CN114047392A - 一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法 - Google Patents

一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法 Download PDF

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CN114047392A CN202111130294.6A CN202111130294A CN114047392A CN 114047392 A CN114047392 A CN 114047392A CN 202111130294 A CN202111130294 A CN 202111130294A CN 114047392 A CN114047392 A CN 114047392A
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Abstract

本发明公开了一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，其包括：获取低压保护装置的原始采样点电信号；利用滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理，得到滤波后的采样点电信号；对滤波后的采样点电信号进行离散傅里叶变换，得到采样点电信号的计算幅值和计算相角；利用滤波器的幅值补偿系数和相角补偿系数对采样点电信号的计算幅值和计算相角进行修正处理，得到修正后的幅值和相角。本发明能够在滤除干扰信号的同时提高幅值相角的准确性，可以使得低压保护装置在进行电磁兼容试验时不会出现误动的情况。

Description

一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法
技术领域
本发明涉及一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，属于电力系统二次设备的信号测量技术领域。
背景技术
基于嵌入式的微机保护装置目前已广泛应用在电力系统的各种厂、站等场所。保护装置工作过程中需要准确测量电力系统中电压、电流的信号，目前常用离散傅里叶算法(DFT)处理电压、电流信号，测量电压、电流幅值相角，从而使得保护装置在电力系统出现故障(过流、过压、欠压等)时有效的跳开故障部分，保护整个电力系统安全稳定运行。
低压保护装置在进行电磁兼容试验时需要在交流采样信号上叠加高频的大电压干扰信号，要求低压保护装置投入各项保护功能且时延设置为0ms。此时如果采用离散傅里叶算法测量低压保护装置中电压、电流幅值相角，信号中的尖峰、毛刺等可能会影响测量结果，不准确的测量测量结果会引起电力系统低压保护装置误动作等情况。
发明内容
针对现有技术中DFT无法准确测量低压保护装置中电信号幅值相角的问题，本发明提出了一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，在不改变原有采样频率的前提下对低压保护装置的电信号进行滤波、DFT和修正处理，在保证幅值、相角车辆精度的同时将信号中的尖峰、毛刺过滤掉，从源头来抑制低压保护装置误动作的可能性。
为解决上述技术问题，本发明采用了如下技术手段：
本发明提出了一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，包括如下步骤：
获取低压保护装置的原始采样点电信号，所述原始采样点电信号为电压或电流；
利用滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理，得到滤波后的采样点电信号；
对滤波后的采样点电信号进行离散傅里叶变换，得到采样点电信号的计算幅值和计算相角；
利用滤波器的幅值补偿系数和相角补偿系数对采样点电信号的计算幅值和计算相角进行修正处理，得到修正后的幅值和相角。
进一步的，滤波器包括差分滤波器和积分滤波器；原始采样点电信号为电压时，利用差分滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理；原始采样点电信号为电流时，利用积分滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理。
进一步的，利用差分滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理的表达式如下：
Di+k,j＝Xi+k,j-Xi,j (1)
