CN102495281A - 一种电力系统相量频率测量方法 - Google Patents

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    • Y04S10/22—Flexible AC transmission systems [FACTS] or power factor or reactive power compensating or correcting units

Abstract

本发明公开了一种电力系统相量频率测量方法，属于电力系统及其自动化技术领域，光伏并网发电系统设置有控制模块、数据缓冲模块、逆变器、采样模块及模数转换模块，在光伏并网发电系统的电网侧连接电压互感器，所述电压互感器电性连接模数转换模块，所述模数转换模块将所述电压互感器发出的模拟信号转换成数字信号，所述采样模块对数字信号进行采样并传送到所述数据缓冲模块内，所述数据缓冲模块设置有若干数据窗，所述控制模块接收所述数据窗的信号。本发明一种电力系统相量频率测量方法不受基准电平的干扰，具有灵活性而且防止造成由于非同步采样导致的频谱泄露现象，同时有效消除或减弱动态特性所带来的震荡效应。

Description

一种电力系统相量频率测量方法
技术领域
本发明涉及电力系统及其自动化技术领域，尤其是涉及一种电力系统相量频率测量方法。
背景技术
在光伏并网发电系统中，相量的频率是一个重要的观测量，光伏并网发电系统安全自动装置需要实时测量其值，并根据其值的变化做出相应的控制措施。发电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，而光伏并网发电系统应用了大量的电力电子设备，会产生大量的噪声及谐波，从而导致硬件过零检测法无法正确实施；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到影响。
如图3所示，传统的离散傅立叶变换计算相位需要将采样模块采集的信号分成若干个数据窗，在不同数据窗内的信号的频率及幅值等相关参数是假定不变的，因此，传统的傅立叶变换计算相位的方法是对两个不同的数据窗内的信号进行变换，进而输出结果。但是，光伏并网发电系统是一个动态非线性系统，发电系统在数据窗内的信号的频率及幅值等时刻变化的，此时用传统的傅立叶变换计算相位的方法的测量精度会下降，从而导致光伏并网发电系统内的逆变器的输出频率及相量与实际的发电系统频率及相量不同步，甚至引起光伏并网发电系统出现非预期震荡。
发明内容
本发明是针对上述背景技术存在的缺陷提供一种电力系统相量频率测量方法，不受基准电平的干扰，具有灵活性而且防止造成由于非同步采样导致的信息泄露现象，同时有效消除或减弱动态特性所带来的震荡效应。
为实现上述目的，本发明公开了一种电力系统相量频率测量方法，包括以下步骤，
（1）光伏并网发电系统设置有控制模块、数据缓冲模块、逆变器、采样模块及模数转换模块，在光伏并网发电系统的电网侧连接电压互感器，所述电压互感器电性连接模数转换模块，所述模数转换模块将所述电压互感器发出的模拟信号转换成数字信号，所述采样模块对数字信号进行采样并传送到所述数据缓冲模块内，所述数据缓冲模块设置有若干数据窗，所述控制模块接收所述数据窗的信号；
（2）所述控制模块对数据缓冲模块内的数据窗信号进行傅立叶变换计算：
其中，
Figure 61095DEST_PATH_IMAGE002
为相量测量结果变换值， 为所述数据窗中相量参考点；
Figure 946137DEST_PATH_IMAGE004
为数据窗中各采样点与参考点的点距离；
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE005
为数据窗时间长度；
Figure 559521DEST_PATH_IMAGE006
为数据窗窗函数；ω0-为数据窗窗函数时间系数；
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE007
为数据窗内第
Figure 312844DEST_PATH_IMAGE008
个采样点的值；
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE009
为数据窗信号在
Figure 462328DEST_PATH_IMAGE010
处的第
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE011
阶导数；第
Figure 501959DEST_PATH_IMAGE011
阶导数
Figure 108697DEST_PATH_IMAGE009
的系数为
Figure 587083DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 89608DEST_PATH_IMAGE014
分别为导数系数列以及共轭转置导数
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE015
的系数列矩阵；
（3）将相量参考点统一为一点，将相量测量结果变换值
Figure 248822DEST_PATH_IMAGE002
进行相移并计算后得到相量估计值
Figure 746800DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE017
；
（4）所述控制模块结合相量测量结果变换值
Figure 878966DEST_PATH_IMAGE002
与相量估计值
Figure 95184DEST_PATH_IMAGE016
并进行重新组合：
Figure 164640DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE019
为数据窗采样点所对应的向量，对构造对角矩阵
Figure 820192DEST_PATH_IMAGE020
；对
