获得供电网波动显示信号的方法

获得供电网波动显示信号的方法

本发明涉及一种获得供电网波动显示信号(波动信号)的方法，其中对相电流和相电压进行采样，形成相电流和相电压采样值，并且从相电流和相电压采样值所形成的阻抗值中检测激发情况，同时考虑其在波动多边形上的位置，并且通过比较随时间相继出现的阻抗，形成一个波动嫌疑信号。

德国专利公开文献DE 195 03 626 A中描述了这样一种方法。在该方法中，从电流采样值和电压采样值中检测激发情况，形成具有预定时间间隔的阻抗值。从第一个落入波动多边形中的阻抗值和之前的阻抗值中确定出其变化的时间量，并且当变化低于一个规定的极限值时，产生一个波动嫌疑信号。如果在进一步对阻抗值进行复查时，得到一个落入到一个远距离保护的触发多边形中的阻抗值，则只要波动嫌疑信号继续存在，就产生一个波动信号。用这种方法能够识别出频率最高直至为1Hz的波动。

本发明的任务在于，提供一种获得波动信号的方法，利用该方法能够识别出较高频率的波动。

为了完成这一任务，在开头所述的本发明所述方法中，由相电流和相电压采样值得出供电网顺相序系统的电流和电压空间矢量；使用所述顺相序系统的电流和电压空间矢量，得出一个与顺相序系统有功功率的瞬时值成比例的顺相序系统有功功率量以及一个与顺相序系统无功功率成比例的顺相序系统无功功率量；通对分别进行最小平方估算，从顺相序系统有功功率量中消除电网频率分量，得出有功功率测试量，并且从顺相序系统无功功率量中消除电网频率分量，得出无功功率测试量；从顺相序系统的电流空间矢量中得出一个顺相序系统电流量，并使用最小平方估算从该顺相序系统电流量中得出一个顺相序系统电流测试量，通过对有功功率测试量与顺相序系统电流测试量的平方进行的求商，得出顺相序系统电阻值，并通过对无功功率测试量与顺相序系统电流测试量的平方进行的求商，得出顺相序系统电抗值；对短时相继出现的、分别由短时相互匹配的顺相序系统电阻值和顺相序系统电抗值形成的顺相序系统阻抗值进行单调测试和阶跃式变化测试，并且在存在单调和缺少阶跃式变化的情况下，形成一个波动嫌疑信号，此外通过估算，从所述顺相序系统阻抗值中得出一个与各自的顺相序系统阻抗值有关的、由顺相序系统阻抗值形成的轨迹曲线的圆心点，并且当圆心点虚数部分超出各个顺相序系统阻抗的顺相序系统电抗值的绝对值时，生成一个波动操作信号；在波动嫌疑信号和波动操作信号同时存在情况下，如果最后形成的顺相序系统阻抗值处在波动多边形范围内，则形成所述波动信号。

德国专利文献DE 41 00 646 C2公开了一种方法和装置，它在瞬时功率波动过程中在不期望的触发出现之前用来对远距离保护装置进行保护，通过与功率相关的电量的时间导数，产生出至少一个用于远距离保护装置的截止信号，并且在使用阻抗幅相图情况下阻止远距离装置不期望的触发出现，然而在此，有功功率和无功功率分别产生的变化按差分式与视在功率联系起来，并使用该商数形成一个波动信号。

本发明所述方法的优点在于使用它能够很快地对波动进行识别，在此，可以对明显来自于三极误差的波动进行区分。此外，本发明所述方法还允许对频率相当高的波动进行识别，也就是当磁极角度在时间上出现不规则变化时。本发明所述方法的另一个主要优点在于，由于进行了最小平方估算，因此，由随时间相继出现的顺相序系统阻抗值分别形成的轨迹曲线相当平滑并且能够可靠地据此进行分析。

在本发明所述方法中，优选的方式是，当分别由短时相互匹配的顺相序系统电阻和顺相序系统电抗形成的顺相序系统阻抗值处在波动多边形的范围内时，对短时相继出现的顺相序系统阻抗值进行监控，使之维持最小变化速度，并且在低于该变化速度的情况下，取消所述波动信号。

