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专利名称：用于分析电力系统的波形信号的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于分析电力系统的波形信号的方法和装置。
背景技术：
近年来，基于微处理器的设备和数字信号处理技术的发展与增加强调电力系统 可靠性和在线监测的重要性相结合已经造成记录和存储数字波形以及其它数据的各种类 型的智能电子设备(IED)激增。记录的数据主要用于保护和控制应用，但是在很少常规 利用的原始测量中却嵌入有充足信息。例如由IED在故障或者事件之前、期间和之后捕获的电流波形包含用于监测、 标识、故障定位和分类目的的独特信息。从这些测量中提取的信息可以提供对故障类型 和程度的宝贵了解，这有助于更好地规划和预备维护工作组在现场的补救行动。这在传 统上由受过训练的个人针对有限情况来进行。使用这一信息的净效果部分地包括操作和 维护成本的直接和间接减少。多数电力公用设施记录操作和非操作的现场数据，但是人工数据分析的缺乏人 力资源这一不可回避的性质以及不可避免的不一致性有碍于向操作和维护工作组递送有 意义的信息。因而，常常放弃并且从未利用这些有用测量中的大部分，主要是非操作测量。在现有技术中已经提出对数字波形信号的一些自动化分析，从而具体应对在前 台处理中涉及到的困难任务，即波形分段和将分段分类成预定类别。在现有技术中的许多分段方法基于卡尔曼滤波器。运用滤波器对波形进行建 模，并且将残差用于分段。与其它基于模型的方式相同，滤波器的响应受模型的准确 性、它的参数和设置所影响。模型的检测能力也取决于变化的量值、谐波内容和在设计 的滤波器中未建模的其它频率分量。虽然在一些基于模型的应用中，已经使用滤波方 式，但是它对于在线和IED应用而言具有一些弊端。卡尔曼滤波器在计算成本上高昂， 并且受它代表的模型的准确性所限制。另外，微调滤波器参数不方便，并且在许多实际 情况下需要难以发现的在先信息。出于建模和分析目的，也提出基于小波的多分辨率信号分解方法。在不同分辨 率水平获得的信息和测量值用来分析信号分段。主要设计用于监测功率质量问题的基于 小波的方式，部分上由于大量计算和存储要求而并不适合于嵌入式应用。因此，将希望提供一种用于分析电力系统中的波形信号的解决方案，其无需建 模，并且可以在IED中实施和在计算机化应用中在线或者离线地执行。这一解决方案由 本发明的方法和装置提供。

发明内容
根据本发明，提供一种用于分析电力系统的波形信号的方法，该方法包括a)数字化从所述电力系统获得的波形信号；
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b)对数字化的波形信号进行滤波；C)标识所述滤波的波形信号上的一个或者多个分段；以及d)基于各所述一个或者多个标识的分段的信息内容，将各所述一个或者多个标 识的分段分类为对应于在电力系统中出现的正常或者异常状况。根据本发明，也提供一种适合于连接到三相电力线的智能电子设备，所述智能 电子设备包括计算机设备，该计算机设备中具有配置成进行以下操作的代码a)数字化从所述电力系统获得的波形信号；b)对数字化的波形信号进行滤波；C)标识所述滤波的波形信号上的一个或者多个分段；以及d)基于各所述一个或者多个标识的分段的信息内容，将各所述一个或者多个标 识的分段分类为对应于在电力系统中出现的正常或者异常状况。本发明也提供一种用于分析电力系统的波形信号的计算机可读介质，所述计算 机可读介质具有存储于其上的计算机可读指令，用于由微处理器执行以进行包括以下步 骤的方法a)数字化从所述电力系统获得的波形信号；b)对数字化的波形信号进行滤波；c)标识所述滤波的波形信号上的一个或者多个分段；以及d)基于各所述一个或者多个标识的分段的信息内容，将各所述一个或者多个标 识的分段分类为对应于在电力系统中出现的正常或者异常状况。


