CN102170143A - 一种微机自动准同期并列实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机自动准同期并列实现方法，该方法包括如下步骤。步骤1)采样获得发电机电压u_G(t)和系统电压u_X(t)的采样序列{u_G(n)}和{u_X(n)}；步骤2)对采样序列进行加离散矩形自卷积窗的短时傅里叶变换，实时检测发电机电压与系统电压的频率、幅值和相角；步骤3)计算并列两侧电压频率差、幅值差和相角差，进行同期条件检测和同期点预报。该微机自动准同期并列实现方法不需要对并列电压信号采取整周期采样，实现简单，计算量小，可以对频率在较大范围内变化的电压信号进行幅值、频率和相角的较精确测量，提高准同期并列操作的可靠性、准确性和快速性，减小并列操作对电网和电力设备的冲击，极具工程实用价值。

Description

一种微机自动准同期并列实现方法

技术领域

本发明属于电工技术领域，涉及一种微机自动准同期并列实现方法。

背景技术

自动准同期装置是电力系统中对发电机与电网或电力系统解列的两部分进行并列操作的自动控制设备，它的核心任务是实现对并列双方电压的频率、幅值及相位的快速准确测量，以便在准同期并列条件满足时，发出恒定越前时间的并列合闸信号。目前，自动准同期装置实现的方法主要有2种：一种用硬件电路测量并列双方电压频率和相位差；另一种通过交流采样用数值方法计算两电压频率和相位差。前者运算简单，目前被相当一部分同期装置采用，但该方法需要频率测量和相角差测量硬件电路，其测量精度易受输入信号中的噪声、高次谐波和扰动影响；后者不需专用频率和相角测量电路，但测量精度及同期性能取决于频率、相位及幅值的微机算法。

应用于同期并列电参量测量的传统微机算法如傅立叶变换算法和递推最小二乘算法等，均要求对信号进行整周期采样，否则会出现较大的误差。但并列装置测量的2个电压信号频率不等，特别是发电机并网时，发电机电压的频率会在一个较大范围内变化，同时实现2个信号的整周期采样十分困难。为此，常规算法一般先只对发电机侧电压参数进行测量，且在发电机频率变化过程中，采用频率自适应技术不断调整采样频率，实现尽可能地整周期采样；只有在发电机和系统频率接近时，才同时对发电机、系统电压进行测量。即使这样，由于两电压频率并列前不完全相等，测量还是存在一定的误差。本发明可在发电机频率范围变化大且电压信号中含有谐波的情况下，确保并列两侧电压参数的精确测量，提高同期并列条件检测的准确度，减小并列冲击电流，降低并列对电气设备和电网的不利影响，极具工程实用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一种基于改进短时傅里叶变换的自动准同期并列方法，该方法实现简单、计算量小，在采样频率固定不变和信号中含有谐波的情况下，可对变化范围较大的并列两侧电压信号的幅值、频率及相位进行快速准确的测量，从而在准同期并列条件满足时，发出恒定越前时间的并列合闸信号。基于本发明方法实现微机自动准同期，可确保并列两侧电压参数的精确测量，提高同期并列条件检测的准确度，减小并列冲击电流，降低并列操作对电气设备和电网的不利影响。

本发明的技术解决方案如下：

一种微机自动准同期并列实现方法，包括如下步骤：

步骤1：

设定采样周期为T_S＝800Hz，对电力系统中并列断路器(并列断路器切断或接通线路，当测到并列两侧电压满足同期并列条件时，并列断路器闭合，使电源向系统供电)两侧电压u₁(t)和系统电压u₂(t)进行不间断采样，得到电压u₁(t)和电压u₂(t)的采样值序列{u₁(n)}和{u₂(n)}；

步骤2：本步骤包括(1)估计电压u₁(t)的频率、幅值和相角和(2)估计电压u₂(t)的频率、幅值和相角；

(1)采用改进的短时傅里叶变换通过采样序列值{u₁(n)}估计电压u₁(t)的频率、幅值和相角：

首先，求{u₁(n)}的短时傅里叶变换：

$U(m,k)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_1(n+k)w\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}m(n+k)},$ k＝0，1，2，3L L；

