CN106505572B - 一种提高智能变电站采样值数据可靠性的滤波补偿方法 - Google Patents

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Abstract

一种提高智能变电站SV数据可靠性的滤波补偿方法，通过对采样值原始队列进行简易抛物线插值进行异常点补偿，为滤波器提供合格数据，减少异常点对保护的影响。当输入SV数据没有异常点时，直接进行数字滤波；当输入SV数据异常点个数≤3个时，对异常点补点处理后进行数字滤波；当输入SV数据异常点个数＞3个，滤波器退出，插值队列数据清零，状态字置无效，保护短期闭锁。有效点个数满足滤波输入序列后重新启动数字滤波。该过程过渡平稳，不会影响保护功能。依据保护特性选择不同的滤波器模型，满足不同类型保护对谐波的要求。本发明方法经过大量优化，适合在嵌入式芯片上使用，可直接应用于数字化继电保护装置。

Description

一种提高智能变电站采样值数据可靠性的滤波补偿方法
技术领域
本发明属于输变电技术领域，特别涉及智能变电站采样值报文采样值(即SV)数据处理环节中滤波补偿方法。
背景技术
变电站是电力系统中不可缺少的重要环节，它担负着电能转换和电能重新分配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。智能变电站中，合并单元接收电子式互感器或者合并单元自采模拟量，通过光纤以太网将采样值SV报文传送给保护、测控、PMU等间隔层设备。为了满足不同设备对采样值的要求，合并单元采用较高的采样率，每周波80点，间隔层设备按自有需求对接收的SV报文进行处理，比如测控设备使用每周波80点数据，保护设备对SV报文进行重采样变为每周波24点的采样值。合并单元的稳定性决定了整个变电站的可靠运行，合并单元虽然经过了多轮严格的测试，由于工作环境恶劣且技术成熟度不够，输出偶尔丢帧、误码，轻则影响到保护启动或退出，重则可能使保护动作，断路器跳闸。合并单元同时为了满足暂态特性要求，采样信号频带宽，而保护测控对信号的采样频率和信号频带有一定要求。线路保护主要关心信号的基波分量，需要压制信号的三次、五次谐波分量；变压器保护需要关心五次以内谐波分量；测控需要测量到十三次谐波分量。因此进行重采样插值前需要采用适当的滤波前置算法对采样值进行滤波处理。滤波算法作为一种加权平均计算过程，会将异常点展宽，一个异常点经过滤波后出现一串异常点触发保护启动门槛。
而现有的继电保护设备中，缺乏对数字滤波重要性的认识，没有考虑滤波器特性与保护、测控类型相关联，对采样值异常处理滤波前置处理不当，现场频繁出现由此产生的故障，对异常点滤波补偿成为装置开发必要的部分。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种提高智能变电站SV数据可靠性的滤波补偿方法，实现间隔层装置SV数据正确处理，提升数字化二次设备的可靠性。
本发明具体采用以下技术方案：
一种提高智能变电站采样值数据可靠性的滤波补偿方法，该方法通过对采样值原始队列进行简易抛物线插值对异常点进行补偿，为滤波器提供状态字有效的采样值数据，滤波后的数据填入采样值插值队列进行重采样抛物线插值；该滤波补偿方法包括以下步骤：
(1)数字化二次设备接收由合并单元通过光纤以太网上传的采样值SV报文；
(2)报文接收处理程序依据SV报文中采样计数器smpCnt将当前采样值填入采样值原始队列，判断接收到的当前采样值数据状态字是否有效，若有效，进入步骤(3)；若无效，进入步骤(6)；
(3)判断在采样值原始队列中当前采样值和前面相邻的状态字有效的采样值之间异常点个数，如果异常点数≤3，则进入步骤(4)；否则将滤波后用于插值的采样值插值队列当前数据清零、状态字置无效，转入步骤(7)；其中，所述异常点是指采样值为空，或者采样值状态字无效；
(4)使用简易抛物线插值法对异常点补偿，补偿结果替换原有的采样值原始队列的异常点，并将经简易抛物线插值法补偿后的数据状态字置有效，进入步骤(5)，同时将补偿后的采样值原始队列传送测量控制模块，供测控使用；
(5)将采样值原始队列当前点作为起始点，向前递推长度为滤波阶数的一串数据作为滤波输入序列，判断滤波输入序列中的数据状态字是否都有效，如都有效，则进入步骤(6)；否则将采样值插值队列当前数据清零、状态字置无效，转入步骤(7)；
(6)对判断有效的滤波输入序列数据进行含基波幅值衰减补偿FIR数字滤波，其中FIR滤波系数均乘以一个由于滤波器特性带来的基波幅值衰减补偿值后作为新的滤波系数，并将滤波后的数据填入采样值插值队列当前点，然后进入步骤(7)；
(7)对采样值插值队列数据进行固定频率重采样，重采样使用抛物线插值法，将使用抛物线插值法重采样的数据传送保护模块。
实施方式中的简易抛物线插值法，异常点补偿方法直接采用异常点前后三个状态字有效数据乘以固定系数累加求和，计算结果替换对应的异常点。
当完成固定频率重采样抛物线插值后，本发明还进一步包括，如二次设备为线路光差保护，给保护模块传递的延时参数要增加滤波引入的相位延迟。
本发明的优点及效果是：本发明提供一种提高智能变电站SV数据可靠性的滤波补偿算法，实现间隔层二次设备SV数据正确处理，提升保护装置的可靠性。滤波前对异常点插值补偿方法能有效减少异常点对保护的影响，实现原始报文自修复；所选用的FIR滤波算法具有线性相位，通带纹波系数小。采样模块可以依据保护CPU类型取用不同的滤波参数，提取关心的频率分量，消除频率混叠影响；本方法适合在目前主流嵌入式芯片使用，存储占用小，CPU消耗少，程序框架清晰。本发明符合现阶段数字化二次运行需求，推广应用可大幅提高数字继电保护采样装置的可靠性，保证设备平稳安全运行。
