[发明专利]基于窄带滤波的变数据窗基波相量求取方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统数字化继电保护领域，具体涉及一种基于窄带滤波的变数据窗基波相量求取方法。 

背景技术

在使用微处理器实现的数字化继电保护设备中，通过模拟数字转换模块，对电流和电压模拟量进行采样，获得采样值序列。在智能变电站中，数字化保护设备通过以太网接口接收电子式互感器发送的采样值序列。在满足奈奎斯特采样定理的前提下，数字化保护可以通过软件算法由采样值序列得到被采样模拟量对应基波相量的有效值和相位（或者实部和虚部）。通过将电流、电压以及阻抗等特征量与预设值进行比较，以判断电网是处于正常运行状态还是故障状态，最终实现继电保护功能。 

目前数字化保护中普遍采用的基波相量求取方法均以FIR（有限冲击响应）数字滤波器理论为基础。在额定频率下使用相互正交的两个FIR滤波器，两个FIR滤波器的输出分别对应相量的实部和虚部。依据该理论的典型算法为全周傅里叶算法，全周傅里叶算法原理简单，计算精度高，滤波效果好，可以滤除全部整次谐波，因此在数字化保护中获得了广泛应用。但是，该算法的数据窗较长，需要至少一个基波周期（20ms）的数据窗，如果需要增加差分滤波以削弱衰减直流分量影响，还需要增加1-2个采样间隔的延时。即使采用缩短数据窗的改进算法—半周傅里叶算法，也需要至少半个基波周期（10ms）的数据窗。较长的数据窗降低了保护动作速度，将影响电网暂态稳定性，而且此类算法数据窗长度固定，只能采用半周期或整周期数据窗。 

FIR滤波器虽然实现简单，但是性能不如同阶的IIR（无限冲击响应）滤波器，因此为获得相近滤波效果，FIR滤波器所需的数据窗更长。狭窄带通数字滤波器（简称窄带滤波器）属于IIR滤波器，利用Z平面零、极点配置法可设计出稳定的满足给定幅频响应的窄带滤波器。窄带滤波器的输出不仅与当前采样值输入有关，还与历史输出有关，零初始状态下滤波器输出的暂态时延较长且不固定，因此如何确定窄带滤波器的初值，使滤波器的暂态时延尽量缩短将是影响窄带滤波器在数字化保护中应用的关键问题。 

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于窄带滤波的变数据窗基波相量求取方法，可有效缩短数据窗长度，提高短窗滤波精度，加快继电保护动作速度。 

本发明采用窄带滤波器对采样值序列进行带通滤波，通带内仅保留基波分量，并先由短窗算法确定滤波器初值，然后再对窄带滤波器的输出序列采用变数据窗长的算法获取相量特征量。 

本发明采用的具体技术方案如下： 

一种基于窄带滤波的变数据窗基波相量求取方法，该方法包括以下步骤：

（1）、利用互感器对被保护设备的电流或电压进行采样，获得连续采样序列 ，其中设N为采样信号每基波周期T内的采样点数，采样间隔 ，每隔获得一个新的采样点数据；

（2）、依据采样序列的值，进行故障启动判断；若系统正常运行，则持续按步骤（1）进行采样，若判定系统发生故障，则故障采样计数器启动，在计数器未满时，按步骤（1）继续采样，当计数器满后，进入步骤（3）；

（3）、利用1/4周期的短数据窗相量估计算法求得相量的实部                                                  和虚部   ，由实部   和虚部   近似得出输入电流或输入电压基频分量的表达式：

   （1）；

（4）、在公式（1）中，令和，得到窄带滤波器的输出初值为和，其中窄带滤波器的差分方程如下：

                （2），

其中以基波频率为通带中心频率，设通带中心角频率为，采样间隔为，   ，   ，R为极点半径，将原始采样点序列和初值、代入公式（2）所示的差分方程，得到经过窄带滤波器的采样值输出序列；

（5）、将序列作为输入序列，再次使用1/4周期的短数据窗相量估计算法得到相量的实部   和虚部   ，从而得到相量的精确有效值和相位，进行保护逻辑判断;

（6）随着采样点数的增加，重复进行步骤（4）和步骤（5），其中步骤（4）中输出初值已由前步滤波器输出得出，无需再提供近似值，步骤（5）使用的相量估计算法按如下方法选择：当故障采样计数器已满而未满时使用1/2周期数据窗，当计数器已满而未满时使用3/4周期数据窗，当计数器大于时使用整周期数据窗。