CN112098719A - 一种频率变化的正弦波信号傅氏计算方法及继电保护装置 - Google Patents

一种频率变化的正弦波信号傅氏计算方法及继电保护装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种频率变化的正弦波信号傅氏计算方法及继电保护装置，在计算频率变化后的一个周波的采样点数时，增加了小数部分，并将小数部分赋予一定的采样值；最后将计算得到一个周波的采样点值与小数部分的采样值融合，共同计算得出计算值。该方法通过小数部分的采样值补偿频率变化后的一个周波的采样点值，从而大大减小了误差。本发明的方法可在系统频率出现缓慢波动时准确计算系统电压、电流矢量的实、虚部，以解决电网频率变化时继电保护装置中电压及电流矢量的实、虚部计算误差过大的问题，防止因频率变化导致继电保护装置误动作或拒动作。

Description

一种频率变化的正弦波信号傅氏计算方法及继电保护装置
技术领域
本发明涉及电力工程的电力系统继电保护技术领域，尤其涉及一种频率变化的正弦波信号傅氏计算方法及继电保护装置。
背景技术
继电保护装置要求逻辑判别采用的测量数据精确可靠，科学的计算方法是保证数据精度的重要基础。
对于交流离散信号，主要是指电压信号和电流信号，在频率恒定的情况下，傅氏计算可以按照常规固定工频整数倍采样率进行计算。但是在频率变化的情况下，仍然采样现有固定工频整数倍采样率方法，会出现一周波采样点数不是整数的情况，由于采用离散信号，一个工频周波的采样点数不再是实际的一个周波的采样点数，会产生较大的误差，最终导致继电保护装置误动作或拒动作。
发明内容
针对电网频率变化时继电保护装置中电压及电流矢量的实、虚部计算误差过大的问题，本发明提供一种频率变化的正弦波信号傅氏计算方法及继电保护装置，通过小数部分的采样值补偿频率变化后的一个周波的采样点值，从而大大减小了误差。
为达到上述目的，本发明提供了一种频率变化的正弦波信号傅氏计算方法，包括：
采集频率变化的正弦波信号x(t)；
测量正弦波信号x(t)的频率f1；
采用额定频率下每周波的采样点数为基准计算所述正弦波信号每周波实际采样点数N的整数部分和小数部分；
分别计算整数部分采样值变换与小数部分采样值变换，再将两部分变换相叠加，得到各次谐波的傅氏计算值。
进一步地，计算所述正弦波信号每周波实际采样点数N的整数部分和小数部分的步骤包括：
计算每周波实际采样点数N：
Figure BDA0002621902470000021
其中N0为额定频率f0下每周波的采样点数；N的整数部分为NZ＝[N]，小数部分为Ns＝N-Nz。
进一步地，计算整数部分采样值变换的步骤包括：
计算整数部分算法变换后的实部realn和虚部imagn；
Figure BDA0002621902470000022
Figure BDA0002621902470000023
其中，T为额定周期，t为采样时间；
用分段梯形积分公式对实部realn和虚部imagn进行离散处理。
进一步地，计算计算小数部分采样值变换包括：采用插值法计算小数部分算法变换后的实部realk.s和虚部imagk.s；令fs＝N0f0；
Figure BDA0002621902470000024
Figure BDA0002621902470000031
其中Ns为N的整数部分，Nz为N的小数部分为，n为当前采样点，k为谐波次数i为一周内数据点，x(n)为离散后的正弦波信号。
进一步地，各次谐波的傅氏计算值实部realk和虚部imagk为：
Figure BDA0002621902470000032
Figure BDA0002621902470000033
其中Ns为N的整数部分，Nz为N的小数部分为，n为当前采样点，k为谐波次数i为一周内数据点，x(i)为离散后的正弦波信号。
进一步地，还包括基于各次谐波的傅氏计算值上送，当上送值超过继电保护定值则保护装置动作。
本发明另一方面提供一种继电保护装置，包括采样模块，频率计算模块，采样点数计算模块，傅氏变换模块；
所述采样模块采集频率变化的正弦波信号x(t)；
所述频率计算模块计算正弦波信号x(t)的频率f1；
所述采样点数计算模块基于频率f1采用额定频率下每周波的采样点数为基准计算每周波实际采样点数N的整数部分和小数部分并发送给所述傅氏变换模块；
所述傅氏变换模块分别计算整数部分采样值变换与小数部分采样值变换，再将两部分变换相叠加，得到各次谐波的傅氏计算值。
进一步地，所述采样点数计算模块基于频率f1采用额定频率下每周波的采样点数为基准计算每周波实际采样点数N的整数部分和小数部分并发送给所述傅氏变换模块，包括：
计算每周波实际采样点数N：
Figure BDA0002621902470000041
其中N0为额定频率f0下每周波的采样点数；N的整数部分为NZ＝[N]，小数部分为Ns＝N-Nz。
进一步地，所述傅氏变换模块得到各次谐波的傅氏计算值为：
Figure BDA0002621902470000042
Figure BDA0002621902470000043