附图说明
图1为本发明采样值数据队列转换关系示意图；
图2为本发明提高智能变电站SV数据可靠性的滤波补偿方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细介绍。
图1为采样值数据队列转换关系示意图，展示了数据队列与数据处理过程间关系。图2为提高智能变电站SV数据可靠性的滤波补偿方法流程示意图，本申请公开的提高智能变电站采样值数据可靠性的滤波补偿方法包括以下步骤：
步骤1：数字化二次设备接收由合并单元通过光纤以太网上传的采样值SV报文。数据处理程序需要处理大量的报文，并且需要为继电保护模块或测量控制模块提供实时的数据，同时兼顾内存占用，采样值原始队列可以设定为半周波或整周波数据长度，本实施方式中队列长度采用了整周波数据长度。
步骤2：报文接收处理程序依据SV报文中采样计数器smpCnt将当前采样值填入采样值原始队列，如果该smpCnt的SV报文丢失，对应的采样值原始队列空缺。判断接收到的当前采样值数据状态字是否有效，若有效，进入步骤3；若无效，进入步骤5。
目前常用的保护算法为24点采样率，SV报文采用的采样率为每周波80点，需要对报文进行固定频率重采样。同时为了满足保护对谐波特性的要求，进行重采样插值前需要采用适当的滤波器对采样值进行滤波处理，滤波算法作为一种加权平均计算过程，会将异常点展宽，影响到保护正确判别。所以在进行滤波前需要对异常点进行补偿，本实施过程中的异常点包括没有接收到正确的采样值报文，采样值数据队列对应为位置的采样值为空，或者接收到的采样值状态字无效。操作过程为：当处理采样值原始队列当前的采样值时，将半个队列长度前的已使用过的采样值状态字均置位无效；如果没有接收到新的正确报文，或者接收到的报文采样值状态字无效，该位置的数据状态字仍无效；再次处理到该位置时，可以通过判别数据的状态字即可识别出异常点。
步骤3：判断在采样值原始队列中当前采样值和前面相邻的状态字有效采样值之间异常点个数，如果异常点数≤3，则进入步骤4；否则将采样值插值队列当前数据清零、状态字置无效，转入步骤7。
步骤4：异常点补点采用一种简易抛物线插值法。完整的抛物线插值算法如下：
其中：x0、x1、x2为接收采样值绝对时标，
y0、y1、y2为接收采样值，
x为插值计算的绝对时标，
y(x)为插值计算结果。
对于采样值数据，横坐标x为时间。SV发送间隔近似为250us，即x0，x1，xt1，xt2，xt3，x3间差均为250us的整数倍；且补点过程中，当前点是有效的，当前点之前有1到3个异常点，异常点之前又是有效的数据点。带入插值公式，可以将插值公式进行简化，如下表所示。特定的异常点类型，插值系数转变为固定系数，无需频繁进行插值系数计算，使用简化的插值公式取代完整的抛物线插值公式，节省系统开销，精度也可以满足系统要求，运算结果直接替换原有的采样值原始队列的异常点，并将数据状态字置有效。
●——有效点 ○——异常点
采样值原始队列3个点及以内异常点补点，此时补点的精度较高；出现4个异常点时，此时补点的精度较差，且80到24点重采样内插值算法已经给继电保护模块一个无效点，继电保护模块可以进入短期闭锁。所以不采用补点，不进行滤波，采样值插值队列数据清零、状态字置无效，重采样插值产生无效点保护闭锁。
步骤5：再次核验滤波输入序列的数据状态字均有效，如是，进入步骤6进行滤波计算；否则将采样值插值队列当前数据清零、状态字置无效，转入步骤7。步骤5能保证连续出现4个异常点后滤波器平滑退出，保护闭锁，同时状态字有效数据个数重新填满滤波输入序列后重启滤波，保护恢复。
步骤6：进行滤波计算，本发明采用FIR滤波算法，相对IIR滤波算法，具有线性相位，并能有效降低现场偶发生的异常大数对保护的影响。FIR滤波基于一定长度的原始连续数据，即必须有一定长度的滤波输入序列，以采样值原始队列当前点为序列起始点，向前递推序列长度为滤波阶数的一串数据。本实施方式中FIR计算公式如下：
其中：Y为滤波前原始数据数据，
h为含基波幅值衰减补偿的滤波器系数，
N为滤波器阶数，
n为计算点，
Yc为滤波后计算结果。
滤波特性与滤波阶数相关，滤波阶数高，滤波特性较好，但会带来高相位延迟，同时计算量升高。延迟相位与滤波器阶数n成正比，与采样频率fs成反比。继电保护的速动性要求延时较小，所以在选择滤波器时，需要综合考虑速度和性能。同时也需要降低滤波器通带纹波和减小间断点的吉布斯(Gibbs)现象，在采用计算机辅助设计时要反复调整相关参数，选择合适的滤波器模型。另外由于通带纹波的影响，经过滤波后基波会产生幅值失真，直接使用原始的滤波系数基波会产生衰减，如滤波后进行衰减补偿需要额外增加计算量，本实施中，滤波系数在程序中作为常数，直接使用FIR滤波系数乘以基波幅值衰减补偿值后作为新的滤波系数。
对于不同的保护，滤波模型不同，本发明使用的线路保护和元件保护模型如下，数据处理模块依据保护模块下发的型号类型选择不同的滤波器模型。
滤波计算结果填入采样值插值队列当前点，状态字透传。
步骤7：采样值插值队列的数据已经满足保护谐波特性要求，继电保护模块采用每周波24点，SV原始报文为每周波80，此时需要采用固定频率重采样抛物线插值实现80点到24点转换，相当于3个点插值产生1个点。为了保证数据精度，采用数据内插的方法，挑选插值时标前后相邻的5点数据，取3点状态字有效数据，插值系数通过有效数据的绝对时标计算，若5点数据无3点状态字有效数据，不进行插值，给保护的数据为零，状态字无效。

