CN110501634B - 基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置及方法，该装置包括供电模块、电压取样电路、模数转换模块、DSP芯片、继电器误动信号屏蔽模块；电压取样电路与模数转换模块连接，模数转换模块与DSP芯片连接，DSP芯片连接控制继电器信号控制模块。本发明通过电压取样电路采集电压，利用改进递归小波对电压特征进行提取，从而实现故障信号与正常信号的辨识，实现故障实时监测。检测方法实现简单，具有良好的滤波性能和抗干扰能力，检测精度较高，能实现中间继电器故障实时在线监测。

Description

基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置及方法
技术领域
本发明涉及电力系统安全领域，尤其涉及一种基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置及方法。
背景技术
电力系统中二次回路中继电保护对一次回路故障可以起到良好的保护作用。继电器对于电力系统故障保护具有较好的选择性、速动性、灵敏性和可靠性，能够正确的切除一次系统故障。
大规模集成电路技术的飞速发展，微处理机和微型计算机的普遍应用，极大地推动了数字式继电保护技术的开发，而直流二次回路中系统也越来越复杂，从而导致了系统故障的检测也越来越困难。
近年来，随着继电器的大量使用，电力系统中直流母线长度也越来越长，较长的直流母线会造成母线对地电容增加，当直流母线绝缘检测开关切换时，可能导致其对地充电，从而造成继电器的误动作。目前为止，已经发生过多起继电器误动作事件。由于继电器在对电路保护上存在速动性，因此继电器故障检测的实时性要求较高，导致了防误动算法研究的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置及方法，实现对继电器误动作的检测与防范。
本发明为达目的所采取的技术方案是：
提供一种基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置，其特征在于，包括供电模块，以及顺次连接的电压取样电路、模数转换模块、DSP模块、继电器误动信号屏蔽模块；
所述供电模块用于给电压取样电路、模数转换模块、DSP模块、继电器误动信号屏蔽模块供电；
电压取样电路对中间继电器的端电压进行取样；
DSP模块发出采样指令至模数转换模块，模数转换模块根据采样指令开始采样，并将采集的电压模拟量转换为数字信号传递给DSP模块；DSP模块对信号进行递归小波变换，通过递归小波变换赋值，将电压信号的特征量与预先设置的故障阈值区间进行比较，判断故障类型，并通过继电器误动信号屏蔽模块发出控制信号屏蔽继电器动作信号。
接上述技术方案，所述电压取样电路包含两个串联的高精度取样电阻，两个串联的高精度取样电阻并联在中间继电器两端。
接上述技术方案，误动信号屏蔽模块包括数模转换模块和信号放大电路，数模转换模块与DSP模块相连；当检测到故障发生时，误动信号屏蔽模块发出低电平信号，通过信号放大电路将电平信号放大到与继电器动作信号等幅值。
接上述技术方案，DSP模块具体对经模数转换后的电压信号做递归小波变换，提取出电压信号特征量，并对电压信号特征量与预先设置的阈值区间进行比较，判断故障类型。
本发明还提供了一种基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置对继电器误动进行实时监测的方法，包括以下步骤：
步骤(1)，启动电压取样电路对中间继电器的端电压进行取样，并将取样电压传递给模数转换模块；
步骤(2)，利用模数转换模块处理取样电压，将模拟电压转换成数字信号，传至DSP模块，转入步骤(3)；
步骤(3)，DSP模块对经模数转换后的电压信号做递归小波变换，提取出电压信号的特征量(特征量是指电压幅值和相位，这里主要是将继电器发生故障时的电压幅值作为特征量)，转入步骤(4)；
步骤(4)，将电压信号特征量与预先设置的故障阈值区间进行比较，判断故障类型，如果电压信号特征量大于第四阈值δ4，说明继电器是正常动作；转入步骤(6)，否则转入步骤(5)；
步骤(5)，如果电压信号特征量大于等于阈值δ0，小于第一阈值δ1，则继电器存在高阻值接地故障；如果电压信号特征量大于等于第一阈值δ1，小于第二阈值δ2，则继电器存在接地短路故障；如果电压信号特征量小于第三阈值-δ3，则故障为交流串扰，转入步骤(7)；
不同信号的递归小波特征值赋值差别大，通过设置不同的阈值将故障特征区分开，其中通过电阻接地故障特征量最小，故障阈值区间为(δ0，δ1)，金属接地短路故障特征值比电阻接地大，故障阈值区间为[δ1，δ2)，交流串扰信号特征量存在负值，其幅值比电阻接地和金属接地大，因此设置其故障阈值区间为[δ2，δ3)，正常动作设置为大于δ4，在δ3与δ4之间存在一定的余量，满足正常动作与故障的辨识；
步骤(6)，继电器正常动作，防误动装置不采取措施，电压采样电路继续工作。
步骤(7)，发出屏蔽信号，屏蔽继电器动作信号，防止继电器误动，完成后转入步骤(1)。
接上述技术方案，所述步骤(7)中，继电器误动信号屏蔽模块发出屏蔽信号的具体方法为：
当检测到故障发生时，屏蔽模块发出低电平信号，通过信号放大电路将电平信号放大到与继电器动作信号等幅值，将继电器动作信号拉低，以阻止继电器误动的发生。
接上述技术方案，步骤(1)中，在启动电压取样电路对中间继电器的端电压进行取样时，具体将电压取样电路中较小电阻上的取样电压传递给模数转换模块。