其中，Di+k,j表示i+k时刻第j个采样点的差分滤波后的采样点电信号，Xi+k,j表示低压保护装置中第j个采样点在i+k时刻的原始采样点电信号，Xi,j表示低压保护装置中第j个采样点在i时刻的原始采样点电信号，i＞0，k为滤波器时间间隔，k的取值范围为[1,f/50]，f为低压保护装置的采样频率，j＝1,2,…,N，N为一个周波内的采样点数量。
进一步的，利用积分滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理的表达式如下：
Figure BDA0003280226700000031
其中，Ii+k,j表示i+k时刻第j个采样点的积分滤波后的采样点电信号，Xi+k,j表示低压保护装置中第j个采样点在i+k时刻的原始采样点电信号，Xi,j表示低压保护装置中第j个采样点在i时刻的原始采样点电信号，i＞0，k为滤波器时间间隔，k的取值范围为[1,f/50]，f为低压保护装置的采样频率，j＝0,1,2,…,N-1，N为一个周波内的采样点数量。
进一步的，采样点电信号的计算幅值和计算相角的计算方法如下：
将滤波后的采样点电信号放入FFT循环区，得到采样点电信号的正弦部分和余弦部分：
Figure BDA0003280226700000032
Figure BDA0003280226700000033
其中，Sj表示低压保护装置中第j个采样点的滤波后的采样点电信号放入FFT循环的正弦部分，N为一个周波内的采样点数量，Yj表示第j个采样点的滤波后的采样点电信号，Cj表示第j个采样点的滤波后的采样点电信号放入FFT循环的余弦部分；
通过离散傅里叶变换得到采样点电信号的计算幅值和计算相角：
Figure BDA0003280226700000034
Figure BDA0003280226700000041
其中，Fj表示第j个采样点的采样点电信号的计算幅值，ψj表示第j个采样点的采样点电信号的计算相角。
进一步的，差分滤波器的幅值补偿系数的计算公式如下：
Figure BDA0003280226700000042
其中，F'表示差分滤波器的幅值补偿系数，
Figure BDA0003280226700000043
为相角差理论值；
差分滤波器的相角补偿系数的计算公式如下：
Figure BDA0003280226700000044
其中，ψ'表示差分滤波器的相角补偿系数。
进一步的，积分滤波器的幅值补偿系数的计算公式如下：
Figure BDA0003280226700000045
其中，F"表示积分滤波器的幅值补偿系数，
Figure BDA0003280226700000046
为相角差理论值；
积分滤波器的相角补偿系数的计算公式如下：
Figure BDA0003280226700000047
其中，ψ"表示积分滤波器的相角补偿系数。
进一步的，相角差理论值
Figure BDA0003280226700000048
的计算公式如下：
Figure BDA0003280226700000049
其中，k为滤波器时间间隔，k的取值范围为[1,f/50]，f为低压保护装置的采样频率。
进一步的，修正后的幅值为：
Figure BDA0003280226700000051
其中，
Figure BDA0003280226700000052
表示低压保护装置中第j个采样点的修正后的幅值，Fj表示第j个采样点的采样点电信号的计算幅值，F表示滤波器的幅值补偿系数。
进一步的，修正后的相角为：
Figure BDA0003280226700000053
其中，
Figure BDA0003280226700000054
表示低压保护装置中第j个采样点的修正后的相角，ψj表示第j个采样点的采样点电信号的计算相角，ψ表示滤波器的相角补偿系数。
采用以上技术手段后可以获得以下优势：
本发明提出了一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，本发明方法在传统的离散傅里叶变换的基础上增加了基于滤波器的补偿修正方法，在不改变原有采样频率和低压保护装置硬件结构的前提下，通过滤波器将原始采样点电信号中的尖峰、毛刺等干扰滤除掉，为了避免滤波后的信号测量值不准确，本发明还通过幅值补偿系数和相角补偿系数对计算幅值和计算相角进行修正处理，提高修正后的幅值、相角的准确性，从而确保低压保护装置电压、电流测量结果不会出现失真的情况，从源头来抑制低压保护装置误动作的可能性。
本发明方法主要应用于低压保护装置进行电磁兼容试验时的电压、电流测量，能够在滤除干扰信号的同时提高幅值相角的准确性，可以使得低压保护装置在进行电磁兼容试验时不会出现误动的情况。
附图说明
图1为本发明一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法的步骤流程图；