其中Ns为N的整数部分，Nz为N的小数部分为，n为当前采样点，k为谐波次数i为一周内数据点，x(i)为离散后的正弦波信号。
进一步地，还包括控制模块，基于各次谐波的傅氏计算值的测量值上送值进行判断，当上送值超过继电保护定值则保护装置动作。。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明在计算频率变化后的一个周波的采样点数时，增加了小数部分，并将小数部分赋予一定的采样值；最后将计算得到一个周波的采样点值与小数部分的采样值融合，共同计算得出计算值。通过小数部分的采样值补偿频率变化后的一个周波的采样点值，从而大大减小了误差。
(2)本发明可在系统频率出现缓慢波动时准确计算系统电压、电流矢量的实、虚部，以解决电网频率变化时继电保护装置中电压及电流矢量的实、虚部计算误差过大的问题，防止因频率变化导致继电保护装置误动作或拒动作。
附图说明
图1为本发明的计算流程图；
图2为继电保护装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
由于在频率变化时，固定采样率下一周采样点数不再是整数，例如，当频率变大，而采样频率不变的情况下，一个周波中的采样点数必然减少，如果仍然按照原来的一个工频周波采样点数进行计算，那么将会引入其他周波的采样点，计算结果必然有较大误差。频率变化后，在采样频率没有变化的情况下，一周采样点数往往不再是整数，用整数采样点并不能很好的覆盖整个周波，因此其误差会比较大。
本发明中在计算频率变化后的一个周波的采样点数时，增加了小数部分，并将小数部分赋予一定的采样值，也可以说，该小数部分的采样值是等效出的；最后将计算得到一个周波的采样点值与小数部分的采样值融合，共同计算得出计算值。该方法通过小数部分的采样值补偿频率变化后的一个周波的采样点值，从而大大减小了误差。
本发明的方法可在系统频率出现缓慢波动时准确计算系统电压、电流矢量的实、虚部，以解决电网频率变化时继电保护装置中电压及电流矢量的实、虚部计算误差过大的问题，防止因频率变化导致继电保护装置误动作或拒动作。
本发明为解决上述技术问题提供了一种频率变化的正弦波信号傅氏计算方法，该方法包括以下步骤：
(1)采集频率变化的正弦波信号x(t)；该正弦波信号例如为配电网的电压信号或电流信号。
(2)测量正弦波信号x(t)的频率f1。
(3)根据额定采样率和正弦波额定频率及正弦波当前测量频率计算出当前每周波采样点数的整数部分和小数部分，计算公式如下：
Figure BDA0002621902470000061
其中N0为额定频率下每周波的采样点数，f0为额定频率，即50Hz，f1为实际测量频率。N为计算得到的实际采样点数，整数部分为NZ＝[N]，小数部分为Ns＝N-Nz。
(4)分别计算整数部分采样值变换与小数部分采样值变换，再将两部分变换相叠加，即得补偿后的各次谐波的傅氏计算值。
4.1傅氏算法n次谐波的计算公式为：
实部：
Figure BDA0002621902470000062
虚部：
Figure BDA0002621902470000063
用分段梯形积分公式对式(2)和式(3)进行离散处理。
4.2采用插值法计算等效小数部分采样值变换；
插值算法计算等效小数部分公式为：
令fs＝N0f0，f0＝50Hz。
Figure BDA0002621902470000064
Figure BDA0002621902470000071
即补偿一个数据窗前后两边的采样值变换，并对两边的小数部分各取一半的加权。
4.3补偿后的各次谐波的傅氏计算值计算公式为：
Figure BDA0002621902470000072
Figure BDA0002621902470000073
(5)基于各次谐波的傅氏计算值的测量值上送，计算上送值值超过继电保护定值则保护装置动作。
本发明另一方面提供一种继电保护装置，包括采样模块，频率计算模块，采样点数计算模块，傅氏变换模块。
所述采样模块采集频率变化的正弦波信号x(t)。
所述频率计算模块计算正弦波信号x(t)的频率f1。
所述采样点数计算模块基于频率f1采用额定频率下每周波的采样点数为基准计算每周波实际采样点数N的整数部分和小数部分并发送给所述傅氏变换模块；包括：
计算每周波实际采样点数N：
Figure BDA0002621902470000074
其中N0为额定频率f0下每周波的采样点数；N的整数部分为NZ＝[N]，小数部分为Ns＝N-Nz。
所述傅氏变换模块分别计算整数部分采样值变换与小数部分采样值变换，再将两部分变换相叠加，得到各次谐波的傅氏计算值。包括：
Figure BDA0002621902470000081
Figure BDA0002621902470000082
其中Ns为N的整数部分，Nz为N的小数部分为，n为当前采样点，k为谐波次数，i为一周内数据点，x(i)为离散后的正弦波信号。
进一步地，还可以设置控制模块，基于各次谐波的傅氏计算值的测量值上送，上送值超过继电保护定值则保护装置动作。