Figure 195809DEST_PATH_IMAGE016
构造的矩阵求对称矩阵
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 68956DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE023
； 
Figure 213630DEST_PATH_IMAGE024
；同时，利用泰勒级数表示所述数据窗中相量参考点上对应的相量估计值
Figure 878408DEST_PATH_IMAGE016
，并通过最小二乘法得到所述数据窗中相量参考点
Figure 102716DEST_PATH_IMAGE003
对应的修正相量值
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE025
；
（5）所述控制模块对修正相量值
Figure 554426DEST_PATH_IMAGE025
进行数据处理后，得到修正频率值
Figure 838777DEST_PATH_IMAGE026
。
进一步地，所述逆变器配合修正相量值
Figure 674140DEST_PATH_IMAGE025
及修正频率值
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE027
输出驱动信号的相量及频率。
进一步地，所述控制模块电性连接有通信单元，所述逆变器输出驱动信号的相量及频率通过所述通信单元传送到网络上，所述通信单元以IEEE标准C37.118进行通信。
进一步地，所述修正相量值及修正频率值
Figure 8356DEST_PATH_IMAGE027
之间的计算公式是：
Figure 401291DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 989529DEST_PATH_IMAGE030
为两个不同数据窗21的窗中心采样点，
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 680274DEST_PATH_IMAGE032
分别为
Figure 654046DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 280199DEST_PATH_IMAGE030
对应的时间，
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE033
为相量值
Figure 27838DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE035
之间的夹角。
进一步地，所述采样模块电性连接有GPS接收器，所述GPS接收器对所述采样模块采集的数字信号标记绝对时标，所述数据缓冲模块接收标记绝对时标后的数据窗的信号，所述修正相量值
Figure 584590DEST_PATH_IMAGE025
及修正频率值
Figure 678448DEST_PATH_IMAGE027
与所述数据窗的信号标记的绝对时标同步。
综上所述，本发明一种电力系统相量频率测量方法利用泰勒级数表示所述数据窗中相量参考点
Figure 175637DEST_PATH_IMAGE003
上对应的相量估计值
Figure 784473DEST_PATH_IMAGE036
以进行重新修正，并通过最小二乘法得到所述数据窗中相量参考点
Figure 630069DEST_PATH_IMAGE003
对应的精确修正相量值
Figure 827701DEST_PATH_IMAGE025
，使得发电系统安全自动装置不受基准电平的干扰，具有灵活性而且防止造成由于非同步采样导致的频谱泄露现象，同时有效消除或减弱动态特性所带来的震荡效应。
附图说明
图1为本发明光伏并网发电系统的结构原理图。
图2为本发明电力系统相量频率测量方法的流程图。
图3为本发明传统的采样模块的数据窗的示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1和图2所示，本发明一种电力系统相量频率测量方法，通过如下步骤实现：
（1）光伏并网发电系统设置有控制模块10、数据缓冲模块20、逆变器30、通信单元40、采样模块50及模数转换模块60，所述控制模块10与所得通信单元40电性连接，在光伏并网发电系统的电网侧连接有电压互感器70，以降低电网侧的工作电压。所述电压互感器70电性连接模数转换模块60，所述模数转换模块60将所述电压互感器70发出的模拟信号转换成数字信号，所述采样模块50电性连接有GPS（Global Positioning System，全球卫星定位系统）接收器80，所述采样模块50对数字信号进行采样并传送到所述数据缓冲模块20内，所述GPS接收器80对所述采样模块50采集的数字信号标记绝对时标，所述数据缓冲模块20设置有若干数据窗21，所述控制模块10接收标记绝对时标后的数据窗21的信号，并进行计算以对所述逆变器30的输出相量及频率进行修正。
（2）所述控制模块10对数据缓冲模块20内的数据窗21的信号进行傅立叶变换计算：
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 733340DEST_PATH_IMAGE002
为相量测量结果变换值，定义
Figure 517887DEST_PATH_IMAGE003
为所述数据窗中相量参考点；
Figure 167175DEST_PATH_IMAGE004
为数据窗中各采样点与参考点的点距离（时间差）；
Figure 484892DEST_PATH_IMAGE005
为数据窗时间长度；
Figure 623750DEST_PATH_IMAGE006
为数据窗窗函数；ω0-为数据窗窗函数时间系数；
Figure 879282DEST_PATH_IMAGE007
为数据窗内第个采样点的值；为数据窗信号在
