专利名称：保护继电器中的模拟高通滤波器的制作方法
在监视电力系统以检测系统故障时，保护设备的典型配置是执行各种诊断或监视程序。一种此类程序包括确定基波电流频率分量是否处在可以接受的范围或包络线之内。具体地说，保护设备被配置成周期性地确定每一相电力系统电流信号的基波电力系统频率分量。一旦确定了每一相的电流信号基波频率分量，就将每一个分量和一个预选的理想包络线相比较。如果确定的基波分量处在包络线之内，这一诊断测试科目就通过了。然而，如果基波分量没有落在包络线之内，这种状态就可能预示着电压故障或者其他问题。如果这种状态持续下去，保护设备就会动作，断开与这一超范围分量有关的电路。当电路被断开时，往往要求工作人员定位并核对造成超范围电流分量的根源，然后闭合闭合设备中的断路机构。
为了精确地识别故障的位置，可以通过对基波电流分量的分析来确定从保护设备到故障的距离。在执行这种分析时，为了改善精度，需要从电流信号基波电力系统频率分量中消除衰减偏移。在电力系统过渡过程期间往往在线电流中出现衰减偏移，它是由线路中的电感和电阻性阻抗响应造成的。要校正这种衰减偏移就必须补偿偏移的时间变化性质。一旦消除就衰减偏移，就可以通过分析电流信号基波频率分量来确定故障的位置。
公知的模拟电路和滤波器是以函数IZ(t)=i(t)*R+v(t)作为传输线性能的数学模型，其中的v(t)=L(di(t)/dt)。这一输出信号是两项之和第一项与模拟电阻和线电流的乘积成正比，第二项与模拟电感和线电流的时间导数的乘积成正比。上述函数通常被用来消除衰减偏移。通常是采用离散Fourier变换(DFT)来确定每个线电流的基波电力系统频率分量和谐波。
模拟技术会受到限制。例如，输入信号的微分会放大高频谐波，特别是在诸如电动机驱动和循环换流器这样的工业设备中。这些高频谐波的放大会导致虚假的电流尖峰，会造成保护继电器在错误的时间触发。随着保护设备速度的不断提高，这一问题会带来越来越多的麻烦。
数字式的模拟滤波器通常是依赖于两个输入采样的微分。为了补偿虚假的电流尖峰，要通过增加采样周期来降低微分增益。然而，增加采样周期会减少滤波器的带宽。
还有其他的公知技术。例如，为了减少为执行偏移校正所需要的计算量，美国专利US5798932提出了分别检测故障和确定故障位置。具体地说，该专利认为，为了确定故障是否存在不一定非要从电流矢量中消除衰减偏移，而是仅仅在利用矢量来定位故障时才需要消除衰减偏移。如果将执行处理步骤的顺序反过来就可以产生矢量值，然后在必要时从产生的矢量值中消除衰减偏移，在某些场合下能够显著地减少计算量。
美国专利US5796630公开了一种用来部分消除可能出现在故障电流中的谐波分量影响的保护继电器系统。这种系统包括一个数字滤波器，用来输出第一和第二差分电变量数据，代表第一和第二电变量的至少两个采样数据之间的第一和第二差额。该系统还包括一个附加滤波器，用来输出第一和第二附加电变量数据，代表相对于第一和第二差分电变量数据的正交矢量数据。该系统进一步包括一个继电器控制单元，用来根据某一采样时间的第一和第二差分电变量数据来计算电力系统中的继电器动作的控制参数，从而确定是否应该执行电力系统的保护动作。
美国专利US4577279公开了一种用来提供偏移补偿的方法和装置。对一个正弦信号采样，在对应着正弦信号的多个周期的时间间隔内对过渡过程取平均值，并且在时间间隔的中点从采样中减去该平均值，从而消除过渡过程指数噪声信号的影响。
尽管用来对付偏移的上述和其他技术是公知的，但是都不能提供一种快速，可靠和精确的技术从提供给保护继电器的电力系统信号中滤除噪声，同时又要避免虚假的信号尖峰。
从以上的观点来看，需要提供一种可靠，快速和精确的技术为电力系统信号滤波。这种技术还应能用于避免虚假信号尖峰。这种技术还应该能够适合不同的应用，并且能够在模拟或数字电路中采用这种技术。
本发明提供的滤波技术除了满足上述要求之外还具有附带的优点，按照本发明的一个实施例，用一个伪微分来代替常规模拟滤波器的微分，用来抑制低频信号。按照一个实施例，伪微分器是由一个正向增益Kp和反馈环中的一个积分器组成的。这样，按照本发明一个实施例的方法，接收输入的电信号，调节(例如减少)一个反馈值，并经过放大提供一个输出信号。根据输出信号从输入信号中消除噪声。通过对输出信号积分来确定反馈值。
本发明为滤除噪声并且避免虚假的信号尖峰提供了一种快速，可靠和精确的技术。
阅读以下参照附图的详细说明就可以更加充分地理解本发明，在附图中
