CN107579509A - 一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，包括：根据电网系统正常运行时的电压波形，实时计算由采样频率偏差造成的相角偏差，并进行存储；当电网系统中出现故障时，利用记忆电压与当前的故障电流进行比相计算，然后结合电压跌落到出现故障电流之间经历的周波数和前述计算得到的相角偏差，对记忆电压和故障电流之间的相角差进行补偿。本发明能可靠地规避采样频率偏差所造成的相角偏差对计算结果的影响，从而提高方向元件的方向判断的准确性，提高过流保护的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电力系统自动化技术领域，具体涉及一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法。
背景技术
在电力系统的低压电网中，为了提高供电可靠性，对于系统中的重要变电站，往往采取双侧电源供电或环形电网供电的方式，在这类电网中，由于需要保证继电保护动作的选择性，一般采用方向元件来实现。故此，在低压线路保护中，方向元件在电流保护中得到了非常广泛的应用。常用的方向元件主要是引入非故障相电压与故障相电流进行比相计算，而当出现三相故障或电压值低于计算门槛时，需要利用记忆电压与故障相电流进行比相计算，此时计算结果容易受到很多因素的影响，特别是当历史数据与故障时刻数据间隔的时间比较长的情况。由于保护装置自身元器件的原因，实际的采样频率与理论值之间会存在偏差。在对历史数据与故障时刻数据进行比相计算时，如果不对二者相角之间由于采样频率的偏差造成的固有偏差进行补偿的话，就会对保护装置方向性判断的结果产生不利影响，可能造成保护正方向的故障拒动，也可能造成保护反方向的故障误动。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，能可靠地规避采样频率偏差所造成的相角偏差对计算结果的影响，从而提高方向判断的准确性，提高过流保护的可靠性。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，包括以下步骤：
(1)根据电网系统正常运行时的电压波形，实时计算由采样频率偏差造成的相角偏差，并进行存储；所述的电压指的是电网系统运行时系统的二次侧电压；
(2)当电网系统中出现故障时，利用记忆电压与当前的故障电流进行比相计算，然后结合电压跌落到出现故障电流之间经历的周波数和步骤(1)中计算得到的相角偏差，对记忆电压和故障电流之间的相角差进行补偿。
进一步地，所述步骤(1)具体为：
1.1、判断系统正常运行时的电压波形是否正常；
1.2、当判定电压波形正常时，顺次计算相邻周波的电压的傅式相角，进一步求得相邻周波的电压的傅式相角差，并存储；
1.3、不断重复步骤1.2，若在设定的时间段t内电压波形均正常，则可以得到N次相邻周波的电压的傅式相角差的累加值，求取平均值后作为该时间段内每两个设定间隔周波间的平均相角偏差，在下一个设定的时间段内重复前述的过程继续进行实时计算，求得下一个设定时间段内每两个设定间隔周波间的平均相角偏差，并用该平均相角偏差替代前一次保存的每两个设定间隔周波间的平均相角偏差；若在设定的时间段内出现电压波动或跌落，则清空之前存储的数据，重新计算。
进一步地，所述步骤1.1具体为：判断当前周波线电压有效值与系统中二次线电压额定值和前一个周波线电压有效值的关系，判断公式为：
|U1|>KreUn (1)
|U1|-|Ulast|<ΔU (2)
式中：|U1|为当前周波计算得到的线电压有效值，|Ulast|为前一个周波计算得到的线电压有效值，Un为系统中二次线电压额定值，Kre为判断系统电压是否稳定的比例系数，取0.95～0.98，ΔU为判断系统电压是否稳定的幅值参数，取0.5～2V；
当同时满足式(1)和式(2)时，则判定电压波形正常稳定。
进一步地，所述步骤1.3中的设定的时间段t取1-10秒。
进一步地，所述步骤1.3中每两个设定间隔周波为每两个相邻周波。
进一步地，所述步骤1.2中的傅式相角的计算公式为：
其中，REAL(U1)、IMAGE(U1)、Arg(U1)分别为当前一个周波经全波傅式计算得到的实部、虚部以及傅式相角，N为单周波采样点数，u1(n)为电压采样点的实数值；采用同样的方法得到Arg(Ulast)，为前一个周波的傅式相角；
