·研制与开发·蒋雷海，等数字化保护采样数据处理方案 图2为原始采样率为4kHz的采样数据按不同 电子式互 感器采样 抽取方式处理后的DFT计算结果最大相对误差在 MU采样数据 采集和发送 hdngndt世 不同频率下的分布情况。 保护装置采样 2.0r 数据接收 1.8 保护装置采 1.6 样数据缓存 中中士 1.4 保护装置采样 1.2 数据处理 △1ds 1.0 T1为MU采样周期；T2为保护采样数据处理周期 0.8 △a,△an为通信延时；△a为保护运算延时 0.6 0.4/ 图1采样数据接收处理时序 Fig.1 Timing sequence of sampling data transmission 4546474849505152535455 f/Hz and disposal 一m=1时的DFT计算结果：---=2时的DFT计算结果 图2DT算法在不同频率下的最大相对计算误差 2 采样数据简化处理方案 Fig.2 Maximum relative errors at different frequencies of DFT calculation 传统保护每周期采样20点~48点数据，并采 22每周期定点数采样数据的处理 取频率跟踪措施保持每周期采样点数相对恒定。基 为实现不同频率下每周期采样点数相对恒定， 于这种定点数采样的保护算法和判据都比较成熟。 直接采用等间隔采样的原始数据将难以满足计算精 而数字化保护中，数据采样为定频率（定间隔）采样， 度要求。为此，需在频率跟踪的基础上对原始数据 不采用频率跟踪，且采样频率明显较传统保护高，这 进行二次采样。一种方法是由原始采样数据经线性 不适合成熟可靠的保护算法，故应对数据进行预处 插值法获得二次采样值9。即在当前频率下，实时 理。 计算采样间隔，并由上一采样点位置推算出当前点 在传统保护中，基于不同交流采样模型的保护 位置，然后用与其左右相邻的2个原始采样数据，按 算法有很多种，其中以离散傅里叶变换(DT)算 线性插值法求取二次采样值。在原始采样频率较高 法或快速傅里叶变换(FFT)算法应用最广。以下数 时，此方案可获得令人满意的计算精度，且计算量 据处理方案仅基于DFT/FFT算法进行分析。 小。另一种方法是先基于原始采样数据求得局部波 2.1等间隔采样数据的处理 形函数，再根据当前点位置用插值法求二次采样值。 此方法中各采样点的时间间隔保持不变，但为 该方法可以获得很高的计算精度，不要求原始数据 实现信号在不同频率下精确的DFT/FFT计算，需 有很高的采样率，但数据计算量较大。基于波形拟 实时调整每周期内的采样点数。其实现过程为：先 合和二次采样的采样数据处理方法即为此方案的一 按采样点整数倍抽取数据的方法每隔若干个点抽取 种典型应用。 一个采样点数据，形成新的数据源，然后根据当前频 3采样数据无效时保护动作策略 率确定每周期采样点数，重新计算傅里叶系数后，再 利用DFT/FFT算法进行保护计算。 因丢帧或误帧导致丢失的采样值在保护装置内 当原始数据采样率为f如，则每m点抽取一个 部将被置零，并设无效标志。对于可正确辨识的畸 采样点后的二次采样率为fa呷=fmp/m,其采样 变采样值，也将被置无效。 间隔为T=/fmp。若测得当前系统频率为 保护装置在数据处理过程中遇到无效数据后若 f,其对应的波形周期T=Vf。每周期实际包含 采取简单的回避措施，即将保护功能闭锁一段时间， 的采样点数为： 待无效数据移出计算数据窗后再开放，将导致保护 装置动作延迟或拒动，不利于系统安全稳定运行。 n=round Tsmp T2 round f=round之w (1) mf 此时，可按如下方法处理无效数据和保护逻辑： 式中：round(x)为对x四舍五入取整函数。 1)当采样数据点丢失较少，用数据拟合方法求 由式(1)求得的每周期采样点数与真实所需点 得的近似值满足保护计算精度要求，则用拟合值代 数之间的最大误差为1。由此带来的DFT/FFT计 替丢失数据参与保护运算，不需采取附加措施。 算误差与采样间隔大小直接相关，间隔越小，引入的 2)当采样数据点丢失较多，采样数据的拟合精 计算误差就越小，反之就越大。但该方法计算量小， 度无法满足计算精度要求，则在方法1的基础上，通 适用于原始采用率和二次采样率都较高的场合。 