專利名稱：：電力系統(tǒng)短路全電流各分量分解方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及故障錄波系統(tǒng)事故分析領(lǐng)域，特別涉及一種電力系統(tǒng)短路全電流各分量的分解方法。
背景技術(shù)：
：電力系統(tǒng)故障錄波系統(tǒng)是電力系統(tǒng)發(fā)生故障及振蕩時能自動記錄數(shù)據(jù)的一種系統(tǒng)，為電力系統(tǒng)的故障分析及各種保護動作行為的分析和評價提供數(shù)據(jù)來源與依據(jù)。故障錄波后事故分析模塊是故障錄波系統(tǒng)的一個重要模塊，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、故障分析等，它主要用來分析故障發(fā)生時間、故障類型等；目前電力系統(tǒng)故障錄波系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理部分采用的算法主要的是快速傅立葉分析；傅里葉分析算法對處理時域周期信號有比較高的精確度，而對于電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障或其他大擾動后的暫態(tài)過程時的暫態(tài)故障信號，由于其周期性遭到了嚴(yán)重破壞，加上傅里葉分析算法本身的柵欄效應(yīng)和泄漏現(xiàn)象，使得精確性大大降低。本文從電力系統(tǒng)故障時短路電流信號的物理規(guī)律出發(fā)，為電力系統(tǒng)故障錄波系統(tǒng)中故障錄波事故分析模塊提出了一種新數(shù)據(jù)處理算法-一基于包絡(luò)線的時域波形分解法；實例分析證明該方法可以將由不同頻率成分疊加在一起的短路電流信號在時域中進行精確分解，從而為電力系統(tǒng)故障錄波后事故分析提供一種有效的信號分析方法。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是針對現(xiàn)有電力系統(tǒng)故障錄波系統(tǒng)事故分析模塊在出現(xiàn)短路和大的干擾時精度差的問題，提出了一種電力系統(tǒng)短路全電流各分量分解方法，該方法能準(zhǔn)確地從短路電流中分解出周期分量和衰減直流分量，可為新型電力系統(tǒng)故障錄波裝置的設(shè)計提供一種新的信號分析、處理方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種電力系統(tǒng)短路全電流各分量分解方法，它將故障錄波器采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理便于后期進行故障分析，所述數(shù)據(jù)處理采用基于包絡(luò)線的時域波形分解法，方法包括以下具體步驟1)對短路電流波形數(shù)據(jù)在每個周波中利用冒泡法排序找出最大及最小點，作出短路電流曲線的上、下兩根包絡(luò)線；2)利用三次樣條差值的方法，在上包絡(luò)線上求取波谷時刻對應(yīng)的值，在下包絡(luò)線上求取波峰時刻對應(yīng)的值；3)判斷短路電流波形起始變化是朝上還是朝下，如圖4所示，如果波形向上，取偶數(shù)點為上包絡(luò)線，奇數(shù)點為下包絡(luò)線；如果波形向下，則取奇數(shù)點為上包絡(luò)線，偶數(shù)點為下包絡(luò)線；4)垂直等分取均值先求取直流分量；5)由短路全電流減去直流分量得到短路周期分量。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明電力系統(tǒng)短路全電流各分量分解方法，比傳統(tǒng)的基于傅里葉分析算法的故障錄波系統(tǒng)對于故障狀態(tài)下的暫態(tài)信號處理具有更好的精確性。圖1為本發(fā)明電力系統(tǒng)完整的短路電流波形圖；圖2為傳統(tǒng)故障錄波事故分析原理圖；圖3為本發(fā)明電力系統(tǒng)短路全電流各分量分解方法中故障錄波事故分析原理圖；圖4為本發(fā)明電力系統(tǒng)短路全電流各分量分解方法中各相短路電流波形示意圖；圖5為本發(fā)明電力系統(tǒng)短路全電流各分量分解方法中時域分解法程序流程圖。具體實施例方式電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，其短路全電流由周期分量和非周期分量疊加而成。其中非周期分量由衰減的直流分量和衰減的倍頻分量構(gòu)成，周期分量即基頻分量包括穩(wěn)態(tài)基頻分量和暫態(tài)、次暫態(tài)基頻分量，后兩者是衰減的。一般非周期分量中的倍頻分量非常小，主要是由發(fā)電機磁路的雙軸效應(yīng)引起的；完整的短路電流波形如圖1所示。