所述求得相邻周波的电压的傅式相角差的计算公式为：
Arg(U1)-Arg(Ulast) (6)。
进一步地，所述步骤(2)具体为：
当某线电压跌落时，判定系统中出现故障，从线电压跌落时刻往前推n1个周波，对该时刻为止前一个周波内的采样电压数据进行傅式计算，得到其傅式相角Arg(Ujy)，从线电压跌落时刻开始，对每个周波内跌落线电压对应的相电流进行一次傅式计算，具体为：
其中，REAL(I)、IMAGE(I)、Arg(I)分别为当前周波的相电流经全波傅式计算得到的实部、虚部以及傅式相角，N为单周波采样点数，i(n)为电流采样点的实数值；
当电压跌落后经历了一段时间出现故障电流且达到过流保护的门槛值，之前计算相电流傅式相角的数据框距电压跌落时刻为n2个周波，则比相计算公式为：
其中，为比相计算的结果，用于判断故障是否在正方向上；Arg(Ujy)为记忆电压单周波数据框计算得到的傅式相角，Arg(I)为当前故障电流单周波数据框计算得到的傅式相角，n1为计算记忆电压傅式相角的数据框距电压跌落时刻的周波数，n2为计算当前故障电流傅式相角的数据框距电压跌落时刻的周波数，为步骤(1)中实时计算得到的每两个设定间隔周波间的平均相角偏差。
进一步地，每个周波内采用24个数据点。
进一步地，所述故障为三相故障或者两相短路转三相短路类转换型故障。
本发明的有益效果：
本发明的一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，首先根据电网系统正常运行时的电压波形，实时计算由采样频率偏差造成的相角偏差，并进行存储；当系统中出现故障时，利用记忆电压与当前的故障电流进行比相计算，然后结合电压跌落到出现故障电流之间经历的周波数和计算得到的相角偏差，对记忆电压和故障电流之间的相角差进行补偿；将过流保护中的方向元件采用上述方法处理后，能可靠地规避采样频率偏差所 造成的相角偏差对计算结果的影响，从而提高方向元件的方向判断的准确性，提高过流保护的可靠性。
附图说明
图1为发明一种实施例的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
现有的微机继电保护装置的采样频率由装置CPU的晶振来控制，首先晶振本身产生的频率是存在误差的，不可能百分百精准，这类误差可以认为是固有偏差；其次，由于晶振元件的温度特性，元件所产生的频率会随温度的变化出现偏差，这类偏差可以认为是可变偏差。由于偏差的大小是不可控制的，因此需要实时性地考虑采样频率偏差，以防对保护装置方向性判断的结果产生不利影响。
对于双端电源供电的系统，方向元件是判断故障范围的主要元件，使保护获得选择性。常用的方向元件主要是引入非故障相电压与故障相电流进行比相计算，但当出现三相故障或电压值低于计算门槛时，则需要使用记忆电压进行比相计算。在微机继电保护中，一般将采样得到的电压值存放于数据缓存区，从电压跌落的时刻倒推若干个周波，利用缓存区中的数据，计算得到电压的相角信息，称为记忆电压，然后将计算得到的记忆电压的相角与对应相的电流当前的相角进行比较来进行方向性的判断。但是实际中，控制采样频率的元器件本身是存在着误差的，此误差在采用同时刻的数据框进行电流电压比相计算时可以忽略不计，如果用历史数据框与当前数据框做比较，此误差需考虑。如果不考虑，则会影响判断的结果。
因此本发明提出的解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，首先根据电网系统正常运行时的电压波形，实时计算由采样频率偏差造成的相角偏差，并进行存储，当系统中出现故障时，利用记忆电压与当前的故障电流进行比相计算，然后结合电压跌落到出现故障电流之间经历的周波数和步骤一中计算得到的相角偏差，对记忆电压和故障电流之间的相角差进行补偿；将过流保护中的方向元件采用上述方法处理后，能可靠地规避采样频率偏差所造成的相角偏差对计算结果的影响，从而提高方向判断的准确性，提高过流保护的可靠性。
本发明实施例中，假设理论采样频率为1200Hz，每个周波采样点数为24点；具体包括以下步骤：
步骤一、根据电网系统正常运行时的电压波形，实时计算由采样频率偏差造成的相角偏差，并进行存储；
所述的步骤一包括以下子步骤：
