变电站电容器采样频率动态评估和选取方法与流程

本发明涉及变电站智能化领域，特别是电容器谐波保护技术。

背景技术

随着电力系统的发展和电力电子技术的大量应用，电网负荷结构发生了重大的变化。变频电机、大功率电力电子装置、晶闸管调压装置等非线性用电设备大量增加，电网电能质量环境日益恶化，带来的电网公害-谐波污染，已严重影响到自身以及与其相连电网设备的运行安全。

变电站智能化程度随着电网的发展日益提高，对电容器组的投切操作需求也日益提高，但由于电网的谐波污染，传统的并联电容器组运行环境越来越严酷，故障频发，已严重影响到电容器自身以及与其连接的电网其它设备的运行安全。

谐波电流可能导致电力电容器的附加绝缘介质损耗加大，温度升高，加快电容器绝缘老化，甚至引起过热使电容器损坏；谐波电压引起的局部放电会严重影响电容器的使用寿命，还会使电容器鼓胀，击穿或爆炸。

如果以固有频率与高次谐波中某次谐波频率接近或吻合，则将在电感(系统感抗)、电容(补偿装置)并联回路里引起该次谐波的电流电压放大，甚至谐振，使该次谐波在电力系统中的危害加剧。

大量的电容器组运行数据表明，随着电网大量变频设备等非线性负荷的接入，电网谐波污染日益严重，电网中电容器组因谐波危害而导致的事故越来越多，电网中每年均会有多起电容器组过载、烧毁的故障发生。

大量谐波的存在以及变频设备的使用导致电压波形出现电压中断等现象，影响了电压电流波形的过零点，影响了谐波保护动作的正确性和精度。

应用中，谐波保护实施时常把暂态现象误认为是谐波畸变。暂态过程的实测波形具有明显高频分量的特性，但暂态和谐波却是两个完全不同的现象。电力系统在受到突然扰动后出现的畸变波形带来的高频分量与系统基波频率无关。

换流装置在换相时出现的陷波或称换相缺口等瞬时值的变化虽然也是周期性，但不属于谐波范畴。

目前的电容器保护误差较大，没有相应暂态事件的防误动策略，当系统出现暂态扰动时，容易出现保护装置的误动作。

在频率持续变化时，由于频率跟踪固有的滞后特性，会产生较大的频谱泄露。在测频信号回路出现较严重畸变时，将会出现过零点偏移或连续的过零点，对频率的测量造成严重的干扰，甚至导致无法获取实时频率。一般电能质量分析装置采用较长一段时间的均值来获取频率来克服上述影响，频率获取的数据窗口较长，存在较长时间的滞后性，无法满足保护装置实时快速的要求。采样频率如果和实际频率不一致将会导致谐波分析的误差增加，偏差到一定程度后将会导致保护误动。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题就是提供一种变电站电容器采样频率动态评估和选取方法，保证采样频率与实际频率的一致性，解决电力系统存在暂态事件时谐波保护可能误动的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：变电站电容器采样频率动态评估和选取方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤1)，硬件测频电路对线电压进行模拟低通滤波，滤除谐波畸变导致的频繁过零点以及过零点偏移对硬件测频的影响；

步骤2)，硬件测频电路在过零点时触发保护装置外部中断来记录过零点时刻，保护装置通过记录两次同方向过零点的时间差计算出实时硬件测频频率fh；

步骤3)，利用方差的公式

计算最近5次fh的方差sh²；

步骤4)，对被保护电容器的电压、电流进行采样；

步骤5)，对采样数据进行去坏点以及低通数字滤波，去掉ad转换的坏点以及滤除高次谐波对波形的畸变影响；

步骤6)，在采样值中寻找穿越过零点的采样点n1＞0，n2≥0，n3＜0，n4＜0或n1＜0，n2≤0，n3＞0，n4＞0，其中n1，n2，n3，n4为连续采样点，并分别记录下四个采样点的时刻t1，t2，t3，t4；

