專利名稱：保護繼電器中的模擬高通濾波器的制作方法
在監視電力系統以檢測系統故障時，保護設備的典型配置是執行各種診斷或監視程序。一種此類程序包括確定基波電流頻率分量是否處在可以接受的范圍或包絡線之內。具體地說，保護設備被配置成周期性地確定每一相電力系統電流信號的基波電力系統頻率分量。一旦確定了每一相的電流信號基波頻率分量，就將每一個分量和一個預選的理想包絡線相比較。如果確定的基波分量處在包絡線之內，這一診斷測試科目就通過了。然而，如果基波分量沒有落在包絡線之內，這種狀態就可能預示著電壓故障或者其他問題。如果這種狀態持續下去，保護設備就會動作，斷開與這一超范圍分量有關的電路。當電路被斷開時，往往要求工作人員定位并核對造成超范圍電流分量的根源，然后閉合閉合設備中的斷路機構。
為了精確地識別故障的位置，可以通過對基波電流分量的分析來確定從保護設備到故障的距離。在執行這種分析時，為了改善精度，需要從電流信號基波電力系統頻率分量中消除衰減偏移。在電力系統過渡過程期間往往在線電流中出現衰減偏移，它是由線路中的電感和電阻性阻抗響應造成的。要校正這種衰減偏移就必須補償偏移的時間變化性質。一旦消除就衰減偏移，就可以通過分析電流信號基波頻率分量來確定故障的位置。
公知的模擬電路和濾波器是以函數IZ(t)=i(t)*R+v(t)作為傳輸線性能的數學模型，其中的v(t)=L(di(t)/dt)。這一輸出信號是兩項之和第一項與模擬電阻和線電流的乘積成正比，第二項與模擬電感和線電流的時間導數的乘積成正比。上述函數通常被用來消除衰減偏移。通常是采用離散Fourier變換(DFT)來確定每個線電流的基波電力系統頻率分量和諧波。
模擬技術會受到限制。例如，輸入信號的微分會放大高頻諧波，特別是在諸如電動機驅動和循環換流器這樣的工業設備中。這些高頻諧波的放大會導致虛假的電流尖峰，會造成保護繼電器在錯誤的時間觸發。隨著保護設備速度的不斷提高，這一問題會帶來越來越多的麻煩。
數字式的模擬濾波器通常是依賴于兩個輸入采樣的微分。為了補償虛假的電流尖峰，要通過增加采樣周期來降低微分增益。然而，增加采樣周期會減少濾波器的帶寬。
還有其他的公知技術。例如，為了減少為執行偏移校正所需要的計算量，美國專利US5798932提出了分別檢測故障和確定故障位置。具體地說，該專利認為，為了確定故障是否存在不一定非要從電流矢量中消除衰減偏移，而是僅僅在利用矢量來定位故障時才需要消除衰減偏移。如果將執行處理步驟的順序反過來就可以產生矢量值，然后在必要時從產生的矢量值中消除衰減偏移，在某些場合下能夠顯著地減少計算量。
美國專利US5796630公開了一種用來部分消除可能出現在故障電流中的諧波分量影響的保護繼電器系統。這種系統包括一個數字濾波器，用來輸出第一和第二差分電變量數據，代表第一和第二電變量的至少兩個采樣數據之間的第一和第二差額。該系統還包括一個附加濾波器，用來輸出第一和第二附加電變量數據，代表相對于第一和第二差分電變量數據的正交矢量數據。該系統進一步包括一個繼電器控制單元，用來根據某一采樣時間的第一和第二差分電變量數據來計算電力系統中的繼電器動作的控制參數，從而確定是否應該執行電力系統的保護動作。
美國專利US4577279公開了一種用來提供偏移補償的方法和裝置。對一個正弦信號采樣，在對應著正弦信號的多個周期的時間間隔內對過渡過程取平均值，并且在時間間隔的中點從采樣中減去該平均值，從而消除過渡過程指數噪聲信號的影響。
盡管用來對付偏移的上述和其他技術是公知的，但是都不能提供一種快速，可靠和精確的技術從提供給保護繼電器的電力系統信號中濾除噪聲，同時又要避免虛假的信號尖峰。
從以上的觀點來看，需要提供一種可靠，快速和精確的技術為電力系統信號濾波。這種技術還應能用于避免虛假信號尖峰。這種技術還應該能夠適合不同的應用，并且能夠在模擬或數字電路中采用這種技術。
本發明提供的濾波技術除了滿足上述要求之外還具有附帶的優點，按照本發明的一個實施例，用一個偽微分來代替常規模擬濾波器的微分，用來抑制低頻信號。按照一個實施例，偽微分器是由一個正向增益Kp和反饋環中的一個積分器組成的。這樣，按照本發明一個實施例的方法，接收輸入的電信號，調節(例如減少)一個反饋值，并經過放大提供一個輸出信號。根據輸出信號從輸入信號中消除噪聲。通過對輸出信號積分來確定反饋值。
本發明為濾除噪聲并且避免虛假的信號尖峰提供了一種快速，可靠和精確的技術。
閱讀以下參照附圖的詳細說明就可以更加充分地理解本發明，在附圖中
