CN104037728B - 基于软件测频与谐波分析的配电线路单相接地保护控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于软件测频与谐波分析的配电线路单相接地保护控制方法，首先通过等时间间隔的定采样系统获得零序电流、电压的至少2周波离散数字序列，然后采用本发明中提出的高精度软件测频方法获取频率测量值，并用离散采样序列长度修正公式修改截断的离散采样序列长度以及序列值，最后进行零序电流、电压的基波幅值和相位计算以及谐波分析实现故障线路的单相接地保护控制。当零序电流与电压基波大于定值，且故障电流的相位角在设定好的动作区内，启动继电保护对故障线路进行隔离。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统配网故障检测分析与控制技术，尤其是涉及一种基于高精度软件测频与谐波分析的配电线路单相接地保护控制方法。
背景技术
配电线路的主要故障形式是单相接地，整个配电系统中80％左右的故障是由于单相接地而引起的。目前，我国的主要配电线路大多采用的是中性点不接地、中性点经消弧线圈或经高电阻接地系统，也称为小电流系统。配电电网采用小电流接地方式其最大的优势在于发生单相接地后，系统仍能正常供电。但是小电流系统在发生单相接地故障时不会形成短路回路，所以故障特征不明显，现有的接地保护控制方法不能迅速、准确地控制配网终端对故障线路进行隔离。例如目前使用的配电终端(如FTU、DTU、RTU等)常采用幅值越限法，当故障零序电流超过门限时确定为故障线路，但是这种方法检测灵敏度低；还有采用群体比幅比相法，通过对所有线路的故障电流进行幅值比较，选出幅值较大的线路然后判断其极性从而确定故障线路，该方法相比单纯的幅值比较法和极性比较法效果都要好，但是可靠性仍然较低；而电流(功率)方向法：比较线路故障工频零序电流和零序电压的相位关系，当电流(功率)流向母线时确定为故障线路，其优点在于不需要其它线路信息有自居性，检测灵敏度高，效果较前者要好，因此适用性广。但是配电线路的工频往往都存在频率的偏移，故不对频率进行高精度测量而使用传统的方法直接进行计算常会引起误判，因而该方法的可靠性不高。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种不仅对电网频率测量的精度高，而且抗干扰性强，处理数据量少，实时性强，只需要在2个基频周期内即可准确测量出系统频率值；而且采用高精度软件测频和谐波分析方法对零序电流、电压的基波与相量计算更加准确，对配电线路单相接地故障的判断更加快速、准确和可靠的配电线路单相接地保护控制方法。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
基于软件测频与谐波分析的配电线路单相接地保护控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对零序电压、电流信号进行离散化等间隔时间的A/D采样，采样的频率大于等于被测信号基频f0的8倍，且每工频周波采样的点数为M；其中M越大，频率测量结果的精度也就越高；
(2)采用两个长度都为N(N≧M)的的窗函数WN(n)同时截取连续的至少2个工频周波的零序电压、电流的离散采样数据；并且N越大，频率测量结果的分辨率也就越高，但是要处理的数据量也就越大，实时性能下降；
(3)采用高精度软件测频方法得到零序电压、电流信号实际的精确频率测量估计值f；
(4)根据步骤(3)得到的精确频率测量估计值f，采用公式对数据处理长度N进行修正，进而修改截断的离散采样序列长度和加窗函数截断的离散采样序列值；
(5)采用高精度谐波分析方法求取零序电压基波幅值U0、零序电流基波幅值I0以及两者的相位夹角
(6)对步骤(5)中求得的零序电流基波幅值I0以及与零序电压之间的相位夹角与设定值进行比较：如果零序电流基波幅值I0大于设定初始值I0set并且同时零序电压基波与零序电流基波之间的相位夹角也大于初始设定值那么断定该线路产生单相接地故障，控制开关进行跳闸，断开故障线路；否则控制开关不动作，重新进行上述步骤(1)～(6)的处理。