Figure 315707DEST_PATH_IMAGE010
处的第
Figure 307803DEST_PATH_IMAGE011
阶导数；第
Figure 298893DEST_PATH_IMAGE011
阶导数
Figure 138673DEST_PATH_IMAGE009
的系数为；
Figure 803452DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 581921DEST_PATH_IMAGE014
分别为导数
Figure 479469DEST_PATH_IMAGE009
的系数列矩阵以及共轭转置导数的系数列矩阵。
（3）将相量参考点
Figure 599183DEST_PATH_IMAGE003
统一为一点，将相量测量结果变换值进行相移并计算后得到相量估计值：
Figure 693544DEST_PATH_IMAGE017
。
（4）所述控制模块10结合相量测量结果变换值
Figure 648993DEST_PATH_IMAGE002
与相量估计值
Figure 847893DEST_PATH_IMAGE016
并进行重新组合：
Figure 454455DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 634770DEST_PATH_IMAGE019
为数据窗采样点所对应的向量，对
Figure 326782DEST_PATH_IMAGE019
构造对角矩阵
Figure 17789DEST_PATH_IMAGE020
；用数据窗的采样点对
Figure 478857DEST_PATH_IMAGE016
构造的矩阵求对称矩阵
Figure 830073DEST_PATH_IMAGE038
；
Figure 2011104168972100002DEST_PATH_IMAGE039
；
Figure 9381DEST_PATH_IMAGE040
；对数据窗信号在
Figure 238500DEST_PATH_IMAGE010
处的第
Figure 554074DEST_PATH_IMAGE011
阶导数构造的矩阵求对称矩阵。
同时，利用泰勒级数表示所述数据窗中相量参考点
Figure 742796DEST_PATH_IMAGE003
上对应的相量估计值以进行重新修正，并通过最小二乘法得到所述数据窗中相量参考点
Figure 933968DEST_PATH_IMAGE003
对应的精确修正相量值
Figure 892566DEST_PATH_IMAGE025
。
（5）所述控制模块10对修正相量值
Figure 780887DEST_PATH_IMAGE025
进行必要的数据处理后，得到修正频率值：
其中，
Figure 584523DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 209409DEST_PATH_IMAGE030
为两个不同数据窗21的窗中心采样点，
Figure 833288DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 40278DEST_PATH_IMAGE032
分别为和
Figure 705057DEST_PATH_IMAGE030
对应的时间，
Figure 116316DEST_PATH_IMAGE033
为相量值
Figure 443392DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 399847DEST_PATH_IMAGE035
之间的夹角。
（6）所述修正相量值
Figure 500789DEST_PATH_IMAGE025
及修正频率值
Figure 466471DEST_PATH_IMAGE027
与所述数据窗的信号标记的绝对时标同步，所述逆变器30配合修正相量值
Figure 648054DEST_PATH_IMAGE025
及修正频率值输出驱动信号的相量及频率，并标记绝对时标后通过所述通信单元40传送到网络上，所述通信单元40以IEEE标准C37.118进行通信。
综上所述，本发明一种电力系统相量频率测量方法利用泰勒级数表示所述数据窗中相量参考点
Figure 862183DEST_PATH_IMAGE003
上对应的相量估计值
Figure 116709DEST_PATH_IMAGE016
以进行重新修正，并通过最小二乘法得到所述数据窗中相量参考点
Figure 418378DEST_PATH_IMAGE003
对应的精确修正相量值
Figure 982214DEST_PATH_IMAGE025
，使得发电系统安全自动装置不受基准电平的干扰，具有灵活性而且防止造成由于非同步采样导致的频谱泄露现象，同时有效消除或减弱动态特性所带来的震荡效应。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

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）光伏并网发电系统设置有控制模块（10）、数据缓冲模块（20）、逆变器（30）、采样模块（50）及模数转换模块（60），在光伏并网发电系统的电网侧连接电压互感器（40），所述电压互感器（70）电性连接模数转换模块（60），所述模数转换模块（60）将所述电压互感器（70）发出的模拟信号转换成数字信号，所述采样模块（50）对数字信号进行采样并传送到所述数据缓冲模块（20）内，所述数据缓冲模块（20）设置有若干数据窗（21），所述控制模块（10）接收所述数据窗（21）的信号；
（2）所述控制模块（10）对所述数据缓冲模块（20）内的数据窗（21）信号进行傅立叶变换计算：
其中，
Figure 806195DEST_PATH_IMAGE002
为相量测量结果变换值， 
Figure 2011104168972100001DEST_PATH_IMAGE003