傳統(tǒng)故障錄波事故分析模塊一般包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、基波分量提取、故障分析幾部分；其原理如圖2所示，其中Xi是輸入量可以是電流電壓等信號，輸入量通過數(shù)據(jù)處理傅里葉分析提取出來的，XI即是基波分量，對X1取模后進行事故分析。由圖1可知傳統(tǒng)故障錄波里面的數(shù)據(jù)處理部分所用的算法一般為傅里葉分析法，快速傅里葉分析算法的原理如下假設(shè)無噪聲的輸入信號是頻率為"的正弦波電壓u(t)=」sin(Z+p)=Jsin(Q^+^)COSco。=23if0，f。=50Hz其中P為初相位；V為電壓相角變化量；A為幅值。u(t)可用矢量"的虛部表示g=」lcos+ysin][cosycos0Q/—爿sin^/sin。/+7'[爿sin^/cos。"爿cosysin。"則u(t)=AsinWcosco。t+Acoswsinco。t若將Ae^看作《的復(fù)數(shù)振幅UmUm=AeJv=Acosv+jAsinv對u(t)信號每周波采樣N次，產(chǎn)生采樣序列{uk}其中^為采樣間隔。其中ul和uR分別在ul(k)表達式中是余弦項之和。對正弦輸入信號可以證明=AsinV，uK=AcosVul(k)是輸入信號的基波頻譜系數(shù)，由上式可得出ul(k)與Um的關(guān)系。ju丄(t)=j(u廠ju》=Ur+jUj=AcosV+jAsinV=um可見，ul(k)與Um都是表示基波分量的復(fù)數(shù)振幅，ul和uR分別為復(fù)數(shù)振幅的實部利用輸入信號基波電壓、電流復(fù)數(shù)振幅的實部和虛部可以求得交流電壓U、交流電流I的有效值，為此先將復(fù)數(shù)振幅的實部和虛部變成有效值，假定輸入電壓復(fù)數(shù)振幅的實部和虛部有效值用UR和Ul表示，則輸入電壓的有效值為同理可以求出輸入電流的有效值為/=v//2+/:其中II、IR為輸入電流復(fù)數(shù)振幅的實部和虛部的有效值。由上述分析可知傅里葉分析算法對處理時域周期信號有比較高的精確度，而對于電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障或其他大擾動后的暫態(tài)過程時的暫態(tài)故障信號，由于其周期性遭到了嚴(yán)重破壞，加上傅里葉分析算法本身的柵欄效應(yīng)和泄漏現(xiàn)象，所以使得其精確性大大降低了。本發(fā)明從電力系統(tǒng)故障時短路電流信號的物理規(guī)律出發(fā)，為電力系統(tǒng)故障錄波系統(tǒng)中故障錄波事故分析模塊提出了一種新數(shù)據(jù)處理算法-一基于包絡(luò)線的時域波形分解法；基于新算法的故障錄波事故分析原理如圖3所示。由圖3可知，本發(fā)明提出的基于時域分析法的新型故障錄波事故分析原理是以新的時域分析算法代替了原有故障錄波事故分析里面的傅里葉算法，其中Xi是輸入量還可以是電流電壓等信號，輸入量通過新的數(shù)據(jù)處理方法提取出來的X1即是基波分量，對Xl取模后進行范圍監(jiān)測故障分析?；诎j(luò)線的時域波形分解法指的是直接在時域中將計算或?qū)崪y得到的短路電流全波形進行分解，從中分解出周期分量和直流分量；考慮到各相短路電流的波形分別對稱于其直流分量的曲線而不是對稱于時間軸，基于包絡(luò)線的時域波形分解法具體方法如下(1)對短路電流波形數(shù)據(jù)在每個周波中利用冒泡法排序找出最大及最小點，作出短路電流曲線的上、下兩根包絡(luò)線；(2)利用三次樣條差值的方法，在上包絡(luò)線上求取波谷時刻對應(yīng)的值，在下包絡(luò)線上求取波峰時刻對應(yīng)的值；和虛部5(3)判斷短路電流波形起始變化是朝上還是朝下，如圖4所示，如果波形向上，取偶數(shù)點為上包絡(luò)線，奇數(shù)點為下包絡(luò)線；如果波形向下，則取奇數(shù)點為上包絡(luò)線，偶數(shù)點為下包絡(luò)線；(4)垂直等分取均值先求取直流分量；(5)由短路全電流減去直流分量得到短路周期分量。該算法以短路瞬時波形為處理對象，通過一系列的基本代數(shù)及插值運算，最大程度的減少了分解誤差，程序結(jié)構(gòu)如圖5所示。傅立葉分析算法，它是根據(jù)離散傅氏變換的奇、偶、虛、實等特性，對離散傅立葉變換的算法進行改進獲得的，由于其具有良好的頻域局域性在數(shù)字信號處理中應(yīng)用廣泛，它的典型應(yīng)用是進行頻譜分析，但它在時域中完全沒有局域性，因此在處理衰減的電力系統(tǒng)短路電流時誤差較大；基于包絡(luò)線的時域波形分解法是在考慮到短路電流的實際物理特性的基礎(chǔ)上提出來的，不經(jīng)時頻域的變換，直接在時域中對短路全電流進行分解，經(jīng)驗證它比FFT算法具有更好的精確性。