电力系统微机保护故障信息检测算法综述 .pdf
《电力系统微机保护故障信息检测算法综述 .pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《电力系统微机保护故障信息检测算法综述 .pdf(6页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、总第 4 8卷第 5 4 2期 2 0 1 1 年第 0 2期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e n t& I n s t r ume n t a t i o n VO 1 4 8 NO 5 4 2 Fe b 2 0 1 1 电力系统微机保护故障信息检测算法综述 王家林 , 夏立 , 吴正 国, 杨 宣访 ( 海军工程大学 电气与信息工程 学院, 武汉 4 3 0 0 3 3 ) 摘要: 在电力系统发生故障时, 故障暂态信号中频率会发生偏移, 且含有谐波分量和衰减直流分量。为计算出 准确的电力参数 , 从滤除衰减直流分量和考虑系统频率偏移两个方
2、面对傅氏及其改进算法 、 最小二乘及其改进 算法、 基于神经网络、 小波技术等 电力系统微机保护故障信息检测算法进行 了概述 , 并对文献 中提出的方法进 行 了述评 , 分析它们的特点和存在的问题 , 指出该领域面临的问题 , 并对其发展进行 了展望 , 以促进该研究领域 的进一步发展。 关键词 : 电力系统 ; 微机保护; 衰减直流分量 ; 频率偏移 ; 傅氏算法 ; 最小二乘算法 ; 神经网络 ; 小波技术 中 图分 类号 : T M7 1 1 ; T M5 8 8 文献 标识 码 : A 文 章编 号 : 1 0 0 11 3 9 0 ( 2 0 1 1 ) 0 20 0 0 1 0
3、5 S t a t e o f Ar t s o f Fa u l t De t e c t i o n Ar i t h m e t i c o f Po we r S y s t e ms M i c r o c o m p ut e r Pr o t e c t i o n WANG J i al i n, XI A L i , WU Z h e n gg u o , YANG Xu a nf a n g ( Na v a l Un i v o f E n g i n e e r i n g, Wu h a n 4 3 0 0 3 3, C h i n a ) Abs t r a c t
4、: Th e t r a n s i e n t c u r r e n t s i g na l i n c l u d e s a p e rio d c o mpo ne n t v a r y i n g i n S p e c t r a l wa v e for m ,a n o npe r i o d c o rn p o n e n t v a ryi n g i n e x po n e n t i a l wa v e for m a n d s wi t c h i n g o p e r a t i o n s e q u e n c e wh e n t he p o
5、 we r s y s t e m g o e s wr o n gT o wo r k o u t v e r a c i o u s e l e c t ric p a r a me t e r ,t h e c u r r e n t me t h o ds f o r t h e f a u l t i n f o r ma t i o n a n a l y s i s o f mi c r o c o mp u t e r p r o t e c t i o n o f p o we r s y s t e ms i n c l u di n g FF T,L e a s t s
