CN102135570A - 用于智能变电站的同步相量测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种电力检测技术领域的用于智能变电站的同步相量测量方法及其装置，该装置包括：采集单元和合并器，所述的采集单元经过过程层光纤通信接口直接接入过程层网络，通过FPGA硬件操作实现网络通信处理，并通过合并器光纤接口和合并器相连，将解析出的采样点和开关量实时发送到合并器；所述的合并器经过四路采集单元光纤接口分别直接连接到4台采集单元并接收到采集单元送来采样点和开关量进行同步相量计算、并将计算结果进行二级存储；合并器经过主站光纤接口对外连接到PMU主站，将测量的同步相量等间隔均匀发送到PMU主站。本发明能够实现频率误差小于0.001Hz、幅值误差小于1％、相位误差小于1度；动态跟随延时小于35ms。

Description

用于智能变电站的同步相量测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及的是一种电力检测技术领域的方法和装置，具体是一种用于智能变电站的同步相量测量方法及其装置。

背景技术

高精度同步相量测量方法是实现同步相量测量装置(PMU装置)的关键技术，随着近年来对同步相量测量方法的深入研究，国内专家在这一领域的研究取得了大量的研究成果。时至今日，修正DFT方法-采用基于定间隔采样、利用特定修正方法对离散傅里叶(DFT)的计算结果进行修正的计算方法，被普遍认为是最为有效和可行的同步相量测量方法。理论分析和工程实践都证明了修正DFT方法在非工频和动态过程的情况下都能获得很高的测量精度而且易于软件实现。然而，测量精度和运算量之间的矛盾却是现有的修正DFT方法有待进一步研究的课题。

经过对现有技术的检索发现：中国专利申请号：03145952.8的专利《高精度的同步相量测量方法》中提出了一种基于定间隔采样，利用推导出的精确补偿公式直接对DFT的计算结果进行修正的测量方法。该方法的本质是联立求解真实相量相对于计算相量的偏差，包括频率偏差、幅值偏差以及相位偏差。从理论上讲，通过特定方法求解相量偏差可以获得极高精度的真实相量。然而，由于联立求解相量偏差的修正计算运算量较大，尤其是所需计算相量路数比较多的情况下耗时更为明显，对硬件资源的要求会比较高。中国专利申请号：200910087425.X的专利《一种同步相量测量装置进行相量修正的方法》中提出了一种基于定间隔采样，先计算正序相量频率偏移、再利用该频率偏移查表获取相量幅值和相位偏移，进而对DFT的计算结果进行修正的测量方法。该方法虽然大幅度减小了运算量，但是由于事先计算的修正表只能考虑到频率有偏移的情况，当系统中含有较丰富的谐波含量，该表修正的精度将大打折扣。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种用于智能变电站的同步相量测量方法及其装置，能够实现频率误差小于0.001Hz、幅值误差小于1％、相位误差小于1度；动态跟随延时小于35ms，完全满足《电力系统实时动态监测系统规范》的要求，并符合《智能变电站技术导则》的总体要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于智能变电站的同步相量测量方法，包括以下步骤：

第1步：变量初始化：将各个数据计数器、数据缓冲区清零。

第2步：递归付氏方法：对信号x(t)按等时间间隔连续采样，每个工频周期采样N点，采样时间间隔固定为：ΔT＝1/f₀N，连续获取时间间隔为ΔT的采样点：当已采样点数小于N时，等待新的采样点；

当已采样点数等于N时，计算第0个同步相量：

当已采样点数大于N时，每得到一个新的采样点，结合上次计算得到的同步相量计算出本次同步相量：

其中：r为递归付氏计算迭代步数序号，r＝1，2，……，k为第r步迭代数据窗口中采样点序号，k＝0，1，2，…N-1，x_r(k)表示第r步迭代数据窗中的第k个采样点，

表示第r步迭代计算得到的同步相量；

第3步：利用ABC三相相量计算合成正序、负序和零序相量：

${\hat{X}}_{1,r}=\frac{1}{3}[{\hat{X}}_{A,r}+\mathrm{\α}{\hat{X}}_{B,r}+{\mathrm{\α}}^2{\hat{X}}_{C,r}],$ ${\hat{X}}_{2,r}=\frac{1}{3}[{\hat{X}}_{A,r}+{\mathrm{\α}}^2{\hat{X}}_{B,r}+\mathrm{\α}{\hat{X}}_{C,r}],$

