配电网小电流接地系统故障定位仿真研究毕业设计(DOC毕业设计论文).doc

题 目 配电网小电流接地系统故障定位仿真研究 摘 要本文主要研究配电网小电流接地系统故障定位仿真，该项工作是从属于项目组主课题“配电网小电流接地系统户外信号源装置开发”的子课题，主课题的故障诊断整体思路是设想在故障后短时并联电阻以改变小电流接地系统的运行方式，以此产生特征值的明显变化，构成相应判据，实现故障选线。本文即基于此思路，利用仿真软件PSCAD中建立的变电站及其所属配网的模型，模拟仿真单相接地故障，再用Visual C+软件构建起相对完善的基于各种选线算法的仿真选线平台，读取对应故障的PSCAD仿真结果数据，并进行处理和分析，实现故障选线。本文首先介绍了小电流接地系统故障定位的研究背景和现状，以及项目组的故障诊断整体思路；而后，本文着重介绍了基于Visual C+软件的仿真选线平台的框架构建，包括主程序的流程设计和各主要子函数的数学原理及相应程序实现；然后，本文进行了配电网小电流接地系统单相接地故障分析，由此设计选线装置的启动方案和几种基于稳态量的故障选线方法，将其代入框架主程序，构成对应的仿真选线平台，并对各仿真算例进行仿真校验，分析其选线结果正确性和可靠性。仿真选线结果表明，对于各故障仿真算例，利用本课题构建的仿真选线平台均能正确选线，利于配电网小电流接地系统故障定位的进一步研究。关键词：小电流接地，故障选线，PSCAD，C+，仿真ABSTRACTThe thesis mainly researches the fault location simulation in the small current grounding system of the distribution network.This thesis is subject to the main subject “The development of the outdoor signal source device applied in the small current grounding system of the distribution network”. The main fault diagnosis idea of the project team is to parallelly connect a resistance in a short time after fault in order to change the operating mode of the system, changing certain eigenvalues evidently,which contributes to constituting criterions to select the fault line.Based on this idea, this project first uses the software PSCAD to simulate the single-phase ground fault by the model of a substation and its distribution network already created, and then uses the software Visual C+ to build a line selection simulation platform based on a variety of line selection algorithms,which can both process and analyze the result data of the simulation to locate the fault.The thesis first introduces background and status of the project,and the fault-diagnosis idea of the project team; then, it focuses on the building of the framework of the platform base on Visual C+,including the design of the main program and the mathematical principles and the program codes of the main Functions; Then, it analyses the single-phase ground fault for the