CN102236048A - 一种电力系统相量频率测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种电力系统相量频率测量方法，对原始的定时间间隔离散化采样值序列先经过有限长冲击响应数字低通滤波器进行低通滤波，以消除原始输入信号中二次及二次以上谐波分量的干扰；对从第i个采样值开始的前推2T0时间内的采样值序列分别计算实部
Figure 35714DEST_PATH_IMAGE001
和虚部
Figure 704592DEST_PATH_IMAGE002
，由公式
Figure 697956DEST_PATH_IMAGE003
计算得出相位；根据公式
Figure 392560DEST_PATH_IMAGE005
计算得出修正后的当前的高精度频率值
Figure 94107DEST_PATH_IMAGE006
。本发明不受电源基准电平波动的干扰；当接入同一块A/D转换器的多路电力系统相量的频率不一致时也能适用，且不会持续受过去计算值的影响；同时精度也满足工程上的实际需求。

Description

一种电力系统相量频率测量方法
技术领域
本发明属于电力系统及其自动化技术领域，更准确地说是涉及一种电力系统相量频率测量方法。
背景技术
电力系统相量的频率是一个重要的观测量，电力系统安全自动装置要实时测量其值，并根据其值的变化作出相应的控制措施。电力系统安全自动装置常用的频率测量方法是硬件过零检测法和根据离散傅立叶变换计算出相位进而再计算出频率的方法。上述两种方法都存在一定缺点。硬件过零检测法的精度容易受到电源基准电平轻微波动的干扰。根据离散傅立叶变换计算出相位进而再计算出频率的方法的要点是相位要计算准确，相位如果计算不准确，频率计算精度就会受影响。离散傅立叶变换计算相位需要对采样模块进行锁相处理，锁相的原理是用过去的频率值来动态调整当前的采样间隔，使得采样间隔                                                
Figure 2011101623985100002DEST_PATH_IMAGE001
与每周波采样点数N、周期T满足关系式
Figure 2011101623985100002DEST_PATH_IMAGE002
。电力系统安全自动装置常用的做法是多路相量在同一块A/D转换器上进行A/D采样。有些时候接入同一块A/D转换器的多路相量的频率并不一致。此时采用调整A/D转换器的采样脉冲使其进行同步采样的方案不再适用。另外，假设某一时刻锁相失败，就会持续影响到后续相位计算精度，进而影响频率计算精度。文献【1】和文献【2】分别提出了两种定间隔采样，然后再根据某种算法修正计算相位的方法。但这两种方法也存在一定缺点。文献【1】中的方法计算相位所必需的M值也持续受过去计算值的影响；文献【2】中的方法计算出来的频率的精度不是很理想。
本发明提出了一种电力系统相量频率测量方法，不会持续受过去计算值的影响，同时精度也满足工程上的实际需求。
假设基波频率为
Figure 2011101623985100002DEST_PATH_IMAGE003
=50.00Hz,
Figure 2011101623985100002DEST_PATH_IMAGE004
时间内采样点数为N，则两点之间的采样间隔固定为， 2T0时间内的采样值序列可以定义为x(k),k=0,1,……,2N-1。
定义
Figure 2011101623985100002DEST_PATH_IMAGE006
为圆周率常数；定义a为0.0061常数；定义运算exp(d)为常数2.71828183的d次方，即 
Figure 2011101623985100002DEST_PATH_IMAGE007
；定义运算cos(d)和sin(d)分别为对d作余弦运算和正弦运算；
定义实部
Figure 2011101623985100002DEST_PATH_IMAGE008
；
定义虚部
Figure 2011101623985100002DEST_PATH_IMAGE009
；
定义运算
Figure 2011101623985100002DEST_PATH_IMAGE010
 。
文献【2】提出的频率计算方法如下：
1、    对从第l个采样值开始的前推2T0时间内的采样值序列分别计算得到实部
Figure 2011101623985100002DEST_PATH_IMAGE011
和虚部。
2、对应的相位
Figure 2011101623985100002DEST_PATH_IMAGE013
由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE014
计算得到。
3、定义为从第(l-1)个采样值开始的前推2T0时间内的采样值序列计算得到的相位，则角速度
Figure DEST_PATH_IMAGE016
由公式
Figure 2011101623985100002DEST_PATH_IMAGE017
计算得到。
4、频率f(2N,l)由角速度
Figure 442669DEST_PATH_IMAGE016
除以
Figure DEST_PATH_IMAGE018
得到。
文献【1】：王茂海,孙元章.基于DFT的电力系统相量及功率测量新算法.电力系统自动化,2005,29(2):20-24
文献【2】：刘林，林涛，曹健等.基于时频原子变换的电力系统同步相量测量方法。电力系统自动化，2011，35(3):39-43。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种电力系统相量频率测量方法。该方法不受电源基准电平波动的干扰；当接入同一块A/D转换器的多路电力系统相量的频率不一致时也能适用，且不会持续受过去计算值的影响；同时精度也满足工程上的实际需求。