上式中，m取1到4之间的某个整数，N＝16m；w(n)为m阶离散矩形自卷积窗，它是通过将m个相同长度的矩形窗序列相互作m-1次卷积，再在所得序列的前面加m/2个(m 2或4时)或(m-1)/2个(m＝1或3时)0，在序列后面加(m-2)/2个(m 2或4时)或(m-1)/2个(m＝1或3时)0，得到的窗函数，该窗函数可以有效抑制谐波对电压参数测量的影响，m阶离散矩形自卷积窗的频谱特性为：

$W\left(\mathrm{\ω}\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{{\sin }^m(\mathrm{N\ω}/2m)}{{\sin }^m(\mathrm{\ω}/2)}{e}^{-j\frac{N}{2}\mathrm{\ω}}(\mathrm{when\; m}=2\mathrm{or}4)\\ \frac{{\sin }^m(\mathrm{N\ω}/2m)}{{\sin }^m(\mathrm{\ω}/2)}{e}^{-j\frac{N-1}{2}\mathrm{\ω}}(\mathrm{when\; m}=1\mathrm{or}3)\end{array}\right.;$

然后，通过U(m，k)和U(m，k+1)计算电压的幅值U₁、频率f₁、相位角θ₁：

$U_1=\frac{2\left|U(m,k)\right|}{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π\δ}}{{\mathrm{NT}}_S}\right)\right|};$

$f_1=\frac{(m+\mathrm{\δ})}{{\mathrm{NT}}_S};$

θ₁＝φ(m，k)-δπ；

上式中，φ(m，k)＝arg[U(m，k)]；

φ(m，k+1)＝arg[U(m，k+1)]；

$\mathrm{\δ}=\frac{N}{2\mathrm{\π}}[\mathrm{\φ}(m,k+1)-\mathrm{\φ}(m,k)]-m;$

(2)采用与估计电压u₁(t)的频率、幅值和相角同样的方法通过采样序列值{u₂(n)}获取并列断路器另一侧电压u₂(t)的幅值U₂、频率f₂、相位角θ₂；【即将步骤(1)中的{u₁(n)}替换为{u₂(n)}，并将幅值U₁、频率f₁、相位角θ₁分别替换为幅值U₂、频率f₂、相位角θ₂，其余相同】

步骤3：

计算电压u₁(t)与u₂(t)的频率差|f₁-f₂|、幅值差|U₁-U₂|及相角差|θ₁-θ₂|，判断是否满足频率差和电压差并列条件；计算滑差、滑差变化率和越前相角，以捕捉同期点，并进行并列控制；若幅值差和频率差满足同期并列条件，且当前相角差Δθ＝θ₁-θ₂与越前相角φ_set的差值小于某一差值设定值【差值设定值由用户设定】，即表明捕捉到同期点，发出并列合闸命令，并列操作结束；否则令k＝k+1，返回步骤2。

越前相角δ_set由用户设定或根据下式计算：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{set}}={\mathrm{\ω}}_S{t}_{\mathrm{set}}+{\mathrm{\π\ω}}_S^{\′}{t}_{\mathrm{set}}^2$

上式中，t_set为恒定越前时间，由用户根据并列回路的动作时间设定；ω_S＝2π(f₁-f₂)；ω′_S为ω_S对时间的导数，采用差分的方法求得。

有益效果：

(1)基于加离散矩形自卷积窗的短时傅里叶变换，不需要对信号进行严格整周期采样，可有效地抑制DFT算法的频谱泄漏现象和栅栏效应，从而解决了并列双方电压由于频率不相等，难以同时精确测量的问题。