small current grounding system, so as to design the start-up program and several line selection algorithms based on state values, with which to complete the complete platform, then this paper analyses the accuracy and reliability of the simulation results from a variety of simulation examples. It shows that, all platforms built in this project can correct the procedures for line selection for different simulation examples, which may contribute to the further research.Keywords：small current grounding, line selection, PSCAD, C+, simulation目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论11.1 小电流接地系统故障定位的研究背景11.2 小电流接地系统故障定位的研究现状21.2.1 小电流选线装置的原理简介21.2.2 影响小电流接地选线装置判定的因素21.2.3 项目组故障诊断新思路简介31.3 论文的研究目的和主要工作41.3.1 论文的研究目的41.3.2 论文的主要工作4第二章 仿真选线平台的框架构建52.1 相关软件的介绍52.1.1 PSCAD软件介绍52.1.2 Visual C+软件介绍62.1.3 课题中两软件的功能配合72.2 仿真选线平台C+主程序流程设计72.3 采样模块102.3.1 数字采样流程102.3.2 针对原始仿真结果数据的滤波预处理102.3.3 采样的程序实现112.4 提取特征量模块112.4.1 提取特征量方案简介112.4.2 数字滤波器设计122.4.3 正弦信号的特征量算法162.4.4 非正弦信号的特征量算法172.4.5 方案的优化202.4.6 序分量的求取20第三章 配电网小电流接地系统单相接地故障分析233.1 小电流接地系统单相接地故障稳态分析233.1.1 中性点不接地系统233.1.2 中性点经消弧线圈接地系统263.2 消弧线圈短时并联小电阻的单相接地选线方案分析283.2.1 消弧线圈短时并联的小电阻的要求283.2.2 消弧线圈短时并联电阻的稳态分析293.2.3 中性点投切并联电阻的暂态电压分析31第四章 基于稳态量的故障选线方法的仿真研究334.1 选线装置启动方案334.1.1 启动方案的确定334.1.2 启动方案的程序实现344.2 零序电流群体比幅比相法354.2.1 选线原理即程序实现354.2.2 算例仿真校验374.2.3 优缺点384.3 利用零序电流有功分量的选线方法384.3.1 选线原理即程序实现384.3.2 算例仿真校验394.3.3 优缺点404.4 利用负序电流的选线方法404.4.1 选线原理即程序实现404.4.2 算例仿真校验444.4.3 优缺点444.5 利用负序计算电压的选线方法454.5.1 选线原理即程序实现454.5.2 算例仿真校验474.5.3 优缺点47第五章 总结与展望495.1 总结495.2 展望49致 谢51参考文献53附录 虹桥变电站参数55第一章 绪论本文研究了配电网小电流接地系统故障定位的相关理论和方法，第1章介绍了小电流接地系统故障定位的研究背景以及研究现状，其中简述了目前一些小电流选线装置的原理以及影响小电流接地选线装置判定的因素，也介绍了项目组的故障诊断整体思路，另外还列出了论文的研究目的和主要工作。1.1 小电流接地系统故障定位的研究背景1-2我国电力系统中性点接地方式有两种，即中性点直接接地方式和中性点不直接接地方式。110kV及以上电网采用中性点直接接地方式，在这种系统中，发生单相接地故障时，短路电流很大，故称为大电流接地系统。666kv配电网均采用中性点不直接接地方式，在这种系统中，发生单相接地故障时，接地短路电流很小，故称为小电流接地系统（又称小接地电流系统）。小电流接地系统包括中性点不接地系统、中性点经消弧线圈接地系统（又称谐振接地系统）、中性点经大电阻接地系统。