CN104598762A - 一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法，对于输入的正弦交流信号，以固定采样时间间隔Δt进行采样，采用插值算法来生成虚拟过零点采样值，进而对正弦交流量的周期T_i进行实时测量，插值式采样值保护的数据窗t_w自动根据交流量周期T_i实时动态调整，计算数据窗t_w内采样值大于零的累积时间t_h，进而计算出K值，通过将K值和定值进行比较来确定保护的动作行为。本发明解决了在信号频率严重偏离工频时传统采样值保护不能正常工作的问题，使得采样值保护的性能不受交流量频率的影响，同时能够消除采样值保护的动作模糊区，具有动作精度高、动作速度快、可靠性高的特点，特别适用于交流量频率变化范围较大的场合，具有良好的应用前景。

Description

一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法

技术领域

本发明涉及一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法，属于电力系统的继电保护技术领域。

背景技术

采样值保护是微机保护特有的一种保护形式，它直接利用离散的瞬时采样值来构成保护判据。传统的采样值保护一般遵循“R取S规则”，其基本原理是：取连续R点的数据窗，对数据窗内每个点进行判别，如果数据窗内有S点满足动作条件，则认为是故障，动作出口。但是传统的采样值保护存在动作模糊区大的缺点，动作门槛精确度不高。为了提高采样值保护的动作精度，近年来提出了插值式采样值保护，改进了“R取S规则”，其基本原理是：利用二次插值算法来生成虚拟的过零点采样值，计算数据窗内满足动作条件的时间和数据窗时间的比值，进而将该比值和内部定值进行比较，将比较结果作为保护判据。插值式采样值保护能够消除动作模糊区，具有动作精度高、动作速度快、可靠性高的特点。

但是不管是传统的采样值保护还是插值式采样值保护，其数据窗的选取及判据的设定都是基于交流量为工频的情况，如果交流量频率是变化的，当交流量频率偏离工频时，保护特性就会受到影响。当交流量频率严重偏离工频时，可能会造成采样值保护误动或拒动。例如，我国电力系统的工频为50Hz，现有的采样值保护原理都是基于50Hz工频来设计，但是在发电机启停机过程中，或者抽水蓄能机组SFC变频启动过程中，或者大型燃气轮发电机组的LCI变频启动过程中，交流量频率可能严重偏离工频，甚至会低于5Hz，此时采样值保护不能正常工作，需要退出运行，在这些工况下需要采取其他的保护措施，采样值保护的应用场合受到一定的局限。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，解决的现有技术中采样值保护不能自适应交流量频率的变化，本发明提供一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法，通过对正弦交流量的周期进行实时测量，数据窗自动根据交流量周期测量结果进行实时动态调整，这样保护的性能不受交流量频率的影响，同时能够消除动作模糊区，具有动作精度高、速度快、可靠性高的特点，特别适用于交流量频率变化范围较大的场合，具有良好的应用前景。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，设置插值式采样值保护的定值，包括三个用户可整定定值和四个内部定值；三个用户可整定定值为I_set、K_ret和t_set，四个内部定值为：I_iset、K_{iset_opt}和K_{iset_ret}；其中，I_set为交流量的动作门槛定值，按有效值整定，K_ret为返回系数定值，t_set为延时定值；内部定值I_iset为采样值门槛定值，内部定值为相位角定值，内部定值K_{iset_opt}为比率动作定值，内部定值K_{iset_ret}为比率返回定值；将定值I_iset传送给步骤六，将定值K_{iset_opt}、K_{iset_ret}传送给步骤十；

步骤二，微机保护装置对正弦交流信号进行离散化采样，采样间隔时间为固定时间Δt，得到正弦交流信号的离散化采样值序列0，将采样值序列0传送给步骤三和步骤五；

步骤三，根据步骤二传送的采样值序列0，通过插值法计算采样值序列0的过零点，生成虚拟的过零点采样值；采样值序列0加上通过插值法生成的虚拟过零点采样值，构成采样值序列4，将采样值序列4传送给步骤四；