使用本发明的有益效果：本发明通过电压取样电路采集电压，利用改进递归小波对电压特征进行提取，从而实现故障信号与正常信号的辨识，实现故障实时监测。本发明的检测方法实现简单，具有良好的滤波性能和抗干扰能力，检测精度较高，能实现中间继电器故障实时在线监测。
附图说明
图1为基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置的整体示意图；
图2为电压分压模块结构示意图；
图3为模数转换模块与DSP模块的连接示意图；
图4为DSP模块与继电器误动信号屏蔽模块的连接示意图；
图5基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置监测方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
中间继电器动作速度通常是微秒级别，因此要求防误动装置有较好的实时性，通过递归小波，可以在8个采样点判断继电器出现故障的状态，从而可快速对故障定位并采取措施。
参照图1，本发明基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置，包括供电模块U01、电压取样电路U02、模数转换模块U03、DSP模块U04、继电器误动信号屏蔽模块U05；
供电模块U01用于对DSP模块U04、电压取样电路模块U02、模数转换模块U03和继电器误动信号屏蔽模块U05进行供电，本发明实施例中供电模块U01可采取5V直流电压与3.3V直流电压供电，5V给继电器误动信号屏蔽模块供电，3.3V直流电压给DSP模块U04和模数转换模块U03供电。
电压取样电路U02与模数转换模块U03连接，模数转换模块U03与DSP模块U04相连，DSP模块U04和继电器误动信号屏蔽模块U05连接。
电压取样电路U02对中间继电器的端电压进行取样；DSP模块U04发出采样指令至模数转换模块U03，模数转换模块U03接受命令开始采样，模数转换模块U03将采集的电压模拟量转换为数字信号传递给DSP模块U04；DSP模块对信号进行递归小波变换，通过递归小波变换幅值大小判断故障类型，并通过继电器误动信号屏蔽模块U05发出控制信号屏蔽继电器动作信号。
参照图2，电压取样模块U02包括2个高精度取样电阻U021和U022。取样电阻先串联，然后再并联在继电器两端。不失一般性，本发实施例的的取样电阻选择100欧和5欧电阻，型号分别为EE1/20-10R-F-C3和EE1/20-100R-F-C3。
参照图3，模数转换模块U03采用16通道的12位ADC模块，不失一般性，这里选择DSP中内置的模数转换模块。
参照图3，不失一般性，DSP模块U04选择型号为TMS320F28235的DSP。
参照图4，继电器误动信号屏蔽模块U05包括数模转换模块U051和信号放大电路U052，不失一般性，数模转换模块选择型号为Risym ADS1115；电压放大模块选用RisymLM358，具有100放大增益。
参照图5，使用如前所述基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置进行继电器防误动的方法为：
步骤(1)，通过电压取样电路U02中分压电阻对继电器端电压进行分压，将分压电阻值较小的电阻U021的端电压用于模数转换模块电压采样。继电器端电压幅值为：
Figure BDA0002153059410000061
其中U0为继电器端电压，
Figure BDA0002153059410000062
为采样电阻电压，R1采样电阻，R2分压电阻。
步骤(2)，DSP模块U04发出采样指令至模数转换模块U03，模数转换模块U03接收采样指令，对继电器端电压进行采样，并将采集到的电压信号进行模数转换后传至DSP模块U04，转入步骤(3)；
步骤(3)，在DSP模块U04中对信号进行改进的递归小波变换，得到递归小波的幅值，转入步骤(4)；
改进的递归小波变换过程为：
递归小波的母小波表达式为:
Figure BDA0002153059410000063
为了使母小波满足容许条件，令
Figure BDA0002153059410000064
这里取
Figure BDA0002153059410000065
其中ω0为信号频率，η为牛顿-科特斯公式系数，u(t)为阶跃函数，加入小波尺度因子a，将其做傅里叶变换，可以得到：
Figure BDA0002153059410000066
对小波进行离散化，T为采样周期，引入平移参数k,通过(5)式与检测离散序列卷积可得：
Figure BDA0002153059410000071
对式(3)进行Z变换有：
Figure BDA0002153059410000072
式中ηi和λj是相应的Z变换系数；
改进快速递归小波变换公式为：
Figure BDA0002153059410000073
通过公式(1)-(4)递归小波变换，求出递归小波幅值，其幅值为UIRTW。
步骤(4)，判断递归小波幅值UIRWT_MAX(这里指采样数据可以达到的最大递归小波值，若最大值达到阈值区间，就可以判断是否发生误动)与正常动作时阈值大小，若UIRWT_MAX＞δ4,转入步骤(5),否则转入步骤(7)；
步骤(4)中阈值是通过检测继电器的动作电压来规定，取继电器故障电压的50％-70％作为阈值电压，首先通过继电器额定电压U0以及公式(1)-(4)获取继电器正常动作递归小波电压幅值UIRTW_S(通过额定电压计算出来的标准递归小波值，用于计算故障区间从而得到故障阈值区间)，一般情况下，高阻值接地故障幅值为UIRTW_S的50％-70％；短路故障取UIRTW_S的80％-90％，交流串扰取UIRTW_S的-150％。
