一种新的数字保护继电器相量估计法外文翻译资料

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一种新的数字保护继电器相量估计法

绪论

故障和对系统的操作可能触发非基频的不期望出现的电压和电流波形，这可能影响保护和控制系统的性能。在本文中，所提出的方法旨在改进滤除信号的不期望的频率分量的特性。对于所提出的方法和四种经典相量估计方法，进行与时间响应和频率响应相关的比较。通过使用ATP（替代瞬态程序）的MODELS语言实现距离继电器，以评估继电器性能。如所预期的，对于所提出的方法，继电器在精度方面表现出良好的性能。在中继速度方面，该方法显示出与其他方法相当的性能。理论上，这里相量估计提出的方法具有比四种使用的方法更好的频率响应。此外，它具有与这些方法完全兼容的响应时间。所提出的方法的另一个优点是其可以容易地编程，允许用户根据其需要改变设计参数。

1.引言

通常在数字继电器中的保护功能是所谓的“距离功能”，通过该功能可以沿着传输线检测相对于安装继电器的点发生故障的位置。 距离继电器可能导致在电流和电压相量的计算中的不准确导致的故障期间出现不足或超范围问题。

电气系统的电压和电流等级与继电器操作等级不兼容，因此，需要使用电流互感器（CT）和电压互感器（VT）。

在系统出现故障和操作的情况下，电压和电流信号上的瞬态分量被引入（谐波，间谐波和衰减的直流分量），这会对保护装置造成问题[1-3]。

我们已经提出了一些替代方案来防止不期望的频率分量出现。 这些替代方案主要体现在消除非基频分量和减轻这些分量在保护继电器性能期间的影响[4-6]。

几个研究集中在瞬变现象[6-11]和减少耦合电容电压互感器（CCVT）为保护继电器提供的电压信号瞬态分量去除电流信号衰减的直流分量[4,5]。

本文提出一种相量估算法，能够减少电压和电流信号的不良分量（衰减的直流分量，谐波和间谐波）。 它还体现了所提出的用于具有距离功能的保护继电器的操作的方法的优点。

2.基本数字保护继电器结构

数字保护继电器由具有特定功能的子系统组成。 这些继电器通常具有内置的抗混叠模拟滤波器，A / D转换器，相量估计算法和数据处理单元。

A / D转换器用于以由采样率定义的时间间隔将信号从模拟转换为数字。 使用相量估计算法来获得信号的基本分量，其被发送到数据处理单元，该数据处理单元的功能是控制继电器操作。

2.1 向量估算法

通过相量估计算法来计算采样窗口内的相量角和幅度。一些经典的相量估计算法是刚刚描述的。

在DFT算法中使用的基本策略在于提取测量波形的基波分量。滤波过程由一对滤波器执行：正弦滤波器和余弦滤波器。通常，该算法包括两种基本形式：全周期DFT（FDFT）和半周期DFT（HDFT）。第一种算法使用来自一个周期的信号的采样，第二种使用来自半个周期的采样。

傅立叶算法在滤波谐波分量中最普遍。然而，衰减的DC分量在估计过程期间不容易去除，因为其非周期性行为和其相对宽的频谱。

根据参考文献。 [7]中，机电和静态继电器的原理被用来提出一个滤波算法来减轻衰减的直流分量，称为数字模拟滤波器（DMF）。该方法的缺点是需要事先知道电力系统时间常数。

参考文献[8]，引入了一种称为余弦滤波器的相量估计方法，该算法基于正交傅立叶滤波器。对于所有报告的情况，该算法在电流的滤波衰减DC分量中呈现出良好的性能。然而，它导致延迟四分之一周期以估计相量。延迟引入的缺点导致该滤波器的新版本的发展：修正余弦滤波器[9]。

参考文献[10]，还提出了一种通过定义信号周期中的样本的新的部分和来减轻衰减的DC分量的算法。作者分析了该算法与FDFT的组合，建议递归策略更新这些相量。这个算法在这里被称为郭的算法。