图2为本发明实施例中电信号幅值、相角测量方法的操作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：
本发明提出了一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤A、获取低压保护装置的原始采样点电信号，其中，原始采样点电信号为电压或电流；
步骤B、利用滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理，得到滤波后的采样点电信号；
步骤C、对滤波后的采样点电信号进行离散傅里叶变换，得到采样点电信号的计算幅值和计算相角；
步骤D、利用滤波器的幅值补偿系数和相角补偿系数对采样点电信号的计算幅值和计算相角进行修正处理，得到修正后的幅值和相角。
在低压保护装置的一个周波内设置N个采样点，按照采样频率采集每个采样点的电压信号和电流信号，作为低压保护装置的原始采样点电信号。
在本发明方法的步骤B中，滤波器包括差分滤波器和积分滤波器。当原始采样点电信号为电压时，利用差分滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理；当原始采样点电信号为电流时，利用积分滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理。
利用差分滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理的表达式如下：
Di+k,j＝Xi+k,j-Xi,j (14)
其中，Di+k,j表示i+k时刻第j个采样点的差分滤波后的采样点电信号，Xi+k,j表示低压保护装置中第j个采样点在i+k时刻的原始采样点电信号，Xi,j表示低压保护装置中第j个采样点在i时刻的原始采样点电信号，i＞0，k为滤波器时间间隔，k的取值范围为[1,f/50]，f为低压保护装置的采样频率，j＝1,2,…,N，N为一个周波内的采样点数量。
利用积分滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理的表达式如下：
Figure BDA0003280226700000071
其中，Ii+k,j表示i+k时刻第j个采样点的积分滤波后的采样点电信号。
在本发明步骤C中，采样点电信号的计算幅值和计算相角的计算方法如下：
步骤C01、将滤波后的采样点电信号放入FFT循环区，得到采样点电信号的正弦部分和余弦部分：
Figure BDA0003280226700000072
Figure BDA0003280226700000073
其中，Sj表示低压保护装置中第j个采样点的滤波后的采样点电信号放入FFT循环的正弦部分，Yj表示第j个采样点的滤波后的采样点电信号，当采样点电信号为电压时，Yj＝Di+k,j，当采样点电信号为电流时，Yj＝Ii+k,j，Cj表示第j个采样点的滤波后的采样点电信号放入FFT循环的余弦部分。
步骤C02、基于Sj和Cj，通过离散傅里叶变换得到采样点电信号的计算幅值和计算相角，具体表达式如下：
Figure BDA0003280226700000081
Figure BDA0003280226700000082
其中，Fj表示第j个采样点的采样点电信号的计算幅值，ψj表示第j个采样点的采样点电信号的计算相角。
在本发明步骤D中，根据滤波器时间间隔和低压保护装置的采样频率可以计算出Xi,j和Xi+k,j之间的相角差理论值
Figure BDA0003280226700000086
Figure BDA0003280226700000083
根据相角差理论值
Figure BDA0003280226700000087
可以通过三角函数的变型公式得到滤波器的幅值补偿系数和相角补偿系数，具体操作如下：
步骤D01、针对差分滤波器，根据交流信号表达式和公式(14)可知：
Figure BDA0003280226700000084
其中，A为振幅，ω为角频率，θ为初始相角。
对公式(21)的整理变换可得，差分滤波器的幅值补偿系数的计算公式如下：
Figure BDA0003280226700000085
其中，F'表示差分滤波器的幅值补偿系数.
差分滤波器的相角补偿系数的计算公式如下：
Figure BDA0003280226700000091
其中，ψ'表示差分滤波器的相角补偿系数。
步骤D02、针对积分滤波器，根据交流信号表达式和公式(15)可知：
Figure BDA0003280226700000092
对公式(24)的整理变换可得，积分滤波器的幅值补偿系数的计算公式如下：
Figure BDA0003280226700000093
其中，F"表示积分滤波器的幅值补偿系数.
