专利名称：容性变压器的瞬变滤波器的制作方法
背景技术：
本发明通常涉及在通过容性变压器(CVT)向保护继电器传送电压信号的情况下对电压相量进行数字式测量，以便用于继电保护的目的。具体地讲，本发明改善了相量测量的动态精度，使得基于微处理器的继电器的距离和方向保护单元更加快捷和精确。
在电力系统中，基于微处理器的保护装置是通过如下方式进行工作的，即按照规定的时间间隔对输入电流和/或电压进行采样，然后测量这些信号的数字选定特征-主要是幅度和相角-，接着再将该信号特征相互进行比较，或与一些阈值进行比较。为了进行正确的工作，必须快速和精确地测量电压和电流相量。
在高压(HV)和超高压(EHV)电力系统中，经常在向测量和保护装置供给电压信号之前采用CVT把电压从成百上千伏的范围(主电压级)降低到几十伏的电压(次电压级)。CVT通常要比磁变压器便宜，但由于当它们把电压变换成次电压级的时候会在原来的高压信号中加入一些特定的瞬变成分，所以会给保护继电器带来一定的问题。
U.S.专利3,870,926公开过一种典型的CVT，它由容性分压器、调谐电抗器、降压变压器和铁磁共振抑制电路组成。在电力系统传输线出现故障期间，当所述的主电压骤然下降、且叠式电容器及所述CVT的调谐电抗器内所存储的能量准备耗散时，所述的CVT将会产生一些影响保护继电器性能的严重瞬变。
CVT所产生的瞬变有可能具有较大的幅度和较长的延时。当源阻抗比(SIR-系统等效阻抗与继电器作用范围阻抗之比)较大时，上述因素对保护传输线的继电器是非常重要的。在SIR较大的情况下，所述的主电压在线路故障期间非常低。该信号对保护继电器的正确操作非常重要，但给它造成重大失真的成分不是由电力系统本身产生的，而是由CVT所产生。CVT产生的瞬变通常是指DC(直流)成分，但实际上CVT可能会产生多种成分，而且其中有一些可能是振荡的(AC交流成分)。
CVT瞬变影响着保护继电器中所有与电压有关的功能。但尤其重要的是距离和方向功能。
如果采用在基于微处理器的继电器中较为典型的已知傅立叶算法来进行电压相量测量，则可能会因所述的CVT瞬变而大大低估所述的电压幅度。这便会导致继电器的距离单元产生误动作。
同样，所述电压相量的相角也会因所述的CVT瞬变而不能得到精确测量。这将会导致继电器的方向单元产生误动作。
由于固有的机械惰性，机电的继电器可以克服令人不满意的CVT瞬变，但代价是操作较慢。
在基于微处理器的保护继电器中，克服CVT瞬变的已知方法是在继电器中引入某种固定或自适应的延迟，或者以固定或自适应的方式减少距离单元的作用范围。
U.S.专利4,763,068曾公开过一种对经CVT供给的交流电压信号成分进行测量的装置。该方法是基于一种模拟电路，但在基于微处理器的保护继电器内，它并不是一种对付CVT瞬变的成本合适的方法。此外，在重构所述的干扰成分并将其从输入电压中减去以便只获得AC成分的时候，该方法还假定所述的CVT瞬变是一种DC特性。如上文所述，有些CVT会产生振荡的瞬变，因此该‘068专利所公开的方法对这种CVT是不精确的。
U.S.专利5,729,477公开过一种从CVT所供给的电压信号中消除干扰成分的方法。该方法打算在一种基于微处理器的设备上实现，而且依靠的是计算输入信号中DC成分的参数，并从所述的输入信号中减去该重构的DC成分。由于该方法只需要在两个时间点进行数字式测量，所以该方法显然只能对付一种成分，而且该成分必须是呈指数衰减的DC成分，其时间常数也必须是已知的。由于上述限制，在该‘477专利中所讲述的方法并没有充分地解决上述问题。
U.S.专利4,196,388公开过一种利用可开关的模拟滤波器从CVT所供给的电压信号中消除干扰成分的装置。该装置使用了两个不同的模拟滤波模式一种是利用宽频响应(由此为快速时间响应)，另一种是利用窄的带宽(由此为慢时间响应)。该装置包括一种自动地控制带宽的机构。在电力系统出现故障期间，通过使滤波器的带宽变窄，所述的装置可以给电压信号引入一定的延迟。这对保护继电器性能的影响表现在使其减慢了。此外，作为模拟设备，该装置不能成本合适地由基于微处理器的继电器直接使用。