图1是按照本发明一个实施例的伪微分器的框图；图2的流程图表示在本发明一个实施例中为信号滤波的方法；图3是适合用来实现本发明的模拟滤波器的一种模拟电路的示意图；图4A-B的波形图分别表示一个输入信号和常规模拟滤波器与本发明的一例模拟滤波器的输出响应的比较；图5A-B分别表示一种常规模拟滤波器的幅值和相位响应预报曲线；以及图6A-B分别表示按照本发明的一例模拟滤波器的幅值和相位响应预报曲线。
参见图1，在图中表示了按照本发明一个实施例的伪微分器10的框图。在本例中，伪微分器10被纳入一个保护继电器所包含的滤波器中，或者是在操作上与包含继电器相联系。信号L*i(t)代表和一个保护继电器相联系的一条线中的电流与这一条线的电感L相乘。从这一输入中减去下述的反馈环产生的反馈值，产生一个修正的输入信号。修正的输入信号被提供给一个比例增益值为Kp的放大器10，用Kp值放大修正的输入信号，并且将放大的值作为信号v(t)输出。在传统的模型公式IZ(t)=i(t)R+v(t)中使用这一信号v(t)，并且可以用常规技术来补偿偏移值。上述的反馈环包括将放大的信号提供给一个积分器14，将放大的信号对时间积分，并且将这一积分乘以一个积分增益值Ki。然后从输入信号L*i(t)中减去积分和乘积的信号。
在实际的滤波器中，用伪微分器代替传统模型公式IZ(t)=i(t)R+v(t)的微分器(其中的v(t)按惯例等于L(di(t)/dt))。因此，采用图1的伪微分器的模型公式就变成了
IZ(t)=i(t)*R+[Kp*L/(1+Kp*Ki∫IZ(t)dt)]*i(t)，其中的Kp是比例增益，而Ki是积分增益。这一数学模型可以在使用电阻，电容和其他适当元件的模拟电路中实现，以下要说明这样的一个例子为了调节比例和积分增益值可以对元件值进行选择。
按照本发明的一方面，可以用数字电路或者是适当编程的处理器实现这一公式，例如可以用梯形方法将公式变换到离散的时域。按照这种方案，基于模拟滤波器的数字信号处理器(DSP)的公式变成了Lmimic(t)=A*i(t)+B*i(t-T)+Kx*Imimic(t-T)，其中的Kx=[2-KpKiT]/[2+KpKiT]，A=R+L*2*Kp/[2+KpKiT]，B=Kx*R-L*[2Kp/(2+KpKiT)]，而T是采样周期。
系数A和B考虑到了滤波器的微分增益。从中可以看出，增加比例增益Kp可以增加微分增益，并且提供较快的滤波器响应。然而，大的比例增益也会在滤波器的输出产生超调和环路。调节积分增益Ki可以控制衰减。增益积分增益可以抑制环路和虚假信号尖峰过渡过程，但是会增加滤波器的稳态响应时间。这样就能根据不同的应用调节或是调谐模拟滤波器，获得优化的性能和稳态响应时间。本例的模拟滤波器可以对信号进行快速和精确的滤波，抑制dc偏移或其他噪声，同时防止出现伪信号尖峰。Kp的最佳值小于滤波器截止频率的0.1倍，而Ki小于Kp的40％。
参见图2，图中用流程图表示了按照本发明的一个实施例对输入信号滤波的方法。该方法从步20开始，由滤波器接收输入信号。在步22中按照公式IZ(t)=I(t)R+v(t)模仿电力系统的状态，其中的v(t)是按照图1所示的伪微分器产生的。伪微分器可以用例如图3的模拟电路来实现，或者是用数字信号处理器来产生上述的适用函数。在步24按照公知的技术补偿或是消除dc偏移或者其他噪声。
参见图3，图中表示了用来实现本发明的模拟滤波器的一例模拟电路。电路30接收输入信号Vin并且将这一信号提供给输入电阻32(Ri)和输入电容34(C)的第一端。输入电容C的第二端连接到运算放大器36的第一输入端，其第二输入端连接到地。运算放大器36产生一个输出信号Vout，并且通过反馈电阻Rf将这一输出信号反馈给运算放大器36的第一输入端。在本例中，T(jω)=Vout(jω)/Vin(jω)=[jω*Rf/Ri]/[jω+1/(C*Ri)]。在本例中，Kp=Rf/Ri，Ki*Kp=1/C*Ri，因此，Ki=1/C*Rf。另外可以看出jω代表频域。
参见图4A-B，图4A的曲线代表输入信号，例如是代表通过由继电器保护的电力系统中一部分的线电流。图4A的信号具有一个衰减的dc偏移。图4B表示两个波形，其一是接收图4A的输入信号的一个常规模拟滤波器的输出，另一个是采用本发明技术的模拟滤波器的输出。在本例中将Kp选为0.995，而Ki选为0.4。从图4B中可见，常规模拟滤波器(“模拟”)输出一个电压尖峰，而本发明的改进的模拟滤波器(“新模拟”)不会产生这种尖峰。