步骤四，根据步骤三传送的采样值序列4，计算相邻的两个同向过零点之间的时间间隔，得到正弦交流信号的周期T_i，将周期T_i传送给步骤八；

步骤五，根据步骤二传送的采样值序列0，对采样值序列0中每个采样值进行取绝对值运算，得到采样值序列1，将采样值序列1传送给步骤六；

步骤六，根据步骤五传送的采样值序列1和步骤一传送的定值I_iset，对采样值序列1中每个采样值进行减去I_iset运算，得到采样值序列2，将采样值序列2传送给步骤七；

步骤七，根据步骤六传送的采样值序列2，通过插值法计算采样值序列2的过零点，生成虚拟的过零点采样值；采样值序列2加上通过插值法生成的虚拟过零点采样值，构成采样值序列3，将采样值序列3传送给步骤八；

步骤八，根据步骤七传送的采样值序列3和步骤四传送的周期T_i，对采样值序列3，从当前采样点开始往前取时间为t_w的连续数据窗，数据窗t_w的时间宽度等于T_i；在数据窗内，对采样值大于零的采样间隔时间进行累加运算，采样值大于零的累积时间为t_h；将t_h和t_w传送给步骤九；

步骤九，根据步骤八中传送的t_h和t_w，计算K值，将K值传送给步骤十；

步骤十，根据步骤九中传送K值和步骤一中传送的内部定值K_{iset_opt}、K_{iset_ret}，将K分别和K_{iset_opt}、K_{iset_ret}进行比较，将比较结果传送给步骤十一；

步骤十一，根据步骤十传送的K值和内部定值K_{iset_opt}、K_{iset_ret}的比较结果进行保护逻辑判别，确定过量保护或者欠量保护的动作行为。

所述步骤一中，用户定值I_set为交流量的动作门槛定值，按有效值整定，用户定值K_ret为返回系数定值，用户定值t_set为延时定值；内部定值I_iset为采样值门槛定值，内部定值为相位角定值，I_iset和与刚好满足条件的正弦交流信号有效值I的关系为：

内部定值K_{iset_opt}为比率动作定值，K_{iset_opt}与的关系为：

内部定值K_{iset_ret}为比率返回定值，K_{iset_ret}与的关系为：

内部定值的取值范围为：

进一步地，步骤二中，采样间隔时间为固定时间Δt，可根据交流信号在工频情况下的采样率要求来确定Δt，当交流信号频率偏离工频时，采样间隔时间保持Δt不变；采样值序列0可以是原始的采样值序列，也可以是一组或多组原始采样值序列经过线性运算得到的采样值序列。

作为优选方案，步骤三和步骤七中，所采用的插值法包括Lagrange插值法、逐次线性插值法、Newton插值法、Hermite插值法、分段插值法和样条插值法。

步骤八中，数据窗t_w的时间宽度等于T_i，t_w根据T_i的测量结果自动实时调整，t_w可以不为Δt的整数倍。

进一步，所述步骤十中，K值和内部定值K_{iset_opt}的比较结果分为以下三种：

1)K>K_{iset_opt}，说明正弦交流信号的有效值大于I；

2)K＝K_{iset_opt}，说明正弦交流信号的有效值等于I；

3)K<K_{iset_opt}，说明正弦交流信号的有效值小于I。

所述的一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法，其特征在于：所述步骤十一中，保护逻辑判别判据分为以下两种：

1)对于过量保护，如果K>K_{iset_opt}，当前点满足动作条件；

2)对于欠量保护，如果K<K_{iset_opt}，当前点满足动作条件。

有益效果：本发明提供的一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法，通过对正弦交流信号的周期进行实时测量，数据窗自动根据交流量周期进行实时动态调整，采用插值算法来形成虚拟过零点采样值，这样采样值保护的性能不受交流量频率的影响，同时能够消除采样值保护的动作模糊区，具有动作精度高、动作速度快、可靠性高的特点，特别适用于交流量频率变化范围较大的场合，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的实现步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

本发明提出的一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法，以固定采样时间间隔Δt进行采样，采用插值算法来生成虚拟过零点采样值，通过对正弦交流量的周期T_i进行实时测量，数据窗t_w自动根据交流量周期T_i实时动态调整，计算数据窗t_w内采样值大于零的累积时间t_h，进而计算出K值，通过将K值和定值进行比较来判别保护是否动作，其具体流程图如图1所示，实现步骤如下：