6、q u a r e s,n e u r a l ne t wo r k,wa v e l e t t r a ns f o r m a r e s u r v e y e dF i n a l l y,s e v e r a l ke y t e c h n i c a l i s s u e s a n d t h e ma i n d e v e l o p me n t t r e nd s o f t h e t o p i c a r e p o i n t e d o u t t o s o l v e t he p r a c t i c a l p r o b l e ms a
7、 n d mo t i v a t e f u r t h e r d e v e l o p me n t Ke y wo r d s: p o we r s y s t e ms, mi c r o c o mp u t e r p r o t e c t i o n,d e c a y i n g DC c o mpo n e n t , s wi t c hi ng o p e r a t i o n s e qu e n c e, FFT, Le a s t s q u a r e s , n e u r a l ne t wo r k, wa v e l e t t r a n s
8、 for m 0 引 言 微机继 电保护装置 自 2 O世 纪 8 O年代在我 国首 次投入运行 以来 ,越来越受到继 电保护工作者的青 睐和关注,并在 电力系统 中得到 了广泛应用。微 机 继 电保护相 比常规 的继 电保护具有更强的灵活性和 更好的保护性能 , 运行维护更方便 , 以及更 高的可靠 性等优点 , 从而大大提高 了电力系统供 电的安全性和 可靠性 , 促进了电力 系统 自动 化的发展 。与微机保 护技术相关 的其他科技领域 中的新技术、 新理论 , 如 神经网络 、 现代信号处理技术等 , 为微机保护 的发展 提供了新的途径和有力的工具 J 。众所周知 , 在电 国家 自然科
9、学基金资助项 目( 5 0 6 7 7 0 6 9 ); 国防科技重点实验室基金资助项 目( 9 1 4 0 C 8 4 0 2 0 4 0 8 0 2 ) 力系统发生故 障时,故 障暂态信号 中系统频率可能 会发生偏移 , 且含有谐波分量和衰减直流分量 。为计 算出准确 的电力参数 , 实现保护 的动作特性 , 目前 , 国 内外提出了许多 电力系统微机保护故 障信息检测技 术 和方法 , 主要有傅 氏及其改进算法、 最小二乘及其 改进算法 、 基于神经网络 、 小波技术等 , 下 面从滤除衰 减直流分量和考虑系统频率偏移两个方面分别介绍 这几种应用在 电力系统微机保护故 障信息检测技 术
10、和方法 的研究发展状况 。 1 故障暂态信号模型与傅氏算法 在电力系统发生故 障时 , 故 障暂态信号 中除含 有基波分量外 ,还含有谐波分量和具有不确定 幅值 和衰减率的衰减直 流分量 , 所 以故 障信 号模型可 以 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m总第 4 8卷第 5 4 2期 2 0 1 t年第 0 2期 电测与仪表 El e c t r i c a I M e a s ur e me n t& I n s t r u m e n t a t i o n Vo 1 4 8 No 5 42 Fe b 2 0 1 -1 写为 : l厂 ( )=A e 一 i
11、n ( t + ) =A e 一 + ( 0 C O S O ) t + b s l n to ) ( 1 ) 式中 b =A c o s ; =A s i n q ; =n 1 ( n为正 整数) ; 是基波分量的角频率 ; a 、 b 是基波分量的 正 、 余弦分量 ; A是衰减直流分量的初始值 ; 是衰减 直流分量 的衰减常数。 ( 1 ) 全波傅 氏算法 n次谐波的虚部和实部分别为 : 。 n ) c 。 s ( ) d 6 n ) s i n ( 砌 ) d ( 2 ) 经采样 后 , 连续量 变为 离散量 , 积分变 为求离 散 和 : n = N ) c 。 s n 2 7 1
