部输入至模拟/数字变换器的所述模拟信号进行采样、并变换为数字数据的步骤；

通过来自其他部件的控制而使滤波器系数可变的可变滤波器对由所述模拟/数字变换器变换后的数字数据进行滤波并输出的步骤；

目标信号产生部产生与所述模拟信号对应的目标信号的步骤；

差分计算部计算通过了所述可变系数滤波器后的数字数据与由所述目标信号产生部产生的目标信号之间的差分的步骤；以及

适应控制部以使由所述差分计算部计算出的差分变小的方式、对所述可变滤波器的滤波器系数进行可变控制的步骤。

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