第一步，设置插值式采样值保护的定值，包括三个用户可整定定值：I_set、K_ret和t_set，四个内部定值：I_iset、K_{iset_opt}和K_{iset_ret}。

I_set为交流量的动作门槛定值，按有效值整定，K_ret为返回系数，t_set为延时定值。I_set、K_ret和t_set这三个用户定值的整定方法和常规相量保护一样，均按照行业内相关整定技术规范的要求进行整定。四个内部定值I_iset、K_{iset_opt}和K_{iset_ret}不需要用户整定，由装置内部固定。

本发明实施例以内部定值为例进行分析，则相应的内部定值内部定值I_iset和用户定值I_set的关系为：I_iset＝I_set。

第二步，微机保护装置以固定采样间隔对正弦交流信号进行离散化采样，得到正弦交流信号的离散化采样值序列0。本发明实施例的固定采样间隔时间设为Δt＝0.5ms，对于50Hz交流信号来说，每周波采样40点。

第三步，根据第二步得到的采样值序列0，通过二次插值算法计算采样值序列0的过零点，生成虚拟的过零点采样值。采样值序列0加上通过二次插值算法生成的虚拟过零点采样值，构成采样值序列4。

第四步，根据第三步得到的采样值序列4，计算相邻的两个同向过零点之间的时间间隔，得到正弦交流信号的周期T_i。

第五步，根据第二步得到的采样值序列0，对采样值序列0中每个采样值进行取绝对值运算，得到采样值序列1。

第六步，根据第五步得到的采样值序列1，对采样值序列1中每个采样值进行减去I_iset运算，得到采样值序列2。

第七步，根据第六步得到的采样值序列2，通过二次插值法计算采样值序列2的过零点，得到虚拟的过零点采样值。采样值序列2加上通过二次插值算法计算得到的虚拟过零点采样值，构成采样值序列3。

第八步，根据第七步得到的采样值序列3和第四步得到的交流信号周期T_i，从采样序列3当前点开始往前取t_w时间长度的数据窗，t_w＝T_i，t_w根据T_i的测量结果自动实时调整，t_w可以不为Δt的整数倍。在t_w数据窗内，对采样值大于零的采样间隔时间进行累加运算，采样值大于零的累积时间为t_h。

第九步，根据第八步得到的t_h和t_w，计算K值；K值的计算为：

$K=\frac{t_h}{t_w}$

第十步，根据第九步得到的K值和第一步得到的定值K_{iset_opt}，对K和K_{iset_opt}进行比较，比较结果分为以下三种：

1)K>K_{iset_opt}，说明正弦交流信号的有效值大于I；

2)K＝K_{iset_opt}，说明正弦交流信号的有效值等于I；

3)K<K_{iset_opt}，说明正弦交流信号的有效值小于I。

第十一步，根据第十步得到的K值和定值K_{iset_opt}的比较结果，进行保护逻辑判别，确定过量保护或者欠量保护的动作行为。保护逻辑判别判据分为以下两种：

1)对于过量保护，如果K>K_{iset_opt}，当前点满足动作条件；

2)对于欠量保护，如果K<K_{iset_opt}，当前点满足动作条件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，设置插值式采样值保护的定值，包括三个用户可整定定值和四个内部定值；三个用户可整定定值为I_set、K_ret和t_set，四个内部定值为：I_iset、K_{iset_opt}和K_{iset_ret}；其中，I_set为交流量的动作门槛定值，按有效值整定，K_ret为返回系数定值，t_set为延时定值；内部定值I_iset为采样值门槛定值，内部定值为相位角定值，内部定值K_{iset_opt}为比率动作定值，内部定值K_{iset_ret}为比率返回定值；将定值I_iset传送给步骤六，将定值K_{iset_opt}、K_{iset_ret}传送给步骤十；