过增加保护动作延时条件或闭锁保护的方法增加保 C1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.ki.net图 1 采样数据接收处理时序 Fig. 1 Timing sequence of sampling data transmission and disposal 2 采样数据简化处理方案 传统保护每周期采样 20 点~ 48 点数据, 并采 取频率跟踪措施保持每周期采样点数相对恒定。基 于这种定点数采样的保护算法和判据都比较成熟。 而数字化保护中, 数据采样为定频率( 定间隔) 采样, 不采用频率跟踪, 且采样频率明显较传统保护高, 这 不适合成熟可靠的保护算法, 故应对数据进行预处 理。 在传统保护中, 基于不同交流采样模型的保护 算法有很多种 [ 3] , 其中以离散傅里叶变换( DFT ) 算 法或快速傅里叶变换( FFT ) 算法应用最广。以下数 据处理方案仅基于 DFT/ FFT 算法进行分析。 2. 1 等间隔采样数据的处理 此方法中各采样点的时间间隔保持不变, 但为 实现信号在不同频率下精确的 DFT/ FFT 计算, 需 实时调整每周期内的采样点数。其实现过程为: 先 按采样点整数倍抽取数据的方法每隔若干个点抽取 一个采样点数据, 形成新的数据源, 然后根据当前频 率确定每周期采样点数, 重新计算傅里叶系数后, 再 利用 DFT / FFT 算法进行保护计算。 当原始数据采样率为 f samp , 则每 m 点抽取一个 采样点后的二次采样率为 f samp&= f samp / m, 其采样 间隔为 T samp = 1/ f samp&。若测得当前系统频率为 f [ 4] , 其对应的波形周期 T = 1/ f 。每周期实际包含 的采样点数为: n= round T T samp = ro und f s amp& f = ro und f samp mf ( 1) 式中: round( x ) 为对 x 四舍五入取整函数。 由式( 1) 求得的每周期采样点数与真实所需点 数之间的最大误差为 1。由此带来的 DFT / FFT 计 算误差与采样间隔大小直接相关, 间隔越小, 引入的 计算误差就越小, 反之就越大。但该方法计算量小, 适用于原始采用率和二次采样率都较高的场合。 图 2 为原始采样率为4 kHz 的采样数据按不同 抽取方式处理后的 DFT 计算结果最大相对误差在 不同频率下的分布情况。 图 2 DFT算法在不同频率下的最大相对计算误差 Fig. 2 Maximum relative errors at different f requencies of DFT calculation 2. 2 每周期定点数采样数据的处理 为实现不同频率下每周期采样点数相对恒定, 直接采用等间隔采样的原始数据将难以满足计算精 度要求。为此, 需在频率跟踪的基础上对原始数据 进行二次采样。一种方法是由原始采样数据经线性 插值法获得二次采样值[ 5] 。即在当前频率下, 实时 计算采样间隔, 并由上一采样点位置推算出当前点 位置, 然后用与其左右相邻的 2 个原始采样数据, 按 线性插值法求取二次采样值。在原始采样频率较高 时, 此方案可获得令人满意的计算精度, 且计算量 小。另一种方法是先基于原始采样数据求得局部波 形函数, 再根据当前点位置用插值法求二次采样值。 该方法可以获得很高的计算精度, 不要求原始数据 有很高的采样率, 但数据计算量较大。基于波形拟 合和二次采样的采样数据处理方法即为此方案的一 种典型应用。 3 采样数据无效时保护动作策略 因丢帧或误帧导致丢失的采样值在保护装置内 部将被置零, 并设无效标志。对于可正确辨识的畸 变采样值, 也将被置无效。 保护装置在数据处理过程中遇到无效数据后若 采取简单的回避措施, 即将保护功能闭锁一段时间, 待无效数据移出计算数据窗后再开放, 将导致保护 装置动作延迟或拒动, 不利于系统安全稳定运行。 此时, 可按如下方法处理无效数据和保护逻辑: 1) 当采样数据点丢失较少, 用数据拟合方法求 得的近似值满足保护计算精度要求, 则用拟合值代 替丢失数据参与保护运算, 不需采取附加措施。 2) 当采样数据点丢失较多, 采样数据的拟合精 度无法满足计算精度要求, 则在方法 1 的基础上, 通 过增加保护动作延时条件或闭锁保护的方法增加保 % 43 % ∋ 研制与开发∋ 蒋雷海, 等 数字化保护采样数据处理方案