CN113640560B - 一种参数化跨间隔直流阶跃数字信号生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种参数化跨间隔直流阶跃数字信号生成方法，包括：步骤1：根据直流电子式互感器的采样信息以及阶跃指标配置跨间隔阶跃信号参数；步骤2：基于跨间隔阶跃信号参数计算阶跃数值；步骤3：对跨间隔直流阶跃信号同步处理，再将多间隔数据按照同步信号以及采样速率规定的采样节拍统一发送；步骤4：在直流保护测试时进行多状态间的切换，第一状态发送结束后，第一状态的阶跃目标值即为第二状态的阶跃初值，再根据第二状态的配置参数进行阶跃值计算后进行新的阶跃过程波形发送。以直流电子式互感器的技术指标作为参数化目标，将直流电子式互感器的参数指标作为阶跃响应函数的函数参数，从而实现生成符合阶跃响应函数的阶跃波形的目的。

Description

一种参数化跨间隔直流阶跃数字信号生成方法

技术领域

本发明属于直流互感器技术领域，尤其涉及一种参数化跨间隔直流阶跃数字信号生成方法。

背景技术

直流互感器是直流输电***建设和运行过程中重要的一次设备，为直流控保***提供了精确可靠的测量信息，其运行可靠性和测量准确性以及暂态阶跃响应能力直接关系到直流输电***的安全稳定运行。直流控制保护依赖于直流电子式互感器的输出信号来做出正确的反应，直流控制保护的测试目前已经进入现场测试阶段。

目前直流保护的现场测试还是以静态测试为主，主要是施加稳态的直流量和交流量，而对于直流的暂态阶跃的响应能力测试目前还没有好的办法，基本都是采用录波回放的方式，但这种方式对于直流控制保护的直流暂态阶跃的快速响应能力无法做到定量的控制，波形特征对控制保护的影响无法分析，也无法验证直流电子式互感器的暂态阶跃响应能力对于直流控制保护的影响。

发明内容

本发明提供一种参数化跨间隔直流阶跃数字信号生成方法，用于至少解决由于现场录波的采样速率过低，采样信号本身就已经失真且波形特征比较单一，无法对直流差动保护的暂态阶跃响应能力进行定量测试的技术问题。

本发明提供一种参数化跨间隔直流阶跃数字信号生成方法，包括：步骤1：根据直流电子式互感器的采样信息以及阶跃指标配置跨间隔阶跃信号参数；步骤2：基于跨间隔阶跃信号参数计算阶跃数值，具体包括：步骤2.1、模式选择：阶跃响应按照阶跃过程包括模式1：理想阶跃；模式2：过阻尼或临界阻尼阶跃，其中过阻尼或临界阻尼阶跃表现为一阶***的单位阶跃响应；模式3：欠阻尼阶跃，欠阻尼表现为二阶***的单位阶跃响应；其中，阶跃响应按照阶跃模式由跨间隔阶跃信号参数中包含的上升时间t_up、阶跃过冲值u_max以及趋稳时间t_st来进行判断，当上升时间t_up、阶跃过冲值u_max以及趋稳时间t_st都为0时，阶跃为模式1，当上升时间t_up不为0，阶跃过冲值u_max为0时为模式2，上升时间t_up、阶跃过冲值u_max以及趋稳时间都不为0时为模式3；步骤2.2、数值计算：阶跃响应按照阶跃模式为模式1时，按照采样速率对第一函数进行离散化采样，使获得完整阶跃上升波形；阶跃响应按照阶跃模式为模式2时，根据电子式互感器上升时间的定义t_up＝t₉₀-t₁₀，即上升时间为阶跃值的90％与10％的时间差；分别计算u(t)＝0.1与u(t)＝0.9时第二函数中阶跃时间常数的值，并将阶跃时间常数代入第二函数，按照采样速率对第二函数进行离散化采样，使获得完整阶跃上升波形；阶跃响应按照阶跃模式为模式3时，基于对确定的第三函数的一个自然震荡频率的值进行多次迭代，并通过阶跃过冲值u_max获取第三函数的阻尼系数的值，再进行二次迭代通过上升时间t_up获得第三函数的自然震荡频率的值，将自然震荡频率和阻尼系数代入第三函数，按照采样速率对第三函数进行离散化采样，使获得完整阶跃上升波形；趋稳时间可由在原有波形的基础上叠加白噪声的方式，使趋稳时间可控；步骤2.3、系数归算：实际输出时都将计算值归算到直流电子式互感器的输出参数上即以额定值对应数字量来实现模拟直流电子式互感器的输出，其中，计算最终实际输出数字量的表达式为：u_out＝(u₁-u₀)u(t)D_n/U_n，式中，u_out为最终实际输出数字量，u(t)为阶跃波形函数的离散值，D_n为额定电流电压对应的额定数字量，U_n为额定电流电压值；步骤3：以同步信号作为其同步触发的标准时刻，以阶跃起始时刻作为不同间隔之间的时间差，对跨间隔直流阶跃信号同步处理，再将多间隔数据按照同步信号以及采样速率规定的采样节拍统一发送；步骤4：在直流保护测试时进行多状态间的切换，第一状态发送结束后，第一状态的阶跃目标值即为第二状态的阶跃初值，再根据第二状态的配置参数进行阶跃值计算后进行新的阶跃过程波形发送。