配电网发生单相接地故障的几率最高，可占总故障的80左右，这时供电仍能保证线电压的对称性，且故障电流较小，不影响对负荷连续供电，故不必立即跳闸，规程规定可以继续运行12h。但是，随着配电网的迅速发展，低压配电系统由树干式向外扩散的接线方式逐步改造为主干线经环网、末端接到另一变电站的双环网末端联络、开环运行的方式；架空线也逐渐为电缆供电所取代，电网中电缆线路的比例上升，缆一线混合线路越来越多，系统线路也增多，系统单相接地故障电容电流增大，长时间运行容易使故障扩大成两点或多点接地短路，弧光接地还会引起全系统过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行，所以必须及时找到故障线路并予以切除。配电网发生单相接地时，一般只要求继电保护能选出发生接地的线路并及时发出信号，而不必立即跳闸，但当单相接地对人身和设备的安全有危险时，则应动作于跳闸。能完成这种任务的保护装置被称作“接地故障选线装置”。自20世纪80年代中期微机型选线装置投入运行以来，各厂家相继提出了很多选线原理，并研制出基于这些选线原理的产品。90年代初期选线装置的研制达到了高潮，大量选线装置投入运行。但是，自动选线装置技术在90年代末期陷入低谷，很多地区选线装置退出率达到90以上，又退回到原始的手动逐条线路拉线的选线方法。目前，我国供电企业正在积极应用配电自动化技术，以提高管理效率。配电自动化的一个重要内容是自动故障定位、隔离及健全线路恢复供电。配电网故障大部分是单相接地故障，已经上马的配电自动化系统大多不能可靠地检出小电流接地系统故障线路。因此，电力部门迫切希望能够开发出可靠实用的小电流接地系统故障选线保护技术。小电流接地系统中单相接地故障的选线和定位一直是困扰配电网运行的技术难点，准确选择接地线路，查找发生单相接地故障区段，可以避免对非故障线路的不必要倒闸操作，保持供电的连续性。为此，不断有国内外科研人员对此课题进行研究，并已有许多产品在电网中运行。小电流接地系统单相接地故障诊断方法的研究具有很重要的意义，体现了电力服务企业不断进行知识创新和技术创新的能力，对我国在这个领域的技术创新有很大的促进作用。当然，它还具有很高的实用价值，使供电企业可以节省大量的人力物力，减少人员的安全隐患和伤亡，大大提高低压配电网的自动化智能化水平。1.2 小电流接地系统故障定位的研究现状 1.2.1 小电流选线装置的原理简介目前，国内流行的小电流接地选线装置有专门独立装置，如ML- 98H 系列微机选线装置等，也有把选线功能分散于各10kV线路保护装置再与后台机通信组成网络型的小电流接地选线装置，如RCS9000系列综合自动化系统等。虽然各生产厂家对其装置的原理表述各种各样，但其主要原理实质上基本都一样，即对于中性点不接地系统一般采用稳态分量法，而对于中性点经消弧线圈接地系统一般采用谐波分量法3-6。1、稳态分量法稳态分量法分为零序电流比幅法、零序电流相对相位法。零序电流比幅法利用的是流过故障元件的零序电流在数值上为所有非故障元件的对地电容电流之和，即故障线路上的零序电流最大，所以只要通过比较零序电流幅值大小就可以找出故障线路。零序电流相对相位法是利用故障线路零序电流与非故障线路零序电流流动方向相反的特点，分别从线路流向母线或母线流向线路，就可以找出故障线路。2、谐波分量法中性点经消弧线圈接地系统中，由于消弧线圈感性电流的补偿作用，线路零序基波电流的大小和方向都发生了很大改变，故障线路零序基波电流的大小不再等于各健全线路基波电流之和，方向也不一定相反。因此，利用基波分量的选线方法对于中性点经消弧线圈接地系统可靠性不高。又根据消弧线圈的补偿作用仅仅针对零序基波电流，对零序谐波电流的大小和方向不会产生太大影响，且电力系统故障时，由于故障点、线路设备的非线性影响，故障电流中的谐波电流占很高比例，其中以5 次谐波分量数值最大。因此可采用5次谐波分量方法。零序电流5次谐波分量在中性点经消弧线圈接地系统中有着与中性点不接地系统中零序电流基波相同的特点，因此可采用零序电流5次谐波分量，利用群体比幅比相法，即可解决消弧线圈接地系统的选线问题。1.2.2 影响小电流接地选线装置判定的因素根据小电流系统单相接地时的电气量（零序电流、电压及相位） 的特点，并由此构成选线原理，故障线路的判定似乎非常容易，然而存在一些影响因素3-4。1、电流信号太小小电流系统单相接地时产生的零序电流是系统电容电流，其大小与系统规模和线路类型（电缆或架空线）有关，数值很小。经中性点接入消弧线圈补偿后，其数值更小，且消弧线圈的补偿状态（过补偿、欠补偿、完全补偿）不同，接地基波电容电流的特点与无消弧线圈补偿时相反或相同。2、不平衡电流的影响不平衡电流主要包括两方面：一是TA误差。