步骤二，微机保护装置对正弦交流信号进行离散化采样，采样间隔时间为固定时间Δt，得到正弦交流信号的离散化采样值序列0，将采样值序列0传送给步骤三和步骤五；

步骤三，根据步骤二传送的采样值序列0，通过插值法计算采样值序列0的过零点，生成虚拟的过零点采样值；采样值序列0加上通过插值法生成的虚拟过零点采样值，构成采样值序列4，将采样值序列4传送给步骤四；

步骤四，根据步骤三传送的采样值序列4，计算相邻的两个同向过零点之间的时间间隔，得到正弦交流信号的周期T_i，将周期T_i传送给步骤八；

步骤五，根据步骤二传送的采样值序列0，对采样值序列0中每个采样值进行取绝对值运算，得到采样值序列1，将采样值序列1传送给步骤六；

步骤六，根据步骤五传送的采样值序列1和步骤一传送的定值I_iset，对采样值序列1中每个采样值进行减去I_iset运算，得到采样值序列2，将采样值序列2传送给步骤七；

步骤七，根据步骤六传送的采样值序列2，通过插值法计算采样值序列2的过零点，生成虚拟的过零点采样值；采样值序列2加上通过插值法生成的虚拟过零点采样值，构成采样值序列3，将采样值序列3传送给步骤八；

步骤八，根据步骤七传送的采样值序列3和步骤四传送的周期T_i，对采样值序列3，从当前采样点开始往前取时间为t_w的连续数据窗，数据窗t_w的时间宽度等于T_i；在数据窗内，对采样值大于零的采样间隔时间进行累加运算，采样值大于零的累积时间为t_h；将t_h和t_w传送给步骤九；

步骤九，根据步骤八中传送的t_h和t_w，计算K值，将K值传送给步骤十；

步骤十，根据步骤九中传送K值和步骤一中传送的内部定值K_{iset_opt}、K_{iset_ret}，将K分别和K_{iset_opt}、K_{iset_ret}进行比较，将比较结果传送给步骤十一；

步骤十一，根据步骤十传送的K值和内部定值K_{iset_opt}、K_{iset_ret}的比较结果进行保护逻辑判别，确定过量保护或者欠量保护的动作行为。

2.根据权利要求1所述的一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法，其特征在于：所述步骤一中，用户定值I_set为交流量的动作门槛定值，按有效值整定，用户定值K_ret为返回系数定值，用户定值t_set为延时定值；内部定值I_iset为采样值门槛定值，内部定值为相位角定值，I_iset和与刚好满足条件的正弦交流信号有效值I的关系为：

内部定值K_{iset_opt}为比率动作定值，K_{iset_opt}与的关系为：

内部定值K_{iset_ret}为比率返回定值，K_{iset_ret}与的关系为：

内部定值的取值范围为：

3.根据权利要求1所述的一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法，其特征在于：步骤二中，采样间隔时间为固定时间Δt，可根据交流信号在工频情况下的采样率要求来确定Δt，当交流信号频率偏离工频时，采样间隔时间保持Δt不变；采样值序列0是原始的采样值序列，或者是一组或多组原始采样值序列经过线性运算得到的采样值序列。

4.根据权利要求1所述的一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法，其特征在于：步骤三和步骤七中，所采用的插值法包括Lagrange插值法、逐次线性插值法、Newton插值法、Hermite插值法、分段插值法和样条插值法。

5.根据权利要求1所述的一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法，其特征在于：步骤八中，数据窗t_w的时间宽度等于T_i，t_w根据T_i的测量结果自动实时调整。

6.根据权利要求1所述的一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法，其特征在于：所述步骤十中，K值和内部定值K_{iset_opt}的比较结果分为以下三种：

1)K>K_{iset_opt}，说明正弦交流信号的有效值大于I；

2)K＝K_{iset_opt}，说明正弦交流信号的有效值等于I；

3)K<K_{iset_opt}，说明正弦交流信号的有效值小于I。

7.根据权利要求1所述的一种能自适应频率变化的插值式采样值保护方法，其特征在于：所述步骤十一中，保护逻辑判别判据分为以下两种：

1)对于过量保护，如果K>K_{iset_opt}，当前点满足动作条件；

2)对于欠量保护，如果K<K_{iset_opt}，当前点满足动作条件。