圖1是按照本發明一個實施例的偽微分器的框圖；圖2的流程圖表示在本發明一個實施例中為信號濾波的方法；圖3是適合用來實現本發明的模擬濾波器的一種模擬電路的示意圖；圖4A-B的波形圖分別表示一個輸入信號和常規模擬濾波器與本發明的一例模擬濾波器的輸出響應的比較；圖5A-B分別表示一種常規模擬濾波器的幅值和相位響應預報曲線；以及圖6A-B分別表示按照本發明的一例模擬濾波器的幅值和相位響應預報曲線。
參見圖1，在圖中表示了按照本發明一個實施例的偽微分器10的框圖。在本例中，偽微分器10被納入一個保護繼電器所包含的濾波器中，或者是在操作上與包含繼電器相聯系。信號L*i(t)代表和一個保護繼電器相聯系的一條線中的電流與這一條線的電感L相乘。從這一輸入中減去下述的反饋環產生的反饋值，產生一個修正的輸入信號。修正的輸入信號被提供給一個比例增益值為Kp的放大器10，用Kp值放大修正的輸入信號，并且將放大的值作為信號v(t)輸出。在傳統的模型公式IZ(t)=i(t)R+v(t)中使用這一信號v(t)，并且可以用常規技術來補償偏移值。上述的反饋環包括將放大的信號提供給一個積分器14，將放大的信號對時間積分，并且將這一積分乘以一個積分增益值Ki。然后從輸入信號L*i(t)中減去積分和乘積的信號。
在實際的濾波器中，用偽微分器代替傳統模型公式IZ(t)=i(t)R+v(t)的微分器(其中的v(t)按慣例等于L(di(t)/dt))。因此，采用圖1的偽微分器的模型公式就變成了
IZ(t)=i(t)*R+[Kp*L/(1+Kp*Ki∫IZ(t)dt)]*i(t)，其中的Kp是比例增益，而Ki是積分增益。這一數學模型可以在使用電阻，電容和其他適當元件的模擬電路中實現，以下要說明這樣的一個例子為了調節比例和積分增益值可以對元件值進行選擇。
按照本發明的一方面，可以用數字電路或者是適當編程的處理器實現這一公式，例如可以用梯形方法將公式變換到離散的時域。按照這種方案，基于模擬濾波器的數字信號處理器(DSP)的公式變成了Lmimic(t)=A*i(t)+B*i(t-T)+Kx*Imimic(t-T)，其中的Kx=[2-KpKiT]/[2+KpKiT]，A=R+L*2*Kp/[2+KpKiT]，B=Kx*R-L*[2Kp/(2+KpKiT)]，而T是采樣周期。
系數A和B考慮到了濾波器的微分增益。從中可以看出，增加比例增益Kp可以增加微分增益，并且提供較快的濾波器響應。然而，大的比例增益也會在濾波器的輸出產生超調和環路。調節積分增益Ki可以控制衰減。增益積分增益可以抑制環路和虛假信號尖峰過渡過程，但是會增加濾波器的穩態響應時間。這樣就能根據不同的應用調節或是調諧模擬濾波器，獲得優化的性能和穩態響應時間。本例的模擬濾波器可以對信號進行快速和精確的濾波，抑制dc偏移或其他噪聲，同時防止出現偽信號尖峰。Kp的最佳值小于濾波器截止頻率的0.1倍，而Ki小于Kp的40％。
參見圖2，圖中用流程圖表示了按照本發明的一個實施例對輸入信號濾波的方法。該方法從步20開始，由濾波器接收輸入信號。在步22中按照公式IZ(t)=I(t)R+v(t)模仿電力系統的狀態，其中的v(t)是按照圖1所示的偽微分器產生的。偽微分器可以用例如圖3的模擬電路來實現，或者是用數字信號處理器來產生上述的適用函數。在步24按照公知的技術補償或是消除dc偏移或者其他噪聲。
參見圖3，圖中表示了用來實現本發明的模擬濾波器的一例模擬電路。電路30接收輸入信號Vin并且將這一信號提供給輸入電阻32(Ri)和輸入電容34(C)的第一端。輸入電容C的第二端連接到運算放大器36的第一輸入端，其第二輸入端連接到地。運算放大器36產生一個輸出信號Vout，并且通過反饋電阻Rf將這一輸出信號反饋給運算放大器36的第一輸入端。在本例中，T(jω)=Vout(jω)/Vin(jω)=[jω*Rf/Ri]/[jω+1/(C*Ri)]。在本例中，Kp=Rf/Ri，Ki*Kp=1/C*Ri，因此，Ki=1/C*Rf。另外可以看出jω代表頻域。
參見圖4A-B，圖4A的曲線代表輸入信號，例如是代表通過由繼電器保護的電力系統中一部分的線電流。圖4A的信號具有一個衰減的dc偏移。圖4B表示兩個波形，其一是接收圖4A的輸入信號的一個常規模擬濾波器的輸出，另一個是采用本發明技術的模擬濾波器的輸出。在本例中將Kp選為0.995，而Ki選為0.4。從圖4B中可見，常規模擬濾波器(“模擬”)輸出一個電壓尖峰，而本發明的改進的模擬濾波器(“新模擬”)不會產生這種尖峰。