参照下文描述、所附权利要求书和以下附图，将更好地理解本发明的特征、方 面和优点，在附图中图1是图示了根据本发明的用于分析电力系统的波形信号的方法的流程图；图2示出了从电力系统采集的输入信号及其在16个样本的半周期窗口内计算的 对应均方根(RMS)信号的示例绘图；图3示出了在图2的RMS信号上标识的检测索引的示例绘图；图4是示出了根据本发明的方法和装置的在图3中标识并且被分组到具有有关边 界的两个群集中的检测索引的示例绘图；图5是根据本发明的方法和装置的图2的输入信号以及为了微调而选择信号索引 的示例绘图；图6示出了根据本发明的方法和装置来分段的图2的输入信号；图7示出了根据本发明的方法和装置的在进行群集验证时使用相同图案的两个 不同群集划分结果；图8是示出了根据本发明的方法和装置的用于通过使用对波形信号执行的分析 来检测电力系统上的电势再触发(restrike)的基于规则的方式的流程图。
具体实施例方式应当注意，在下文具体描述中，相同或者功能等效部件无论是否在本发明的不同实施例中示出它们均都具有相同编号。也应当注意，为了清楚和简洁地公开本发明， 附图可能未必按比例绘制，并且可能用有些示意性的形式示出本发明的某些特征。如图1中所示，在根据本发明的方法中，从电力系统获得表示为输入信号的波 形信号。优选地，输入信号100是常见传感器或者类似设备可以从电力系统的任何部件 (比如电设备或者电力线)获得的电流或者电压信号。在步骤100数字化所得信号。在步骤101，对数字化波形信号进行滤波而无需对在滤波下的信号的任何预先建 模。特别地，在滤波步骤101，首先预处理输入信号。这一预处理数字化输入信号的步骤 (IOla)例如包括再采样，即对输入信号进行上采样或者下采样以便实现恰当采样频率。 此外，也进行DC和噪声去除，以便消除可能的测量DC偏移和噪声分量。然后，将预先处理的信号滤波成用于后续处理(特别用于应用如下文将描述的 变化检测算法)的恰当统计量。优选地，在这一步骤(101b)，滤波器输出产生在固定尺 寸的重叠移动窗口上计算的均方根(RMS)信号。在实践中，选择某一数目的样本(例如 三十二个样本)的窗口，并且针对这一窗口计算RMS值。然后，选择前移一些样本并且 与先前窗口部分地重叠的新窗口，并且也针对这一窗口计算RMS值。可以优选地在时域 中进行这些计算；也可以使用频域，其中输入信号为基频分量(例如60Hz)。取而代之，在步骤101b，滤波级可以在进行对预先处理的信号或者简单地对其 平方值的DFT(傅里叶变换)分析之后，产生基频分量。图3示出了输入信号及其在16个样本的半周期窗口内计算的对应RMS信号的示 例绘图。除了对于变化检测算法而言恰当之外，RMS信号还减轻数据中的噪声尖峰和界 外值(outlier)的影响。在步骤102，在变化检测算法中随后使用RMS信号以发现近似分段间隔。具体 而言，将滤波信号视为来自如下随机过程的连串观测值或者实现值，该随机过程经历均 值的附加变化。目的在于监测观测值，并且检测由判决函数指示的所有变化时间或者变 化点。具体在步骤102a，通过变化检测问题来确定候选变化点。通过累计求和 (CUSUM)算法的在线递归版本来解决变化检测问题。原CUSUM算法传统地应用在质 量控制应用中。在经典质量控制中，变化检测通常涉及到对参数(μ)的假设测试，其中 取得固定尺寸的样本(X1)并且进行判决以选择关于参数的两个假设之一。如下式(1)中 表达的那样，零(null)假设Htl在参数的初始值(μΟ)中没有变换时成立，而在参数变化 时以备选假设H1有效。只要进行支持Htl的判决，该过程就称为在控(in control)。一旦 判决规则表明H1成立，就停止监测并且检测到变化点。通过使用报警值(h)来获得最优 判决规则。H0 μ = μ 0H1 U = U1(1)累计求和算法检测所关心的参数何时经历从一级到另一级的单次跳跃。对应判 决函数(gk)——在下式(2)中给出——是对数似然比的累计求和(Sk)的当前值与其当前 最小值(mk)之差。累计求和函数通常示出在变化之前的递减趋势和在变化之后的递增趋势。gk = Sk-mk(2)
其中
权利要求
1.一种用于分析电力系统的波形信号的方法，包括a)数字化从所述电力系统获得的波形信号；b)对所述数字化的波形信号进行滤波；c)标识所述滤波的波形信号上的一个或者多个分段；以及d)基于各所述一个或者多个标识的分段的信息内容，将各所述一个或者多个标识的 分段分类为对应于在所述电力系统中出现的正常或者异常状况。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤b)包括再采样所述数字化的波形信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤b)包括从所述数字化的波形信号中去 除DC分量和噪声。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤b)包括在固定尺寸的移动窗口上针对 所述数字化的波形信号计算均方根(RMS)信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述步骤C)包括确定所述滤波的波形信号上的 变化点。