下面对照附图对本发明作进一步的阐述，附图中：图1是实施本发明方法的一种装置的实施例，图2是描述本发明方法的过程的曲线图，图3是波动过程中的阻抗幅相图，图4是用来解释估算顺相序系统阻抗值轨迹曲线的各圆心点的曲线图，图5是顺相序系统有功功率量和顺相序系统无功功率量随时间变化的曲线，图6是顺相序系统有功功率测试量和顺相序系统无功功率测试量随时间变化的曲线，图7是在按三极误差波动情况下，顺相序系统阻抗值的轨迹曲线。

图1显示的是一个电流和电压的空间矢量形成装置3，该装置的输入端以未说明的方式经电流互感器和变压器连接到三相供电线路的三相上。而该空间矢量形成装置3的输出端则连接到一个装置4上，以形成顺相序系统有功功率量P′，在该顺相序系统有功功率量P′的形成装置的输出端布置一个最小平方估算器5。该最小平方估算器5的输出端连接到求商模块6的输入端上。此外装置3还连接到一个装置7上，以形成顺相序系统的无功功率量Q′，在该顺相序系统无功功率量Q′的形成装置后面布置有另一个最小平方估算器8；在这个最小平方估算器8的输出端是顺相序系统无功功率测试量Q，该顺相序系统无功功率测试量经一个输入端传送给另一个求商模块9。

所述装置3的电流空间矢量iα在一个平方器10中进行平方运算，在该平方器后面布置一个加法器11。在该加法器11的输入端连接了另一个平方器12，所述装置3的另一空间矢量iβ被输入到该平方器的输入端。所述加法器11的输入端连接到一个开方级13上，在该开方级后面布置一个最小平方估算器14。从所述开方级13产生的是顺相序系统量i′，由此，通过最小平方估算器14形成的是顺相序系统电流测试量i。所述最小平方估算器14经平方级15与求商模块6和9的另一输入端相连接。

从求商模块6产生了顺相序系统电阻值Wr，而从另一个求商模块9则产生了顺相序系统电抗值Wx，并且被传送到一个分析器16，该分析器必要时在其输出端输出波动信号Sp。

按照图1的配置，所述信号Sp可以由以下方式产生：首先，在电流和电压的空间矢量形成装置3中，对未示出的例如由三相供电线路构成的供电网所提供的相电流Ir、Is、It和相电压Ur、Us、Ut进行采样，同进形成相电流和相电压采样值ur、us、ut、ir、is和it。对这些采样值进行hαβ-变换(克拉克-变换Clarke-Transformation)，由此可以确定相序系统的变换的电流采样值或电流空间矢量iα、iβ以及变换的电压采样值或电压空间矢量uα和uβ(参见H.H-Jahn和R.Kasper在电子技术文献56期(1974)第105-111页中的“用于处理多相系统的坐标变换”)；iα=2/3·(iR-0.5·(iS+iT))]]>iβ=1/2·(iS-iT)-----(1)]]>uα=2/3·(uR-0.5·(uS+uT))]]>uβ=1/2·(uS-uT)]]>

从这些变换的采样值或空间矢量出发，在装置4中，按照下列等式形成一个与顺相序系统有功功率的瞬时值成比例的顺相序系统有功功率量P′：P′=12·(uαiα+uβiβ)-----(2)]]>此外，所依据的条件是，该顺相序系统有功功率量P′在短路或电网波动情况下具有短时的变化，这种短时变化可以由下面的信号模型来表述：yi=A·ei·TAτ·sin(w-oi·TA)+B·ei·TAτ·cos(ωoi·TA)+C----(3)]]>其中Yi表示电流或电压空间矢量的采样值，τ表示一个随后将要进行解释的时间常数，ωo表示电网频率，而TA则表示采样周期。

观察顺相序系统有功功率量，等式中的第一项描述了一个按时间指数衰减的、随电网频率波动的正弦形顺相序系统有功功率量P′的信号分量，其第二项描述了另一个按时间指数衰减的、随电网频率波动的顺相序系统有功功率量P′的信号分量，在此，由于另一个信号分量是余弦形，因此上述的这一个信号分量和这另一个信号分量相互是正交的。C表示顺相序系统有功功率量P′的一个随波动频率波动的分量测量值，在此，该分量测量值C与时间有关，因此它表示一个瞬时值。