(2)采用该算法不需频率和相位测量硬件电路，采样时不需调整采样周期，实现简单，算法计算量较小，电压参数测量精度高，同期并列可靠。

(3)测量算法不需要迭代运算，响应时间快，满足同期并列操作实时性要求。

(4)采取矩形自卷积窗，可避免谐波对信号基波参数测量的影响，适合于应用在含谐波的电网中。

(5)可确保并列两侧电压参数的精确测量，提高同期并列条件检测的准确度，减小并列冲击电流，降低并列操作对电气设备和电网的不利影响。

附图说明

图1为微机自动准同期并列操作流程框图；

图2为频率差的仿真计算误差曲线图；

图3为幅值差的仿真计算误差曲线图；

图4为相角差的仿真计算误差曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1：

以下为同步发电机与电网母线并网的实施步骤。

(1)设定T_S＝800Hz、m＝3、N＝48，并令k初值为0，同时对并列断路器两侧发电机电压和电网母线电压进行不间断采样，设得到的发电机和系统侧电压采样值序列分别为{u_G(n)}和{u_X(n)}。

(2)按下式求{u₁(n)}的短时傅里叶变换：

$U(3,k)=\underset{n=0}{\overset{47}{\mathrm{\Σ}}}{u}_1(n+k)w\left(n\right)e^{-j\frac{3\mathrm{\π}}{24}(n+k)}$

上式中，3阶离散矩形自卷积窗 $w\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}0.5n^2+0.5n& (0\≤n\≤15)\\ -n^2+47n-360& (16\≤n\≤31)\\ 0.5n^2+47.5n+1128& (32\≤n\≤47)\end{array}\right..$

(3)同样方法求取U(3，k+1)。

(4)按下面的公式计算发电机电压的幅值U_G、频率f_G、相位角θ_G：

$U_G=\frac{2\left|U(3,k)\right|}{\left|W\left(\frac{100\mathrm{\π\δ}}{3}\right)\right|};$

$f_G=50+\frac{50\mathrm{\δ}}{3};$

θ_G＝φ(3，k)-δπ；

上面各式中， $W\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{{\sin }^3\left(8\mathrm{\ω}\right)}{{\sin }^3\left(0.5\mathrm{\ω}\right)}{e}^{-j23.5\mathrm{\ω}};$

φ(3，k)＝arg[U(3，k)]；

φ(3，k+1)＝arg[U(3，k+1)]；

δ＝7.63944[φ(3，k+1)-φ(3，k)]-3。

(5)按与步骤(2)、(3)、(4)相同的方法通过采样序列值{u_X(n)}获取电网侧电压u_X(t)的幅值U_X、频率ω_X、相位角θ_X。

(6)计算滑差ω_S、滑差变化率ω′_S和越前相角φ_set：

ω_S＝2π(f_G-f_X)

${\mathrm{\ω}}_S^{\′}=\frac{\mathrm{d\ω}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{set}}={\mathrm{\ω}}_S{t}_{\mathrm{set}}+{\mathrm{\π\ω}}_S^{\′}{t}_{\mathrm{set}}^2$

上式中，t_set为恒定越前时间，由用户根据并列回路的动作时间设定；滑差变化率ω′_S用求差分的方法求得。

(7)判断是否满足电压差和频率差的并列条件：

|f_G-f_X|≤Δf_set

|U_G-U_X|≤ΔU_set

上式中，ΔU_set、Δf_set由用户设定。

(8)若电压和频率均满足电压差和频率差的并列条件，且满足下式：

|(θ_G-θ_X)-φ_set|≤Δθ_set(Δθ_set由用户设定)

则发出并列合闸命令，并列操作结束；否则令k＝k+1，返回步骤2。

仿真：

设电网电压u_X(t)＝100cos(2πf_Xt)+10cos(6πf_Xt+π/2)+5cos(10πf_xt-π/3)V，其中f_X＝50.0Hz；设发电机电压u_G(t)＝Acos(2πf_Gt)+0.1Acos(6πf_Gt+π)V，其中f_G＝(45+t)Hz，即从45Hz开始以1Hz/s的速度加速，A₁＝(95+t)V，即从95V开始以1V/s的速度升压。微机并列时电压幅值差、频率差和相角差的仿真计算误差分别如图2、3、4所示。这些误差都很小，工程上几乎可忽略不计。

