CN106405210A - 一种采样数据异常检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采样数据异常检测方法及系统，方法包括：按照工频以固定采样间隔每周波N个点对模拟量进行采样，得到各信号的离散采样序列；根据得到的离散采样序列进行测频处理，得出基波频率；根据得到的基波频率对采样间隔进行调整，使得采样间隔为每基波的N点等分；根据调整后的采样间隔进行数据采样，并对得到的采样数据每间隔预设的时间进行异常检测。系统包括初步采样单元、测频单元、采样间隔调整单元和检测单元。本发明通过测频并计算图变量，从而能快速检测出采样数据的异常情况，并且准确性较高，从而能有效避免了微机保护控制装置误动作和误发信等。本发明可广泛应用于测控产品中。

Description

一种采样数据异常检测方法及系统

技术领域

本发明采样数据检测技术领域，尤其涉及一种采样数据异常检测方法及系统。

背景技术

采样数据是指保护测控装置通过AD采集的交流量(电压、电流)采样值。而采样数据异常是指非真实反映一次交流量的数据。一般引起采样数据异常的主要原因是电磁式互感器受到了外部电磁干扰，或是保护测控装置受到了外部电磁干扰。采样数据异常会给电力系统的继电保护和自动化装置带来严重影响(如保护误动作，测量谐波大等)，因而需要对AD采样数据异常进行识别。

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能及时检测异常，避免危机保护装置误动作的一种采样数据异常检测方法及系统。

本发明所采取的技术方案是：

一种采样数据异常检测方法，包括以下步骤：

按照工频以固定采样间隔每周波N个点对模拟量进行采样，得到各信号的离散采样序列，其中N>20；

根据得到的离散采样序列进行测频处理，得出基波频率；

根据得到的基波频率对采样间隔进行调整，使得采样间隔为每基波的N点等分；

根据调整后的采样间隔进行数据采样，并对得到的采样数据每间隔预设的时间进行异常检测。

作为所述的一种采样数据异常检测方法的进一步改进，所述的异常检测，其具体包括：

根据采样数据，通过傅氏算法计算得出一周波的相量幅值；

对当前的相量幅值与对应2周波前的相量幅值进行相减处理，得到相量突变量；

判断相量突变量是否大于预设的相量门槛，若是，则记作相量突变量动作；反之，则记作相量突变量不动作；

对当前的采样值与对应2周波前的采样值进行相减处理，得到采样值突变量；

判断1个周波中是否有1/4的点的采样值突变量大于预设的采样值门槛，若是，则记作采样值突变量动作；反之，则记作采样值突变量不动作；

若连续2次计算的采样值突变量不动作且相量突变量动作，则认为采样值和相量之间的相关关系被破坏，判定采样数据异常；反之，则判定采样数据正常。

作为所述的一种采样数据异常检测方法的进一步改进，所述相量幅值的计算公式为：

其中，表示基频分量的实部，X_I1表示基频分量的虚部，x(i)表示i点的采样值。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种采样数据异常检测系统，包括：