在工程实际中，一般采用零序TA或由三相保护用TA组成零序电流滤过器为选线装置提供零序电流。在一次电流很小（5A 以下）的情况下，零序TA在带上规定的二次负荷后，存在一定的测变比误差和角误差；而零序电流滤过器的误差会更大；二是由于负荷电流不平衡，造成的零序电流和谐波电流较大。特别是当系统较小（对地电容电流较小时），接地回路的零序电流和谐波电流甚至小于非接地回路的对应电流。3、零序电流的不确定我国配电网一般都是小电流系统，其运行参数会频繁改变，使电容电流和谐波电流经常变化；母线电压水平的高低，负荷电流的大小总在不断变化，故障点的接地电阻不确定等。这些都造成了零序故障电容电流和零序谐波电流的不确定。4、电容电流波形的不稳定小电流系统的单相接地故障常常是间歇性的不稳定弧光接地，故电容电流波形不稳定，对应的谐波电流大小随时在变化。由于单相接地时，电容电流数值较小，接地点电弧电阻不稳定时，零序电流（或谐波电流）数值很小，可能被干扰淹没，其相位不一定正确，从而造成误判。工程上所采用的零序TA精度太低，无法保证接地检测的准确度。可见，由稳态分量法或5次谐波分量法构成的小电流接地选线装置在原理上就不能很好地解决以上问题，还有装置本身在硬件上的其他因素，这些就是目前的选线装置选线准确率不稳定的原因所在。对于存在的不足，国内内许多科研机构投入了大量的人力和物力进行新的小电流接地选线技术的研究与开发,选线方法3-9有有功分量法、能量函数法及零序导纳法、小波选线方法、首半波选线方法、突变量的选线方法以及信号注入法10-13等等, 也相应开发生产出新的接地选线装置。目前国内外配电网故障诊断的几种常用方法有专家系统、模糊理论、遗传算法、Petri 网、人工神经网络、多代理系统、粗糙集理论、混合整数规划法、优化算法等14。比较前沿的选线技术是应用各方法获得配电网单相接地故障综合选线方法15，即采用多种选线判据的智能化集成, 形成多种判据为一体的充分判据, 实现多种判据有效域的优势互补的选线理论和方法。1.2.3 项目组故障诊断新思路简介目前，已有的众多关于解决小电流接地系统单相接地故障诊断的方法和产品还不能够很好的解决问题，还有一些难以克服的缺点和局限。为了克服这些缺点和问题，项目组在主课题配电网小电流接地系统户外信号源装置开发的研究中提出一种新的思路和方法，其故障诊断整体思路为：在发生单相接地故障后，在变电站中性点短时瞬时投切一组负载并联到消弧线圈上，如图1-1所示，从而改变小电流接地系统的运行方式，以此产生特征值的明显变化，构成相应判据，实现故障选线。图1-1 变电站配网中性点投切负载示意图本课题即在该方案的基础上，探讨研究各种基于稳态分量的故障选线方法。1.3 论文的研究目的和主要工作1.3.1 论文的研究目的本课题是从属于项目组主课题配电网小电流接地系统户外信号源装置开发的子课题，主课题的故障诊断新思路前已介绍，不再赘述。针对本课题的原始条件及数据有：A)一座变电站及其所属配网的详细原始电气数据；B)该变电站及其所属配网在PSCAD中的模型。基于原始条件及数据，本课题的主要研究目的为：基于主课题的诊断整体思路，本课题根据仿真软件PSCAD中建立的变电站及其所属配网的模型，模拟仿真单相接地故障，获得对应故障的仿真结果数据，再用Visual C+软件搭建起相对完善的基于各种选线算法的仿真选线平台，读取对应故障的PSCAD仿真结果数据，并对数据进行处理和分析，实现仿真故障选线。1.3.2 论文的主要工作基于1.3.1节中的已知原始条件及数据和主要研究目的，本文的研究工作按照以下几项展开：1、小电流接地系统故障定位的研究背景和现状的调研2、仿真选线平台框架的构建3、配电网小电流接地系统单相接地故障的分析4、基于稳态量的故障选线方法的仿真研究第二章 仿真选线平台的框架构建本章主要介绍了本课题仿真选线平台的框架构建。首先简介了PSCAD软件和Visual C+软件的主要功能以及两者在本课题中的联系，接着着重介绍了本课题基于Visual C+软件的仿真选线平台框架的主程序流程结构，并对其中主要组成模块（如采样、滤波、提取特征量等）子函数的数学原理及相应程序实现做了详细介绍。2.1 相关软件的介绍2.1.1 PSCAD软件介绍1、PSCAD软件简介本课题的仿真软件采用PSCAD/EMTDC最新版(v4.2)。Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了EMTDC的初版，是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件。PSCAD是一种强大而灵活的图形用户界面及EMTDC解决引擎。 