12、“ N s i n n ( 3 ) 式中 、 r 为一个周期 中的采样数 ; k为从故障开始时 的采样点序号 。 ( 2 ) 半波傅 氏算法 次谐波的虚部和实部分别为 : 一 c ) c 0 s ( 6 = ) s i n ( n ) d ( 4 ) 经采样 后 , 连续 量变 为离散 量 , 积分 变为求 离 散和 : 、 24 盯 口 = 厂 ( 后 ) b n :NJ 2 f ( ) s i n n k ( 5 ) = ) ( 5 ) 式中 为一个周期 中的采样数 ; 为从故障开始时 的采样点序号 。 2基于滤除衰减直流分量的傅 氏、 最小二乘及其改 进 算法 2 1 傅氏及其改进算法
13、目前 , 傅氏算法是假定输入信号是周期 函数且整 周期采样 的, 只能消除直流分量和整次谐波分量 , 在 输入信号包含衰减直流分量时 , 由于衰减直流分量是 典型的非周期信号 , 对应 的频谱 为连续谱 , 从而与信 一2 一 号中基频分量的频谱混叠 , 在计算信号的基频分量时 将产生很大的误差 , 因此傅氏算法的改进主要 目标是 滤除衰减直流分量 。 2 1 1 全波傅氏算法的改进 改进的全波傅氏算法主要采取数据窗移位 , 增加 数据采样点的方法 : ( a ) 取 为一个采样周期时间 T s ( =r N), 即取三个数据窗 k= 1 。 , 2 , N +1 , 3 , N 4 - 2
14、, 得三组傅氏变换提取量 , 以及衰减直流量误差 的理论 分析值 , 通过线性方程组联立消元解得修正 的基波 或各次谐波分量值。 ( b ) 利用周期函数一周期积分为零 的性质 , 取两 个数据窗 : 1 , 2 N+1 , 计算衰减直流分量 的初始值和衰减率。 2 1 2 半波傅氏算法的改进 ( a ) 采取数据窗移位 , 增加数据采样点的方法 取 为一个采样周期时间 T B ( = ), 即取 三个数据窗 = 1 , , 2 N+1 , 3 N+2 , 得三 组傅氏变换提取量 , 以及衰减直流量误差的理论分析 值 , 通过线性方程组联立消元解得修正的基波或各 次谐波分量值。文献 8 考虑信
15、号 中含偶次谐波情 况下 , 得到衰减直流量傅 氏变换下实虚部 的关系 , 建 立方程组能滤除衰减直流量和特定次偶次谐波 。 ( b ) 半 波傅 氏算 法 与其 他 算法 相 结合 的快速 算法 衰减直流分量对半波傅 氏算法滤波性能的影 响 主要表现在算法的虚部 , 而算法的实部能有效地抑制 衰减直流分量的影响。文献 9 采 用半 波傅 氏算法 计算基波实部 , 用 Ma n nM o r r i s o n算法计算基 波虚 部 。该算法的数据窗为半周波加一个采样点 , 算法的 程序和计算简单 , 适用于继 电保护快速动作 。文献 1 0 利用狭窄带通滤波算法对低频 和高次谐波 良好 的抑制
16、作用 , 将基于狭窄带通滤波与半波傅里叶算法 相结合 , 其滤波效果大大优于半波傅氏算法 。 傅氏及其改进算 法主要对周 期信号进行 处理。 半波傅 氏算法响应速度 比较快 , 但其滤波功能弱 , 不 能完全滤除偶次谐波和直流分量, 故受衰减直流分量 的影响极大 , 计算结果可能产生严重失真。全波傅氏 算法精度高、 滤波效果较好 ; 能完全滤除直流分量及 各次谐波分量 ; 对高频分量和按指数衰减 的非周期分 量所包含的低频分量有抑制作用 , 因此 , 能在很大程 度上滤除衰减直流分量的影 响。改进 的傅氏算 法都 能较好地消除衰减直流分量的影响, 它们结合了全波 学兔兔 w w w .x u
17、e t u t u .c o m总第 4 8卷第 5 4 2期 2 0 1 1年第 0 2期 电测与仪表 El e e t r i c a I M e a s u r e me n t& I n s t r u m e nt a t i on V0 1 4 8 NO 5 4 2 Fe b 2 0 I 1 与半波傅氏算法的优点 , 因此应用广泛。 随着电力系统 的不 断发展 ,对保 护的要求越来 越高 ,继 电保护 的性能都力求能适应各种运行方式 和各种复杂故障,而传统 的傅氏算法 自适应能力有 限 , - 故探讨新 理论 和新方法应用于微机保护是发展 的需要和要求。 2 2 最小二乘及其改进算