6.根据权利要求1所述的方法，其中相对于无目标值的变化参数确定所述变化点。
7.根据权利要求5所述的方法，其中当针对所述变化参数计算的值等于或者高于预定 义报警值时，检测到变化点。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述步骤C)包括对所述确定的变化点进行分组 从而形成群集，所述群集的相应边界界定所述滤波的波形信号的近似分段。
9.根据权利要求8所述的方法，其中每当相继标识的变化点之差在预定义截止值以上 时，形成群集。
10.根据权利要求9所述的方法，其中它还包括通过将不同值用于所述截止值、报警 值和阈值的值中的一个或者多个，来验证所述形成的群集。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述步骤C)包括通过向所述数字化的波形信号 应用无监督分类技术，来微调所述形成的群集的边界。
12.根据权利要求11所述的方法，其中基于所述数字化的波形信号的图案来进行所述 微调。
13.—种适合于连接到电力系统的智能电子设备，所述智能电子设备包括计算机设 备，所述计算机设备中具有配置成进行以下操作的代码a)数字化从所述电力系统获得的波形信号；b)对所述数字化的波形信号进行滤波；c)标识所述滤波的波形信号上的一个或者多个分段；以及d)基于各所述一个或者多个标识的分段的信息内容，将各所述一个或者多个标识的 分段分类为对应于在所述电力系统中出现的正常或者异常状况。
14.根据权利要求13所述的智能电子设备，其中所述计算机设备中具有配置成进行以 下操作的代码再采样所述数字化的波形信号；从所述数字化的波形信号中去除DC分量和噪声。
15.根据权利要求13所述的智能电子设备，其中所述计算机设备中具有配置成在固定尺寸的移动窗口上针对所述数字化的波形信号计算均方根(RMS)信号的代码。
16.根据权利要求13所述的智能电子设备，其中所述计算机设备中具有配置成确定 所述滤波的波形信号上的变化点的代码，其中相对于无目标值的变化参数确定所述变化 点，并且当针对所述变化参数计算的值等于或者高于预定义报警值时，检测到变化点。
17.根据权利要求16所述的智能电子设备，其中所述计算机设备中具有配置成对所述 确定的变化点进行分组从而形成群集的代码，所述群集的相应边界界定所述滤波的波形 信号的近似分段，每当相继标识的变化点之差在预定义截止值以上时，形成群集。
18.根据权利要求17所述的智能电子设备，其中所述计算机设备中具有配置成验证所 述形成的群集的代码。
19.根据权利要求17所述的智能电子设备，其中所述计算机设备中具有配置成微调所 述形成的群集的边界的代码，所述微调基于所述数字化的波形信号的图案来进行。
20.一种用于分析电力系统的波形信号的计算机可读介质，所述计算机可读介质具有 存储于其上的计算机可读指令，用于由微处理器执行以进行包括以下步骤的方法a)数字化从所述电力系统获得的波形信号；b)对所述数字化的波形信号进行滤波；c)标识所述滤波的波形信号上的一个或者多个分段；以及d)基于各所述一个或者多个标识的分段的信息内容，将各所述一个或者多个标识的 分段分类为对应于在所述电力系统中出现的正常或者异常状况。
全文摘要
用于分析电力系统的波形信号的方法和装置。数字化、然后滤波从电力系统获得的波形信号。在滤波的波形信号上标识一个或者多个分段，并且基于标识的分段的信息内容，将一个或者多个标识的分段中的各分段分类为对应于在电力系统中出现的正常或者异常状况。
文档编号G01R19/25GK102016607SQ200980114908
公开日2011年4月13日 申请日期2009年3月25日 优先权日2008年3月25日
发明者M·茂萨维, M·马哈西 申请人:Abb研究有限公司