PSCAD使用户能够构建电路，运行模拟，分析结果，并在完全集成的图形环境下管理数据，能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，功能还包括在线绘图，控制等，使得用户可以在模拟运行时改变系统参数，直接查看结果。而且软件可以作为实时数字仿真器的前置端。可模拟任意大小的交直流系统。现在南瑞继保、浙江大学、南方电网、江苏省调等部门均使用PSCAD作为暂态分析软件。2、PSCAD软件EMTDC输出文件的介绍（1）EMTDC输出文件(*.out)EMTDC输出文件的扩展名*.out，输出格式为文本文件，这些文件的所有数据组织成柱状。第一列始终是EMTDC仿真时间列，其他每一列都代表项目中各输出量的记录数据，没有标识(详细标识见柱识别和信息文件)。例如，如果两个输出量存在于该项目，那么就会有三列的数据显示在EMTDC输出文件里。一个典型输出文件截取的部分文本数据如表2.1所示：表2.1 一个典型输出文件（Test Case）的部分文本数据时间列输出量1输出量20.00000000000000.00000000000000.00000000000000.10000000000000E-020.00000000000000.00000000000000.20000000000000E-020.867270474229740.867270474229740.30000000000000E-021.66506193940291.76745670041630.40000000000000E-021.95456651576512.25423644376670.50000000000000E-022.02212825864992.83730036075890.60000000000000E-021.92644225622604.0202957514613（2）多输出文件每个输出文件的最多列数是11（包括时间栏）。因此，如果一个项目所含输出量超过10个，将创建多个输出文件。例如，如果项目包含23个输出量，将创建三组输出文件。 多输出文件的命名是附加连续编号作为后缀。如果输出文件名为abc.out ，将输出文件命名为abc_01.out ，abc_02.out 和abc_03.out 。C+程序即根据这个编号来识别对应量的数据列。（3）柱识别和信息文件(*.inf)EMTDC输出文件栏没有标识。建立输出文件的同时也建立了一个信息文件(*. inf)，它包含交叉引用信息，可确定哪些栏是什么。信息文件的命名与输出文件主要文件名相同。例如，如果输出文件的名字是abc.out ，信息文件将被命名为abc.inf 。一个典型的信息文件如下所示的一个项目包含三个输出量。PGB(1) Output Desc=Fund-mag Group=Main Max=25.0 Min=0.0 Units=PGB(2) Output Desc=2nd harm-mag Group=Main Max=25.0 Min=0.0 Units=PGB(3) Output Desc=3rd harm-mag Group=Main Max=25.0 Min=0.0 Units=左端是输出量编号(即PGB(1)，PGB(2)等)，对应输出量名称(即Desc)。编号表示各输出量数据写入到一个输出文件的顺序。排除输出文件的第一列时间列，确定的方法如下： 单输出文件： 输出量K=输出文件列M-1 多输出文件： 输出量K=输出文件列M-1+(10输出文件号N)2.1.2 Visual C+软件介绍16-17本课题的程序编制、数据处理采用Visual C+软件。1、C+语言介绍C+是由C发展成为的以面向对象为主要特征的语言。作为C语言的超集，C+继承了C的所有优点，又对数据类型做了扩充，使得编译系统可以检查出更多类型的错误。C+支持面向对象程序设计，通过类和对象的概念把数据和对数据的操作封装在一起，通过派生、继承、重载、和多态性等特征实现了软件重用和程序自动生成，使得大型复杂软件的构造和维护变得更有效和容易。此外，在一致性检查机制方面也做了加强，提高了软件开发的效率和质量。C+与C完全兼容，C+不是纯正的面向对象的语言，它既支持面向对象程序设计，也支持面向过程程序设计。C+的开发环境有许多版本，国内较为流行的有Microsoft公司的Visual C+等。2、C+中的输入输出文件介绍C+语言中并没有输入/输出语句，而是在标准库里包含了一个I/O流类库。在C+中，数据从一个对象到另一个对象的传送被抽象为“流”。从流中取得数据的操作称为提取操作，向流中添加数据的操作称为插入操作，数据的输入/输出就是通过输入/输出流来实现的。