CN104007346B - 基于频率扫描的模拟量合并单元暂态延时测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于频率扫描的模拟量合并单元暂态延时测试方法，通过对接收到的标准源信号和被测量信号进行突变量的实时判别，确定暂态过程的起始时刻，采集波形信号，计算各次谐波的幅值、相位角，进而计算出各次谐波对应的暂态延时，最后根据各次谐波的幅值、对应的暂态延时计算最终的暂态延时。本发明方法采用加权系数计算暂态传变时间，无需专门输出测试电流，通用性强，适用目前所有低通滤波系数、接口方式、接口协议的合并单元；采用高精度恒温晶振控制时序消除误差；保证测试数据的暂态起始时刻；采用4阶贝塞尔滤波器提高高次谐波的采样精度。本发明作为基于频率扫描的模拟量合并单元暂态延时测试方法可广泛应用于继电保护校验领域。

Description

基于频率扫描的模拟量合并单元暂态延时测试方法
技术领域
本发明涉及继电保护校验领域，尤其是基于频率扫描的模拟量合并单元暂态延时测试方法。
背景技术
模拟量输入合并单元目前已经大量在电力系统中应用，其绝对延时测试目前都是基于稳态电流或稳态电压值的传变延时测试。都是以基波作为其传变参考量利用基波相位角的变化根据频率计算其整体延时。但电力系统故障发生时，其暂态电流不是一个稳态过程，其波形中含有大量的高次谐波，合并单元的前置模拟量采集回路都带有低通滤波，其低通滤波参数直接影响其电流的传变的延时特性。
目前国内外没有一套完善的针对模拟量合并单元在暂态过程中暂态传变延时的测试方法。现在已经有了一些暂态的测试方法，其基本方法是借用稳态延时的测试概念，计算暂态过程模拟量的基波分量，利用基波的相位角的变化来计算合并单元的基波暂态延时，或者将电子式电流互感器和继电保护装置作为整体来测试整组动作时间。前者做法由于合并单元在暂态过程并不完全是基波分量，其高频分量不能在延时测试过程中得到体现，并且继电保护设备大多数瞬时性的保护都不是利用基波来实现继电保护功能，这决定了基波的绝对延时时间不能替代暂态下的延时时间，参考作用很有限。后者做法整组延时时间的测试不能反映各单独设备的动作时间，对定性分析和各独立设备性能的提高起不到太大的作用。
系统暂态过程出现时，电流的幅值会大幅增大，并且基波分量中往往包含了衰减直流分量和谐波分量，不同低通滤波回路设计的模拟量采集回路对谐波分量的处理都不一致。所以目前所有的测试方法均不能很好地满足电力系统对于合并单元暂态延时测试的要求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种满足智能变电站以及数字化变电站对于合并单元在暂态情况下的延时特性等方面测试要求的基于频率扫描的模拟量合并单元暂态延时测试方法。
本发明所采用的技术方案是：基于频率扫描的模拟量合并单元暂态延时测试方法，包括以下步骤：
A、通过对接收到的标准源信号和被测量信号进行突变量的实时判别，确定整个暂态过程的起始时刻；
B、从暂态电流的突变起始时刻，按照衰减时间常数持续时间的分别采集标准源信号和被测量信号的波形信号；
C、根据上述采集的波形信号，计算波形信号中各次谐波的幅值以及各次谐波的相位角；
D、根据上述各次谐波的相位角计算出各次谐波对应的暂态延时；
E、根据各次谐波的幅值以及各次谐波的对应的暂态延时计算出最终的暂态延时。
进一步，所述步骤A中的标准源信号为继电保护测试仪或仿真实验平台输出的暂态故障二次电流波形经过电压转换后输出的可供采集的低幅值模拟电压信号。
进一步，所述步骤A中的被测量信号为模拟量输入合并单元对继电保护测试仪或仿真实验平台输出的暂态故障二次电流进行采样获取的采样值。
进一步，所述步骤A中的被测量信号通过由FPGA实现的MAC子层接收。
进一步，所述步骤A中由FPGA实现的MAC子层的时钟信号由高精度的恒温晶振提供。
进一步，所述步骤A中的被测量信号通过由FPGA实现的MAC子层接收之前，还通过4阶贝塞尔滤波器进行低通滤波。
进一步，所述步骤A中，当发现突变量大于阈值并持续2ms时，确定突变量发生，并有次确定整个暂态过程的起始时刻。
本发明的有益效果是：本发明方法通过频率扫描采用加权系数根据不同频率的含量计算模拟量合并单元的在暂态情况下暂态传变时间，测试方法能够针对电力系统的实际故障波形进行测试无需专门输出用于测试的电流波形，通用性强，适用于目前所有低通滤波系数、接口方式、接口协议的合并单元；采用高精度恒温晶振控制时序，FPGA来接收数字量，消除了模数转换环节和时标标定环节上的时域误差带来的测试误差；采用突变量来确定起始时刻，以保证测试过程的测试数据是暂态起始时刻；采用4阶贝塞尔滤波器配合标准源高速采集，有效提高高次谐波的采样精度。
附图说明
图1为本发明基于频率扫描的合并单元暂态延时测试逻辑图；
图2为本发明基于频率扫描的合并单元暂态延时测试系统架构图；
图3为本发明基于频率扫描的合并单元暂态延时测试方法流程图；
图4为4阶贝塞尔滤波器电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
参照图1-3，基于频率扫描的模拟量合并单元暂态延时测试方法，包括以下步骤：
A、通过对接收到的标准源信号和被测量信号进行突变量的实时判别，确定整个暂态过程的起始时刻；
B、从暂态电流的突变起始时刻，按照衰减时间常数持续时间的分别采集标准源信号和被测量信号的波形信号；
通过暂态电流的衰减常数获得合并单元暂态延时测试的数据窗，即从暂态电流的突变起始时刻按照衰减时间常数持续时间的波形作为计算对象，计算对象的精度考虑到13次谐波精度。
