一種完全濾除衰減直流分量的全波傅氏改進算法

，，，

(國網浙江省電力公司溫州供電公司，浙江 溫州 325000)

1 引言

全波傅氏算法具有很強的濾除諧波的性能,不僅算法簡單，而且穩定性好,因此在電力系統微機繼電保護中得到廣泛的應用。但全波傅氏算法是基于周期函數模型推導出來的,而在電力系統故障狀態下,輸入信號中因含有較大的衰減直流分量而不再是周期函數,為了克服衰減直流分量的影響,很多學者做了大量的研究,提出了一些相應的改進全波傅氏算法[1-10],文獻[4-8]的算法都需要在基頻周期采樣的基礎上增加若干個采樣點,直接求出誤差量大小，對衰減直流分量進行補償，有些算法精度不高,有些算法十分復雜。文獻[9]在不需增加采樣點的情況下,也是求出誤差量的大小，對衰減直流分量進行精確補償。其實，采樣的信號可看成衰減直流分量和周期信號的疊加，在取得采樣序列時，若能馬上求出衰減直流分量的初始值和衰減時間常數，計算出對應的每一采樣點的衰減直流分量的大小，讓采樣的每一個點減去對應的衰減直流分量。這樣對信號進行處理后，得到的采樣序列就是只含基波和諧波的周期函數采樣序列，可直接用于全波傅氏算法的計算，且計算量大大減小，理論上沒有誤差。

2 全波傅氏算法

假設采樣信號具有如下形式：

(1)

式中：I0為衰減直流分量初始值；τ為衰減時間常數；In、φn分別為基波和各次諧波的幅值和初相角。

根據傅氏級數的原理，可以求得基波和各次諧波的正弦項和余弦項的表達式：

(2)

(3)

式中：T為基頻分量的周期；ω為基頻分量的角頻率。

將式(2)、式(3)進行離散化處理可得：

(4)

(5)

式中：N為周期采樣點數。

離散情況下有：

得到基波和各次諧波的幅值和初相角為：

(6)

(7)

若式(1)中不含衰減直流分量，由式(4)、式(5)得到基波和各次諧波的理想的實部和虛部：

an=Incosφn

(8)

bn=Insinφn

(9)

3 改進的算法

3.1 輸入信號

假設輸入信號為衰減直流分量、基頻分量與整次諧波分量之和，則：

(10)

則第k次采樣值可表示為：

I0ck+ia

(11)

式中,ia為交流分量，令e-Ts/τ=c，該文稱c為衰減常數。

3.2 求解衰減直流分量初始值I0和衰減常數c

新算法首要目的是求出衰減直流分量初始值I0和衰減時間常數τ，然而求解衰減時間常數要用到對數運算，在微機保護算法編程中，對數運算難以實現。其實在求得衰減常數c后，就求得了衰減時間常數τ，對計算的結果沒有影響。因此，只要求得衰減直流分量初始值I0和衰減常數c即可。

不少文獻[8-11]都提到求解衰減直流分量初始值和的衰減常數的方法[10]的方法過于復雜。文獻[11]用相似的方法濾除了衰減直流分量，但求解衰減直流分量初始值和衰減時間常數時要分三種情況，且對數運算難以實現[9]。保證每基頻周期采樣點數N為4的倍數的前提下，將采樣點進行奇偶序列分離，偶數序列采樣點之和與奇數序列采樣點之和的商，既為衰減常數[8]。{i(k)|k=2,3,…,N+1}的采樣點之和與{i(k)|k=1,2,…,N}[8-9]可總結一種求解衰減常數的方法：將一周期序列的采樣點(奇數序列或是{i(k)|k=1,2,…,N}的采樣序列)向下一個周期的方向移動一個采樣間隔后，移動后的周期采樣序列之和與移動前的周期采樣序列之和的商，既為衰減常數c。求得衰減常數c后，很容易得到衰減直流分量初始值I0。

為了不增加采樣點數目，該文用奇偶序列分離的方法求衰減常數c。假設每基頻周期采樣點數N為4的陪數，易證交流分量一周波積分為零，與矩形積分近似，可表示為:

(12)

因此有：

(13)

得到

(14)

再對i(k)中偶數序列進行一周波積分，N為4的倍數，所以N/2為偶數，得

(15)

由式(14)、式(15)得：

(16)

求得衰減常數c：

(17)

由式(13)得:

(18)

求得衰減直流分量初始值I0：

(19)

最后得到衰減直流分量：

h(k)=I0ck

(20)

3.3 改進算法的實現

構造只含周期分量的函數：

(21)

F(t)便是不含衰減直流分量的周期信號，可直接用于全波傅氏算法的計算。則第k次采樣值為：

(22)

則基波和各次諧波的實部和虛部為：

(23)

(24)

得到基波和各次諧波的幅值和初相角：

(25)

(26)

4 仿真計算

為了驗證算法的正確性和精度， 以下面的信號作為輸入,對算法進行了仿真并與傳統的算法及文獻[5]的算法進行了比較。

i(t)=9e-t/τ+9sin(ωt+π/3)+5.1sin(2ωt+π/6)+3.4sin(3ωt+π/4)+2.7sin(4ωt+π/3)+2.1sin(5ωt)

τ=0.02s，ω=100π，取N=24，三種算法在相同的軟件MATLAB下的計算結果如表1所示。

表1 算法仿真結果及比較

5 結語

本文研究的全波傅氏改進算法,在取得采樣信號時就對信號進行了處理，直接求出衰減直流分量的初始值和衰減常數，得到了只含基波和各次諧波的周期函數采樣序列，直接用于全波傅氏算法的計算。不像其他改進的全波傅氏算法，算出誤差量的大小，對衰減直流分量的正弦、余弦分量的系數進行補償。仿真表明，該算法在這三種算法中是最精確的，且算法簡單，思路明確，具精確性和快速性，符合微機繼電保護精度和速度應用的要求。