现代的操作系统把一切输入/输出设备看做文件，本课题中，文件即指*.txt文本文件。文件的输入输出，使用文件的过程是固定的，具体步骤如下：（1） 说明一个文件流对象（内部文件）。如果只输入用ifstream的对象；只输出用ofstream的对象，既输入又输出用fstream的对象。 fstream iofile;iofile.open(filename,ios:in|ios:nocreate);if(!sfile)cout不能打开源文件:filename）和插入运算符（）进行。读写是在文件缓冲区中进行。 iofile aisetw(20)bisetw(20)cisetw(20)linin;（3） 关闭文件。当打开一个文件进行读写后，应该显示地关闭该文件。与打开文件相对应：iofile.colse().关闭文件时，系统把与该文件相关联的文件缓冲区中的数据写到磁盘文件中，保证文件的完整；同时把磁盘文件名与文件流对象之间的关联断开，可防止误操作修改了磁盘文件。2.1.3 课题中两软件的功能配合首先，利用已由PSCAD软件建立的变电站仿真模型获得单相接地故障仿真结果数据，同时即可获得相应的输出信息文件（*.inf）和若干多输出文件（*.out）。本课题中，为了便于C+编程的读取，对输出信息文件规定了相应的格式，电压输出量放在文首，其后是各条线路的电流量。其次，鉴于C+中输入输出对文件格式的要求，将PSCAD仿真输出文件的类型*.inf，*.out通过改写文件扩展名均改为*.txt。最后，对于*.txt文件，先将其存放在指定目录中，后再利用C+的流类对其进行读取，其后即可模拟接地选线装置对这些数据进行仿真处理，如采样、提取特征量等。2.2 仿真选线平台C+主程序流程设计1、 本课题的仿真选线平台主程序流程设计则主程序流程设计步骤如下：1) 读*.inf信息文件，获得启动特征量的编号；2) 顺序读取对应的*.out输出文本中对应列数据，采样，滤波，动态获得指定长度的数据序列；3) 由动态获得的序列，动态提取启动特征量；4) 同时判断是否满足启动判据？N回到第2步；Y记录故障时刻，开始第5步；5) 读*.inf文件，获得某一个选线特征量的编号；若读到文本结束符EOF，即表示已经读完所有选线特征量，跳到第10步；6) 顺序读取对应的*.out输出文本中对应列数据；7) 同时判断是否到达故障时刻？Y开始第8步；N回到第6步；8) 短时延迟后，采样、滤波，获得指定长度的数据序列，提取选线特征量；9) 采样数据输出模块，并将该时段该特征量采样序列输出到对应文本文件备份保存；重复第5步到第9步；10) 选线判据模块；11) 选出故障线路，发出告警信号。其中一些模块子函数的具体实现在后面会细述。2、仿真选线平台主程序流程图如图2-1所示。图2-1 本课题仿真选线平台的整体流程图2.3 采样模块2.3.1 数字采样流程通常在实际硬件系统中，会在模数转换电路采样前放置一个模拟低通滤波器（即抗混叠滤波器）将超过滤波器1/2采样频率的高频分量滤除，从而满足奈圭斯特采样定理的要求。本课题中从PSCAD获得仿真结果数据，在其基础上进行采样，因此设计一个数字低通滤波器实现该抗混叠低通功能，即将原始数据进行预处理后再进行采样。数字采样流程示意图如图2-2所示。图2-2 数字采样流程示意图2.3.2 针对原始仿真结果数据的滤波预处理考虑到FTU的采样频率是1200HZ，为防止采样后发生混叠现象，影响后期数据幅值计算的正确性，采样前应满足奈圭斯特采样定理，将原始信号中高于fs/2=600HZ的高频部分滤除掉。数字滤波器可分两类18：1）卷积型FIR数字滤波器，运算量比较大，用于连续的监测时有可能因为CPU的运算速度不够而使其实时性不能满足要求。但是它有明确的响应时间，在微机保护算法中一般设有故障判别算法，可以明确区分故障前后的数据。另外，微机保护在故障后可以有几毫秒以上的处理时间，CPU的运算能力一般都能满足要求。2）递归型IIR数字滤波器，运算量比非递归型的FIR滤波器小很多，可以再一个采样间隔时间内完成滤波计算，适用于系统正常时电量的连续测量和检测。但是系统发生故障后，即使可以区分故障前后的数据，由于滤波结果中包含有y(n-1),y(n-2)等，需要经过一段时间后，也就是滤波器的响应时间，滤波数据才能反映故障后的电气量。滤波器的响应时间有可能会大于FIR滤波器。由于PSCAD仿真输出文件中设定步长50us，则时间列每行的间距为0.05ms，则原始理想数据的采样频率fs为20000HZ，数据量比较大，考虑到CPU的处理能力和实时要求，最后选择递归型IIR滤波器chebyshev低通滤波器19，其基本滤波算式为： (2.1)将截止频率设定为500HZ，则设计基本参数定位fc=500/20000，4 pole（级数），0.5%ripple（波纹）。