初步采样单元，用于按照工频以固定采样间隔每周波N个点对模拟量进行采样，得到各信号的离散采样序列，其中N>20；

测频单元，用于根据得到的离散采样序列进行测频处理，得出基波频率；

采样间隔调整单元，用于根据得到的基波频率对采样间隔进行调整，使得采样间隔为每基波的N点等分；

检测单元，用于根据调整后的采样间隔进行数据采样，并对得到的采样数据每间隔预设的时间进行异常检测。

作为所述的一种采样数据异常检测系统的进一步改进，所述检测单元中的异常检测，其具体包括：

相量幅值计算单元，用于根据采样数据，通过傅氏算法计算得出一周波的相量幅值；

相量突变量计算单元，用于对当前的相量幅值与对应2周波前的相量幅值进行相减处理，得到相量突变量；

相量突变量判断单元，用于判断相量突变量是否大于预设的相量门槛，若是，则记作相量突变量动作；反之，则记作相量突变量不动作；

采样值突变量计算单元，用于对当前的采样值与对应2周波前的采样值进行相减处理，得到采样值突变量；

采样值突变量判断单元，用于判断1个周波中是否有1/4的点的采样值突变量大于预设的采样值门槛，若是，则记作采样值突变量动作；反之，则记作采样值突变量不动作；

异常判定单元，用于若连续2次计算的采样值突变量不动作且相量突变量动作，则认为采样值和相量之间的相关关系被破坏，判定采样数据异常；反之，则判定采样数据正常。

作为所述的一种采样数据异常检测系统的进一步改进，所述相量幅值的计算公式为：

其中，表示基频分量的实部，X_I1表示基频分量的虚部，x(i)表示i点的采样值。

本发明的有益效果是：

本发明一种采样数据异常检测方法及系统通过测频并计算图变量，从而能快速检测出采样数据的异常情况，并且准确性较高，从而能有效避免了微机保护控制装置误动作和误发信等。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明一种采样数据异常检测方法的步骤流程图；