U.S.专利4,437,134公开过一种对CVT的叠式电容器中所收集的能量进行快速释放的装置。该装置使用了一个由半导体器件组成的特殊电路以及一个在需要时将该第一电路接通的单独检测器。作为一种模拟设备，该装置确切地说就是CVT设计的一种增强型，它不能成本合适地由基于微处理器的继电器直接使用，以便克服由常规CVT设计所带来的问题。
为了达到这些目的并提供其它一些优点，本发明的实施方案提供了一种线性有限时间响应(FIR)数字滤波器，以便用来在应用傅立叶算法和基于微处理器的保护继电器的其它功能之前对CVT所供给的电压进行预滤波。
该滤波器可以设计成两个FIR滤波器的级联形式。由滤波器的第一级抑制DC衰减成分和比电力系统频率(譬如50或60Hz)低的频率的振荡衰减成分。滤波器的第二级通过如下方式来提供一种动态存储，即在电压信号中采用一个确定数量的历史采样，然后对结果求平均，并利用该平均值有效地构成所述滤波器的输出信号。
该滤波器不需要按特定的CVT进行调谐；因此无需将CVT的特性应用到滤波器上，所以这种滤波器是通用的。
所述的滤波器引入了最小的时间延迟，由此不会给保护继电器的操作带来不必要的减速。
在所述的预滤波之后，利用傅立叶算法所测得的电压相量的幅度仅仅被低估了一点点，而且，与在CVT所供给的输入电压的原始采样上运用傅立叶算法相比，此时电压相量的相角测量将更加精确。
用于实现本发明的基于微处理器的继电器可以给距离和方向保护单元提供改善的性能。
图2用框图示出了本发明滤波器的两个级和一些中间电压信号。
图3为本发明滤波器的系数曲线。
图4为当电力系统的传输线上出现故障时，CVT三相次电压的严重失真的采样曲线。
图5和6分别示出了利用两种傅立叶算法进行估测的、图4所示信号的幅度曲线，其中一种傅立叶算法是处理原始的采样，另一种傅立叶算法则是处理经本发明的滤波器进行预滤波之后的信号。
图7和8分别示出了利用两种傅立叶算法进行估测的、图4所示信号的相角曲线，其中一种傅立叶算法是应用于原始的采样，另一种傅立叶算法则是应用于经本发明的滤波器进行预滤波之后的信号。
图9和10示出了通过将傅立叶算法应用于原始采样而进行估测的、图4所示电压信号的相量曲线。
图11和12示出了通过将傅立叶算法应用于本发明的预滤波信号而进行估测的、图4所示电压信号的相量曲线。
发明详述参考图1，基于微处理器的保护继电器10包括滤波器20和信号处理器12，其中，由所述的信号处理器12对提供给继电器10的电流或电压信号应用傅立叶算法和/或其它信号处理算法。如图所示，继电器10输出诸如脱扣、告警以及通信信号等保护控制信号，以便为相关的电力系统(未示出)启动各种保护控制功能。由滤波器20处理一个指示电力系统的当前状态的电压信号。在该实施方案中，所述的电压信号是从容性变压器接收的，并利用基于微处理器的继电器10中较合适的模/数变换器(未示出)把它从模拟信号转换成数字信号。由于容性变压器和模/数变换器是已知的，所以只是简单地讨论了这些元件。滤波器20把该数字电压输入信号处理成另一种数字信号，以便直接输入到傅立叶算法信号处理器12之中。图1所示滤波器20的采样速率被设计成每系统基准频率周期为64次采样，但该滤波器可以轻易地设计成其它的采样速率。
如图2所示，滤波器20包括两个单独的级22和24，在适当编程的微处理器的控制下，所述的两个级可优选地实施为线性有限时间响应(FIR)数字滤波器。第一级22把输入信号v处理成中间信号v1。在滤波器20的第一步22中，由与图1的继电器相连的微处理器执行如下运算v1(k)=Σn=020hn·v(k-n)-----------(1)]]>在此，k为采样指数，而h0…h20为第一级22的系数。
