CN109284933B - 一种基于数理统计的电子式互感器状态评估系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数理统计的电子式互感器状态评估系统及方法，系统包括数字采集器、秒脉冲发生器以及上位机；数字采集器包括AD采样芯片及FPGA信号处理芯片，用于等时间间隔对信号进行采样、处理及转发；秒脉冲发生器用于触发数字采集器；上位机用于信号计算，得出评估结果。本发明评估电子式互感器测量状态时无需停电，且脱离了标准互感器，消除了电网一次信号的频率波动影响，仅依靠电子式互感器的采样值数据评估其测量状态，尤其可以识别测量状态的缓慢恶化。

Description

一种基于数理统计的电子式互感器状态评估系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于数理统计的电子式互感器状态评估系统及方法，属于电力设备测试技术领域。

背景技术

电力设备在线状态监测是采用传感器测量设备的关键参量，以评估设备运行状态，为“坚强智能电网”构筑另一道安全预控防线。电子式互感器是智能变电站的重要一次设备，用于测量电网电压和电流，为继电保护、测量控制以及电能计量提供数据源。一旦电子式互感器测量状态恶化，发生误差严重超差或失效，将引发继电保护装置误动作或闭锁，严重影响电网可靠运行。

评估电子式互感器的测量状态，一般需要依赖标准互感器。长期以来，为了确保在运电子式互感器处于良好的测量状态，一般采用周期停电校验方法，即每隔一定时间，线路停电，将被测设备从系统中退出后进行校验，这种校验方式只能配合检修计划进行，操作不灵活。为了克服停电缺陷，一些科研单位和高校研究了带电检测技术，即线路不停电，将标准互感器以带电的方式接入，但存在安全风险。目前还存在无标准器的评估电子式互感器测量状态的两种主要方法：一是基于信号处理的方法，即对电子式互感器的异常输出进行特征分类、提取和识别，但此种方法只能识别较大的状态突变，无法检测电子式互感器测量状态的渐变性变化，且电网一次性不稳定时易造成误判或漏判等问题；二是基于模型的方法，即对输变电元件进行建模，包括物理模型、数学解析模型等，再依据模型求解测量理论真值，通过比较理论真值与实际测量值，分析电子式互感器的测量状态，而此种方法需要对输电线路、变压器等建立精确的模型，对于工程条件下很难满足电子式互感器0.2级计量准确度的要求。因此，目前尚无有应用前景的电子式互感器测量状态评估方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种基于数理统计的电子式互感器状态评估系统及方法，在评估电子式互感器测量状态过程中，无需停电，且脱离了标准互感器，仅依靠电子式互感器的采样值数据评估其测量状态，尤其可以识别测量状态的缓慢恶化。

本发明采用以下技术方案来实现上述目的：

一种基于数理统计的电子式互感器状态评估系统，包括数据采集器、秒脉冲发生器以及上位机；在线待评估电子式互感器的输出端与数据采集器的输入端相连接，数据采集器的输出端与上位机相连接，秒脉冲发生器与数据采集器相连接；

所述数据采集器包括AD采样芯片和FPGA信号处理芯片，AD采样芯片采样在线待评估电子式互感器的输出模拟信号，转化为数字信号并传输至FPGA信号处理芯片，FPGA信号处理芯片转发数字信号至上位机；

所述上位机接收在线被评估电子式互感器运行时的输出信号，所述上位机消除所接收到的输出信号由于电网频率波动引起的相位累积变化，所述上位机确定输出信号的特征信息及统计分布参数，所述上位机根据所述特征信息及统计分布参数得出所述在线待评估电子式互感器的评估结果。

前述的特征信息为：取若干个相等时间间隔的电子式互感器的输出信号，相邻输出信号的初相位的相位差作为特征信息；所述统计分布参数为特征信息的均值和方差；

所述上位机的具体处理过程如下：

11)上位机截取n个周期长度的采样值数据，计算初相位

其中，

T为周期，t为时间，

f(t)为电子式互感器的输出信号的傅里叶展开，表示如下：

其中，a₀为直流分量，ω₁为基波，k为谐波次数，a_k和b_k为k次谐波系数；

12)上位机对初相位

消除频率波动引起的相位累积变化，得到修正后的初相位

13)上位机计算特征信息，具体为：上位机取若干个相等时间间隔的输出信号，依次计算每段时间间隔内的初相位

然后对相邻初相位作差，得到相位差

即为特征信息：

其中，z为选取的输出信号个数；

14)上位机计算统计分布参数：

均值：

方差：

15)上位机将计算的标准特征信息以及特征信息进行对比，评估电子式互感器的测量状态。

一种基于数理统计的电子式互感器状态评估方法，包括以下步骤：

1)上位机接收在线被评估电子式互感器正常状态时的输出信号；

2)上位机消除所述步骤1)输出信号中的频率波动引起的相位累积变化后，计算输出信号的特征信息以及特征信息的统计分布参数，并将所计算的特征信息及统计分布参数作为标准特征信息及标准统计分布参数；