图2是本发明一种采样数据异常检测方法中异常判定的步骤流程图；

图3是本发明一种采样数据异常检测系统的模块方框图。

具体实施方式

参考图1，本发明一种采样数据异常检测方法，包括以下步骤：

按照工频以固定采样间隔每周波N个点对模拟量进行采样，得到各信号的离散采样序列，其中N>20；

根据得到的离散采样序列进行测频处理，得出基波频率；

根据得到的基波频率对采样间隔进行调整，使得采样间隔为每基波的N点等分；

根据调整后的采样间隔进行数据采样，并对得到的采样数据每间隔预设的时间进行异常检测。

参考图2，进一步作为优选的实施方式，所述的异常检测，其具体包括：

根据采样数据，通过傅氏算法计算得出一周波的相量幅值；

对当前的相量幅值与对应2周波前的相量幅值进行相减处理，得到相量突变量；

判断相量突变量是否大于预设的相量门槛，若是，则记作相量突变量动作；反之，则记作相量突变量不动作；

对当前的采样值与对应2周波前的采样值进行相减处理，得到采样值突变量；

判断1个周波中是否有1/4的点的采样值突变量大于预设的采样值门槛，若是，则记作采样值突变量动作；反之，则记作采样值突变量不动作；

若连续2次计算的采样值突变量不动作且相量突变量动作，则认为采样值和相量之间的相关关系被破坏，判定采样数据异常；反之，则判定采样数据正常。

进一步作为优选的实施方式，所述相量幅值的计算公式为：

其中，表示基频分量的实部，X_I1表示基频分量的虚部，x(i)表示i点的采样值。

参考图3，本发明一种采样数据异常检测系统，包括：

初步采样单元，用于按照工频以固定采样间隔每周波N个点对模拟量进行采样，得到各信号的离散采样序列，其中N>20；

测频单元，用于根据得到的离散采样序列进行测频处理，得出基波频率；

采样间隔调整单元，用于根据得到的基波频率对采样间隔进行调整，使得采样间隔为每基波的N点等分；

检测单元，用于根据调整后的采样间隔进行数据采样，并对得到的采样数据每间隔预设的时间进行异常检测。

进一步作为优选的实施方式，所述检测单元中的异常检测，其具体包括：

相量幅值计算单元，用于根据采样数据，通过傅氏算法计算得出一周波的相量幅值；

相量突变量计算单元，用于对当前的相量幅值与对应2周波前的相量幅值进行相减处理，得到相量突变量；

相量突变量判断单元，用于判断相量突变量是否大于预设的相量门槛，若是，则记作相量突变量动作；反之，则记作相量突变量不动作；

采样值突变量计算单元，用于对当前的采样值与对应2周波前的采样值进行相减处理，得到采样值突变量；

采样值突变量判断单元，用于判断1个周波中是否有1/4的点的采样值突变量大于预设的采样值门槛，若是，则记作采样值突变量动作；反之，则记作采样值突变量不动作；

异常判定单元，用于若连续2次计算的采样值突变量不动作且相量突变量动作，则认为采样值和相量之间的相关关系被破坏，判定采样数据异常；反之，则判定采样数据正常。

本发明实施例中，所采用的傅氏算法如下：

假设输入信号为周期性函数信号，即输入信号中出基频分量外，还包含直流分量和各种谐波分量。此时，输入信号看表示为：

式(1)中，X₀为直流分量，ω₁为基频角频率(2πf₁，f₁在电力系统对于工频50Hz)，X_k为k次谐波的幅值，为k次谐波的相位。

将式(1)展开

式(2)中，为k次谐波实部，为k次谐波虚部。

式(2)实际上就是三角级数表达式。根据三角函数在区间[0，T₁]上的正交性和傅里叶系数计算方法，可直接导出实部、虚部计算公式如下：

式(3)在保护测控装置中均采用采样值序列计算，并取每基频周期N点采样，故可以得到：

式(4)为傅式氏算法。由于该算法采用的数据窗宽度为一个基频周期，故在行业内称为全周傅氏算法。根据三角函数的正交性，当输入信号为周期性信号时，采用全周傅氏算法可准确地求出信号中的某次谐波分量的大小，并保证其他整次谐波和恒定直流分量衰减为零，从而不影响测量结果。式(4)中k为整数，表示谐波次数。当k取不同数值时，可求出相应次谐波分量的实部和虚部。例如当k取值为1时，基频分量的实部和虚部为：

由式(5)所求得的实部和虚部，可进一步计算出基频分量的幅值和相位：

由式(5)、(6)可准确计算出信号中的基频分量，其精度不受恒定直流分量和其他次谐波影响。同理可以推出其他次谐波的计算公式。

微机保护测控装置程序中先按照电力系统的工频50Hz和装置的采样率计算好傅里叶级数的系数并存在一个数据表格里。这些系数在整个微机保护装置的运行过程中是一直不变的。如果输入微机保护装置的交流量的基波频率与电力系统的额定频率有一定的偏移，那么使用这些系数计算出来的基波幅值与实际的基波幅值将有一定的误差。所以要保证能够实时检测采样数据异常，首先要保证频率测量准确，然后实施频率跟踪功能，确保每个基频内采样间隔按N点等分。

本发明具体实施例中，所述的相量门槛为0.2倍额定电流或者额定电压，所述的采样值门槛为0.14倍额定电流或者额定电压的峰值，预设的时间间隔为2ms，则具体步骤如下：

S1、按照工频以固定采样间隔每周波N个点对模拟量进行采样，得到各信号的离散采样序列，其中N>20；

S2、根据得到的离散采样序列进行测频处理，得出基波频率；

S3、根据得到的基波频率对采样间隔进行调整，使得采样间隔为每基波的N点等分；

S4、根据调整后的采样间隔进行数据采样，并每间隔2ms执行如下步骤：

S5、根据采样数据，通过傅氏算法计算得出一周波的相量幅值；

S6、对当前的相量幅值与对应2周波前的相量幅值进行相减处理，得到相量突变量；

S7、判断相量突变量是否大于预设的相量门槛，若是，则记作相量突变量动作；反之，则记作相量突变量不动作；

S8、对当前的采样值与对应2周波前的采样值进行相减处理，得到采样值突变量；

S9、判断1个周波中是否有1/4的点的采样值突变量大于预设的采样值门槛，若是，则记作采样值突变量动作；反之，则记作采样值突变量不动作；

S10、若连续2次计算的采样值突变量不动作且相量突变量动作，则认为采样值和相量之间的相关关系被破坏，判定采样数据异常；反之，则判定采样数据正常。

其中，采样的数据进行异常检测的原理主要依据为：

1、根据式(5)、(6)可以发现，一旦采样数据异常必然会影响幅值计算结果；

2、电磁式互感器受到了外部电磁干扰或是保护测控装置受到了外部电磁干扰引起采样数据异常的主要表现是某个基频数据中最多有2～3点数据受影响；

3、正常电力系统电流电压变化引起幅值变化时，N点采样数据都有变化，在幅值变化大于0.2倍额定电流或者额定电压至少有1/4周波采样数据大于门槛值。

从上述内容可知，本发明一种采样数据异常检测方法及系统通过测频并计算图变量，从而能快速检测出采样数据的异常情况，并且准确性较高，从而能有效避免了微机保护控制装置误动作和误发信等。