第一级22有效地抑制了所述输入电压信号的DC衰减成分和比电力系统频率(譬如50或60Hz)低的频率处的振荡衰减成分。
第二级24把中间信号v1处理成输出信号v2。由与继电器20相连的微处理器来执行如下运算，以便完成所述滤波器的第二级24v2(k)=Σn=074gn·v1(k-n)-----------(2)]]>在此，g0…g74为滤波器的第二级的系数。
第二级24通过如下方式来提供一种动态存储，即在输入电压信号中采用一个确定数量的历史采样(在此例中为74)，然后对结果求平均，并利用该平均值有效地构成所述滤波器的输出信号。
将运算(1)和(2)组合起来，最后为图2的滤波器实现如下等式v2(k)=Σn=094bn·v(k-n)-----------(3)]]>利用信号处理器12，与保护继电器10相连的微处理器对第二级24的输出应用傅立叶算法，由此根据滤波的电压信号来产生诸如脱扣信号、告警信号或通信信号等适当的信号。信号处理器12还被连接用来接收一些指示电力系统的当前状态的电流信号，并根据该电流信号产生适当的保护控制输出信号。
所述的数字滤波可以在经适当编程的微处理器的控制下进行。该微处理器可以被编程用来执行那些在机器可读的存储介质(譬如内部存储器)上编码的指令，以便按上述方式接收和处理所述的输入电压信号。
现在参考图3，它示出了滤波器20的系数b的图形。该图描述了滤波器(3)的系数曲线。x轴表示采样数量的指数(n)，而y轴则表示一个给定采样的加权数b。
图4-11示出了本发明滤波器的益处。图4画出了当采用实施了滤波器20的基于微处理器的继电器进行保护时，在传输线出现三相故障期间的相电压信号。如该曲线图所示，在具有代表性的实施方案中，滤波是在小于0.5秒的时间内有效完成的。
图5和6对采用原始电压信号(图5)和采用图1-2滤波器的滤波信号(图6)所进行的幅度测量进行了比较(正如被用来估测离故障的距离一样)。从这些曲线中可以看出，滤波器阻止了对幅度的低估。这样也就避免了对离故障的距离的低估，并避免了继电器的距离单元的误动作。
图7和8对采用原始输入电压信号(图7)和采用图1-2滤波器的滤波信号(图8)所进行的相角测量进行了比较。该滤波器确保了非常小的瞬变误差，并避免了继电器的方向单元的误动作。
图9示出了三个电压从故障前位置A0、B0和C0移到其故障位置A1、B1和C1时的相量，而图10则示出了A相的相量在其故障位置时的放大表示。这些相量都是利用原始电压采样进行测量的。通过在其故障位置放大A相的相量，可以从图10看出，该相量在稳定下来之前围绕终点A1进行了旋转。如果最终的相量值很小，则该估测的相量将围着原点(0，0)旋转，并导致方向和距离单元产生误动作。
图11示出了相同的测量过程，但采用了图1-2的滤波器。这些相量在到达其最终值A1、B1和C1之前没有任何旋转。这表明所述的滤波器改善了基于微处理器的继电器的距离和方向保护单元的精度。
虽然上述说明包括许多细节和具体情况，但应当理解，所包括的这些细节和具体情况只是用于阐述的目的，而不应解释为对本发明的限制。也可以对上述实施方案进行许多修改，但不会脱离本发明的精神和范畴，因为本发明是受附属的权利要求书及其等效文件进行保护的。
权利要求
1.用于电路保护装置的滤波器(20)，包括被连接用来接收输入信号v的第一滤波装置(22)，由所述的第一滤波装置产生一个中间信号v1，其中， ，在此，k为采样指数，而h0…hx为第一滤波器系数；以及被连接用来从所述第一滤波装置中接收所述的中间信号v1并产生输出信号v2的第二滤波装置(24)，其中， ，在此，g0…gY为第二滤波器系数，且该第二滤波装置被连接用来向傅立叶算法提供所述的输出信号v2。
2.权利要求1的滤波器，其中，所述的输入信号是一种从容性变压器供给的电压信号。
3.权利要求1的滤波器，所述的电路保护装置是一种基于微处理器的保护继电器(10)。