根据等式(3)的信号模型的依据是，在三极短路情况下，实际上不再转换有功功率因而也就不再转换顺相序系统有功功率，因此，在这种短路情况下，所述顺相序系统有功功率量P′必然会下降到很小的数值(接近零)；在等式(3)中的前两项就考虑了顺相序系统有功功率量P′的这种下降。在根据等式(3)的信号模型中，还包括功率波动，更确切地说，是第三项或波动分量测量值C；通过该波动分量测量值C，考虑到了在顺相序系统有功功率量P′中的低于电网频率并因此具有电网波动特性的频率分量。

顺相序系统有功功率量P′被传输到最小平方估算器5，在该最小平方估算器中，在顺相序系统有功功率量P′中的电网频率分量被除掉从而形成顺相序系统有功功率测试量P。该顺相序系统有功功率测试量P与顺相序系统有功功率量P′在时间上随波动频率波动的波动分量测量值C相对应。

以相应的方式借助装置7和另一个最小平方估算器8，从顺相序系统无功功率量Q′得出顺相序系统无功功率测试量Q，同时，该顺相序系统无功功率测试量Q与顺相序系统无功功率量Q′的波动分量测量值C相对应，所述顺相序系统无功功率量Q′按下述等式(4)形成：Q′=12·(uβiα-iαiβ)-----(4)]]>通过图1的模块10到13，按关系式(5)形成顺相序系统电流量i′，i′=iα2+iβ2------(5)]]>由此，在使用上面规定的信号模型情况下，借助在模块14中进行的最小平方估算，得出顺相序系统电流测试量i，该顺相序系统电流测试量与在顺相序系统电流量i′中的波动分量值C相等。

通过借助求商模块6和9进行的求商，得出顺相序系统电阻值Wr和顺相序系统电抗值Wx，Wr=Pi2----(6)]]>Wx=Qi2-----(7)]]>这些值将在分析器16中进行处理。

在对此做进一步探讨之前，应该先详细阐述一下最小平方估算法。

估算方法是从采样出的空间矢量的一限定信号段中计算出在上面等式(3)中规定的信号模型的系数A、B和C：该模式方程通过参数C给出了各个估算的空间矢量分量的振幅。带有参数A和B的各项要对由非周期分量产生的50-Hz-分量进行调整。如果在这种情况下，从一个由两台备用机供电并带有两个等效阻抗的供电线路的单极等效电路图出发，50Hz-波动的振幅随着总阻抗的时间常数τ而衰减。τ=ΣLΣR------(8)]]>将使用最小误差平方(最小平方)法来确定系数组A到C，例如在A.Jurisch，TH Zittau，1990的论文“在识别法基础上的数字阻抗测量法”中所描述的那样。对于等式(3)的模式而言，根据现存的采样值，应该这样确定系数A、B和C，即，在采样值yi和按等式(3)计算出的采样值yi之间的误差平方总量最小为：J=Σi=k-Nk(yi-h(Θ-k))2→MIN---(9)]]>J：质量判据；h(Θk)：等式(3)的函数；Θ-k=AkBkCk]]>(随待确定系数A、B和C而定的向量)    (10)为解决最小化问题，必须根据参数推导出质量判据。于是，对于等式(3)的信号模型来说，可以得到：0=Σi=k-Nk2γ-iT(yi-γ-iΘ-k)-----(11)]]>和γ-ik=sin(2πTiTA)·e-iTAτcos(2πTiTA)·e-iTAτ1---(12)]]>在此，如果将等式(3)描述成从γi和Θk得到的要点产物的话，则得出向量γi。T表示供电网以电网频率波动的周期。

按参数向量Θk对等式(11)进行变换，就得到用于测定参数向量的等式(13)，将其插入到等式(3)的信号模型中，以便对测量的信号进行最佳的调整，以期得到最小的误差平方。Θ-k=S-k-1Σi=1kγ-iTyi------(13)]]>和S-k=Σi=k-Nkγ-iTγ-i------(14)]]>S-k=sin2(2πTiTA)·e-iTAτsin(2πTiTA)cos(2πTiTA)·e-iTAτsin(2πTiTA)·e-iTAτcos(2πTiTA)sin(2πTiTA)·e-iTAτcos2(2πTiTA)·e-iTAτcos(2πTiTA)·e-iTAτsin(2πTiTA)·e-iTAτcos(2πTiTA)·e-iTAτ1--(15)]]>