其中：

分别为递归付氏计算所得的ABC三相同步相量，

分别为正、负、零序合成相量，α＝e^j2π/3；

第4步：利用正序相量进行频率偏差及频率测量：利用相隔N点(一个工频周波)的两个正序电压相位计算出频率偏差：

其中：f_r＝f₀+Δf_r，为当前正序电压的相位(弧度)，

为N点(一个工频周波)前正序电压相位(弧度)，Δf_r为N点(一个工频周波)内频率偏移的平均值；

第5步：利用三点修正法修正各序相量误差，修正方法为：

1)首先根据频率偏差计算第r步迭代产生的相位变化：

2)使用三个等间隔的未修正相量，按三点修正方法中修正相量与未修正相量的关系式求取修正相量：Φ_m＝e^-jmθ，

其中：m为采样率和相量校正计算频率之比，即每采样m点，做1次相量校正计算，

为第r步迭代经校正后的同步相量。

本发明涉及上述方法的实现装置，包括：采集单元和合并器，其中：

所述的采集单元经过过程层光纤通信接口直接接入过程层网络，通过FPGA硬件操作实现网络通信处理，并通过合并器光纤接口和合并器相连，将解析出的采样点和开关量实时发送到合并器。

所述的网络通信处理包括：原始报文采集、解析还原出采样点和开关量、采样点开关量就地存储；

所述的合并器经过四路采集单元光纤接口分别直接连接到4台采集单元并接收到采集单元送来采样点和开关量进行同步相量计算、并将计算结果进行二级存储；合并器经过主站光纤接口对外连接到PMU主站，将测量的同步相量等间隔均匀发送到PMU主站。

经测试及运行情况表明，当系统谐波含量在5％～10％范围内，装置方法采样率为4000Hz、相量修正频率为200Hz时，方法的稳态指标为：频率误差小于0.001Hz、幅值误差小于0.5％、相位误差小于0.1度；方法的动态精度指标为：频率误差小于0.01Hz、幅值误差小于1％、相位误差小于1度；动态跟随延时小于35ms。由此可见，该同步相量方法完全满足《电力系统实时动态监测系统规范》的要求，并符合《智能变电站技术导则》的总体要求。

附图说明

图1为本发明示意图。

图2实施例流程图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所述，本实施例包括：采集单元和合并器，其中：

所述的采集单元采用大规模FPGA模块构成，对过程层网络提供四路光纤通信接口和一路合并器光纤接口。采集单元经过过程层光纤通信接口直接接入过程层网络，通过FPGA硬件操作实现网络通信处理，包括：原始报文采集、解析还原出采样点和开关量、采样点开关量就地存储；采集单元通过合并器光纤接口和合并器相连，将解析出的采样点和开关量实时发送到合并器。

所述的合并器采用工业用PC机实现，提供四路采集单元光纤接口和四路主站通信光纤接口，合并器经过四路采集单元光纤接口可分别直接连接到4台采集单元，当需要连接的采集单元数目多于四台可经由内网交换机进行连接。合并器接收到采集单元送来采样点和开关量进行同步相量计算、并将计算结果进行二级存储；合并器经过主站光纤接口对外连接到PMU主站，将测量的同步相量等间隔均匀发送到PMU主站。

本发明提出的高精度同步相量测量方法主要体现在合并器中同步相量测量软件上，软件方法流程如图2所示：

测量方法包括如下步骤：

设定外部输入的被采样时域正弦信号为：

其中：X：信号有效值；

信号0时刻相位(初始相角)；f＝f₀+Δf：信号实际频率；f₀：系统额定频率、Δf：实际频率与f₀的频率偏差；

第1步：变量初始化

将各个数据计数器、数据缓冲区清零。

第2步：递归付氏方法

对信号x(t)按等时间间隔连续采样，每个工频周期采样N点，采样时间间隔固定为：

ΔT＝1/f₀N

连续获取时间间隔为ΔT的采样点：当已采样点数小于N时，等待新的采样点；

当已采样点数等于N时，计算第0个同步相量如下：

${\hat{X}}_0=\frac{\sqrt{2}}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_0\left(k\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\πk}}{N}}$

当已采样点数大于N时，每得到一个新的采样点，结合上次计算得到的同步相量计算出本次同步相量如下：

${\hat{X}}_r={\hat{X}}_{r-1}+\frac{\sqrt{2}}{N}[x_r(N-1)-x_{r-1}\left(0\right)]e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}(r-1)}$

其中：r为递归付氏计算迭代步数序号，r＝1，2，……；k为第r步迭代数据窗口中采样点序号，k＝0，1，2，…N-1；x_r(k)表示第r步迭代数据窗中的第k个采样点；

表示第r步迭代计算得到的同步相量；

第3步：利用ABC三相相量计算合成正序、负序和零序相量：

${\hat{X}}_{1,r}=\frac{1}{3}[{\hat{X}}_{A,r}+\mathrm{\α}{\hat{X}}_{B,r}+{\mathrm{\α}}^2{\hat{X}}_{C,r}];$ ${\hat{X}}_{2,r}=\frac{1}{3}[{\hat{X}}_{A,r}+{\mathrm{\α}}^2{\hat{X}}_{B,r}+\mathrm{\α}{\hat{X}}_{C,r}];$