S1.1、判断电网系统正常运行时的电压波形是否正常；所述的电压指的是电网系统运行时系统的二次侧电压；
具体地：判断当前周波线电压有效值与系统中二次线电压额定值和前一个周波的线电压有效值的关系，判断公式为：
|U1|>KreUn (1)
|U1|-|Ulast|<ΔU (2)
式中：|U1|为当前周波计算得到的线电压有效值，本发明实施例中指的是通过全波傅式得到的基波有效值；|Ulast|为前一个周波计算得到的线电压有效值，Kre为判断系统电压是否稳定的比例系数，一般取0.95～0.98，ΔU为判断系统电压是否稳定的幅值参数，一般取0.5～2V，Un为系统中二次线电压额定值，无特殊情况为100V。在本发明的一种具体实施例中，所示公式(1)和公式(2)具体为：
|U1|>0.95Un
|U1|-|Ulast|<2
当同时满足式(1)和(2)时，则判定电压波形正常稳定。
S1.2、当判定电压波形正常时，顺次计算相邻周波的电压的傅式相角，进一步求得相邻周波的电压的傅式相角差，并存储；所述傅式相角的计算公式为：
其中REAL(U1)、IMAGE(U1)、Arg(U1)分别为当前一个周波经全波傅式计算得到的实部、虚部以及傅式相角，N为单周波采样点数，u1(n)为电压采样点的实数值；采用 同样的方法得到Arg(Ulast)，为前一个周波的傅式相角；
所述求得相邻周波的电压的傅式相角差的计算公式为：
Arg(U1)-Arg(Ulast) (6)。
S1.3、不断重复步骤S1.2，若在设定的时间段内电压波形均正常，则可以得到N次相邻周波的电压的傅式相角差的累加值，求取平均值后作为该时间段内每两个设定间隔周波间的平均相角偏差，在下一个设定的时间段内重复前述的过程继续进行实时计算，求得下一个设定时间段内每两个设定间隔周波间的平均相角偏差，并用该平均相角偏差替代前一次保存的每两个设定间隔周波间的平均相角偏差；即：计算Arg(U1)-Arg(Ulast)，得到第一次满足条件后的两个相邻周波的傅式相角差，将数据放入缓存区中；此后Arg(U1)成为新的Arg(Ulast)，等待再次进行24次采样后电压波形是否正常的判断结果，如果满足，计算得到新的Arg(U1)，与新的Arg(Ulast)相减得到又一次相邻周波的傅式相角差，并与之前缓存区中的数据累加存放，最后求取平均值后可以得到该时间段内每两个相邻周波间的平均相角偏差。若在设定的时间段内出现电压波动或跌落，则清空之前存储的数据，重新计算。
一般来说，装置在较短时间内的温度可以认为是不变的，因此在本发明实施例的一种实施方式中，所述步骤S1.3中可以选择每一秒钟计算一次当前数据框电压的傅式相角，与一秒钟前，也就是工频下50个周波前的电压相角作比较，得到该时间段内每两个相邻周波间的平均相角偏差，并存放于数据缓存区中(间隔的周波数可根据实际情况进行调整)，具体实现过程为：若一秒钟内电压波形正常，则可以得到50次相邻周波傅式相角差的累加值，求取平均值后可以得到该时间段内每两个相邻周波间的平均相角偏差；若下一秒钟电压波形仍然正常，将新计算得到的傅式相角偏差存放于数据缓存区中，替代原值，达到实时计算，实时更新的效果；若在一秒钟内出现电压波动或跌落，则清空缓存区数据，重新计算。
步骤二、当系统中出现故障时，利用记忆电压与当前的故障电流进行比相计算，然后结合电压跌落到出现故障电流之间经历的周波数和步骤一中计算得到的相角偏差，对记忆电压和故障电流之间的相角差进行补偿；
所述系统故障为三相故障或者两相短路转三相短路类转换型故障；当系统中出现前述系统故障时，用于比相计算的线电压可能会在故障电流出现时早已处于电压已经跌落的情况，此时应使用记忆电压与当前的故障电流进行比相计算，根据电压跌落到出现故障电流之间经历的周波数和步骤一中计算得到的实时偏差对计算比相计算结果进行补偿，具体 为：
当某线电压跌落时，判定系统中出现故障，从线电压跌落时刻往前推n1个周波，n1一般取3～5，对该时刻为止前一个周波内的采样电压数据进行傅式计算，得到其傅式相角Arg(Ujy)，从线电压跌落时刻开始，对每个周波内跌落线电压对应的相电流进行一次傅式计算，具体为：
其中，REAL(I)、IMAGE(I)、Arg(I)分别为当前周波的相电流经全波傅式计算得到的实部、虚部以及傅式相角，N为单周波采样点数，i(n)为电流采样点的实数值；
当电压跌落后经历了一段时间出现故障电流且达到过流保护的门槛值，之前计算相电流傅式相角的数据框距电压跌落时刻为n2个周波，则比相计算公式为：