根据上述说明，如果按照匹配的远距离保护的激发情况对顺相序系统电阻值Wr和顺相序系统电抗值Wx进行计算，则可以得到一个在R-X平面内的轨迹曲线，并且在Wr和Wx的值出现变化时，可以测试出波动存在的前提条件。

所述轨迹曲线测试分为一个单调测试和一个阶跃形信号变化测试。所述单调测试是对短时相继出现的顺相序系统电阻值Wr的变化曲线的单调性进行测试。由于在同步波动情况下，在波动轨迹曲线上，在换向点上的单调条件会被破坏，因此所述测试仅在尚未识别波动的情况下进行，也就是在顺相序系统阻抗值Z(由Wr和Wx形成的)的轨迹曲线还没有形成波动多边形PPOL的情况下(参见图3)进行。在波动过程中，只对顺相序系统阻抗矢量在短时相继出现的顺相序系统电阻值Wr是否具有最小变化速度进行测试。如果在一已识别的波动过程中还有顺相序系统-阻抗矢量存在，可能不会再有波动。图2对单调测试的标准转换进行了说明。

所述单调测试在适当选择出的一定数量N的曲线点上进行。使用的是下面的标准：ΔWr(k-i)·ΔWr(k-i-l)＞0|i＝0.N(16)最小变化速度测试在一个采样间隔内针对顺相序系统电阻变化使用了一个待定的阀值。

还有一个阶跃形信号变化测试与该单调测试平行进行。顺相序系统阻抗矢量的阶跃形变化排除了一种波动。判定是否存在波动，要借助顺相序系统电阻Wr或顺相序系统电抗Wx随时间的变化来进行。这些变化通过对Wr和Wx的微分来计算。由于这种微分方法在数字上特别灵敏，因此通过最小平方估算器对测试量P、Q和i的良好平整是特别重要的。

对轨迹曲线测试来说，对顺相序系统电阻和顺相序系统电抗的测试量Wr和Wx的微分按1阶方法进行：ΔWr＝Wr(k)-Wr(k-1)ΔWx＝Wx(k)-Wx(k-1)(17)“k”作为最新采样值的符号。

在这一部件中要进行下列测试：-在多个间隔上对分别从相邻顺相序系统电阻值Wr得出的误差小于一个阀值的两个ΔWr-值进行测试。在多次不满足准则的情况下，就有不稳定过程存在。

-在多个间隔上对分别从相邻顺相序系统电抗值Wx得出的误差小于一个阀值的两个ΔWx-值进行测试。若在对X-方向上的导数测试时，发现有阶跃形信号变化，则还要对(R，X)-轨迹曲线的总的导数的阶跃形变化进行测试。如果所述变化dZ是一个规定给顺相序系统阻抗的为|Z|的分量，而与此同时，在阀值左右的dZ的更新值又与前面的测量周期中所形成的dZ有误差，则可以识别出一个阶跃。

这种测试对波动过程的特征模型进行测试。如果满足所有这些标准，则存在波动的重大嫌疑，从而在分析器16中产生一个波动嫌疑信号。通过规定适当的时间间隔进行单调性测试，就可以确定出最大的可得的波动频率。

所述测试允许在快速暂态过程和波动之间的区别。为了避免波动识别的过分运行，在存在波动嫌疑的情况下，还要检测作为(R，X)-轨迹曲线中连续被识别的轨迹曲线是否还具有表明一个固定不稳定的电网状态的特征。

为了识别上述两台备用机的磁极转子之间的差角δ，使用了在应用本发明所述方法进行工作的保护装置的安装位置上所测量出的阻抗的特性曲线。假定在两台备用机之间的阻抗是纯电感的，则在继电器的安装位置上，所测阻抗矢量的顶点描绘出了一个在虚轴上带有一个中心点的椭圆作为轨迹曲线。当角差直至最大+90°时，对该椭圆的上部进行扫描。只有当磁极转子的差角在-90°＜180°＜+90°之间时，才对该椭圆的下部进行扫描。如果到达椭圆的这个部分，则所述电网处于一个固定不稳定状态。通过对圆心点进行估算，从所测量的(R，X)-轨迹曲线点来测定这一不稳定工作点。如果测定出的圆心点的虚数部分大于所测量的轨迹曲线的X-值，则所述电网处在一个固定不稳定工作点上并且阻抗轨迹曲线可以到达触发多边形。图3说明了这种情况。