积分滤波器的相角补偿系数的计算公式如下：
Figure BDA0003280226700000094
其中，ψ"表示积分滤波器的相角补偿系数。
在本发明步骤D中，利用滤波器的幅值补偿系数和相角补偿系数对采样点电信号的计算幅值和计算相角进行修正处理的具体操作如下：
Figure BDA0003280226700000095
Figure BDA0003280226700000096
其中，
Figure BDA0003280226700000097
表示低压保护装置中第j个采样点的修正后的幅值，F表示滤波器的幅值补偿系数，F∈{F',F"}，
Figure BDA0003280226700000098
表示低压保护装置中第j个采样点的修正后的相角，ψ表示滤波器的相角补偿系数，ψ∈{ψ'，ψ"}。
为了验证本发明方法的效果，本发明给出了如下实施例：
在本发明实施例中，低压保护装置的采样频率为1.2kHz，一个周波内的采样点个数为24个，每个采样点之间的角度差为360/24＝15°，差分滤波器的滤波器时间间隔k取值为2，积分滤波器的滤波器时间间隔k取值为1。
如图2所示，基于本发明方法测量幅值、相角的过程如下：
(1)获取低压保护装置的原始采样点电信号，并利用差分滤波器对电压信号进行滤波处理，利用积分滤波器对电流信号进行滤波处理，得到滤波后的电压信号和电流信号：Di+2,j＝Xi+2,j-Xi,j，
Figure BDA0003280226700000101
(2)分别对滤波后的电压信号和电流信号进行离散傅里叶变换，得到电压信号和电流信号的计算幅值和计算相角。
(3)根据公式(20)得到差分处理中Xi+2,j和Xi,j之间的相角差理论值
Figure BDA0003280226700000103
积分处理中Xi+1,j和Xi,j之间的相角差理论值
Figure BDA0003280226700000102
(4)根据公式(21)对差分滤波器进行修正系数计算，30°差分的具体推导过程如下：
Figure BDA0003280226700000111
其中，
Figure BDA0003280226700000112
因此
Figure BDA0003280226700000113
Figure BDA0003280226700000114
根据公式(30)可知，差分过后与原傅氏算法幅值的增益为0.5176380902，因此差分滤波器的幅值补偿系数F'＝1/(0.5176380902)＝1.931851653。
公式(30)中的相角-75°与原傅氏算法相角30°的角差为105°，因此差分滤波器的相角补偿系数ψ'＝105°。
(5)根据公式(24)对积分滤波器进行修正系数计算，15°积分的具体推导过程如下：
Figure BDA0003280226700000121
其中，
Figure BDA0003280226700000122
因此Ψ＝-82.5°。
Figure BDA0003280226700000123
根据公式(32)可知，积分过后与原傅氏算法幅值的增益为0.9914448614，因此积分滤波器的幅值补偿系数F"＝1/(0.9914448614)＝1.008628961。
公式(32)中的相角-172.5°与原傅氏算法相角15°的角差为187.5°，因此差分滤波器的相角补偿系数ψ"＝187.5°。
(6)利用步骤(4)和(5)得到的幅值补偿系数和相角补偿系数分别对电压信号和电流信号的计算幅值和计算相角进行修正处理，得到修正后的幅值和相角。
根据上述具体实施例可知，如果不进行修正处理，那DFT得到的计算幅值与正确结果相差1.931851653倍或1.008628961倍，计算相角与正确结果相差105°或187.5°，因此本发明方法可以很好的修正滤波后的信号测量值，确保幅值、相角测量的准确性。
本发明方法能够在不改变原有采样频率和低压保护装置硬件结构的前提下，将原始采样点电信号中的尖峰、毛刺等干扰滤除掉，获得准确可靠的幅值、相角，能够确保低压保护装置电压、电流测量结果不会出现失真的情况，使得低压保护装置在进行电磁兼容试验时不会出现误动的情况。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取低压保护装置的原始采样点电信号，所述原始采样点电信号为电压或电流；
利用滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理，得到滤波后的采样点电信号；
对滤波后的采样点电信号进行离散傅里叶变换，得到采样点电信号的计算幅值和计算相角；
利用滤波器的幅值补偿系数和相角补偿系数对采样点电信号的计算幅值和计算相角进行修正处理，得到修正后的幅值和相角。
2.根据权利要求1所述的一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，其特征在于，滤波器包括差分滤波器和积分滤波器；原始采样点电信号为电压时，利用差分滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理；原始采样点电信号为电流时，利用积分滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理。