在本发明的一些实施方式中，在步骤2.1中，第一函数的表达式为：

式中，u(t)为某一时间的阶跃波形函数的离散值，t为时间。

在本发明的一些实施方式中，在步骤2.1中，第二函数表达式为：u(t)＝1-e^-t/τ，t≥0，式中，τ为阶跃时间常数，u(t)为某一时间的阶跃波形函数的离散值，t为时间。

在本发明的一些实施方式中，在步骤2.1中，第三函数表达式为：

式中，ζ为阻尼系数，ω_n为自然震荡频率，u(t)为某一时间的阶跃波形函数的离散值，t为时间。

本申请的一种参数化跨间隔直流阶跃数字信号生成方法，基于直流电子式互感器的输出特点与输出方式，以直流电子式互感器的技术指标作为其参数化目标，将直流电子式互感器的参数指标作为阶跃响应函数的函数参数，以生成符合直流电子式互感器技术特点，同时符合阶跃响应函数的阶跃波形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种参数化跨间隔直流阶跃数字信号生成方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，其示出了本申请的一种参数化跨间隔直流阶跃数字信号生成方法的流程图。

如图1所示，一种参数化跨间隔直流阶跃数字信号生成方法包括以下步骤：

步骤1：跨间隔阶跃信号参数化配置

界面采用QT编程，可同时支持上位机以及嵌入式液晶显示，可跨平台设计。

直流控制保护测试过程中的直流阶跃数字信号是模拟来自于直流电子式互感器的信号，所以其参数配置按照直流电子式互感器的采样信息以及阶跃指标来设置，阶跃初值u₀、阶跃目标值u₁、采样速率f_s、阶跃起始时刻t₀、上升时间t_up、阶跃过冲值u_max以及趋稳时间t_st。

步骤2：阶跃数值计算

步骤1完成后，进入步骤2，按照配置信息进行阶跃数值计算。

步骤2.1、模式选择

阶跃响应按照阶跃过程可以分为三种模式：

模式1：理想阶跃

u(t)＝0，t＜0

u(t)＝1，t＞0，

式中，u(t)为某一时间的阶跃波形函数的离散值，t为时间。

模式2：过阻尼(临界阻尼)阶跃：

过阻尼或临界阻尼阶跃表现为一阶***的单位阶跃响应

u(t)＝1-e^-t/τ，t≥0

式中，τ为阶跃时间常数；

模式3：欠阻尼阶跃：

欠阻尼一般表现为二阶***的单位阶跃响应

式中，ζ为阻尼系数，ω_n为自然震荡频率；

三种模式由配置参数里面上升时间t_up、阶跃过冲值u_max以及趋稳时间t_st来进行判断，当这三个参数都为0时，阶跃为模式1，当上升时间t_up不为0，阶跃过冲值u_max为0时为模式2，三个参数都不为0时为模式3。

步骤2.2、数值计算

模式1时，根据第一函数公式

按照采样速率f_s进行离散化采样即可获得完整阶跃上升波形。

模式2时，根据电子式互感器上升时间的定义t_up＝t₉₀-t₁₀，即上升时间为阶跃值的90％与10％的时间差。

分别计算u(t)＝0.1与u(t)＝0.9时第二函数公式u(t)＝1-e^-t/τ，t≥0中t/τ的值，从而计算得出

将τ代入第二函数公式再将第二函数公式按照采样速率f_s进行离散化采样即可获得完整阶跃上升波形。

模式3时，第三函数公式

中ζ与ω_n虽然存在一定的关联但这种关联受电路分布参数的影响是无法确定的，所以采用迭代法，ζ是影响阶跃过冲值u_max的参数，ω_n与ζ共同影响上升时间t_up，所以先确定一个ω_n值多次迭代，通过阶跃过冲值u_max从而获得第三函数公式中ζ的值，再进行二次迭代通过上升时间t_up获得第三函数公式中ω_n的值，将ζ、ω_n代入第三函数公式再将第三函数公式按照采样速率f_s进行离散化采样即可获得完整阶跃上升波形。

趋稳时间可由在原有波形的基础上叠加白噪声的方式实现趋稳时间的可控。

步骤2.3、系数归算

实际输出时都将计算值归算到直流电子式互感器的输出参数上即以额定值对应数字量来实现模拟直流电子式互感器的输出。

计算最终实际输出数字量的表达式为：

u_out＝(u₁-u₀)u(t)D_n/U_n，

式中，u_out为最终实际输出数字量，u(t)为阶跃波形函数的离散值，D_n为额定电流电压对应的额定数字量，U_n为额定电流电压值，u₀为阶跃初值、u₁为阶跃目标值；

步骤3：同步计算

跨间隔直流阶跃信号输出时需要进行同步处理，以同步信号作为其同步触发的标准时刻，以阶跃起始时刻作为不同间隔之间的时间差，同步处理后再将多间隔数据按照同步信号以及采样速率规定的采样节拍统一发送。