實例電力系統(tǒng)典型故障為短路時，短路時的短路電流由周期分量和非周期分量疊加而成。其中周期分量即基頻分量，又可分為次暫態(tài)分量、暫態(tài)分量、穩(wěn)態(tài)分量；非周期分量又可分為直流分量和倍頻分量。式(1)為一包含上述分量的典型短路全電流表達式(標(biāo)么制)。y=3.98e—6.3t+l.73cos(314t+21)+1.33e—25tcos(314t+21)+2.17e—O.m6tcos(314t+21)+0.16e—63tcos(628t+21.1)(1)總體誤差分析分別用MATLAB中的傅里葉分析模塊和時域分解法分解(1)式短路全電流波形，得到的短路后不同瞬時各電流分量數(shù)值與(1)中各已知數(shù)值求差，結(jié)果見表1。表1FFT算法和時域分解法的分解誤差<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>由上表可以看出在分解基頻分量方面，時域分解法的分解誤差明顯小于傅里葉算法，且誤差更為穩(wěn)定。分解短路全電流各分量不同比重時的誤差分析短路電流各分量的不同比重組合一方面是由電網(wǎng)中短路故障位置、短路時刻影響的，如發(fā)電機機端短路時，基頻次暫態(tài)分量和可能出現(xiàn)的直流分量都較大；另一方面也是電網(wǎng)本身固有的電磁特性決定的，如倍頻分量較基頻分量一般很小?？紤]這些情況，為判斷FFT算法和時域分解法的適用性，作者在典型短路電流波形(1)式的基礎(chǔ)上作如下變化(1)增大波形中倍頻分量增大波形中倍頻分量見(2)式，F(xiàn)FT算法和時域分解法分解誤差見表2、表3。y=3.98e—63t+l.73cos(314t+21)+l.33e—25tcos(314t+21)+2.17e—。1116tcos(314t+21)+0.385e—63tcos(628t+21.1)(2)表2FFT算法分解(1)、(2)式的誤差分解(1)式波形分解(2)式波形短路-，P基頻分量誤差直流分量誤差基頻分量誤差直流分量誤差/S/%/%/%/%0.02-l.450-O.卿-l.450_0.8880.04_1.608-0.535_1.836_0.5350.06_1.859_0.468-l.859-o.4680.08_2.200-0.234-2.200_0.2340.10-2.383-0.013-2.383-0.0130.12_2.354-0.065_2.608-0.0650.14_2.650_0.149-2,650-0.1490.16_2.6780.172-2.9360.1720.18_3.0590.043_3.0590.0430.20_3.081_0.093-3.081-0.093表3時域分解法分解(1)、(2)式的誤差7<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>從表2、表3可以看出，F(xiàn)FT算法的分解誤差幾乎未變，時域分解法的誤差分解精度與短路電流中的倍頻分量存在正相關(guān)性。還可看出即使人為增大倍頻分量(從(1)式中占基頻分量的3.06%增大到(2)式中的7.36%)，時域分解法分解基頻分量的分解誤差仍比FFT算法的小很多，由于電網(wǎng)中倍頻分量一般很小，所以時域分解法這一特性使其比FFT算法更適合分解短路波形。(2)增大波形中基頻次暫態(tài)分量增大波形中基頻次暫態(tài)分量見(3)式，F(xiàn)FT算法和時域分解法分解誤差見表4、表5。y=3.98e—6.3t+l,73cos(314t+21)+1.729e—25tcos(314t+21)+2.17e—01116tcos(314t.+21)+0.16e—63tcos(628t+21.1)(3)表4FFT算法分解(1)、(3)式的誤差^"~分解(1)式波形分解(3)式波形<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表5時域分解法分解(1)、(3)式的誤差短路時間/s分解(1)式波形分解(3)式波形基頻分量誤差直流分量誤差基頻分量誤差/%/%/%直流分量誤差/%0.02-O.1141.892-0.1091.8840.04-O.0841.901-0.0781.8980.06-0.0811.892_0.0791.8880.08-O.0561.863-0.0551.8630.10-O.0461.859-o.0461.8590.12-O.0401.862-o.0391.8620.14_0.0361.857-0.0361.8570.16_0.0291.859-0.0291.8590.18-0.0261.859-0.0261.8590.20_0.Oil1.842_0.0071.834從表4、表5可以看出，增大波形中基頻次暫態(tài)分量，時域分解法分解基頻分量的分解誤差仍比FFT算法的更小、更穩(wěn)定，這說明在分解次暫態(tài)分量較大的短路故障波形時，時域分解法更優(yōu)于FFT算法。