查参考文献10可得滤波算式选取参数如表2.2所示。表2.2 chebyshev低通滤波器滤波算式选取参数a参数a0a1a2a3a4取值1.504626e-66.018503e-59.027754e-56.018503e-51.504626e-5b参数b1b2b3b4取值3.725385-5.2260043.270902-7.705239e-1此滤波过程在对文本中的电压或电流读取时同步进行。2.3.3 采样的程序实现在实际装置中，FTU的采样频率一般大于24点/周波。因此程序也应仿真模拟器采样频率，每基频周期取N=24点采样,使得fs=1200HZ。因此程序中相关参数定义如下：const double T1=0.5e-4; /已知原始理想数据时间间隔const double fs=1200; /采样频率1200 HZconst double f1=50; /基波频率const int n=fs/f1; /一个周波里的采样点数24点int step=int(1/fs)/T1); /对于数列采样，每两个采样点的采样间隔程序中，定义某一输出量在对应的*.out输出文本中的位置参数如下：int outno3; /某输出量所在的输出文件号， int outmem3; / 某输出量在某文件中的列号int OUTLEN; / 某输出量所在文件的总列数顺序读取对应的*.out输出文本中的数据，当读到数据的顺序号count满足如下条件时，即可获得目标采样数据：if(count-outmemi)%(OUTLEN*step)=0) /满足该条件即可采样2.4 提取特征量模块202.4.1 提取特征量方案简介系统发生故障时，输入信号并非纯正弦信号，其中除了含有基波分量外，还含有各种整次谐波、非整次谐波和衰减直流分量。为了消除无效分量，提取特征量，现总结了两种方案。方案一：首先采用数字滤波器对输入信号采样序列进行滤波，然后再使用算法对滤波后的有效正弦信号进行运算处理，方案流程及功能描述如图2-3所示。图2-3 滤波方案一示意图方案二：使用本身具有良好的滤波性能的算法，直接对输入信号采样序列进行运算处理，获得基波特征量。本课题主要研究改进后的全周傅氏算法，方案流程及功能描述如图2-4所示。 图2-4 提取特征量方案二流程及功能示意图2.4.2 数字滤波器设计1、最简单的单位系数数字滤波器（1） 差分（相减）滤波器。这是一种最简单的数字滤波器，它的滤波差分方程为 (2.2) 式中 K差分步长，是根据不同的滤波要求事先选择的整常数，K1。取每基频周期内采样点数为N、基频频率为f1，差分滤波器的幅频特性为： (2.3)假设K=6，N=24，则对应的幅频特性曲线如图2-5所示。图2-5 差分滤波器幅频特性曲线（K=6，N=24）数字保护装置中，差分滤波器主要有以下用途：1） 消除直流和某些谐波分量的影响，但对故障信号中的某些高频分量有放大作用，因此，一般不能单独使用，需要与其他的数字滤波器和算法配合使用，以便得到良好的综合滤波效果。2） 抑制故障信号中的衰减直流分量的影响。利用差分滤波器可以完全滤除恒定直流分量，也可对衰减直流分量起到良好的抑制作用。（2） 积分滤波器这也是一种常见的简单数字滤波器，其滤波方程为 (2.4) 式中 K积分区间，常数，可按不同的滤波要求选择，K1。积分滤波器的幅频特性为 (2.5)假设K=6，N=24，则对应的幅频特性曲线如图2-6所示。图2-6 积分滤波器幅频特性曲线（K=6，N=24）积分滤波器是不能滤除输入信号中的直流分量和低频分量的，但对高频分量有一定的抑制作用，并且频率越高抑制作用越强。上述差分和积分滤波器的结构非常简单，并具有单位系数的特点，计算量很小，但各自独立使用时，滤波特性难以满足要求。2、级联数字滤波器为了改善滤波特性，可将多个简单的数字滤波器进行级联。级联滤波器的时延为各个滤波器时延之和。设有M个滤波器级联，第i个滤波器的时延为i，则级联滤波器的时延为 (2.6)相应的，若设第i个滤波器的数据窗为Wdi，则级联滤波器的数据窗为 (2.7)级联滤波器的幅频特性等于个滤波器的幅频特性的乘积。对于M各滤波器级联，设第i个滤波器的幅频特性为Hi()，那么级联滤波器的幅频特性H()为 (2.8)通过合理选择具有不同滤波特性的滤波器进行级联，可使级联滤波器的滤波性能得到明显改善。3、本课题数字滤波器的设计本课题中，为了提取故障暂态信号中的基频分量，选用一个差分滤波器和两个积分滤波器级联，组成三单元级联滤波器。