3)上位机接收在线被评估电子式互感器测量状态下的输出信号；

4)上位机消除所述步骤3)输出信号中的频率波动引起的相位累积变化后，计算输出信号的特征信息以及特征信息的统计分布参数；

5)所述上位机将所述步骤2)计算的标准特征信息及标准统计分布参数与所述步骤4)计算的特征信息及统计分布参数进行对比，得出所述在线待评估电子式互感器的评估结果。

前述的步骤2)和步骤4)中，计算特征信息的过程如下：

21)截取n个周期长度的采样值数据，计算初相位

其中，

T为周期，f(t)为电子式互感器的输出信号的傅里叶展开，ω₁为基波，t为时间；

22)对初相位

消除频率波动引起的相位累积变化，得到修正后的初相位

其中，k为谐波次数；

23)取若干个相等时间间隔的输出信号，依次计算每段时间间隔内的初相位

然后对相邻初相位作差，得到相位差

即为特征信息：

其中，z为选取的输出信号个数。

前述的电子式互感器的输出信号的傅里叶展开式为：

其中，a₀为直流分量a_k和b_k为k次谐波系数。

前述的统计分布参数为特征信息的均值和方差，计算如下：

均值

为：

方差s²为：

前述的在测量过程中，通过改变数据采集器的采样数据位数，模拟在线被评估电子式互感器测量状态的异常变化，具体操作过程为：首先正常输出情况下测试10分钟，然后将AD采样芯片的采样数据截断，再测试10分钟。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明的电子式互感器测量状态评估系统，带电评估电子式互感器，无需周期停电，操作方便灵活，且脱离了标准互感器，提高了校验安全性。

2、本发明的电子式互感器测量状态评估方法，消除了电网一次信号的频率波动影响，仅依靠电子式互感器的采样值数据评估其测量状态，尤其可以识别测量状态的缓慢恶化。

附图说明

图1为本发明的基于数理统计的电子式互感器测量状态评估系统结构示意图；

图2为本发明的基于数理统计的电子式互感器测量状态评估方法流程图；

图3为截断位为18的测试数据；

图4为截断位为14的测试数据；

图5为截断位为10的测试数据。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

作为一种数字化电测量设备，电子式互感器按照严格的时序对被测量信号进行数字化，通常将数字化过程称为采样。

本发明的基于数理统计的电子式互感器状态评估系统及方法，其关键是通过研究电子式互感器本身的采样值数据，计算得出可反映电子式互感器测量状态的特征信息，该特征信息在正常状态下具有特定的统计分布规律。一旦电子式互感器测量状态恶化，导致采样值的品质变差，特征信息的统计分布相应发生变化，依靠数理统计方法辨识出特征信息的变化，从而评估电子式互感器的测量状态。

以下具体阐述反映电子式互感器测量状态的特征信息的计算过程：

被测模拟信号u₁(t)的解析式可以表示为：

上式中，U₁是被测模拟信号的幅值，ω₀是被测模拟信号的角频率，

是初相位。

将式(1)进行傅里叶级数展开为：

上式中，f(t)为u₁(t)的傅里叶展开，a₀为直流分量，ω₁为基波，k为谐波次数，a_k和b_k为k次谐波系数。

截取n个周期长度的采样值数据，则初相位

为：

其中，

T为被测信号周期。

由于在实际电网运行中，ω₀不为恒定值，需要消除频率波动引起的相位累积变化。以1s时间间隔为例，假设在kT₀时刻测量的频率偏差为Δf(kT₀)，则在1s时间内，频率波动对相位的累积影响