其中，步骤(3)所述的高精度软件测频方法，包括以下步骤：
3-001 首先运用简单的硬件测频法或者软件测频法获得被
测电信号的频率初始测量值f；
3-002 根据步骤3-001所述的频率初始测量值f，采用公式修改截断的离散采样序列长度；
3-003 根据步骤3-002所述的修改截断的离散采样序列长度N，调整窗函数两次截断的离散采样序列值；
3-004 将步骤3-003所述的N应用于加窗的DFT变换公式：
其中k＝0,1,2,……，N/2；x(n)为采样序列，分别重新计算步骤3-003中调整后的窗函数两次截断的离散采样序列并得到其实部和虚部；
3-005 根据步骤3-004求得两离散采样序列基波的实部和虚部，求得各序列的相位以及两者之间的相位差
3-006 根据步骤3-005所述求取的相位差采用相位差频率计算公式求得被测信号频率的测量值f；
3-007 可以重复步骤3-002～3-006，直到本次频率测量值与上次测量值的偏差值满足既定的偏差范围，得到的频率值为被测信号频率的最终估计值。
进一步，步骤(5)所述的高精度谐波分析方法为：采用窗函数WN(n)对采样序列x(n)进行截短或分段，并将步骤(4)中修正后的数据处理长度N应用于加对应样式窗体的DFT变换公式，DFT变换公式为：
其中k＝0,1,2,……，N/2；x(n)为采样序列，分别计算出零序电压基波幅值U0、零序电流基波幅值I0以及两者的相位夹角
作为上述方案的进一步改进，本发明方法采用矩形窗截取采样序列时，对应矩形窗的DFT变换公式为：
其中k＝0,1,2,……，N/2；x(n)为采样序列。
本发明的有益效果是：提供一种基于高精度软件测频与谐波分析的配电线路单相接地保护控制方法，首先通过等时间间隔的定采样系统获得零序电流、电压的至少2周波离散数字序列，然后采用本发明中提出的高精度软件测频方法获取频率测量值，并用离散采样序列长度修正公式修改截断的离散采样序列长度以及序列值，最后进行零序电流、电压的基波幅值和相位计算以及谐波分析实现故障线路的单相接地保护控制。当零序电流与电压基波大于定值，且故障电流的相位角在设定好的动作区内，启动继电保护对故障线路进行隔离。
本发明不需要对被测的零序电流、电压信号进行频率跟踪或同步采样，适合应用于定频采样系统，减少了硬件设计和软件算法的复杂度，弥补了DFT算法存在的不足，减轻了普通DFT变换中存在的栅栏效应和频谱泄露问题对测量结果的影响；抗干扰能力强，能有效抑制直流分量、各次谐波以及非周期变量的影响，提高了对配电线路单相接地故障判断的可靠性；频率测量的精度高，采用本发明提及的高精度谐波分析方法计算出的基波和各次谐波的幅值以及相位值更加准确，提高了对配电线路单相接地故障的判断的准确性；本发明实时性强，要处理的数据量少，只需要2个工频周期的采样数据就能精确测量出被测信号的频率，并实现对出现单相接地故障配电线路的判断和切除更加迅速，能满足单相接地保护实时性要求。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式进行进一步的说明：
图1为本发明总体工作流程图；
图2为高精度软件测频方法程序流程图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思及技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
参照图1、图2，本发明的基于软件测频与谐波分析的配电线路单相接地保护控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对零序电压、电流信号进行离散化等间隔时间的A/D采样，采样的频率大于等于被测信号基频f0的8倍，且每工频周波采样的点数为M；