4.权利要求3的滤波器，其中，由所述的微处理器控制所述的第一和第二滤波装置。
5.权利要求1的滤波器，其中，由来自于所述第二滤波装置的输出信号来操作所述电路保护装置的至少一个保护功能。
6.为电路保护装置滤波信号的方法，包括如下步骤在第一滤波装置(22)中接收输入信号v；在所述的第一滤波装置(22)中产生一个中间信号v1，其中， ，并把该中间信号v1提供给第二滤波装置(24)；在所述的第二滤波装置(24)中接收所述的信号；在所述的第二滤波装置(24)中产生输出信号v2，其中， ；并且使用所述的输出信号来实现电路保护装置中的保护控制。
7.权利要求6的方法，其中，所述的电路保护装置是一种基于微处理器的保护继电器(10)。
8.权利要求6的方法，在所述的使用步骤之前，还包括利用傅立叶算法处理所述输出信号的步骤。
9.权利要求6的方法，其中，所述的输入信号为一种表示电力系统中的状态的电压信号。
10.权利要求9的方法，其中，所述的输入信号是从一种与所述电力系统相连的容性变压器中接收的。
11.权利要求6的方法，其中，所述的产生步骤是由微处理器执行的。
12.用于给电力系统提供保护控制的保护继电器，包括同所述电力系统的第一连接，用于接收一个指示所述电力系统的当前状态的输入信号v；以及一个微处理器，它被编程用来根据至少所述的输入信号来提供保护控制功能，所述微处理器对所述的输入信号v进行滤波，以便产生输出信号
13.权利要求12的保护继电器，其中，在执行滤波时，由所述的微处理器通过对所述的输入信号v执行第一滤波来产生一个第一中间信号v1，其中， ，以及通过对所述的中间信号执行第二滤波来产生一个第二中间信号v2，其中，
14.权利要求12的保护继电器，其中，所述的微处理器还被编程用来对所述的输出信号应用傅立叶算法，以便产生一个控制信号，并根据该控制信号执行一些保护控制功能。
15.权利要求12的保护继电器，其中，所述的输入信号v为电压信号。
16.权利要求15的保护继电器，其中，所述的输入信号v是从一种与所述电力系统相连的容性变压器中接收的。
17.利用机器可读的语言进行编码的机器可读存储介质，包括用于接收一个指示电力系统当前状态的输入信号v的一个或多个指令；用于对所述输入信号v进行滤波以便产生中间信号v1的一个或多个指令，其中， ；以及用于对所述中间信号v1进行滤波以便产生输出信号v2的一个或多个指令，其中，
18.权利要求17的介质，其中，所述的输入信号v是从一种与所述电力系统相连的容性变压器中接收的电压信号。
19.权利要求17的介质，还包括对所述的输出信号v2应用傅立叶算法以便产生控制信号的一个或多个指令。
20.权利要求19的介质，还包括根据所述的控制信号对所述的电力系统执行一种或多种保护控制功能的一个或多个指令。
21.权利要求19的介质，还包括根据所述的控制信号以及根据从所述电力系统接收的第二输入信号来对所述的电力系统执行一种或多种保护控制功能的一个或多个指令。
22.权利要求21的介质，其中，所述的第二输入信号为一个指示所述电力系统的当前状态的电流信号。
23.用于给电力系统提供保护控制的基于微处理器的保护继电器(10)，包括第一滤波装置(22)，它被操作用来在输入电压信号中抑制DC衰减成分和低于电力系统频率的振荡衰减成分，以便产生一个中间信号；以及第二滤波装置(24)，用于对所述输入电压信号的许多历史采样求出一个平均值，并根据该平均值和所述的中间信号产生一个输出控制信号。
全文摘要
电路保护装置的两级滤波器(20)。该滤波器包括一个被连接用来接收输入信号ν的第一滤波装置(22),由所述的第一滤波装置(22)产生一个中间信号ν
文档编号H02H3/40GK1365532SQ01800604
公开日2002年8月21日 申请日期2001年3月21日 优先权日2000年3月22日
发明者B·卡斯茨藤尼, V·阿萨罗 申请人:通用电气公司