为了改进现有方法的不足，本发明所采用的技术方案如下：
1）对原始的定时间间隔离散化采样值序列先经过有限长冲击响应数字低通滤波器进行低通滤波，以消除原始输入信号中二次及二次以上谐波分量的干扰。
2）对从第i个采样值开始的前推2T0时间内的采样值序列分别计算实部
Figure 2011101623985100002DEST_PATH_IMAGE019
和虚部
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE021
计算得出相位
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。
3）重复步骤1）、2），可依次得到
Figure DEST_PATH_IMAGE023
,
Figure DEST_PATH_IMAGE024
,
Figure DEST_PATH_IMAGE025
,…。
4）假设当前采样值是第p个采样值，则其对应的相位为
Figure DEST_PATH_IMAGE026
。由公式
Figure DEST_PATH_IMAGE027
计算得到初次频率值。
5）对初次频率值f(2N,p)进行四舍五入处理得到round(f(2N,p))。给定一个事先人为设定的频率测量上限值和下限值
Figure DEST_PATH_IMAGE029
(
Figure 235176DEST_PATH_IMAGE028
和
Figure 14913DEST_PATH_IMAGE029
均为整数)，若round(f(2N,p))
Figure DEST_PATH_IMAGE030
[]，则认为计算出来的初次频率值不可信，同时将计算出来的初次频率值清零；否则根据round(f(2N,p))值查找事先人为设定的修正表得到round(f(2N,p))值所对应的v值。
修正表在[
Figure 36221DEST_PATH_IMAGE031
]频率范围内和整数频率一一对应，修正表是这样得到的：
给定原始信号序列，
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，此处频率f给定为整数且
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，j=0,1,2,...,10N-1。在原始信号序列中每次取2N个连续的值作为一组采样值序列，由上述步骤1～4计算得到其初次频率值序列f(2N,j)。对
Figure DEST_PATH_IMAGE034
的初次频率值序列f(2N,j)，找出使关系式
Figure DEST_PATH_IMAGE035
(是一个人为设定的阀值)成立的所有j值，记为s(j)，对所有相邻的两个s(j)值取其差值的绝对值，并对上述所有差值的绝对值取平均值后再四舍五入取整，即可得到该频率f所对应的v值。 改变频率f的值，则可一一求出在
Figure DEST_PATH_IMAGE037
范围内，每个整数频率对应的v值，从而得到该修正表。
6）根据公式
Figure DEST_PATH_IMAGE038
即可计算得出修正后的当前的高精度频率值
Figure DEST_PATH_IMAGE039
。
本发明的有益效果如下：不受电源基准电平波动的干扰，当接入同一块A/D转换器的多路电力系统相量的频率不一致时也能适用，该方法能直接适用于IEC-61850协议下智能变电站相量的测量，不会持续受过去计算值的影响，本发明方法相对于文献【2】中的方法在频率计算精度上有了较大的提高，能直接满足工程需求。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
假设经过有限长冲击响应数字低通滤波器低通滤波后的采样值序列表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，此处频率f设定为35.7Hz, h=0,1,2,…。N取32，则
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为秒。事先人为设定的频率测量上限值
Figure 601325DEST_PATH_IMAGE028
和下限值
Figure 423788DEST_PATH_IMAGE029
分别为75Hz和35Hz。
如无特殊说明，计算变量取double型，相位的单位为弧度，频率的单位为Hz，小数截断作四舍五入处理。
假设当前采样时刻是
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，则：
Figure DEST_PATH_IMAGE044
 = -14.601629 ， 
Figure DEST_PATH_IMAGE045
 = -133.395520 ，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
 = = 1.679831
记录下来的采样时刻是
Figure DEST_PATH_IMAGE047
时：
Figure DEST_PATH_IMAGE048
 = 4.363731 ， 
Figure DEST_PATH_IMAGE049
 = -134.115434 ，
 = = 1.538271
则初次频率值为：
Figure DEST_PATH_IMAGE051
 