本发明的方法适用于频率变化较为缓慢的情况。之所以本发明侧重于频率缓慢变化(例如小于0.5Hz/s)，是因为计算过程中需要检测当前频率，从而计算一个周波的采样点数；若频率变化过快则不适合本发明的方法。其中，频率变化缓慢是指至少应保证在若干个周波的实际之内，频率不会有较大变化。至于缓慢的程度，即若干个周波究竟是多少个周波，可以由本领域技术人员根据实际情况进行确定在变化多快的情况下不再采样本发明的方法，即这个“程度”是由本领域技术人员把握的，因此，本发明并不对缓慢变化的程度进行过多解释。
综上所述，本发明涉及一种频率变化的正弦波信号傅氏计算方法及继电保护装置，在计算频率变化后的一个周波的采样点数时，增加了小数部分，并将小数部分赋予一定的采样值；最后将计算得到一个周波的采样点值与小数部分的采样值融合，共同计算得出计算值。该方法通过小数部分的采样值补偿频率变化后的一个周波的采样点值，从而大大减小了误差。本发明的方法可在系统频率出现缓慢波动时准确计算系统电压、电流矢量的实、虚部，以解决电网频率变化时继电保护装置中电压及电流矢量的实、虚部计算误差过大的问题，防止因频率变化导致继电保护装置误动作或拒动作。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种频率变化的正弦波信号傅氏计算方法，其特征在于，包括：
采集频率变化的正弦波信号x(t)；
测量正弦波信号x(t)的频率f1；
采用额定频率下每周波的采样点数为基准计算所述正弦波信号每周波实际采样点数N的整数部分和小数部分；
分别计算整数部分采样值变换与小数部分采样值变换，再将两部分变换相叠加，得到各次谐波的傅氏计算值。
2.根据权利要求1所述的频率变化的正弦波信号傅氏计算方法，其特征在于，计算所述正弦波信号每周波实际采样点数N的整数部分和小数部分的步骤包括：
计算每周波实际采样点数N：
Figure FDA0002621902460000011
其中N0为额定频率f0下每周波的采样点数；N的整数部分为NZ＝[N]，小数部分为Ns＝N-Nz。
3.根据权利要求2所述的频率变化的正弦波信号傅氏计算方法，其特征在于，计算整数部分采样值变换的步骤包括：
计算整数部分算法变换后的实部realn和虚部imagn；
Figure FDA0002621902460000012
Figure FDA0002621902460000013
其中，T为额定周期，t为采样时间；
用分段梯形积分公式对实部realn和虚部imagn进行离散处理。
4.根据权利要求3所述的频率变化的正弦波信号傅氏计算方法，其特征在于，计算计算小数部分采样值变换包括：采用插值法计算小数部分算法变换后的实部realk.s和虚部imagk.s如下式，
Figure FDA0002621902460000021
Figure FDA0002621902460000022
其中fs＝N0f0；Ns为N的整数部分，Nz为N的小数部分为，n为当前采样点，k为谐波次数，x(n)为离散后的正弦波信号。
5.根据权利要求3或4所述的频率变化的正弦波信号傅氏计算方法，其特征在于，各次谐波的傅氏计算值实部realk和虚部imagk为：
Figure FDA0002621902460000023
Figure FDA0002621902460000024
其中Ns为N的整数部分，Nz为N的小数部分为，n为当前采样点，k为谐波次数i为一周内数据点，x(i)为离散后的正弦波信号。
6.根据权利要求1或2所述的频率变化的正弦波信号傅氏计算方法，其特征在于，还包括基于各次谐波的傅氏计算值上送，当上送值超过继电保护定值则保护装置动作。
7.一种继电保护装置，其特征在于，包括采样模块，频率计算模块，采样点数计算模块，傅氏变换模块；
所述采样模块采集频率变化的正弦波信号x(t)；
所述频率计算模块计算正弦波信号x(t)的频率f1；
所述采样点数计算模块基于频率f1采用额定频率下每周波的采样点数为基准计算每周波实际采样点数N的整数部分和小数部分并发送给所述傅氏变换模块；
所述傅氏变换模块分别计算整数部分采样值变换与小数部分采样值变换，再将两部分变换相叠加，得到各次谐波的傅氏计算值。
8.根据权利要求7所述的继电保护装置，其特征在于，所述采样点数计算模块基于频率f1采用额定频率下每周波的采样点数为基准计算每周波实际采样点数N的整数部分和小数部分并发送给所述傅氏变换模块，包括：
计算每周波实际采样点数N：
Figure FDA0002621902460000031
其中N0为额定频率f0下每周波的采样点数；N的整数部分为NZ＝[N]，小数部分为Ns＝N-Nz。
9.根据权利要求8所述的继电保护装置，其特征在于，所述傅氏变换模块得到各次谐波的傅氏计算值为：
Figure FDA0002621902460000032
Figure FDA0002621902460000033
其中Ns为N的整数部分，Nz为N的小数部分为，n为当前采样点，k为谐波次数，i为一周内数据点，x(i)为离散后的正弦波信号。
10.根据权利要求8所述的继电保护装置，其特征在于，还包括控制模块，将基于各次谐波的傅氏计算值上送值进行判断，当上送值超过继电保护定值则保护装置动作。
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