(2)采用两个长度为N(N≧M)的窗函数同时截取连续的至少2个工频周波的零序电压、电流的离散采样数据；
(3)采用高精度软件测频方法得到零序电压、电流信号实际的精确频率测量估计值f，其中高精度软件测频方法，包括以下步骤：
3-001 首先运用简单的硬件测频法或者软件测频法获得被测电信号的频率初始测量值f；
3-002 根据步骤3-001所述的频率初始测量值f，采用公式修改截断的离散采样序列长度；
3-003 根据步骤3-002所述的修改截断的离散采样序列长度N，调整窗函数两次截断的离散采样序列值；
3-004将步骤3-003所述的N应用于加窗的DFT变换公式：(其中k＝0,1,2,……，N/2；x(n)为采样序列)，分别重新计算步骤3-003中所述调整后的两次截断的离散采样序列基波的实部和虚部；
3-005 根据步骤3-004求得两离散采样序列基波的实部和虚部，求得各序列的相位以及两者之间的相位差
3-006 根据步骤3-005所述求取的相位差采用相位差频率计算公式求得被测信号频率的测量值f；
3-007 可以重复步骤3-002～3-006，直到本次频率测量值与上次测量值的偏差值满足既定的偏差范围，得到的频率值为被测信号频率的最终估计值；
(4)根据步骤(3)得到的频率精确测量估计值f，采用公式对数据处理长度N进行修正，进而修改截断的离散采样序列长度和窗函数截断的离散采样序列值；
(5)将步骤(4)所述求得的N代替原N应用于加窗DFT变换公式：
(其中k＝0,1,2,……，N/2；x(n)为采样序列)，分别计算出零序电压基波幅值U0、零序电流基波幅值I0以及两者的相位夹角
(6)对步骤(5)中求得的零序电流基波幅值I0以及与零序电压之间的相位夹角与设定值进行比较：如果零序电流基波幅值I0大于设定初始值I0set并且同时零序电压基波与零序电流基波之间的相位夹角也大于初始设定值那么断定该线路产生单相接地故障，控制开关进行跳闸，断开故障线路；否则控制开关不动作，重新进行上述步骤(1)～(6)的处理。
现结合附图1和2，对本发明的具体实施例做进一步的说明。本实例中设离散采样序列为x(n),采用的A/D离散采样等时间间隔电网零序电流与电压的工频频率f0＝50Hz，其中采样频率fS＝Nf0＝128×50＝6400(Hz)，表示每个工频周期采样128个点；
实施例采用矩形窗WN(n)＝1，窗长度取N＝128，依次截取一个工频周波离散采样序列S1(1:N)＝{x(1)，x(2),……,x(N)}和S2(N+1:2N)＝{x(N+1)，x(N+2),……,x(N+N)}。
因此本实施例的基于软件测频与谐波分析的配电线路单相接地保护控制方法为：
1、程序初始化；
2、获取频率初始测量值f。本实例以全周波离散傅式算法进行计算：
a.采用全周波离散傅式公式(1)计算离散采样序列S1的实部、虚部和相位值
b.采用全周波离散傅式公式(1)计算离散采样序列S2的实部、虚部和相位值
c.求得S2与S1的相位差利用公式计算出被测信号频率初始测量值f。
3、修改数据处理长度N。利用步骤2求出的频率初始测量值，采用计算公式修改数据处理长度为N。
4、对两采样序列S1和S2的数据进行处理。修改矩形窗截取的离散采样序列为S1(1:round(N))、S2(N+1:N+round(N))，其中round(N)为N四舍五入后的整数部分。
5、利用加窗DFT计算公式，求取被测信号频率测量值f。将步骤3获得数据处理长度N代入加矩形窗的DFT计算公式:
其中k＝0,1,2,……，N/2，当k取1时得到加矩形窗的全周波离散傅式基波分量计算公式：
a、采用全周波离散傅式基波分量计算公式(3)计算步骤4中修改后的离散采样序列S1的实部、虚部和相位值
b、采用全周波离散傅式基波分量计算公式(3)计算步骤4中修改后的离散采样序列S2的实部、虚部和相位值
c、计算S2与S1的相位差利用公式计算出被测信号频率测量值f。
6、可重复步骤3、4、5，直到本次频率测量值与上次测量值之间的偏差小于一定精度范围，以提高最后测量结果的精准度。