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做作出种种的等同变形或替换，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 (6)

1.一种采样数据异常检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

按照工频以固定采样间隔每周波N个点对模拟量进行采样，得到各信号的离散采样序列，其中N>20；

根据得到的离散采样序列进行测频处理，得出基波频率；

根据得到的基波频率对采样间隔进行调整，使得采样间隔为每基波的N点等分；

根据调整后的采样间隔进行数据采样，并对得到的采样数据每间隔预设的时间进行异常检测。

2.根据权利要求1所述的一种采样数据异常检测方法，其特征在于：所述的异常检测，其具体包括：

根据采样数据，通过傅氏算法计算得出一周波的相量幅值；

对当前的相量幅值与对应2周波前的相量幅值进行相减处理，得到相量突变量；

判断相量突变量是否大于预设的相量门槛，若是，则记作相量突变量动作；

反之，则记作相量突变量不动作；

对当前的采样值与对应2周波前的采样值进行相减处理，得到采样值突变量；

判断1个周波中是否有1/4的点的采样值突变量大于预设的采样值门槛，若是，则记作采样值突变量动作；反之，则记作采样值突变量不动作；

若连续2次计算的采样值突变量不动作且相量突变量动作，则认为采样值和相量之间的相关关系被破坏，判定采样数据异常；反之，则判定采样数据正常。

3.根据权利要求2所述的一种采样数据异常检测方法，其特征在于：所述相量幅值的计算公式为：

$X_1=\sqrt{X_{R1}^1+X_{I1}^2}=\sqrt{\[\frac{2}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(i\right)cos\left(i\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]+{\[\frac{-2}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(i\right)sin\left(i\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2};$

其中，表示基频分量的实部，X_I1表示基频分量的虚部，x(i)表示i点的采样值。

4.一种采样数据异常检测系统，其特征在于，包括：

初步采样单元，用于按照工频以固定采样间隔每周波N个点对模拟量进行采样，得到各信号的离散采样序列，其中N>20；

测频单元，用于根据得到的离散采样序列进行测频处理，得出基波频率；

采样间隔调整单元，用于根据得到的基波频率对采样间隔进行调整，使得采样间隔为每基波的N点等分；

检测单元，用于根据调整后的采样间隔进行数据采样，并对得到的采样数据每间隔预设的时间进行异常检测。

5.根据权利要求4所述的一种采样数据异常检测系统，其特征在于：所述检测单元中的异常检测，其具体包括：

相量幅值计算单元，用于根据采样数据，通过傅氏算法计算得出一周波的相量幅值；

相量突变量计算单元，用于对当前的相量幅值与对应2周波前的相量幅值进行相减处理，得到相量突变量；

相量突变量判断单元，用于判断相量突变量是否大于预设的相量门槛，若是，则记作相量突变量动作；反之，则记作相量突变量不动作；

采样值突变量计算单元，用于对当前的采样值与对应2周波前的采样值进行相减处理，得到采样值突变量；

采样值突变量判断单元，用于判断1个周波中是否有1/4的点的采样值突变量大于预设的采样值门槛，若是，则记作采样值突变量动作；反之，则记作采样值突变量不动作；

异常判定单元，用于若连续2次计算的采样值突变量不动作且相量突变量动作，则认为采样值和相量之间的相关关系被破坏，判定采样数据异常；反之，则判定采样数据正常。

6.根据权利要求5所述的一种采样数据异常检测系统，其特征在于：所述相量幅值的计算公式为：

$X_1=\sqrt{X_{R1}^1+X_{I1}^2}=\sqrt{\[\frac{2}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(i\right)cos\left(i\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]+{\[\frac{-2}{N}\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(i\right)sin\left(i\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right)\]}^2};$

其中，表示基频分量的实部，X_I1表示基频分量的虚部，x(i)表示i点的采样值。