一种从故障录波数据中直接计算提取电网暂态非周期分量幅值和时间常数的高精度方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种从故障录波数据中计算提取电网暂态非周期分量幅值和时间常 数的高精度方法，属于电力系统技术领域。
【背景技术】
[0002] 保护用电流互感器的暂态饱和特性对继电保护的正确动作具有重要影响。为确保 继电保护正确动作，必须根据铁芯的额定暂态面积系数对电流互感器进行选型设计，并根 据电流互感器的二次饱和电动势约束条件对所选电流互感器进行校核。而在计算额定暂态 面积系数时需要用到电网暂态非周期分量的衰减时间常数，在计算二次饱和电动势和校核 约束条件时需要同时用到电网暂态非周期分量的衰减时间常数和幅值。通常，电网暂态非 周期分量的幅值和时间常数都是由估算得到的，存在较大的误差，若用于电流互感器以上 的计算和校核，很可能产生不切实际的结果。这就对精确测算电网暂态非周期分量的幅值 和时间常数提出了实际需求。
[0003] 目前被广泛使用且较为可行的提取电网暂态非周期分量的幅值和时间常数的方 法为基于全波傅里叶算法或其改进形式的交流周期分量滤波法。该方法的优点是计算简 便，技术成熟。该方法的缺点是：①对所处理的信号的信噪比要求较高，信噪比须在30dB及 以上才能取得比较满意的计算结果，即要求信号功率是噪声功率的IO 3倍以上；②为防止频 谱泄露，需要对所处理的信号进行加窗处理，然而很难确定一个能够适应所有信号的窗函 数；③信号中的非周期分量和不连续的周期分量对计算结果的精度影响很大，在最严重的 情况下，计算误差可能超过10%。故该算法比较适用于处理仿真得到的信噪比高且几乎不 含不连续周期分量的信号。然而，通过对实际电网进行建模仿真，再用该方法对仿真输出波 形进行计算提取暂态非周期分量的幅值和时间常数，其精度极大地受制于电网模型的准确 性，而建模时所做的诸多假设和近似会大大降低模型与实际电网的匹配程度，从而进一步 降低所提取暂态非周期分量幅值和时间常数的精度。
【发明内容】
[0004] 目前承载电网最真实的暂态非周期分量的信号源莫过于电网发生故障时由故障 录波器记录的故障录波数据，本发明旨在提出一种从故障录波数据中直接计算提取电网暂 态非周期分量幅值和时间常数的高精度方法，克服现有方法的缺点以及电网仿真建模的局 限性，提高电流互感器选型设计和参数校核时的计算精度。
[0005] 该方法的技术方案如下。
[0006] 1).通过特定的数据接口和通信协议，由故障录波器读取COMTRADE格式的故障录 波记录的头文件、配置文件、信息文件和数据文件；
[0007] 2).从故障录波记录文件中提取线路名称、故障类型、系统参数、还原数据文件中 数据的方法、采样频率的种数、采样频率、特定采样频率下的采样点数、各采样点的时标和 米样值等?目息；
[0008] 3).根据提取的信息，选择目标记录，主要提取典型故障的短路电流记录，将其解 析为去除冗余信息后的简单数据序列，再将简单数据序列后较长的重复的稳态数据段删 除，以便提尚算法的效率和计算速度；
[0009] 4).根据暂态数据段的高采样频率和稳态数据段的低采用频率，采用插值算法将 经删节后较少的几个周波的稳态数据段的采样频率统一为暂态数据段较高的采样频率；
[0010] 5).由改进自适应Prony方法MAPM对经以上预处理后的数据序列进行计算分析， 提取电网暂态非周期分量的幅值和时间常数，步骤如下。
[0011] (1)建立Prony方法通用算法。设点数即长度为N点的数据序列的采样频率为 fs，单位Ηζ，采样间距为Ts= 1/f s，单位s，则可依次将各个数据点表示为x(nTs)，其中η = 0, 1，…，N - 1。为清晰，将X (nTs)简记为χη。通过最小二乘法LS和奇异值分解法SVD，将χη 表示为P个复指数函数的线性组合，P称为Prony阶数，0〈p < N/2 :
【主权项】
1. 一种从故障录波数据中直接计算提取电网暂态非周期分量幅值和时间常数的高精 度方法，其特征是，技术步骤如下： 1) .通过特定的数据接口和通信协议，由故障录波器读取COMTRADE格式的故障录波记 录的头文件、配置文件、信息文件和数据文件； 2) .从故障录波记录文件中提取线路名称、故障类型、系统参数、还原数据文件中数据 的方法、采样频率的种数、采样频率、特定采样频率下的采样点数、各采样点的时标和采样 值等信息； 3) .根据提取的信息，选择目标记录，主要提取典型故障的短路电流记录，将其解析为 去除冗余信息后的简单数据序列，再将简单数据序列后较长的重复的稳态数据段删除，以 便提尚算法的效率和计算速度； 4) .根据暂态数据段的高采样频率和稳态数据段的低采样频率，采用插值算法将经删 节后的10~20个周波的稳态数据段的采样频率统一为与暂态数据段相同的高采样频率； 5) .由改进自适应Prony方法MAPM对经以上预处理后的数据序列进行计算分析，提取 电网暂态非周期分量的幅值和时间常数，步骤如下： (1) 建立Prony方法通用算法：设点数即长度为N点的数据序列的采样频率为fs，单位 Hz，采样间距为Ts= 1/f s，单位s，则可依次将各个数据点表示为x(nTs)，其中η = 0, 1，… ，N - 1 ;为清晰，将X (nTs)简记为χη;通过最小二乘法LS和奇异值分解法SVD，将X η表示为 p个督指撒涵撒的妹会.η綠％ PrnnV阶撒.(Kn < Ν/9 .