为所述数据窗（21）中相量参考点；为数据窗（21）中各采样点与参考点的点距离；为数据窗（21）时间长度；为数据窗（21）窗函数；ω0-为数据窗（21）窗函数时间系数；为数据窗（21）内第
Figure 850133DEST_PATH_IMAGE008
个采样点的值；
Figure 2011104168972100001DEST_PATH_IMAGE009
为数据窗（21）信号在
Figure 327251DEST_PATH_IMAGE010
处的第
Figure 2011104168972100001DEST_PATH_IMAGE011
阶导数；第
Figure 895898DEST_PATH_IMAGE011
阶导数
Figure 271516DEST_PATH_IMAGE009
的系数为
Figure 692133DEST_PATH_IMAGE012
；
Figure 2011104168972100001DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 289336DEST_PATH_IMAGE014
分别为导数
Figure 91201DEST_PATH_IMAGE009
系数列以及共轭转置导数的系数列矩阵；
（3）将相量参考点统一为一点，将相量测量结果变换值
Figure 365374DEST_PATH_IMAGE002
进行相移并计算后得到相量估计值
Figure 364554DEST_PATH_IMAGE016
：
Figure 2011104168972100001DEST_PATH_IMAGE017
；
（4）所述控制模块（10）结合相量测量结果变换值
Figure 337320DEST_PATH_IMAGE002
与相量估计值
Figure 687530DEST_PATH_IMAGE016
并进行重新组合：
Figure 902479DEST_PATH_IMAGE018
其中，
Figure 2011104168972100001DEST_PATH_IMAGE019
为数据窗（21）采样点所对应的向量，对
Figure 21745DEST_PATH_IMAGE019
构造对角矩阵；对
Figure 811375DEST_PATH_IMAGE016
构造的矩阵求对称矩阵
Figure 2011104168972100001DEST_PATH_IMAGE021
；
Figure 502120DEST_PATH_IMAGE022
；
Figure 2011104168972100001DEST_PATH_IMAGE023
； 
Figure 741471DEST_PATH_IMAGE024
；同时，利用泰勒级数表示所述数据窗（21）中相量参考点
Figure 790461DEST_PATH_IMAGE003
上对应的相量估计值
Figure 115263DEST_PATH_IMAGE016
，并通过最小二乘法得到所述数据窗（21）中相量参考点
Figure 672015DEST_PATH_IMAGE003
对应的修正相量值
Figure 2011104168972100001DEST_PATH_IMAGE025
；
（5）所述控制模块（10）对修正相量值
Figure 500294DEST_PATH_IMAGE025
进行数据处理后，得到修正频率值
Figure 985764DEST_PATH_IMAGE026
。
2.根据权利要求1所述的一种电力系统相量频率测量方法，其特征在于：所述逆变器（30）配合修正相量值及修正频率值
Figure 2011104168972100001DEST_PATH_IMAGE027
输出驱动信号的相量及频率。
3.根据权利要求2所述的一种电力系统相量频率测量方法，其特征在于：所述控制模块（10）电性连接有通信单元（40），所述逆变器（30）输出驱动信号的相量及频率通过所述通信单元（40）传送到网络上，所述通信单元（40）以IEEE标准C37.118进行通信。
4.根据权利要求1所述的一种电力系统相量频率测量方法，其特征在于，所述修正相量值
Figure 892726DEST_PATH_IMAGE025
及修正频率值
Figure 841090DEST_PATH_IMAGE027
之间的计算公式是：
Figure 809046DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure 2011104168972100001DEST_PATH_IMAGE029
和
Figure 531277DEST_PATH_IMAGE030
为两个不同数据窗21的窗中心采样点，
Figure 2011104168972100001DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 429832DEST_PATH_IMAGE032
分别为和
Figure 59976DEST_PATH_IMAGE030
对应的时间，
Figure 768037DEST_PATH_IMAGE034
为相量值
Figure 2011104168972100001DEST_PATH_IMAGE035
和
Figure 955436DEST_PATH_IMAGE036
之间的夹角。
5.根据权利要求1所述的一种电力系统相量频率测量方法，其特征在于：所述采样模块（50）电性连接有GPS接收器（80），所述GPS接收器（80）对所述采样模块（50）采集的数字信号标记绝对时标，所述数据缓冲模块（20）接收标记绝对时标后的数据窗（21）的信号，所述修正相量值
Figure 629125DEST_PATH_IMAGE025
及修正频率值
Figure 1201DEST_PATH_IMAGE027
与所述数据窗（21）的信号标记的绝对时标同步。
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