Claims (4)

1.一种提高智能变电站采样值数据可靠性的滤波补偿方法，其特征在于，所述滤波补偿方法包括以下步骤：
(1)数字化二次设备接收由合并单元通过光纤以太网上传的采样值SV报文；
(2)报文接收处理程序依据SV报文中采样计数器smpCnt将当前采样值填入采样值原始队列，判断接收到的当前采样值数据状态字是否有效，若有效，进入步骤(3)；若无效，进入步骤(6)；
(3)判断在采样值原始队列中当前采样值和前面相邻的状态字有效的采样值之间异常点个数，如果异常点数≤3，则进入步骤(4)；否则将用于插值的采样值插值队列当前数据清零、状态字置无效，转入步骤(7)；其中，所述异常点是指采样值为空，或者采样值状态字无效；
(4)使用简易抛物线插值法对异常点补偿，补偿结果替换原有的采样值原始队列的异常点，并将经简易抛物线插值法补偿后的数据状态字置有效，进入步骤(5)，同时将补偿后的采样值原始队列传送测量控制模块，供测控使用；
(5)将采样值原始队列当前点作为起始点，向前递推长度为滤波阶数的数据作为滤波输入序列，判断滤波输入序列中的数据状态字是否都有效，如都有效，则进入步骤(6)；否则将采样值插值队列当前数据清零、状态字置无效，转入步骤(7)；
(6)对判断有效的滤波输入序列数据进行含基波幅值衰减补偿FIR数字滤波，其中FIR滤波系数均乘以一个由于滤波器特性带来的基波幅值衰减补偿值后作为新的滤波系数，并将滤波后的数据填入采样值插值队列当前点，然后进入步骤(7)；
(7)对采样值插值队列数据进行固定频率重采样，重采样使用抛物线插值法，将使用抛物线插值法重采样的数据传送保护模块。
2.根据权利要求1所述的提高智能变电站采样值数据可靠性的滤波补偿方法，其特征在于:
在步骤(3)判断异常点时，当没有接收到正确的采样值报文，将对应位置的采样值置为空，该采样值为异常点。
3.根据权利要求1所述的提高智能变电站采样值数据可靠性的滤波补偿方法，其特征在于:
在步骤(4)中，所述的简易抛物线插值法，异常点补偿方法直接采用当前状态字有效的数据及异常点前两个状态字有效的数据，共三个状态字有效数据乘以不同固定系数的累加和替代异常点。
4.根据权利要求1所述的提高智能变电站采样值数据可靠性的滤波补偿方法，其特征在于:
在步骤(7)中，采用内插算法，将采样值SV报文中每周波80点采样值数据转换成每周波24点数据：
在采样值SV报文中每连续5点采样值数据中取3点状态字有效数据，插值系数通过采样值到达的绝对时标计算；
当采样值SV报文中有连续5点采样值数据中少于3点状态字有效数据，不进行插值，传送给保护模块的采样值数据为零，状态字无效。
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