7、对上述得到的频率精确测量值f，采用修改截断的离散采样序列长度和窗函数截断的离散采样序列值；
8、将步骤7求得的N代替原N应用于加矩形窗的DFT变换公式：(其中k＝0,1,2,……，N/2；x(n)为采样序列)，分别计算出k＝1时的零序电压基波幅值U0、零序电流基波幅值I0以及两者的相位夹角
9、对步骤8中求得的零序电流基波幅值I0以及与零序电压之间的相位夹角与设定值进行比较：如果零序电流基波幅值I0大于设定初始值I0set并且同时零序电压基波与零序电流基波之间的相位夹角也大于初始设定值那么断定该线路产生单相接地故障，控制开关进行跳闸，断开故障线路；否则控制开关不动作，重新进行上述1～9所述步骤的处理。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，只要其以基本相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.基于软件测频与谐波分析的配电线路单相接地保护控制方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对零序电压、电流信号进行离散化等间隔时间的A/D采样，采样的频率大于等于被测信号基频f0的8倍，且每工频周波采样的点数为M；
(2)采用两个长度都为N(N≧M)的窗函数WN(n)同时截取连续的至少2个工频周波的零序电压、电流的离散采样数据；
(3)采用高精度软件测频方法得到零序电压、电流信号实际的精确频率测量估计值f；
(4)根据步骤(3)得到的精确频率测量估计值f，采用公式对数据处理长度N进行修正，进而修改截断的离散采样序列长度和窗函数截断的离散采样序列值；
(5)采用高精度谐波分析方法求取零序电压基波幅值U0、零序电流基波幅值I0以及两者的相位夹角
(6)对步骤(5)中求得的零序电流基波幅值I0以及与零序电压之间的相位夹角与设定值进行比较：如果零序电流基波幅值I0大于设定初始值I0set并且同时零序电压基波与零序电流基波之间的相位夹角也大于初始设定值那么断定该线路产生单相接地故障，控制开关进行跳闸，断开故障线路；否则控制开关不动作，重新进行上述步骤(1)～(6)的处理。
2.根据权利要求1所述的基于软件测频与谐波分析的配电线路单相接地保护控制方法，其特征在于：步骤(3)所述的高精度软件测频方法，包括以下步骤：
3-001首先运用简单的硬件测频法或者软件测频法获得被测电信号的频率初始测量值f；
3-002根据步骤3-001所述的频率初始测量值f，采用公式修改截断的离散采样序列长度；
3-003根据步骤3-002所述的修改截断的离散采样序列长度N，调整窗函数两次截断的离散采样序列值；
3-004将步骤3-003所述的N应用于加窗的DFT变换公式：
其中k＝0,1,2,……，N/2；x(n)为采样序列，分别重新计算步骤3-003中调整后的窗函数两次截断的离散采样序列并得到其实部和虚部；
3-005根据步骤3-004求得两离散采样序列基波的实部和虚部，求得各序列的相位以及两者之间的相位差
3-006根据步骤3-005所述求取的相位差采用相位差频率计算公式求得被测信号频率的测量值f；
3-007重复步骤3-002～3-006，直到本次频率测量值与上次测量值的偏差值满足既定的偏差范围，得到的频率值为被测信号频率的最终估计值。
3.根据权利要求1或2所述的基于软件测频与谐波分析的配电线路单相接地保护控制方法，其特征在于：步骤(5)所述的高精度谐波分析方法为：采用窗函数WN(n)对采样序列x(n)进行截短或分段，并将步骤(4)中修正后的数据处理长度N应用于加对应样式窗体的DFT变换公式，DFT变换公式为：其中k＝0,1,2,……，N/2；x(n)为采样序列，分别计算出零序电压基波幅值U0、零序电流基波幅值I0以及两者的相位夹角
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |