基于全相位微分滤波的电网工况故障时刻检测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于全相位微分滤波的电网工况故障时刻检测方法及装置：以确知的采样速率对电网信号进行采样，共采集L个样点；设定阶数N，确定长度为N的汉明窗，将汉明窗与长度为N的矩形窗进行卷积，得到长度为2N‑1的卷积窗，并设定归一化因子C＝wc(0)；计算出长度为2N‑1的全相位数字微分器系数g(n)；用全相位数字微分器系数g(n)对电网采集信号x(0),…,x(L‑1)进行数字滤波，从输出波形中，找出幅值最高的时刻，该时刻即为欲检测的电网工况故障发生时刻。本发明专利技术能够将电网工况故障发生时刻检测出来，有利于安全生产、减少故障损失，有利于实施把握电网工作状态，有利于保护电网的各类设备。

Fault Time Detection Method and Device Based on All-Phase Differential Filtering for Power Network Working Conditions

【技术实现步骤摘要】
基于全相位微分滤波的电网工况故障时刻检测方法及装置
本专利技术属于数字信号处理技术和电力检测领域，具体涉及当电网工况出现故障时，怎样精确检测电网故障发生时刻的问题，具体的说，是涉及一种基于全相位微分滤波的电网工况故障时刻检测方法及装置。
技术介绍
随着越来越多的电力电子装置和非线性负载接入到电力系统中，不可避免地产生了谐波污染的问题。这些谐波会导致原始信号失真，从而使系统的发、供、用电设备出现许多异常现象和故障,对整个电力系统形成很大的威胁，并给电力系统设备的安全经济运行带来严重的危害。为了能更精确地检测非平稳信号的谐波和间谐波，国际电工委员会在IEC61000-4-7:1991的基础上进行修订，重新颁布了标准IEC61000-4-7:2002(简称IEC方法)[1]。IEC新方法在一定程度上能够抑制谐波和间谐波间的频谱干扰，但仍不能满足系统实际需求，一方面，其谐波检测精度有待改进；另一方面，该方法仅适于监测平稳电网工况。为改善第1方面性能，近年来插值FFT法[2][3]、小波变换[4][5]等算法相继被提出用以提升谐波估计精度；然而，这些改进方法仍未考虑第2方面所涉及的电网工况环境变化的影响。因而迫切需要解决电网工况变化故障时刻的精确检测问题，该问题对于电力系统的安全维护具有重要意义。需指出，电网工况故障时刻的检测具有非常高的意义。电网一旦发生故障，必然伴随着电网谐波信号特征的改变，在电网谐波波形上必然发生变化，如果借助信号处理及时检测出这种波形变化，并且将变化时刻记录下来。并且启动相应的安全防范措施，这对于减少故障损失，保证生产和生活平稳进行，提高电力电子设备的实用寿命是非常有帮助的。另外，电网故障时刻通常是电网工作状态的分界点，实现了其故障检测，有助于更准确地去把握电网状态(如电力谐波的幅值、相位和频率的状态)。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种基于全相位微分滤波的电网工况故障时刻检测方法及装置。能够将电网工况故障发生时刻检测出来，有利于安全生产、减少故障损失，有利于实施把握电网工作状态，有利于保护电网的各类设备。本专利技术的目的可通过以下技术方案实现。本专利技术基于全相位数字微分滤波的电网工况故障检测方法，包括以下步骤：步骤一，以确知的采样速率fs对电网信号进行采样，共采集L个样点x(0),…,x(L-1)；步骤二，设定阶数N，确定长度为N的汉明窗f，将汉明窗f与长度为N的矩形窗b进行卷积，得到长度为2N-1的卷积窗wc(n),-N+1≤n≤N-1，并设定归一化因子C＝wc(0)；步骤三，根据如下解析公式，计算出长度为2N-1的全相位数字微分器系数g(n)步骤四，用全相位数字微分器系数g(n)对电网采集信号x(0),…,x(L-1)进行数字滤波，从输出波形中，找出幅值最高的时刻，该时刻即为欲检测的电网工况故障发生时刻。本专利技术的目的还可通过以下技术方案实现。本专利技术基于全相位数字微分滤波的电网工况故障检测方法涉及的装置，包括数字信号处理器，所述数字信号处理器的输出端连接有输出驱动及其显示模块，所述数字信号处理器的I/O端口连接有模数转换器，所述数字信号处理器的时钟输入端口连接有主时钟模块，所述数字信号处理器的时钟输出端口与模数转换器连接。与现有技术相比，本专利技术的技术方案所带来的有益效果是：(1)本专利技术不依赖任何附加模拟电路，直接对电网谐波信号进行采样后，通过设计数字信号处理算法来检测电网工况故障时刻。(2)本专利技术检测算法的核心，即全相位微分器设计非常检测，直接代入数学解析公式，就可获得所有的微分器系数，无需复杂的迭代优化过程。(3)本专利技术经全相位微分器的输出信号，特征非常明显，在电网故障时刻会产生非常大的幅值突变，直接记录该突变位置，即可找出故障时刻点。(4)电网工况故障时刻检测是电网状态估计的前提，检测出故障时刻后，有助于后续电网谐波参数(如各次谐波的频率、幅值和相位)的估计。附图说明图1是全相位数字微分器幅频曲线示意图；图2是幅值跳变前后的波形图；图3是数字微分器处理前后的信号波形图；图4是本专利技术的硬件实施图；图5是DSP内部程序流图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的描述。本专利技术基于全相位滤波器设计理论[6]，设计出全相位数字微分器，其幅频响应值在低频段被抑制至零点附近，在高频段则呈现出较理想的斜坡形状，故该微分器可锐化信号的突变特征。实验证明了本专利技术提出的微分器可有效地检测出电网工况的故障时刻。本专利技术组织结构如下：先给出技术专利技术流程，先给出电力谐波模型，再详细介绍全相位数字微分器的设计原理及过程，基于此用全相位微分器实现电力工况故障检测。先阐述方案的操作流程，再给出内部技术细节及其原理，然后总结出技术方案的处理流图，最后给出实验对技术方案做验证。本专利技术基于全相位数字微分滤波的电网工况故障检测方法，具体实现过程如下，按如下步骤进行处理，即可估计出调幅信号载波频率。步骤一，以确知的采样速率fs对电网信号进行采样，共采集L个样点x(0),…,x(L-1)；步骤二，设定阶数N，确定长度为N的汉明窗f，将汉明窗f与长度为N的矩形窗b进行卷积，得到长度为2N-1的卷积窗wc(n),-N+1≤n≤N-1，并设定归一化因子C＝wc(0)；步骤三，根据如下解析公式，计算出长度为2N-1的全相位数字微分器系数g(n)步骤四，用系数g(n)构成的全相位数字微分器对电网采集信号x(0),…,x(L-1)进行数字滤波，从输出波形中，找出幅值最高的时刻，该时刻即为欲检测的电网工况故障发生时刻。本专利技术涉及的技术原理如下：一、电力系统信号模型供电系统中产生谐波的根本原因是非线性负载的接入。随着越来越多电力电子设备的接入到供电系统中，谐波问题也越来越严重。广义上讲，任何与工频频率不同的信号成分都可以称为谐波。对于信号的建模是谐波分析的基础，文献[7][8]给出了电力系统一般的信号模型：其中，k＝1所对应的a1,f1,分别表示基波的幅值、频率和相位；一般地，ak,fk,分别表示第k次谐波的幅值，频率和初相角；z(t)为噪声分量。需指出：式(1)是正常平稳工况的电力谐波模型，当出现工况故障时，其故障发生时刻的前、后时段，该模型的ak、fk、参数可能会发生大的变化，因而故障时刻检测是电力谐波分析的关键所在。二、全相位数字微分器的设计故障检测可归结为信号突变点检测的问题。一方面，在突变点出现以前，电网信号表现为幅值连续的平稳状态；在突变点出现以后，电网信号表现为另一种幅值连续的平稳状态。因而对于连续信号段和间断信号段，故障检测器的输出应呈现出大的反差，这样便可凸显出故障突变时刻的位置。另一方面，从频率分析角度看来，对于平稳信号段，波形较为平滑，频谱成分以低频为主；对于突发时段，波形幅值产生间断，间断意味着包含有丰富的高频成分。因而期望故障检测器具有抑制低频成分和放大高频成分的功能。出于以上两方面考虑，本文提出采用数字微分器来实现故障检测器的设计。众所周知，假设信号f(t)的频谱为F(jω)，则根据傅立叶变换性质，有：式(2)表明，理想微分器的幅频响应呈现斜坡特征。为设计出满足斜坡特征的数字微分器，本文提出采用全相位方法进行设计。文献[6]指出：全相位方法是频率域设计方法，具体而言，若给定某长度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于全相位数字微分滤波的电网工况故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，以确知的采样速率fs对电网信号进行采样，共采集L个样点x(0),…,x(L‑1)；步骤二，设定阶数N，确定长度为N的汉明窗f，将汉明窗f与长度为N的矩形窗b进行卷积，得到长度为2N‑1的卷积窗wc(n),‑N+1≤n≤N‑1，并设定归一化因子C＝wc(0)；步骤三，根据如下解析公式，计算出长度为2N‑1的全相位数字微分器系数g(n)

【技术特征摘要】
1.一种基于全相位数字微分滤波的电网工况故障检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，以确知的采样速率fs对电网信号进行采样，共采集L个样点x(0),…,x(L-1)；步骤二，设定阶数N，确定长度为N的汉明窗f，将汉明窗f与长度为N的矩形窗b进行卷积，得到长度为2N-1的卷积窗wc(n),-N+1≤n≤N-1，并设定归一化因子C＝wc(0)；步骤三，根据如下解析公式，计算出长度为2N-1的全相位数字微分器系数g(n)步骤四，用系数g(n)构成的全相位...

【专利技术属性】
技术研发人员：周绍华，黄翔东，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12