式中，j为虚数单位，Ap Θ i、a JP f 别为第i个复指数函数的幅值、初相角、衰减因 子和频率，单位分别为A、°、^1和Hz，式中定义了如下变量：
h称为复留数，s i称为复频率或极点； (2) 进行自适应分段，将经预处理后的数据序列分为若干个子段；设Lmin、UP E 别为预先指定的子段的最小长度、最大搜索步长和最大均方相对拟合误差MSRFE，设\和 \分别为子段起点和终点的序号，设η Λ为搜索步长，即搜索时子段每次增加的数据点数， 1彡ηΛ< N Λπ;设子段的Prony阶数为ρ s，由负向取整定阶 Ps= int_[(n e - ns+l)/2] - I (3) 式中，符号"int_"表示向负向取整，比如int_[5. 95] = 5 ;采用上述Prony方法通用 算法求解子段的复指数函数的线性组合
通过计算子段的MSRFE，设为ef，评估的拟合精度：
式中，Hnz为子段中不为0的X "的总数；比较e戽E m的大小，若e f〈Em，则增大ηΛ直至 Nim，若ef> Em，则减小ηΛ直至1，以有效地提高搜索效率； (3)计算提取各子段主导分量的幅值和时间常数；设自适应分段得到的子段个数为Ns， 各子段按k = 0, 1，…，Ns - 1编号，根据第k个子段线性组合式（4)的参数，分别按下式计 算其特性参数： Aki= |bki|, aki= In I zki I/Ts, Tpki= - l/α ki,fki= (arg zki)/(23iTs) (6) 式中，i = 1，2,…，ps，arg[ ·]表示求复数的幅角主值，有arg zkie ( - π，π ]，Tpki 为时间常数，单位s ;将^按由大到小的顺序排序，选出Aki最大且fki~ OHz的分量作为该 子段的主导分量，设其序号为i = m ;由下式求各子段暂态非周期分量的幅值和时间常数的 平均值，去除随机误差，得到最终计算结果：
式中，第1式中的求和项乘以2是考虑了根据欧拉公式，需要由2个复指数函数相加才 能合成1个实余弦信号，除衰减因子不需换算外，实余弦信号的幅值为2倍的复指数函数的 幅值。
【专利摘要】本发明涉及一种从故障录波数据中计算提取电网暂态非周期分量幅值和时间常数的高精度方法。步骤为：(1)通过特定的数据接口和通信协议，由故障录波器读取COMTRADE格式的故障录波记录的头文件、配置文件、信息文件和数据文件；(2)从故障录波记录文件中提取线路名称、故障类型、系统参数、还原数据文件中数据的方法、采样频率的种数、采样频率、特定采样频率下的采样点数、各采样点的时标和采样值等信息；等等。本发明克服现有方法的缺点以及电网仿真建模的局限性，提高了电流互感器选型设计和参数校核时的计算精度。
【IPC分类】G01R31-08, G06F19-00
【公开号】CN104635109
【申请号】CN201510034116
【发明人】孙晓明, 马红升, 司大军, 陈宇, 李宁彩, 鲁海亮
【申请人】云南电网有限责任公司电力科学研究院
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年1月23日