其中：

分别为递归付氏计算所得的ABC三相同步相量；

分别为正、负、零序合成相量；α＝e^j2π/3；

第4步：利用正序相量进行频率偏差及频率测量：利用相隔N点(一个工频周波)的两个正序电压相位，可计算出频率偏差：

至此可计算出频率：f_r＝f₀+Δf_r；其中：

为当前正序电压的相位(弧度)；为N点(一个工频周波)前正序电压相位(弧度)；Δf_r为N点(一个工频周波)内频率偏移的平均值；

第5步：利用三点修正法修正各序相量误差，修正方法为：

1)首先根据频率偏差计算第r步迭代产生的相位变化：

2)使用三个等间隔的未修正相量，按三点修正方法中修正相量与未修正相量的关系式求取修正相量：Φ_m＝e^-jmθ；

m为采样率和相量校正计算频率之比，即每采样m点，做1次相量校正计算；

为第r步迭代经校正后的同步相量。

至此，完成了同步相量测量系统实现方法的说明。上述测量方法在非工频和动态过程的情况下都能获得很高的测量精度，完全满足《电力系统实时动态监测系统规范》的要求，并符合《智能变电站技术导则》的总体要求。

Claims (4)

1.一种用于智能变电站的同步相量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

第1步：变量初始化：将各个数据计数器、数据缓冲区清零；

第2步：递归付氏方法：对信号x(t)按等时间间隔连续采样，每个工频周期采样N点，采样时间间隔固定为：ΔT＝1/f₀N，连续获取时间间隔为ΔT的采样点：

当已采样点数小于N时，等待新的采样点；

当已采样点数等于N时，计算第0个同步相量：

当已采样点数大于N时，每得到一个新的采样点，结合上次计算得到的同步相量计算出本次同步相量：

其中：r为递归付氏计算迭代步数序号，r＝1，2，……，k为第r步迭代数据窗口中采样点序号，k＝0，1，2，…N-1，x_r(k)表示第r步迭代数据窗中的第k个采样点，

表示第r步迭代计算得到的同步相量；

第3步：利用ABC三相相量计算合成正序、负序和零序相量：

${\hat{X}}_{1,r}=\frac{1}{3}[{\hat{X}}_{A,r}+\mathrm{\α}{\hat{X}}_{B,r}+{\mathrm{\α}}^2{\hat{X}}_{C,r}],$ ${\hat{X}}_{2,r}=\frac{1}{3}[{\hat{X}}_{A,r}+{\mathrm{\α}}^2{\hat{X}}_{B,r}+\mathrm{\α}{\hat{X}}_{C,r}],$

其中：

分别为递归付氏计算所得的ABC三相同步相量，

分别为正、负、零序合成相量，α＝e^j2π/3；

第4步：利用正序相量进行频率偏差及频率测量：利用相隔一个工频周波的N点的两个正序电压相位计算出频率偏差：

其中：f_r＝f₀+Δf_r，为当前正序电压的相位，

为一个工频周波的N点前正序电压相位(弧度)，Δf_r为一个工频周波的N点内频率偏移的平均值；

第5步：利用三点修正法修正各序相量误差，实现同步测量。

2.根据权利要求1所述的用于智能变电站的同步相量测量方法，其特征是，所述的修正是指：

1)首先根据频率偏差计算第r步迭代产生的相位变化：

2)使用三个等间隔的未修正相量，按三点修正方法中修正相量与未修正相量的关系式求取修正相量：Φ_m＝e^-jmθ，

其中：m为采样率和相量校正计算频率之比，即每采样m点，做1次相量校正计算，

为第r步迭代经校正后的同步相量。

3.一种根据上述任一权利要求所述方法的实现装置，包括：采集单元和合并器，其特征在于：

所述的采集单元经过过程层光纤通信接口直接接入过程层网络，通过FPGA硬件操作实现网络通信处理，并通过合并器光纤接口和合并器相连，将解析出的采样点和开关量实时发送到合并器；

所述的合并器经过四路采集单元光纤接口分别直接连接到4台采集单元并接收到采集单元送来采样点和开关量进行同步相量计算、并将计算结果进行二级存储；合并器经过主站光纤接口对外连接到PMU主站，将测量的同步相量等间隔均匀发送到PMU主站。

4.根据权利要求3所述的实现装置，其特征是，所述的网络通信处理包括：原始报文采集、解析还原出采样点和开关量、采样点开关量就地存储。

Images