其中，为比相计算的结果，用于判断故障是否在正方向上，Arg(Ujy)为记忆电压单周波数据框计算得到的傅式相角，Arg(I)为当前故障电流单周波数据框计算得到的傅式相角，n1为计算记忆电压傅式相角的数据框距电压跌落时刻的周波数，n2为计算当前故障电流傅式相角的数据框距电压跌落时刻的周波数，为步骤一中实时计算得到的每两个设定间隔周波间的平均相角偏差。在本发明实施例中，实时计算的前提是认为在短时间内晶振的温度是不变的(1-10s)，因此此时计算得到的平均相角偏差可以用来补偿记忆电压与当前电流的相位差，每隔固定的时间，这个固定的相角偏差是重新计算的。
综上所述：
本发明的一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，首先根据电网系统正常运行时的电压波形，实时计算由采样频率偏差造成的相角偏差，并进行存储，当系统中出现故障时，利用记忆电压与当前的故障电流进行比相计算，然后结合电压跌落到出现 故障电流之间经历的周波数和计算得到的相角偏差，对记忆电压和故障电流之间的相角差进行补偿；将过流保护中的方向元件采用上述方法处理后，能可靠地规避采样频率偏差所造成的相角偏差对计算结果的影响，从而提高方向元件的方向判断的准确性，提高过流保护的可靠性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据电网系统正常运行时的电压波形，实时计算由采样频率偏差造成的相角偏差，并进行存储；所述的电压指的是电网系统运行时系统的二次侧电压；
(2)当电网系统中出现故障时，利用记忆电压与当前的故障电流进行比相计算，然后结合电压跌落到出现故障电流之间经历的周波数和步骤(1)中计算得到的相角偏差，对记忆电压和故障电流之间的相角差进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，其特征在于：所述步骤(1)具体为：
1.1、判断系统正常运行时的电压波形是否正常；
1.2、当判定电压波形正常时，顺次计算相邻周波的电压的傅式相角，进一步求得相邻周波的电压的傅式相角差，并存储；
1.3、不断重复步骤1.2，若在设定的时间段t内电压波形均正常，则可以得到N次相邻周波的电压的傅式相角差的累加值，求取平均值后作为该时间段内每两个设定间隔周波间的平均相角偏差，在下一个设定的时间段内重复前述的过程继续进行实时计算，求得下一个设定时间段内每两个设定间隔周波间的平均相角偏差，并用该平均相角偏差替代前一次保存的每两个设定间隔周波间的平均相角偏差；若在设定的时间段内出现电压波动或跌落，则清空之前存储的数据，重新计算。
3.根据权利要求2所述的一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，其特征在于：所述步骤1.1具体为：判断当前周波线电压有效值与系统中二次线电压额定值和前一个周波线电压有效值的关系，判断公式为：
|U1|>KreUn (1)
|U1|-|Ulast|<ΔU (2)
式中：|U1|为当前周波计算得到的线电压有效值，|Ulast|为前一个周波计算得到的线电压有效值，Un为系统中二次线电压额定值，Kre为判断系统电压是否稳定的比例系数，取0.95～0.98，ΔU为判断系统电压是否稳定的幅值参数，取0.5～2V；
当同时满足式(1)和式(2)时，则判定电压波形正常稳定。
4.根据权利要求2所述的一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，其特征在于：所述步骤1.3中的设定的时间段t取1-10秒。
5.根据权利要求2所述的一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，其特征在于：所述步骤1.3中每两个设定间隔周波为每两个相邻周波。
6.根据权利要求2所述的一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，其特征在于：所述步骤1.2中的傅式相角的计算公式为：
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其中，REAL(U1)、IMAGE(U1)、Arg(U1)分别为当前一个周波经全波傅式计算得到的实部、虚部以及傅式相角，N为单周波采样点数，u1(n)为电压采样点的实数值；