步骤4：状态序列

直流保护测试时需要在多状态间进行状态切换，第一状态发送结束后，第一状态的阶跃目标值即为第二状态的阶跃初值，再根据第二状态的配置参数进行阶跃值计算后进行新的阶跃过程波形发送。

本实施例的方法能够实现以下技术效果：

1)将直流阶跃响应函数特征化，以三种模式作为输出特征，以反应不同工况下的波形生成特点；

2)将阶跃响应波形参数化，利用直流电子式互感器的技术指标作为阶跃波形的生成依据，测试人员无需知道阶跃响应的复杂过程，由软件根据直流电子式互感器的特点自动生成；

3)采用迭代法来实现二阶阶跃响应时阶跃波形的完整性与连续性；

4)以同步信号作为阶跃的基准时间，以阶跃初始时刻来标定直流电子式互感器的额定延时，实现直流电子式互感器不同延时情况下对差动保护的影响；

5)以阶跃初值与阶跃目标值来确定阶跃响应的过程，实现了阶跃过程的多种情况的统一，如上升过程、下降过程以及非0初值阶跃；

6)采样状态序列实现多状态阶跃。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种参数化跨间隔直流阶跃数字信号生成方法，其特征在于，包括：

步骤1：根据直流电子式互感器的采样信息以及阶跃指标配置跨间隔阶跃信号参数；

步骤2：基于跨间隔阶跃信号参数计算阶跃数值，具体包括：

步骤2.1、模式选择：

阶跃响应按照阶跃过程包括模式1：理想阶跃；模式2：过阻尼或临界阻尼阶跃，其中过阻尼或临界阻尼阶跃表现为一阶***的单位阶跃响应；模式3：欠阻尼阶跃，欠阻尼表现为二阶***的单位阶跃响应；

其中，阶跃响应按照阶跃模式由跨间隔阶跃信号参数中包含的上升时间τ_up、阶跃过冲值u_max以及趋稳时间t_st来进行判断，当上升时间τ_up、阶跃过冲值u_max以及趋稳时间t_st都为0时，阶跃为模式1，当上升时间τ_up不为0，阶跃过冲值u_max为0时为模式2，上升时间τ_up、阶跃过冲值u_max以及趋稳时间都不为0时为模式3；

步骤2.2、数值计算

阶跃响应按照阶跃模式为模式1时，按照采样速率对第一函数进行离散化采样，使获得完整阶跃上升波形，其中，第一函数的表达式为：

u(t)＝0，t＜0

u(t)＝1，t＞0

式中，u(t)为某一时间的阶跃波形函数的离散值，t为时间；

阶跃响应按照阶跃模式为模式2时，根据电子式互感器上升时间的定义t_up＝t₉₀-t₁₀，即上升时间为阶跃值的90％与10％的时间差；

分别计算u(t)＝0.1与u(t)＝0.9时第二函数中阶跃时间常数的值，并将阶跃时间常数代入第二函数，按照采样速率对第二函数进行离散化采样，使获得完整阶跃上升波形，其中，第二函数表达式为：

u(t)＝1-e^-t/τ，t≥0，

式中，τ为阶跃时间常数，u(t)为某一时间的阶跃波形函数的离散值，t为时间；

阶跃响应按照阶跃模式为模式3时，基于对确定的第三函数的一个自然震荡频率的值进行多次迭代，并通过阶跃过冲值u_max获取第三函数的阻尼系数的值，再进行二次迭代通过上升时间τ_up获得第三函数的自然震荡频率的值，将自然震荡频率和阻尼系数代入第三函数，按照采样速率对第三函数进行离散化采样，使获得完整阶跃上升波形，其中，第三函数表达式为：

式中，ζ为阻尼系数，ω_n为自然震荡频率，u(t)为某一时间的阶跃波形函数的离散值，t为时间；

趋稳时间可由在原有波形的基础上叠加白噪声的方式，使趋稳时间可控；

步骤2.3、系数归算

实际输出时都将计算值归算到直流电子式互感器的输出参数上即以额定值对应数字量来实现模拟直流电子式互感器的输出，其中，计算最终实际输出数字量的表达式为：

u_out＝(u₁-u₀)u(t)D_n/U_n，

式中，u_out为最终实际输出数字量，u(t)为阶跃波形函数的离散值，Dn为额定电流电压对应的额定数字量，U_n为额定电流电压值，u₀为阶跃初值、u₁为阶跃目标值；

步骤3：以同步信号作为其同步触发的标准时刻，以阶跃起始时刻作为不同间隔之间的时间差，对跨间隔直流阶跃信号同步处理，再将多间隔数据按照同步信号以及采样速率规定的采样节拍统一发送；

步骤4：在直流保护测试时进行多状态间的切换，第一状态发送结束后，第一状态的阶跃目标值即为第二状态的阶跃初值，再根据第二状态的配置参数进行阶跃值计算后进行新的阶跃过程波形发送。

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