= 36.047874
初次频率值和实际频率值误差为：
36.047874 – 35.7 = 0.347874
对初次频率值作四舍五入处理得到：
round(f(2N,100))=36
查修正表得到36Hz所对应的v值为22。
100-v=100-22=78，记录下来的采样时刻是
Figure DEST_PATH_IMAGE052
时：
 = 22.295252 ， 
Figure DEST_PATH_IMAGE054
 = 132.344574 ，
Figure DEST_PATH_IMAGE055
 =
Figure 821967DEST_PATH_IMAGE021
 = 4.879300
则修正后的频率值为：
 
= 35.693727
修正后的频率值和实际频率值误差为：
35.693727 – 35.7 = -0.006273
修正后的频率值和实际频率值的误差“-0.006273”相对于初次频率值和实际频率值的误差“0.347874”已大大减小，可以直接满足工程需求。

Claims (1)

1.一种电力系统相量频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）对原始的定时间间隔离散化采样值序列先经过有限长冲击响应数字低通滤波器进行低通滤波，以消除原始输入信号中二次及二次以上谐波分量的干扰；
2）对从第i个采样值开始的前推2T0时间内的采样值序列分别计算实部                                                
Figure 20770DEST_PATH_IMAGE001
和虚部
Figure 31451DEST_PATH_IMAGE002
，由公式
Figure 999407DEST_PATH_IMAGE003
计算得出相位
Figure 273701DEST_PATH_IMAGE004
；
3）重复步骤1）、2），可依次得到
Figure 985305DEST_PATH_IMAGE005
,
Figure 53755DEST_PATH_IMAGE006
,
Figure 192613DEST_PATH_IMAGE007
,…；
4）假设当前采样值是第p个采样值，则其对应的相位为
Figure 697412DEST_PATH_IMAGE008
，
由公式
Figure 212707DEST_PATH_IMAGE009
计算得到初次频率值；
5）对初次频率值f(2N,p)进行四舍五入处理得到round(f(2N,p))；
给定一个事先人为设定的频率测量上限值
Figure 197981DEST_PATH_IMAGE010
和下限值
Figure 445422DEST_PATH_IMAGE011
(
Figure 250567DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 490925DEST_PATH_IMAGE011
均为整数)，若round(f(2N,p))
Figure 330705DEST_PATH_IMAGE012
[]，则认为计算出来的初次频率值不可信，同时将计算出来的初次频率值清零；否则根据round(f(2N,p))值查找事先人为设定的修正表得到round(f(2N,p))值所对应的v值；
修正表在[
Figure 307068DEST_PATH_IMAGE013
]频率范围内和整数频率一一对应，修正表是这样得到的：
给定原始信号序列，
Figure 898586DEST_PATH_IMAGE014
，此处频率f给定为整数且
Figure 858452DEST_PATH_IMAGE015
，j=0,1,2,...,10N-1；
在原始信号序列中每次取2N个连续的值作为一组采样值序列，由上述步骤1～4计算得到其初次频率值序列f(2N,j)；
对的初次频率值序列f(2N,j)，找出使关系式
Figure 476701DEST_PATH_IMAGE017
(
Figure 871910DEST_PATH_IMAGE018
是一个人为设定的阀值)成立的所有j值，记为s(j)，对所有相邻的两个s(j)值取其差值的绝对值，并对上述所有差值的绝对值取平均值后再四舍五入取整，即可得到该频率f所对应的v值；
 改变频率f的值，则可一一求出在
Figure 623966DEST_PATH_IMAGE019
范围内，每个整数频率对应的v值，从而得到该修正表；
6）根据公式
Figure 446428DEST_PATH_IMAGE020
计算得出修正后的当前的高精度频率值
Figure 713461DEST_PATH_IMAGE021
。
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