近似为：

若Δf(kT₀)单位为Hz，则

的单位为弧度，k表示采样点。

在实施例中，对初相位

按式(5)做修正处理，

为修正后的初相位：

取若干个相等时间间隔的测量值，按照式(3)和式(5)依次计算每段时间间隔内的初相位

z表示有z个测量值。按式(6)对相邻初相位作差，所得结果相位差

应为常量。

若时间间隔取Δt，则所得相位差

应恒为：

当电子式互感器的测量状态发生某种变化，使得测量值在被测信号上叠加一个误差，假设该误差为g(t)。同理，从起始时刻，截取nT长度的数据，计算初相位

为：

式中，

若记

则当且仅当式(9)所示条件满足时，

式(9)成立的条件对于同一台电子式互感器而言，是非常苛刻的。所以，一般情况下，只要电子式互感器测量状态发生恶化，测量信号上叠加有误差，就会有

由于相位差

是每次计算的初相位

作差分的结果，其分布必然会受到影响。因此，相位差

的统计分布可以反映电子式互感器测量状态，本发明选取相位差

作为特征信息。

特征信息

的统计分布参数，包括均值和方差，按照下式计算：

均值：

方差：

如图1所示，本发明的评估系统包括数据采集器2、秒脉冲发生器5以及上位机6。

在线待评估电子式互感器1的输出端与数据采集器2的输入端相连接，数据采集器2的输出端与上位机6相连接，秒脉冲发生器5与数据采集器2相连接。

下面对各部分作进一步详细的说明。

1、在线待评估电子式互感器，用于检验评估系统的准确性；

本实施例中选用的在线待评估电子式互感器，其额定电流为300A，准确度等级为0.2S级，铁芯材料和型号为纳米晶合金1K107，铁芯尺寸为长度L＝130.37cm，截面面积S＝2.5cm²。

2、数据采集器，用于等时间间隔对信号进行数字采样、处理以及转发；

数据采集器2包括AD采样芯片3以及FPGA信号处理芯片4；

AD采样芯片2采样在线待评估电子式互感器1的输出模拟信号，转化为数字信号并传输至FPGA信号处理芯片3，FPGA信号处理芯片3转发数字信号至上位机6。

本实施例中采用的AD采样芯片的型号为ADS1278，FPGA信号处理芯片的型号为EP4CE6E22C8N。

4、脉冲发生器，用于提供触发信号，使数据采集器等时间间隔采样；

脉冲发生器5与FPGA信号处理芯片4相连接，触发FPGA信号处理芯片4，然后由FPGA信号处理芯片4控制AD采样芯片3等时间间隔采样；

本实施例中，脉冲发生器5产生一个频率为1Hz、占空比为50％的方波，触发FPGA信号处理芯片4，进而控制AD采样芯片3每隔1秒钟进行一次采样。

5、上位机，用于信号的计算处理，得出评估结果；

FPGA信号处理芯片4将数字信号转发至上位机6，上位机6对信号进行处理计算，包括消除电网频率波动引起的相位累积变化、计算特征信息及其统计分布参数，得出所述在线待评估电子式互感器的评估结果。

计算过程如图2所示，具体为：

1、获取标准特征信息

及其统计分布参数

AD采样芯片截取在线待评估电子式互感器正常状态时输出信号的前若干个周波，按照式(3)和式(5)计算初相位

再根据式(6)、式(10)将初相位

作差分处理得到反映电子式互感器测量状态的标准特征信息

以及标准特征信息

的统计分布参数(均值

和方差s²)。标准特征信息

作为评估电子式互感器时特征信息的比对标准，通过识别待评估互感器特征信息和所述标准特征信息的统计分布参数差异评估互感器的状态。本实施例中采样率为10kHz，选取前5个周波进行计算，即n＝5。

2、实施电子式互感器测量状态的评估

步骤1：用秒脉冲发生器触发FPGA信号处理芯片，控制AD采样芯片等时间间隔采集在线被评估电子式互感器的输出信号，转换为数字信号传输至FPGA信号处理芯片，由FPGA信号处理芯片对接收到的信号进行计算处理，然后转发信号至上位机。

步骤2：上位机将运行时的输出信号进行计算处理，按照式(4)、式(5)消除频率波动影响，然后按照式(6)、式(10)计算得到输出信号的特征信息

以及特征信息

的统计分布参数，用数理统计的方法识别标准特征信息

以及特征信息

的变化，从而评估电子式互感器的测量状态。

本实施例中，通过改变数据采集器的采样数据位数，即采用数据截断的方法，模拟电子式互感器测量误差状态的异常变化；首先正常情况下测试10分钟，然后将AD采样芯片的采样数据截断，再测试10分钟；上述实验过程重复三次，截断位数分别取18位、14位和10位，每秒测试一个误差数据，一共得到3组数据，每组数据共计1200个相位计算值。测试数据如图3-图5所示。截断前后特征信息的统计分布参数计算结果如表1所示，