步骤7)，利用公式

计算过零点t0；

步骤8)，利用上次计算出的连续两次过零点的时间差，计算出软件测频频率fsab，fsbc，fsca；

步骤9)，再一次利用方差公式

计算最近5次ssab，fsbc，fsca的方差ssab²，ssbc²，ssca²；

步骤10)，选取sh²，ssab²，ssbc²，ssca²中的最小值

shmin²＝min{sh²，ssab²，ssbc²，ssca²}对应的频率f；

步骤11)，利用求出的f调整系统采样间隔。

本发明采用硬件测频电路对线电压进行模拟低通滤波，并在数据处理上去除谐波对过零点的干扰，实现实时频率的高精度获取与频率跟踪采样，保证谐波分析的精度。

具体实施方式

下面具体说明本发明谐波保护的方法：

一种电容器谐波保护方法，包括

对用于被保护的电容器组的电压、电流进行采样；

对采样的数据进行低通数字滤波；

实时计算三相电压或电流的有效值，并计算5ms内的有效值变化的绝对值以及有效值变化的比率；

在5ms内三相电压或电流的有效值变化的绝对值以及有效值变化的比率大于设定值时，闭锁谐波保护。

其中，综合频率突变量以及滑动窗口最小方差算法，从硬件测频，三相电压软件测频中筛选出最终采样用频率。

在测频信号回路出现较严重畸变时，将会出现过零点偏移或连续的过零点，对频率的测量造成严重的干扰，甚至导致无法获取实时频率。一般电能质量分析装置采用较长一段时间的均值来获取频率来克服上述影响，频率获取的数据窗口较长，存在较长时间的滞后性，无法满足保护装置实时快速的要求。采样频率如果和实际频率不一致将会导致谐波分析的误差增加，偏差到一定程度后将会导致保护误动。为了解决上述问题，装置在测频回路上采用专用硬件低通滤波，并在数据处理上采用高性能的数字滤波器提取装置的基波分量，去除谐波对过零点的干扰，实现实时频率的高精度获取与频率跟踪采样，保证谐波分析的精度。

动态评估和选取实时频率包含以下几个步骤：

硬件测频电路对线电压进行模拟低通滤波，滤除谐波畸变导致的频繁过零点以及过零点偏移对硬件测频的影响。

硬件测频电路在过零点时触发保护装置外部中断来记录过零点时刻，保护装置通过记录两次同方向的过零点的时间差计算出实时硬件测频频率fh。

利用方差的公式

计算最近5次fh的方差sh²；

对被保护电容器的电流、电压进行采样。

对采样数据进行去坏点以及fir低通数字滤波，去掉ad转换的坏点以及滤除高次谐波对波形的畸变影响。

在采样值中寻找穿越过零点的采样点n1＞0，n2≥0，n3＜0，n4＜0或n1＜0，n2≤0，n3＞0，n4＞0，其中n1，n2，n3，n4为连续采样点，并分别记录下四个采样点的时刻t1，t2；t3，t4。

利用公式

计算过零点t0。

利用上一步计算出的连续两次过零点的时间差，计算出软件测频频率fsab，fsbc，fsca。

再一次利用方差公式

计算最近5次fsab，fsbc，fsca的方差ssab²，ssbc²，ssca²；

选取sh²，ssab²，ssbc²，ssca²中的最小值

shmin²＝min{sh²，ssab²，ssbc²，ssca²}

对应的频率f。

利用求出的f调整系统采样间隔。

计算三相电压和电流有效值变化量以及变化率包含以下几个步骤：

采集三相电压和电流，对采集到的数据进行fir低通数字滤波，防止高频干扰或噪声信号的混叠。

运用公式以及对经低通滤波后的三相电压和电流进行有效值计算并记忆。

再次运用以及计算当前电压和电流有效值。

计算当前电压有效值urms和电流有效值irms与5ms前电压有效值urmspre5或电流有效值irspre5差值δu和δi的绝对值。

|δu|＝|urms-urmspre5|

|δi|＝|irms-irmspre5|

计算当前电压和电流有效值与5ms前电压或电流有效值变化比率和的绝对值。

利用离散傅里叶算法(dft)

计算n次谐波电压和电流幅值。

根据公式其中u1为电压基波值，计算电压总畸变率。

根据公式，其中i1为电流基波值，计算电流总畸变率。

防止微机谐波保护误动的方法逻辑如下：

当|δu|＞0.01×n×u(n)set，闭锁n次电压谐波保护与电压有效值保护。

当|δi|＞0.01×n×i(n)set，闭锁n次电流谐波保护与电流有效值保护。

当闭锁电压畸变率保护。

当闭锁电流畸变率保护。

在此基础上，本发明提供单次谐波电压、电流，电压有效值，电流有效值，电压畸变率，电流畸变率等谐波保护功能，具有很高的保护动作精度和正确性，同时能防止电容器谐波保护的误动，为电力电容器设备提供更好的谐波保护功能。综上本发明具有如下有益效果：

1、对被保护的电容器组的线电压通道进行硬件测频，有效减少相电压中的共模干扰以及3n次谐波对测频精度的影响。

2、对被保护的电容器组的电压采样数据经过数字低通滤波后进行软件测频计算，防止硬件测频回路受到电压中断等暂态事件的干扰失效而影响系统采样频率精度。

3、根据事实频率，动态调整系统采样间隔，防止非同步采样的计算误差与频谱泄露。

4、通过滑动窗口实时计算电流电压通道的有效值及各次谐波分量，保证了谐波保护的速动性。

5、通过突变量闭锁等手段保证了谐波保护的选择性和可靠性。