3.提出的方法

非基频分量的理想滤波器将给出信号的基频的单位增益和其他频率分量的零增益。 实际上，级联的滤波器用于近似这样的特征。

所提出的方法具有两个级联二阶子滤波器，如图1所示。 这些级联在组合时保持基本分量，在该频率上呈现单位增益，并且衰减信号的非基本分量。

滤波器包括子滤波器，和。

其传递函数由下式给出：

（1）

滤波器包括子滤波器，和。

其传递函数由下式给出：

（2）

我们所提出的方法是使用滤波器和分别计算相量的实分量和虚分量，如图1所示。

信号相量的幅值和相位由下式给出：

（3）

（4）

下面对子滤波器级联和的细节进行描述。

3.1 带通子滤波器

将带通滤波器插入信号滤波过程的目的是增强对不期望的信号分量的抑制，促进在基频具有单位增益的频率响应，从而衰减非基频分量。

稳定时间（）是单位阶跃响应达到并保持在特定范围值所需的时间，这里定义为最终值的。 对于二阶带通滤波器，频率响应由下式给出：

（5）

其中是滤波器的中心频率，单位为，是滤波器品质因数。

该滤波器的单位阶跃响应为：

（6）

其拉普拉斯变换是：

（7）

由下式给出：，其中是滤波器的中心频率，单位为; 而是滤波器的通带频率，单位为。

考虑到正弦函数的最大值为“1”，并且在等式1中设置和。 （7）中，将通带（与相关的方程由下式给出：

（8）

如果选择的中心频率和的稳定时间（），则通带（）将为，使用19次高斯方法，初始猜测为。

将双线性变换应用于滤波器传递函数，z域中的传递函数变为：

（9）

的系数，，，和在处计算

采样频率，如表1所示。

对于的通带，不可能获得谐波分量的零幅度，并且需要额外的子滤波器。

3.2子过滤器，和

谐波二阶子滤波器在基频（）处呈现单位增益，并且对于谐波频率呈现零增益,该设计根据参考文献 [12]。 子滤波器传递函数由下式给出：

（10）其中k是从2到7的整数，，，表示以为单位的频率向量，是基频 ，是以为单位的采样频率。

子滤波器被设计为滤除DC分量。在和处呈现零增益。 滤波器在基频处呈现单位增益。 其传递函数由[12]给出：

（11）

在相量估计过程中，必须具有两个正交的信号分量以找出幅度和相位。 这里使用两个正交滤波器。 选择子滤波器与子滤波器（附录A）正交。 其传递函数如下：

（12）

具有沿着相量估计过程衰减衰减的DC分量的优点。

3.3 提出的方法的频率响应

滤波器与相量实分量相关，滤波器与相量虚分量相关。 所提出的方法使用滤波器和来计算输入信号相量的实数和虚数分量。 在附录B中示出了和是正交的。

所提出的方法的频率响应如图2所示。

4.距离继电器建模

在使用传统的估计方法时，评估所提出的方法对数字距离继电器的操作的影响，并且结合相同继电器的性能进行比较。 为此，所提出的算法和经典算法在替代瞬态程序（ATP）中使用MODELS语言实现[13]。

MODELS是基于对具有与面向对象编程最相似的特征的结构的描述的多用途语言。模型可以单独开发，分组到库中，并由其他模型用作独立的模块。

距离继电器在ATP中实现。 继电器示意图如图3所示。继电器结构的每个部分分别被建模为独立的块，当放置在一起时，包括继电器特征。

继电器输入信号（电压和电流）源自电力系统。 在调节之后，所获取的数据在数据处理单元最后被处理。 继电器输出信号，例如跳闸信号，被发送到控制和保护系统。 接下来描述每个中继组件的细节。

4.1辅助变压器

辅助变压器（电压互感器“VT”和电流互感器“CT”）主要用于将电压和电流信号调整到适合于模拟/数字转换的水平。因此，VT和CT被建模为理想的变压器。

4.2信号调节单元

信号调节单元块由以下子块组成：抗混叠滤波器和订书机电路，如图1所示。 抗混叠滤波器限制了信号的频带。这里使用具有180Hz截止频率的典型的三阶巴特沃兹低通滤波器。