表1测试结果

实验结果表明，随着电子式互感器测量误差的逐渐增大，测量的节点相位差变化方差呈现逐步增大的趋势，根据其变化幅度的大小即可判断电子式互感器的测量误差情况。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法的流程图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图中的每一流程、以及流程图中的流程的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的步骤。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (4)

1.一种基于数理统计的电子式互感器状态评估系统，其特征在于，包括数据采集器、秒脉冲发生器以及上位机；在线待评估电子式互感器的输出端与数据采集器的输入端相连接，数据采集器的输出端与上位机相连接，秒脉冲发生器与数据采集器相连接；

所述数据采集器包括AD采样芯片和FPGA信号处理芯片，AD采样芯片采样在线待评估电子式互感器的输出模拟信号，转化为数字信号并传输至FPGA信号处理芯片，FPGA信号处理芯片转发数字信号至上位机；

所述上位机接收在线待评估电子式互感器运行时的输出信号，所述上位机消除所接收到的输出信号由于电网频率波动引起的相位累积变化，所述上位机确定输出信号的特征信息及统计分布参数，所述上位机根据所述特征信息及统计分布参数得出所述在线待评估电子式互感器的评估结果；

所述特征信息为：取若干个相等时间间隔的电子式互感器的输出信号，相邻输出信号的初相位的相位差作为特征信息；所述统计分布参数为特征信息的均值和方差；

所述上位机的具体处理过程如下：

11)上位机截取n个周期长度的采样值数据，计算初相位

其中，

T为周期，t为时间，

f(t)为电子式互感器的输出信号的傅里叶展开，表示如下：

其中，a₀为直流分量，ω₁为基波，k为谐波次数，a_k和b_k为k次谐波系数；

12)上位机对初相位

消除频率波动引起的相位累积变化，得到修正后的初相位

其中，

为频率波动对相位的累积影响；

13)上位机计算特征信息，具体为：上位机取若干个相等时间间隔的输出信号，依次计算每段时间间隔内的初相位

然后对相邻初相位作差，得到相位差

即为特征信息：

其中，z为选取的输出信号个数；

14)上位机计算统计分布参数：

均值：

方差：

15)上位机将计算的特征信息与计算的标准特征信息进行对比，评估电子式互感器的测量状态。

2.一种基于数理统计的电子式互感器状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)上位机接收在线待评估电子式互感器正常状态时的输出信号；

2)上位机消除所述步骤1)输出信号中的频率波动引起的相位累积变化后，计算输出信号的特征信息以及特征信息的统计分布参数，并将所计算的特征信息及统计分布参数作为标准特征信息及标准统计分布参数；

3)上位机接收在线待评估电子式互感器测量状态下的输出信号；

4)上位机消除所述步骤3)输出信号中的频率波动引起的相位累积变化后，计算输出信号的特征信息以及特征信息的统计分布参数；

5)所述上位机将所述步骤2)计算的标准特征信息及标准统计分布参数与所述步骤4)计算的特征信息及统计分布参数进行对比，得出所述在线待评估电子式互感器的评估结果；

所述步骤2)和步骤4)中，计算特征信息的过程如下：

21)截取n个周期长度的采样值数据，计算初相位

其中，

T为周期，f(t)为电子式互感器的输出信号的傅里叶展开，ω₁为基波，t为时间；

22)对初相位

消除频率波动引起的相位累积变化，得到修正后的初相位

其中，k为谐波次数，

为频率波动对相位的累积影响；

23)取若干个相等时间间隔的输出信号，依次计算每段时间间隔内的初相位

然后对相邻初相位作差，得到相位差

即为特征信息：

其中，z为选取的输出信号个数；

统计分布参数计算如下：

均值

为：

方差s²为：

3.根据权利要求2所述的一种基于数理统计的电子式互感器状态评估方法，其特征在于，所述电子式互感器的输出信号的傅里叶展开式为：

其中，a₀为直流分量，a_k和b_k为k次谐波系数。

4.根据权利要求2所述的一种基于数理统计的电子式互感器状态评估方法，其特征在于，在测量过程中，通过改变数据采集器的采样数据位数，模拟在线待评估电子式互感器测量状态的异常变化，具体操作过程为：首先正常输出情况下测试10分钟，然后将AD采样芯片的采样数据截断，再测试10分钟。

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