(3)減小波形中直流分量減小波形中直流分量見(4)式，F(xiàn)FT算法和時域分解法分解誤差見表6、表7。y=3.184e—63t+l.73cos(314t+21)+1.33e—25tcos(314t+21)+2.17e—。.1116tcos(314t+21)+0.16e—63tcos(628t+21.1)(4)表6FFT算法分解(1)、(4)式的誤差短路時間/S分解(1)式波形分解(4)式波形基頻分量/%直流分量/%基頻分量誤差/%直流分量/%0.02-1.450-O.888-1.025-1.5290.04-l.608-O.535_1.380-0.6160.06_1.859-0.468-l.620-0.3770.08-2.200-0.234-1.954-0.3380.10-2.383-0.013_2.132-0.2490.12-2.354_0.065-2.354-O.3330.14_2.650_0.149_2.394-0.1490.16_2.6780.172_2.6780.1720.18_3.0590.043-2.800-0.5430.20-3.081-0.093-3.0810.350表7時域分解法分解(1)、(4)式的誤差9<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>從表6、表7可以看出，減小波形中直流分量，時域分解法分解基頻分量時的分解誤差仍比FFT算法的更小、更穩(wěn)定；還可看出波形中直流分量越大，時域分解法的分解誤差越小。而電力系統(tǒng)三相短路時，總有一相的直流分量較大。當(dāng)然從表2表7也可看出時域分解法的缺點，即分解出的直流分量的相對誤差比FFT算法大，但由于短路后直流分量的大小還和短路瞬間電源電壓的相位角有關(guān)，故實際應(yīng)用中并不關(guān)注短路后直流分量的實際大小，而是更關(guān)注直流分量的衰減特性。所以時域分解法在分解直流分量時的這一缺點對其實際應(yīng)用影響不大。電力系統(tǒng)故障時短路電流波形中倍頻分量越小、次暫態(tài)分量越大、直流分量越大，基于包絡(luò)線的時域波形分解法分解基頻分量時的誤差越小。由于電力系統(tǒng)短路電流倍頻分量很小、直流分量較大，同時近端短路時的次暫態(tài)分量也較大，因此時域分解法較FFT算法更適合分解電力系統(tǒng)短路全電流波形。故本專利提出的基于包絡(luò)線的時域波形分解法的電力系統(tǒng)故障錄波系統(tǒng)比傳統(tǒng)的基于傅里葉分析算法的故障錄波系統(tǒng)對于故障狀態(tài)下的暫態(tài)信號處理具有更好的精確性。權(quán)利要求一種電力系統(tǒng)短路全電流各分量分解方法，它將故障錄波器采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理便于后期進行故障分析，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理采用基于包絡(luò)線的時域波形分解法，方法包括以下具體步驟1)對短路電流波形數(shù)據(jù)在每個周波中利用冒泡法排序找出最大及最小點，作出短路電流曲線的上、下兩根包絡(luò)線；2)利用三次樣條差值的方法，在上包絡(luò)線上求取波谷時刻對應(yīng)的值，在下包絡(luò)線上求取波峰時刻對應(yīng)的值；3)判斷短路電流波形起始變化是朝上還是朝下，如圖4所示，如果波形向上，取偶數(shù)點為上包絡(luò)線，奇數(shù)點為下包絡(luò)線；如果波形向下，則取奇數(shù)點為上包絡(luò)線，偶數(shù)點為下包絡(luò)線；4)垂直等分取均值先求取直流分量；5)由短路全電流減去直流分量得到短路周期分量。全文摘要本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)短路全電流各分量分解方法，可用于電力系統(tǒng)故障錄波分析，故障錄波數(shù)據(jù)分析依次包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、故障分析步驟，本發(fā)明所述數(shù)據(jù)處理方法采用基于包絡(luò)線的時域波形分解法，是在考慮到短路電流的實際物理特性的基礎(chǔ)上提出來的，不經(jīng)時頻域的變換，直接在時域中對短路全電流進行分解，經(jīng)驗證它比傅立葉分析算法，具有更好的精確性。文檔編號G01R31/08GK101726690SQ20091019964公開日2010年6月9日申請日期2009年11月30日優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日發(fā)明者丁北平,劉蓓,張文青,曹煒,楊秀,段開元,肖飛,靳希申請人:上海電力學(xué)院