轨迹曲线测试用导数的形成按2阶方法进行：dWr＝Wr(k)-Wr(k-1)(19)dWx＝Wx(k)-Wx(k-1)利用借助最小平方估算器获得的顺相序系统电阻值Wr和顺相序系统电抗值Wx的导数，在每一运算步骤，将根据下列方程对在虚轴上的阻抗椭圆的中心点进行估算：Σi(Wx1+dWridWri·Wri-Wx0)2⇒MIN-----(20)]]>该方程是从以椭圆角为参数的轨迹曲线方程的一种参数表示得出的，其导数带有附加系数比较。为了解决最小化问题，必须根据参数Wx0推导质量判据。对于等式(3)的信号模型来说，在时刻k得到对于N而言处于后面的采样值：0=-2·Σi=0N(Wxk-i+dWrk-idWxk-i·Wrk-i-Wx0)------(21)]]>Wx0=1NΣi=0N(Wxk-i+dWrk-idWxk-i·Wrk-i)]]>这里，顺相序系统电阻值和顺相序系统电抗值的导数将利用对应等式(19)的二阶方法形成。

为了区分出最新测量的数值对[Wr，Wx]是否处于阻抗圆图的固定稳定或不稳定区内，要把Wx0的估计值与实际的Wx测量值进行比较：{Wx0>0|Wx>Wx0Wx0<0|Wx<Wx0}⇒M=1;------(22)]]>由此可见，只要能确定一个固定不稳定曲线点，所述信号M作为波动操作信号就是有效的。用于估算的曲线点的数量N必须适当确定。然而，在比率Wr/Wx低于一个待定阀值情况下，只考虑用来估算中心点的曲线点。由此在圆心点的确定过程中使测量误差降至最小。如果所述曲线点满足上述要求，则表明曲线段具有极度平滑的曲线变化。如果在估算时，不到两个曲线点可适合于对圆心点进行估算，可以以整个曲线具有极度平滑的曲线变化为依据。当两台备用机的磁极电压大约一样大时，在电网波动情况下便出现这样的曲线变化。在这种情况下，还可以以固定不稳定电网状态为依据。所述波动操作信号M在这种情况下同样是有效的。

当所要测试的轨迹曲线段不含有中断和换向过程时，对不稳定曲线点进行的测试才能有效地进行工作。图4显示的是在同步波动情况下所测定的中心点。

在图4中可以清楚地看到，在换向点上估算一个轨迹曲线中心点，该点表明一个在R-X-平面内的稳定的工作点。为了阻止在同步波动情况下出现对估算的曲线中心点的这种误判读现象，只有直到识别出一个波动后，才能对不稳定曲线点进行测试，也就是说，所述轨迹曲线进入到了波动多边形PPOL内。由于只有有效地对不稳定曲线点进行测试才能导致对波动的识别，因此在识别波动过程中可以放弃这种测试。由于只有在单调性测试和阻抗矢量阶跃形变化测试有效地结束时，才能对不稳定曲线点进行测试，因此，可排除在有待测试的轨迹曲线段中的不连续性。

为进一步阐明本发明方法，在图5中描绘的是在三极误差情况下，所计算出的顺相序系统有功功率量P′和所计算出的顺相序系统无功功率量Q′在时间t上的变化曲线。可以清楚地看到在时刻T出现误差情况下，50Hz-分量的作用。而根据图6，在同样的误差情况下，由于根据图1的最小平方估算器5和8消除了50Hz-分量，因此顺相序系统有功功率测试量P和顺相序系统无功功率测试量Q的变化曲线明显得到改善。

在图6中描绘的是根据三极误差的供电网，其后出现了根据错误定义的波动。利用数值P和Q并且用顺相序系统电流i进行的运算导致了一个出自顺相序系统阻抗值Wr和Wx的轨迹曲线，如在图7中所示的那样。在此，Z1表示一个匹配的远距离保护装置的内区触发多边形而Z2则表示外区触发多边形。