步骤(5)对比递归小波幅值与故障递归小波幅值，判断故障类型。
进一步：如果阈值大于等于δ0、小于δ1，则继电器存在高阻值接地故障；如果阈值大于等于δ1、小于δ2，则继电器存在接地短路故障；如果阈值小于-δ3，则故障为交流串扰；δ0为50％-70％UIRTW_S(递归小波正常电压幅值),δ1为80％-90％UIRTW_S，δ3为100％UIRTW_S，δ4为-150％UIRTW_S。
步骤(6)继电器误动信号屏蔽模块U05发出屏蔽信号，拉低继电器动作信号，防止继电器误动，然后返回步骤(1)继续采样。
完成步骤(7)转入步骤(8)；
步骤(8)结束。
综上，与现有技术相比，本发明具备以下优点：
(1)本发明装置具有良好的抗干扰特性，可以在复杂环境中工作；
(2)本发明通过DSP对信号进行处理，具有较好的实时性，可以满足继电器的速动性；
(3)防误动装置在未检测到继电器动作时，不会对系统有任何影响，具有良好的安全性。
需要指出的是，在本文中，诸如上、下之类的关系术语仅仅用来表示将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其他变体意在涵盖非排他性的包含。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置，其特征在于，包括供电模块，以及顺次连接的电压取样电路、模数转换模块、DSP模块、继电器误动信号屏蔽模块；
所述供电模块用于给电压取样电路、模数转换模块、DSP模块、继电器误动信号屏蔽模块供电；
电压取样电路对中间继电器的端电压进行取样；
DSP模块发出采样指令至模数转换模块，模数转换模块根据采样指令开始采样，并将采样的电压模拟量转换为数字信号传递给DSP模块；DSP模块对信号进行递归小波变换，通过递归小波变换赋值，将电压信号的特征量与预先设置的故障阈值区间进行比较，判断故障类型，并通过继电器误动信号屏蔽模块发出控制信号屏蔽继电器动作信号；
具体判断过程为：在电压信号特征量小于等于第四阈值δ4时，如果电压信号特征量大于等于阈值δ0，小于第一阈值δ1，则继电器存在高阻值接地故障；如果电压信号特征量大于等于第一阈值δ1，小于第二阈值δ2，则继电器存在接地短路故障；如果电压信号特征量小于第三阈值-δ3，则故障为交流串扰。
2.根据权利要求1所述的基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置，其特征在于，所述电压取样电路包含两个串联的高精度取样电阻，两个串联的高精度取样电阻并联在中间继电器两端。
3.根据权利要求1所述的基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置，其特征在于，误动信号屏蔽模块包括数模转换模块和信号放大电路，数模转换模块与DSP模块相连；当检测到故障发生时，误动信号屏蔽模块发出低电平信号，通过信号放大电路将电平信号放大到与继电器动作信号等幅值。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置，其特征在于，DSP模块具体对经模数转换后的电压信号做递归小波变换，提取出电压信号特征量，并将电压信号特征量与预先设置的阈值区间进行比较，判断故障类型。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的基于改进递归小波算法的中间继电器防误动装置对继电器误动进行实时监测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤(1)，启动电压取样电路对中间继电器的端电压进行取样，并将取样电压传递给模数转换模块；
步骤(2)，利用模数转换模块处理取样电压，将模拟电压转换成数字信号，传至DSP模块，转入步骤(3)；
步骤(3)，DSP模块对经模数转换后的电压信号做递归小波变换，提取出电压信号的特征量，转入步骤(4)；
步骤(4)，将电压信号特征量与预先设置的故障阈值区间进行比较，判断故障类型，如果电压信号特征量大于第四阈值δ4，说明继电器是正常动作；转入步骤(6)，否则转入步骤(5)；
步骤(5)，如果电压信号特征量大于等于阈值δ0，小于第一阈值δ1，则继电器存在高阻值接地故障；如果电压信号特征量大于等于第一阈值δ1，小于第二阈值δ2，则继电器存在接地短路故障；如果电压信号特征量小于第三阈值-δ3，则故障为交流串扰，转入步骤(7)；
步骤(6)，继电器正常动作，防误动装置不采取措施，电压采样电路继续工作；
步骤(7)，发出屏蔽信号，屏蔽继电器动作信号，防止继电器误动，完成后转入步骤(1)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(7)中，继电器误动信号屏蔽模块发出屏蔽信号的具体方法为：
当检测到故障发生时，屏蔽模块发出低电平信号，通过信号放大电路将电平信号放大到与继电器动作信号等幅值，将继电器动作信号拉低，以阻止继电器误动的发生。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，在启动电压取样电路对中间继电器的端电压进行取样时，具体将电压取样电路中较小电阻上的取样电压传递给模数转换模块。
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