參見圖5A-B，圖中分別表示了一種常規模擬濾波器的幅值和相位響應預報曲線。圖6A-B分別表示按照本發明的模擬濾波器的對應的幅值和相位響應預報曲線。從圖5A-B中可以看出，模擬濾波器將高頻分量放大了30dB之多，而從圖6A-B中可見，本發明的模擬濾波器可以抑制低頻并且對高頻分量具有大致不變的增益。這些波形從一個方面清楚地說明了本發明對模擬濾波器性能的改進。
盡管上述說明包括了許多細節和規定，其作用僅僅是為了解釋本發明而并不構成限制。本發明的范圍寬到足以覆蓋根據上述實施例作出的各種修改，這些修改都屬于權利要求及其法律意義上的等效物。
權利要求
1．為代表電力系統參數的一個電信號濾波的一種方法包括以下步驟接收一個輸入電信號；用一個反饋值調節輸入電信號；用一個比例增益值放大調節的電信號；將放大的信號作為輸出信號輸出；以及根據輸出信號從輸入電信號中消除噪聲，其中的反饋值是由輸出信號的積分來確定的。
2．按照權利要求1的方法，其特征是輸入信號是代表電力系統中的電流的電流信號。
3．按照權利要求2的方法，其特征是輸出信號是一個電壓信號。
4．按照權利要求2的方法，其特征是用一個積分增益值乘以反饋值。
5．按照權利要求2的方法，其特征是所執行的調節步驟是從輸入信號中減去反饋值。
6．按照權利要求2的方法，其特征是比例增益值小于濾波器截止頻率的0.1倍。
7．按照權利要求2的方法，其特征是積分增益小于比例增益的40％。
8．按照權利要求4的方法，其特征是消除噪聲的步驟是通過計算IZ(t)=i(t)*R+[Kp*L/(1+Kp*Ki∫IZ(t)dt)]*i(t)，來執行的，其中的Kp是比例增益值，而Ki是積分增益值。
9．按照權利要求4的方法，其特征是消除噪聲的步驟是通過計算Lmimic(t)=A*i(t)+B*i(t-T)+Kx*Imimic(t-T)，其中的Kx=[2-KpKiT]／[2+KpKiT]，A=R+L*2*Kp/[2+KpKiT]，B=Kx*R-L*[2Kp/(2+KpKiT)]，而T是采樣周期。
10．按照權利要求1的方法，其特征是在調節步驟之前將輸入信號乘以一個電感系數。
11．用來為代表電力系統的一個輸入信號濾波的一種濾波器，其特征是包括用來接收代表電力系統的輸入信號的一個輸入；利用一個反饋值調節輸入信號的裝置；一個放大器，用一個比例增益值放大調節的輸入信號，并且將結果作為輸出信號輸出；以及一個積分器，用于對輸出信號積分而產生反饋值。
12．按照權利要求11的濾波器，其特征是這一濾波器被包含在一個保護繼電器中。
13．按照權利要求11的濾波器，其特征是輸入信號是代表電力系統中的電流的電流信號。
14．按照權利要求11的濾波器，其特征是積分器用一個積分增益值乘以反饋值。
15．按照權利要求11的濾波器，其特征是比例增益值小于濾波器截止頻率值的0.1倍。
16．按照權利要求14的濾波器，其特征是積分增益值小于比例增益值的40％。
17．按照權利要求14的濾波器，其特征是進一步包括用來產生IZ(t)=i(t)*R+[Kp*L/(1+Kp*Ki∫IZ(t)dt)]*i(t)的裝置，其中的i(t)是輸入信號，R是和電力系統有關的電阻，L是和電力系統有關的電感，Kp是比例增益值，而Ki是積分增益值。
18．按照權利要求14的濾波器，其特征是進一步包括用來產生以下函數的裝置Lmimic(t)=A*i(t)+B*i(t-T)+Kx*Imimic(t-T)，其中的Kx=[2-KpKiT]/[2+KpKiT]，A=R+L*2*Kp/[2+KpKiT]，B=Kx*R-L*[2Kp/(2+KpKiT)]，而且其中的i(t)是輸入信號，R是和電力系統有關的電阻，L是和電力系統有關的電感，Kp是比例增益值，Ki是積分增益值，而T是采樣周期。
19．按照權利要求11的濾波器，其特征是在輸入信號被提供給調節裝置之前將輸入信號乘以一個電感系數。
全文摘要
可以用模擬或數字電路實現的一種模擬濾波器,它采用偽微分技術從輸入信號中消除dc偏移或是其他噪聲。用一個反饋值調節輸入信號,并且用一個比例增益系數放大調節的輸入信號,從而產生一個輸出信號。提供對輸出信號積分并將積分結果乘以一個積分增益系數來確定反饋值。這種模擬濾波器能夠避免產生偽信號尖峰。
文檔編號H02H7/26GK1296656SQ00800357
公開日2001年5月23日 申請日期2000年3月17日 優先權日1999年3月17日
發明者L·C·H·程 申請人:通用電氣公司