采用同样的方法得到Arg(Ulast)，为前一个周波的傅式相角；
所述求得相邻周波的电压的傅式相角差的计算公式为：
Arg(U1)-Arg(Ulast) (6)。
7.根据权利要求1或2所述的一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，其特征在于：所述步骤(2)具体为：
当某线电压跌落时，判定系统中出现故障，从线电压跌落时刻往前推n1个周波，对该时刻为止前一个周波内的采样电压数据进行傅式计算，得到其傅式相角Arg(Ujy)，从线电压跌落时刻开始，对每个周波内跌落线电压对应的相电流进行一次傅式计算，具体为：
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其中，REAL(I)、IMAGE(I)、Arg(I)分别为当前周波的相电流经全波傅式计算得到的实部、虚部以及傅式相角，N为单周波采样点数，i(n)为电流采样点的实数值；
当电压跌落后经历了一段时间出现故障电流且达到过流保护的门槛值，之前计算相电流傅式相角的数据框距电压跌落时刻为n2个周波，则比相计算公式为：
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</mrow>
其中，为比相计算的结果，用于判断故障是否在正方向上；Arg(Ujy)为记忆电压单周波数据框计算得到的傅式相角，Arg(I)为当前故障电流单周波数据框计算得到的傅式相角，n1为计算记忆电压傅式相角的数据框距电压跌落时刻的周波数，n2为计算当前故障电流傅式相角的数据框距电压跌落时刻的周波数，为步骤(1)中实时计算得到的每两个设定间隔周波间的平均相角偏差。
8.根据权利要求7所述的一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，其特征在于：每个周波内采用24个数据点。
9.根据权利要求1所述的一种解决采样频率偏差对电流保护方向元件影响的方法，其特征在于：所述故障为三相故障或者两相短路转三相短路类转换型故障。
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|---|---|---|---|---|
| CN111756373A (zh) * | 2020-06-02 | 2020-10-09 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种基于记忆电压原理的锁相环控制方法及系统 |
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| WO2009124073A2 (en) * | 2008-04-04 | 2009-10-08 | Schweitzer Engineering Laboratories, Inc. | Acquiring phasors outside the frequency tracking range for power protective relays |
| CN104360156A (zh) * | 2014-11-05 | 2015-02-18 | 国家电网公司 | 一种电力系统频率偏移时信号相角的测量方法 |
| CN106970264A (zh) * | 2017-03-02 | 2017-07-21 | 浙江大学 | 一种考虑电网频率变化率的改进相位差校正法 |
-
2017
- 2017-09-14 CN CN201710827419.8A patent/CN107579509B/zh active Active
Patent Citations (3)
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| CN111756373A (zh) * | 2020-06-02 | 2020-10-09 | 中国电力科学研究院有限公司 | 一种基于记忆电压原理的锁相环控制方法及系统 |
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