3.根据权利要求2所述的一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，其特征在于，利用差分滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理的表达式如下：
Di+k,j＝Xi+k,j-Xi,j
其中，Di+k,j表示i+k时刻第j个采样点的差分滤波后的采样点电信号，Xi+k,j表示低压保护装置中第j个采样点在i+k时刻的原始采样点电信号，Xi,j表示低压保护装置中第j个采样点在i时刻的原始采样点电信号，i＞0，k为滤波器时间间隔，k的取值范围为[1,f/50]，f为低压保护装置的采样频率，j＝1,2,…,N，N为一个周波内的采样点数量。
4.根据权利要求2所述的一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，其特征在于，利用积分滤波器对原始采样点电信号进行滤波处理的表达式如下：
Figure FDA0003280226690000021
其中，Ii+k,j表示i+k时刻第j个采样点的积分滤波后的采样点电信号，Xi+k,j表示低压保护装置中第j个采样点在i+k时刻的原始采样点电信号，Xi,j表示低压保护装置中第j个采样点在i时刻的原始采样点电信号，i＞0，k为滤波器时间间隔，k的取值范围为[1,f/50]，f为低压保护装置的采样频率，j＝0,1,2,…,N-1，N为一个周波内的采样点数量。
5.根据权利要求1所述的一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，其特征在于，采样点电信号的计算幅值和计算相角的计算方法如下：
将滤波后的采样点电信号放入FFT循环区，得到采样点电信号的正弦部分和余弦部分：
Figure FDA0003280226690000022
Figure FDA0003280226690000023
其中，Sj表示低压保护装置中第j个采样点的滤波后的采样点电信号放入FFT循环的正弦部分，N为一个周波内的采样点数量，Yj表示第j个采样点的滤波后的采样点电信号，Cj表示第j个采样点的滤波后的采样点电信号放入FFT循环的余弦部分；
通过离散傅里叶变换得到采样点电信号的计算幅值和计算相角：
Figure FDA0003280226690000031
Figure FDA0003280226690000032
其中，Fj表示第j个采样点的采样点电信号的计算幅值，ψj表示第j个采样点的采样点电信号的计算相角。
6.根据权利要求2所述的一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，其特征在于，差分滤波器的幅值补偿系数的计算公式如下：
Figure FDA0003280226690000033
其中，F'表示差分滤波器的幅值补偿系数，
Figure FDA0003280226690000034
为相角差理论值；
差分滤波器的相角补偿系数的计算公式如下：
Figure FDA0003280226690000035
其中，ψ'表示差分滤波器的相角补偿系数。
7.根据权利要求2所述的一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，其特征在于，积分滤波器的幅值补偿系数的计算公式如下：
Figure FDA0003280226690000036
其中，F"表示积分滤波器的幅值补偿系数，
Figure FDA0003280226690000037
为相角差理论值；
积分滤波器的相角补偿系数的计算公式如下：
Figure FDA0003280226690000041
其中，ψ"表示积分滤波器的相角补偿系数。
8.根据权利要求6或7所述的一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，其特征在于，相角差理论值
Figure FDA0003280226690000042
的计算公式如下：
Figure FDA0003280226690000043
其中，k为滤波器时间间隔，k的取值范围为[1,f/50]，f为低压保护装置的采样频率。
9.根据权利要求1所述的一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，其特征在于，修正后的幅值为：
Figure FDA0003280226690000044
其中，
Figure FDA0003280226690000045
表示低压保护装置中第j个采样点的修正后的幅值，Fj表示第j个采样点的采样点电信号的计算幅值，F表示滤波器的幅值补偿系数。
10.根据权利要求1所述的一种低压保护装置的电信号幅值、相角测量方法，其特征在于，修正后的相角为：
Figure FDA0003280226690000046
其中，
Figure FDA0003280226690000047
表示低压保护装置中第j个采样点的修正后的相角，ψj表示第j个采样点的采样点电信号的计算相角，ψ表示滤波器的相角补偿系数。
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