Claims (2)

1.一种微机自动准同期并列实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：

设定采样周期为T_S＝800Hz，对电力系统中并列断路器两侧电压u₁(t)和系统电压u₂(t)进行不间断采样，得到电压u₁(t)和电压u₂(t)的采样值序列{u₁(n)}和{u₂(n)}；

步骤2：本步骤包括(1)估计电压u₁(t)的频率、幅值和相角和(2)估计电压u₂(t)的频率、幅值和相角；

(1)采用改进的短时傅里叶变换通过采样序列值{u₁(n)}估计电压u₁(t)的频率、幅值和相角：

首先，求{u₁(n)}的短时傅里叶变换：

$U(m,k)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{u}_1(n+k)w\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}m(n+k)},$ k＝0，1，2，3L L；

上式中，m取1到4之间的某个整数，N＝16m；w(n)为m阶离散矩形自卷积窗，它是通过将m个相同长度的矩形窗序列相互作m-1次卷积，再在所得序列的前面加m/2个(m 2或4时)或(m-1)/2个(m＝1或3时)0，在序列后面加(m-2)/2个(m 2或4时)或(m-1)/2个(m＝1或3时)0，得到的窗函数，该窗函数可以有效抑制谐波对电压参数测量的影响，m阶离散矩形自卷积窗的频谱特性为：

$W\left(\mathrm{\ω}\right)=\left\{\begin{array}{c}\frac{{\sin }^m(\mathrm{N\ω}/2m)}{{\sin }^m(\mathrm{\ω}/2)}{e}^{-j\frac{N}{2}\mathrm{\ω}}(\mathrm{when\; m}=2\mathrm{or}4)\\ \frac{{\sin }^m(\mathrm{N\ω}/2m)}{{\sin }^m(\mathrm{\ω}/2)}{e}^{-j\frac{N-1}{2}\mathrm{\ω}}(\mathrm{when\; m}=1\mathrm{or}3)\end{array}\right.;$

然后，通过U(m，k)和U(m，k+1)计算电压的幅值U₁、频率f₁、相位角θ₁：

$U_1=\frac{2\left|U(m,k)\right|}{\left|W\left(\frac{2\mathrm{\π\δ}}{{\mathrm{NT}}_S}\right)\right|};$

$f_1=\frac{(m+\mathrm{\δ})}{{\mathrm{NT}}_S};$

θ₁＝φ(m，k)-δπ；

上式中，φ(m，k)＝arg[U(m，k)]；

φ(m，k+1)＝arg[U(m，k+1)]；

$\mathrm{\δ}=\frac{N}{2\mathrm{\π}}[\mathrm{\φ}(m,k+1)-\mathrm{\φ}(m,k)]-m;$

(2)采用与估计电压u₁(t)的频率、幅值和相角同样的方法通过采样序列值{u₂(n)}获取并列断路器另一侧电压u₂(t)的幅值U₂、频率f₂、相位角θ₂；

步骤3：

计算电压u₁(t)与u₂(t)的频率差|f₁-f₂|、幅值差|U₁-U₂|及相角差|θ₁-θ₂|，判断是否满足频率差和电压差并列条件；计算滑差、滑差变化率和越前相角，以捕捉同期点，并进行并列控制；若幅值差和频率差满足同期并列条件，且当前相角差Δθ＝θ₁-θ₂与越前相角φ_set的差值小于某一差值设定值，即表明捕捉到同期点，发出并列合闸命令，并列操作结束；否则令k＝k+1，返回步骤2。

2.根据权利要求1所述的微机自动准同期并列实现方法，其特征在于，越前相角δ_set由用户设定或根据下式计算：

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{set}}={\mathrm{\ω}}_S{t}_{\mathrm{set}}+{\mathrm{\π\ω}}_S^{\′}{t}_{\mathrm{set}}^2$

上式中，t_set为恒定越前时间，由用户根据并列回路的动作时间设定；ω_S＝2π(f₁-f₂)；ω′_S为ω_S对时间的导数，采用差分的方法求得。

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