设时间窗的起始阶段直流分量为D1，时间窗终止阶段的直流分量为D2；由公式：计算衰减时间常数：
其中，Δt为时间窗的长度。τ的取值范围限定为：[1,999]ms。
C、根据上述采集的波形信号，计算波形信号中各次谐波的幅值以及各次谐波的相位角；
D、根据上述各次谐波的相位角计算出各次谐波对应的暂态延时；
根据标准源信号和被测量信号各次谐波的相位差得出各次谐波的暂态延时t1～t13。
E、根据各次谐波的幅值以及各次谐波的对应的暂态延时计算出最终的暂态延时。
根据标准源信号和被测量信号各次谐波的幅值得出各次谐波的加权系数k1～k13，然后计算最终的暂态延时：
t＝k1*t1+k2*t2+……+k13*t13。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中的标准源信号为继电保护测试仪或仿真实验平台输出的暂态故障二次电流波形经过电压转换后输出的可供采集的低幅值模拟电压信号。
所述暂态故障二次电流波形由继电保护测试仪或RTDS等仿真实验平台输出，暂态电流的发生和切除时刻、暂态电流幅值、衰减直流分量的含量和时间常数等指标均由现有的继电保护测试仪或RTDS等仿真实验平台来控制。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中的被测量信号为模拟量输入合并单元对继电保护测试仪或仿真实验平台输出的暂态故障二次电流进行采样获取的采样值。
所述被测量信号由模拟量输入合并单元通过FT3或光纤以太网输出。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中的被测量信号通过由FPGA实现的MAC子层接收。
采用FPGA来实现MAC子层，完成以太网采样值或FT3采样值的接收，并精确标定采样值时标获取被测信号，相对于以太网收发控制器，FPGA能够避免数据接收环节的时间抖动，并能从物理层精确确定时标。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中由FPGA实现的MAC子层的时钟信号由高精度的恒温晶振提供。
系统的所有时序控制均基于高精度的恒温晶振作为时序基础，避免模数转换环节和数字量接收环节在时域上的误差带来的测试误差。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中的被测量信号通过由FPGA实现的MAC子层接收之前，还通过4阶贝塞尔滤波器进行低通滤波。
采用4阶贝塞尔滤波器作为本测试系统的低通滤波采样回路，不会在采样回路中出现频率混叠现象。4阶贝塞尔滤波器按照10kHZ低通滤波设计，其良好的带宽曲线可以精确实现标准源高次谐波的采集，传递函数为：
其中p＝j·f/fc。
进一步作为优选的实施方式，所述步骤A中，当发现突变量大于阈值并持续2ms时，确定突变量发生，并有次确定整个暂态过程的起始时刻。
突变量启动门槛Iset取电子式电流互感器额定值的20％，当△I≥Iset，并持续2ms时，判定为突变量发生。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.基于频率扫描的模拟量输入合并单元暂态延时测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、通过对接收到的标准源信号和被测量信号进行突变量的实时判别，确定整个暂态过程的起始时刻；
B、从暂态电流的突变起始时刻，按照衰减时间常数持续时间分别采集标准源信号和被测量信号的波形信号；
C、根据上述采集的波形信号，计算波形信号中各次谐波的幅值以及各次谐波的相位角；
D、根据上述各次谐波的相位角计算出各次谐波对应的暂态延时t1~t13；
E、根据各次谐波的幅值以及各次谐波的对应的暂态延时计算出最终的暂态延时，即根据标准源信号和被测量信号各次谐波的幅值得出各次谐波的加权系数k1~k13，然后计算最终的暂态延时：
t=k1*t1+k2*t2+……+k13*t13。
2.根据权利要求1所述的基于频率扫描的模拟量输入合并单元暂态延时测试方法，其特征在于：所述步骤A中的标准源信号为继电保护测试仪或仿真实验平台输出的暂态故障二次电流波形经过电压转换后输出的可供采集的低幅值模拟电压信号。
3.根据权利要求1所述的基于频率扫描的模拟量输入合并单元暂态延时测试方法，其特征在于：所述步骤A中的被测量信号为模拟量输入合并单元对继电保护测试仪或仿真实验平台输出的暂态故障二次电流波形进行采样获取的采样值。
4.根据权利要求1所述的基于频率扫描的模拟量输入合并单元暂态延时测试方法，其特征在于：所述步骤A中的被测量信号通过由FPGA实现的MAC子层接收。
5.根据权利要求4所述的基于频率扫描的模拟量输入合并单元暂态延时测试方法，其特征在于：所述步骤A中的被测量信号通过由FPGA实现的MAC子层接收之前，还通过4阶贝塞尔滤波器进行低通滤波。
6.根据权利要求4所述的基于频率扫描的模拟量输入合并单元暂态延时测试方法，其特征在于：所述步骤A中由FPGA实现的MAC子层的时钟信号由高精度的恒温晶振提供。
7.根据权利要求1所述的基于频率扫描的模拟量输入合并单元暂态延时测试方法，其特征在于：所述步骤A中，当发现突变量大于阈值并持续2ms时，确定突变量发生，并由此确定整个暂态过程的起始时刻。
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