参见图5A-B，图中分别表示了一种常规模拟滤波器的幅值和相位响应预报曲线。图6A-B分别表示按照本发明的模拟滤波器的对应的幅值和相位响应预报曲线。从图5A-B中可以看出，模拟滤波器将高频分量放大了30dB之多，而从图6A-B中可见，本发明的模拟滤波器可以抑制低频并且对高频分量具有大致不变的增益。这些波形从一个方面清楚地说明了本发明对模拟滤波器性能的改进。
尽管上述说明包括了许多细节和规定，其作用仅仅是为了解释本发明而并不构成限制。本发明的范围宽到足以覆盖根据上述实施例作出的各种修改，这些修改都属于权利要求及其法律意义上的等效物。
权利要求
1．为代表电力系统参数的一个电信号滤波的一种方法包括以下步骤接收一个输入电信号；用一个反馈值调节输入电信号；用一个比例增益值放大调节的电信号；将放大的信号作为输出信号输出；以及根据输出信号从输入电信号中消除噪声，其中的反馈值是由输出信号的积分来确定的。
2．按照权利要求1的方法，其特征是输入信号是代表电力系统中的电流的电流信号。
3．按照权利要求2的方法，其特征是输出信号是一个电压信号。
4．按照权利要求2的方法，其特征是用一个积分增益值乘以反馈值。
5．按照权利要求2的方法，其特征是所执行的调节步骤是从输入信号中减去反馈值。
6．按照权利要求2的方法，其特征是比例增益值小于滤波器截止频率的0.1倍。
7．按照权利要求2的方法，其特征是积分增益小于比例增益的40％。
8．按照权利要求4的方法，其特征是消除噪声的步骤是通过计算IZ(t)=i(t)*R+[Kp*L/(1+Kp*Ki∫IZ(t)dt)]*i(t)，来执行的，其中的Kp是比例增益值，而Ki是积分增益值。
9．按照权利要求4的方法，其特征是消除噪声的步骤是通过计算Lmimic(t)=A*i(t)+B*i(t-T)+Kx*Imimic(t-T)，其中的Kx=[2-KpKiT]／[2+KpKiT]，A=R+L*2*Kp/[2+KpKiT]，B=Kx*R-L*[2Kp/(2+KpKiT)]，而T是采样周期。
10．按照权利要求1的方法，其特征是在调节步骤之前将输入信号乘以一个电感系数。
11．用来为代表电力系统的一个输入信号滤波的一种滤波器，其特征是包括用来接收代表电力系统的输入信号的一个输入；利用一个反馈值调节输入信号的装置；一个放大器，用一个比例增益值放大调节的输入信号，并且将结果作为输出信号输出；以及一个积分器，用于对输出信号积分而产生反馈值。
12．按照权利要求11的滤波器，其特征是这一滤波器被包含在一个保护继电器中。
13．按照权利要求11的滤波器，其特征是输入信号是代表电力系统中的电流的电流信号。
14．按照权利要求11的滤波器，其特征是积分器用一个积分增益值乘以反馈值。
15．按照权利要求11的滤波器，其特征是比例增益值小于滤波器截止频率值的0.1倍。
16．按照权利要求14的滤波器，其特征是积分增益值小于比例增益值的40％。
17．按照权利要求14的滤波器，其特征是进一步包括用来产生IZ(t)=i(t)*R+[Kp*L/(1+Kp*Ki∫IZ(t)dt)]*i(t)的装置，其中的i(t)是输入信号，R是和电力系统有关的电阻，L是和电力系统有关的电感，Kp是比例增益值，而Ki是积分增益值。
18．按照权利要求14的滤波器，其特征是进一步包括用来产生以下函数的装置Lmimic(t)=A*i(t)+B*i(t-T)+Kx*Imimic(t-T)，其中的Kx=[2-KpKiT]/[2+KpKiT]，A=R+L*2*Kp/[2+KpKiT]，B=Kx*R-L*[2Kp/(2+KpKiT)]，而且其中的i(t)是输入信号，R是和电力系统有关的电阻，L是和电力系统有关的电感，Kp是比例增益值，Ki是积分增益值，而T是采样周期。
19．按照权利要求11的滤波器，其特征是在输入信号被提供给调节装置之前将输入信号乘以一个电感系数。
全文摘要
可以用模拟或数字电路实现的一种模拟滤波器,它采用伪微分技术从输入信号中消除dc偏移或是其他噪声。用一个反馈值调节输入信号,并且用一个比例增益系数放大调节的输入信号,从而产生一个输出信号。提供对输出信号积分并将积分结果乘以一个积分增益系数来确定反馈值。这种模拟滤波器能够避免产生伪信号尖峰。
文档编号H02H7/26GK1296656SQ00800357
公开日2001年5月23日 申请日期2000年3月17日 优先权日1999年3月17日
发明者L·C·H·程 申请人:通用电气公司