18、法 最小二乘法的滤波特性 、 数据窗选择较灵活 ,已 成为数字保护中一种重要 的滤波方法 。衰减非周 期分量是影响最小二乘法滤波性能的主要因素之一 , 而针对傅 氏算法提出的消除方法对最小二乘法并不 适用。常规最小二乘法对衰减非周期分量有两种处 理方法 : 一种是将指数函数展开为如下的级数 : 一 e = 一 + 希 ( 6 ) d 1 d 通常, 只取式( 6 ) 的前两项或前三项 。另一种是 采用预定时间常数的指数模型拟合衰减非周期分量。 实际电力系统的时间常数与很多因素有关 ,是一个 不确定量 , 与设定值必然存在偏差 。分析表 明, 实际 值与设 定值偏差越 大,对滤波结果 的影 响就
19、越 大。 从式( 1 )看出,级数的收敛速度与 有关 , 越大 , 级数收敛越快 ,取有 限项近似 X o e 。 的误差 就越 小 , 反之则越大。文献 1 2 提 出只需在不计非周期 分量的拟合模型 的基础上加两点采样 ,不受衰减 非 周期分量影响的最小二乘法滤波方法。文献 1 3 利 用三个不 同的采样起点通过校正 的方法来消除衰减 分量对计算结果 的影响 , 同时利用递推原理减少计算 量 , 从而实现对短路电流的实时计算 。但最小二乘估 计即为最佳线性无偏估计 , 但不一定是有效估计 , 尤 其在中低信噪 比下 , 观测信号对 电参数 的变化 不敏 感 , 估计误差大 。2 0 0 1
20、年 , 美 国麻省理工学 院的 E l d a r 提出一种基于量子理论的信号处理框架 一 量子信 号处理( Q S P ) 。Q S P将 信号等效为 系统态 ,将对信 号的处理视为对系统态的测量 , 建立一套新 的信号处 理算法设计体系。文献 1 4 在 Q S P框架下利用协方 差成形方法常用 L s估计 器进行改进 , 得 到了协方差 成形的最小二乘估计 ( C S L S ) , 这种估 计是一种有 偏 估计 , 方差可达到有偏估 C r a mR a o下界 , 它在估 计 性能上优于一般的 L S 。因此 , 将其 应用于 电力系统 微机保护故障信息检测 , 提高估计的精度是一个
21、有益 的努力 方 向 。 3 考虑系统频率偏移微机保护电参数测量算法 系统频率偏离额 定值 时会导致系统采样频率与 信号频率不 同步 ( 非 整周 期采样 ) , 是造成频 率泄露 的原因, 致使以谐波分析为基础的电参数测量的不准 确 。为解决该问题 , 国内外提出了许多方法。 3 1 傅 氏算法的改进 傅 氏算法采用 的矩形窗傅里叶变换具有主瓣 宽 度较窄, 存在较大的副瓣 的特点 , 当非周期采样时 , 算 法稳定性不好 , 易造成较大频率泄漏 。文 献 1 6 分析了频率偏离额定值较大时 , 利用傅里叶算法计算 有效值的误差 , 提 出了一种修正 幅值 的实用方法 , 使 有效值的计算精
22、度 大大提高 , 但未考虑谐波 的影响 减少频率泄漏的根本途径在于选择适 当类型的窗 函 数 , 常用 的窗函数有余 弦窗、 三角形窗 、 海宁( H a n i n g ) 窗 、 汉 明( Ha mm i n g ) 窗 、 布莱克曼窗 、 高斯窗等 , 加权 窗函数的傅里叶变换能够大大降低滤波器组 的副瓣 影响, 很好 地抑制频率泄漏 。文献 1 7 提出 了利用 短窗 M o r l e t 复小波计算工频 电信号基波与各次谐波 信号幅值的算法 , 其频率特性 和计算值的稳定性都优 于傅里叶算法 。计算结果受频率波动影响小 , 对谐波 有较强的抑制作用 , 但时间窗需要 1 3个周期
23、, 需要 前置差分滤波器滤除二次谐 波。矩形 自卷 积窗是一 种新的离散 窗 , 加这类窗可 以最大 限度地减小基 波及各次谐波相互之间的频谱泄漏 , 但需要更多的采 样点数和采样时问。频谱泄漏 引起 的误差需要用加 窗函数的方法来消除 , 插值算法则可 以消除栅栏效应 引起的误 差。为 了提高 F F T算 法 的精度 , V K J a i n 等提出了 一种 插值算法 , 对 F 丌 的计 算结果进行 修 正 , 可 以有 效 地 提 高计 算 精 度。在 此 基 础 上 , T G r a n d k e 又利用海宁窗减少泄漏 , 进一步提高 了计算 精度。文献 1 92 0 针对 已
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电力系统 微机 保护 故障 信息 检测 算法 综述
限制150内