其中，差分滤波器可消除直流分量和减少非周期分量的影响，积分滤波器可抑制高频分量，而多个积分滤波器级联可进一步加强放大基频分量和抑制高频分量的作用。本课题采样频率fs=1200HZ (每基频周期24点采样，N=24)，则各滤波器的滤波差分方程选择为由式（2.6）、式（2.7），可得滤波器的时延=（6+7+9）Ts=22 Ts18.33(ms)，数据窗Wd=(7+8+10)-(3-1)=23。又根据式（2.3）、（2.5）、（2.8），级联滤波器的幅频特性表达为 (2.9)级联滤波器幅频特性曲线如2-7所示。图2-7 级联滤波器幅频特性曲线该级联滤波器具有良好的滤波特性，相对于基频分量（有用信号），它对其他所有高于2.4次谐波的高频分量（无用信号）的衰减不小于20dB，实际上它对非周期分量也具有良好的抑制效果。为得知该滤波器对于基频幅值的放大倍数，将f=f1代入式（2.9），可得因此采样数据经过该级联滤波器后，应该将采样数据缩小A倍以确保基频分量幅值的准确性。4）本课题数字滤波器的程序实现double lb137=0,lb238=0,lb3310=0;/定义三级滤波器对应数组double out1=0,out2=0,out3=0; /定义三级滤波器对应输出double A; /级联滤波对基波幅值的放大倍数AA=fabs(2*sin(pi/4)*sin(pi/3)*sin(10*pi/24)/(sin(pi/24)*sin(pi/24);/提取p相量基波滤波环节if(count-outmemp)%(OUTLEN*step)=0) out1=0;out2=0;out3=0;for(l=0;l6;l+)lb1pl=lb1pl+1;lb1p6=yp4; /新增一个采样输入值out1=lb1p6-lb1p0; / 第一级滤波器的输出值for(l=0;l7;l+)lb2pl=lb2pl+1;out2+=lb2pl;lb2p7=out1; out2+=lb2p7; / 第二级滤波器的输出值for(l=0;l9;l+)lb3pl=lb3pl+1;out3+=lb3pl;lb3p9=out2; out3+=lb3p9; / 第三级滤波器的输出值out3/=A; /缩小A倍，满足实际基波幅值大小2.4.3 正弦信号的特征量算法在实际故障情况下，输入交流信号中并不是正弦信号，计算数据经过数字滤波后获得正弦采样序列，即可采用基于正弦函数模型的正弦信号算法。电气工程中，正弦信号通常采用复相量表示。1、计算复相量实部和虚部的两采样值算法。正弦信号对应的复相量可以表示为： (2.10)式中UR、UI复相量的实部、虚部，UR=Umcos，UI=Umsin。视正弦信号为旋转相量在虚轴上的投影，则有 (2.11)其离散采样序列可表示为 (2.12)当式(2.12)中当分别取n=0和n=N/4时，复相量的实部和虚部表达式为 (2.13)进一步讨论快速算法。设在n=0和n=K得到两个采样值，可由式(2.11)列出方程组 (2.14)由式(2.14)可导出 (2.15)式(2.15)取K=N/4，即为式(2.13)，此时计算量最小。2、 根据复相量实部和虚部求取其模值与相位的算法。计算式如下： (2.16)3、本课题根据式(2.15)和式(2.16)，求取正弦信号的复相量，对应程序段如下：double array; /采样序列在该数组中int K=n/4;Re=(arrayK-array0*cos(K*2*pi/n)/sin(K*2*pi/n);/ 实部Im=array0; / 虚部pp=sqrt(Re*Re+Im*Im)/2); /幅值有效值ph=atan(Im/Re); /相位(弧度)ph=(ph*180/pi); /(角度)if(Re0)ph+=180;if(Re0&Im0)ph-=180;2.4.4 非正弦信号的特征量算法 1、交流采样数据校正的校正21为减小由衰减直流分量引起的计算误差，本课题参考了相关资料，采用分段线性化方法对交流采样数据本身进行校正，来消除衰减非周期分量的影响。1）校正采样数据的基本思路设含有衰减非周期分量的信号为 (2.17)其中： 为衰减非周期分量；为周期T=2/的各次谐波分量的总和；为基频分量的角频率；X与为次倍频分量的幅值和初相角。对x0(t)同步采样，设每周期的采样点数为N，采样周期TS=T/N，可以得到采样点序列：x(0)，x(1)，x (2)，x(N-1)，x(N)设剔除x0(k)后的采样数据为x(k)，则有： (2.18)采样数据校正的基本思路是，递归求出各点的x0(k)，然后采用实际采样数据x(k)将其剔除，得到校正后的采样数据x(k)。2）求幅值X0和衰减时间常数根据周期函数x(t)的特点，可得： (2.19)对非周期信号x0(