装订电路的目的是保护继电器电路部分（例如A / D转换器）免受电压浪涌。 根据其大小，浪涌可能损坏继电器。 通常，电压信号在plusmn;10V的极限内装订。

4.3数据采集单元

信号采集单元块由以下子块组成：采样保持和A / D转换器，如图5所示。

采样和保持目标是对来自信号调节单元块的所有模拟信号进行量化和编码。在本工作中，为了模拟该装置的特征，子块采样和保持将ATP信号（10mu;s的时间步长）重新采样到每个周期16个采样。此操作称为抽取或采样率降低。

A / D转换器负责对采样保持的信号进行量化和编码，将模拟信号转换为二进制数字。由于数字的幅度被限制为一个有限数，定量和舍入变得必要。为了模拟A / D转换器量化模块的操作，参考文献[14]中描述的逐次逼近方法被使用。

4.4数据处理单元

在数据处理单元中计算电压和电流相量（图3）。 相量用于计算阻抗继电器单元的阻抗。 同时，它们用于实现保护功能。 基于这些计算值，继电器向诸如断路器的其它设备发送命令。在本工作中，距离继电器和跳闸信号功能的每个单元中的阻抗计算程序已经通过使用在ATP中的MODELS语言来实现 。

4.5 距离保护功能

距离保护（图3）基于从由仪表互感器提供的值计算的线路正序阻抗的测量原理[15]。 距离继电器连续估计阻抗值，当它小于预定阈值时，继电器跳闸。 该概念基于如下假设：在故障发生时，电流将显着增加，电压降低，从而导致较低的阻抗值。

继电器到达阻抗模块由典型曲线表示。 mho特性是最常见的特性之一。它是电阻 - 电阻平面中的一个圆[16]。圆极限由系统参数定义。这里，使用具有自偏振（使用来自故障相的电压信号）和交叉极化（使用来自声相的电压信号）的极化mho特性[17]。

距离继电器有几个单位负责阻抗计算。考虑到故障特性，相位和地线以及相位单元用于根据观察到的故障类型计算故障阻抗。为了计算每个特定单元的故障阻抗，使用表2所示的参数。

，，是相对地阻抗的单位，，，是继电器相位相阻抗的单位。 ，，是相电压; ，，是相电流; 是零序电流。 因子是零序电流的补偿因子，计算公式为：

(13)

其中和分别是要监视的传输线的零序阻抗和正阻抗。

余弦比较器“P”出自机电感应继电器的工作原理[16]：

(14)

其中和分别称为操作信号和极化信号。

余弦比较器可用于表示mho特性：

bull;如果Pgt; 0 - 表示mho特性中的面积;

bull;如果P = 0 - 是工作阈值;

bull;如果P lt;0 - 表示mho特性外部的区域。

通过归一化余弦比较器，标准比较器“”采用电平plusmn;1，并且当标准比较器呈现等于“-1”的值时采用值“0”（零），假设：

bull; = 1-跳闸命令;

bull; = 0-锁定控制。

5.评价方法

在本节中，在所提出的方法和四种经典相量估计方法之间进行频率和时间响应的比较：FDFT算法，修正余弦滤波算法，郭氏算法，具有DMF滤波器的FDFT算法。

5.1频率响应评估

为了相对于作为整体的频率响应来评估相量估算法，必须包括抗混叠滤波器与频率响应方法的频率响应，因为可以理解信号滤波过程从抗混叠滤波器开始。

频率响应针对滤波器的几种组合进行绘制：组合1-巴特沃斯滤波器加所提出的方法;组合2-巴特沃斯滤波器加上FDFT滤波器; 组合3-巴特沃斯滤波器加上修正余弦滤波器（MDF）;组合4-巴特沃斯滤波器和具有固定时间常数（三个周期）的FDFT滤波器的模拟滤波器; 和组合5-巴特沃斯滤波器加郭的算法。 组合1-5的幅度频率响应如图6-10所示。

所提出的方法（图6）的频率响应呈现出在连续谐波之间的更小的波瓣，表现出更好的间谐波的滤波。 此外，它在基频周围呈现较窄的频带。 可能重要的是，所有剩余的方法导致较高频率分量的幅度的增加。

总的来说，所提出的方法可以比这里描述的其他方法更有效地滤除较高频率分量和间谐波。

5.2时间反应评价

在ATP中模拟230kV电力系统（图11）以使用所提出的估计相量法（组合1）和经典方法（组合2-5）

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