CN103543335B - 一种同步相量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同步相量测量方法，该方法包括：电压互感器和电流互感器分别获取电压信号和电流信号；二次电压变送器和电流变送器分别将所述电压信号和电流信号转换为测量信号；FPGA模块控制AD采样模块根据时钟同步信号及同步秒脉冲进行AD同步采样；嵌入式处理器接收所述FPGA的AD采样数据；嵌入式处理器根据所述AD采样数据进行相量计算。该方法针对常规的电力系统同步相量的测量方法的不足，结合电力系统动态条件下输入信号的特点，能够有效提升动态条件下同步相量测量精度。

Description

一种同步相量测量方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统领域的测量方法，具体讲涉及一种同步相量测量方法。

背景技术

基于电力系统静态条件下的以及静态条件下系统频率有偏差的传统同步相量算法，是对其常规离散傅里叶变化所计算的相量进行误差修正从而提高其相量测量精度。

电网运行过程中，偶尔会在电力系统低频振荡、次同步振荡、失步等动态条件下出现的幅值调制、相角调制、幅值和相角同时调制的情况，现有的适用于电力系统静态条件下同步相量测量装置的测量算法是对动态变化条件下相量测量的平均过程，其测量精度不高，无法有效的反应电力系统的动态变化过程。

因此，提出一种结合动态条件下电力系统输入信号的特点提升动态条件下同步相量测量精度的方法尤为重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种同步相量测量方法，该方法针对常规的电力系统同步相量的测量方法的不足，结合动态条件下电力系统动态条件下电力系统输入信号的特点，给出的测量方法能够有效提升动态条件下同步相量测量精度。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种同步相量测量方法，所述方法包括以下步骤：I、电压互感器和电流互感器分别获取电压信号和电流信号；II、二次电压变送器和电流变送器分别将所述电压信号和电流信号转换为测量信号；其改进之处在于：

III、FPGA模块控制AD采样模块根据时钟同步信号及同步秒脉冲进行AD同步采样；

IV、嵌入式处理器接收所述FPGA的AD采样数据；

V、嵌入式处理器根据所述AD采样数据进行相量计算。

进一步的，所述步骤I包括：基于同步卫星的秒脉冲信号，二次电压变送器和二次电流变送器分别对电压互感器和电流传感器从电力系统中采集的三相电压信号和三相电流信号进行定间隔采样。

进一步的，所述电压互感器和电流传感器接入三相电压信号和三相电流信号采用的速率每秒大于2400Hz；时间间隔为10ms。

进一步的，所述步骤III包括：所述FPGA模块对所述测量信号进行低通滤波并解析时钟同步信号；同时FPGA模块控制AD采样模块根据时钟同步信号及同步秒脉冲进行AD同步采样。

进一步的，所述步骤IV包括，AD采样模块采集每段时间段的信号，采集完成由FPGA模块向所述嵌入式处理器发送中断信号；

所述嵌入式处理器读取所述FPGA模块中新的AD采样数据。

进一步的，所述步骤V，通过嵌入式处理器实现以下步骤：

S501、根据获取的AD采样数据确定正序电压或电流信号

S502、根据获取的下一时间段内AD采样数据确定正序电压或电流信号

S503、如下式（1）根据正序电压或电流信号的相角确定实时频率：

θ=2π(50+Δf)t（1）

式中，t为两次信号获取时间间隔，θ为两次正序电压或电流信号的角度差；获得实时的频率偏移Δf，实时频率则为50+Δf；

S504、如下式（2）确定低通滤波器的滤波系数β，对离散傅里叶变换运算的通项进行滤波；

$\mathrm{\β}=\frac{\sin (2\mathrm{\πkfc}/f_s)}{2\mathrm{\πkfc}/f_s}*(0.54-0.46*\cos \left(\frac{2\mathrm{\πk}}{N}\right))---\left(2\right)$

式中，f_s为采样速率，fc为低通滤波器的截止频率；

S505、对N项滤波系数β求和，根据下式（3）分别获得修正的三相电压或电流信号的相量值：

${\stackrel{\→}{X}}_m=\frac{1}{\mathrm{gain}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k{e}^{-j\frac{2\mathrm{\πk}}{N}}*\frac{\sin (2\mathrm{\πkfc}/f_s)}{2\mathrm{\πkfc}/f_s}*(0.54-0.46*\cos \left(\frac{2\mathrm{\πk}}{N}\right))e^{-j\frac{2\mathrm{\πk\Δf}}{f_s}}---\left(3\right)$

式中，gain为N项滤波系数β的求和；为离散傅里叶变换运算的通项；X_k为AD采样序列；

S506、对所述修正的三相电压或电流信号的相量值进行正序变换，根据上式（1）获得两次所述正序电压或电流信号的实时频率；

S507、根据上述步骤S501至S507获得正序电压信号和正序电流信号，运用最小二乘法对相位数据进行拟合，根据正序相位数据及间隔时间获得频率变化率。

进一步的，所述步骤S501和所述步骤S502中确定正序电压或电流信号包括：根据获取的AD采样数据确定三相电压或电流的相量信息；运用对称分量法进行正序变换获得正序电压或电流信号。

进一步的，所述步骤504中，选取有限冲击响应低通滤波器为低通滤波函数；选取汉明窗作为窗函数进行滤波。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明的方法不仅实现电力系统的静态运行情况下信号的精确测量，同时能够对电力系统动态变化过程下的信号实现精确的测量。

（2）本发明的方法，在动态变化过程中同时存在幅度调制和相位调制的极端苛刻的条件下进行精确地同步相量测量，精确度达到：相量幅值误差小于0.2%，电压相量相角误差小于0.5度，电流相量相角误差小于1度，频率计算误差小于0.004Hz；在静态和动态情况下，该测量方法同样具有极高的测量进度，满足行业标准要求；从而保证了电力系统中同步相量测量的精确度。

（3）本发明的方法在电力系统动态变化时出现如低频振荡、短路故障、失步、解列等情况时，仍然具有非常高的测量精度，为对电力系统运行状态的进一步监测分析提供坚实的数据基础。

（4）本发明的方法采用基于同步卫星秒脉冲的定间隔数据采样，利用对通项滤波的方法减少在电力系统频率偏移50HZ的情况及动态情况下利用DFT计算所带来的频谱泄露，从而提高测量精度，完全真实的反应电力系统运行状态。

附图说明

图1为同步相量测量系统图；

图2为同步相量测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如图1所示，图1为同步相量测量系统图；同步向量测量系统包括电压互感器、电流互感器、二次电压变送器和电流变送器、FPGA模块、AD采样模块、嵌入式处理器。

电压互感器和电流互感器分别获取电压信号和电流信号；将电压信号和电流信号发送给二次电压变送器和二次电流变送器，由二次电压变送器和二次电流变送器分别将电压信号和电流信号转换为测量信号；FPGA模块对所述测量信号进行低通滤波，并对时钟同步信号进行解析，解析出时间信号及同步秒脉冲信号，AD采样模块根据时钟同步信号在同步秒脉冲信号的控制下进行AD同步采样；AD采样模块采用嵌入式AD采集系统或者工业计算机AD板卡，由FPGA模块进行控制。采样后，FPGA模块发送信号通知嵌入式处理器读取AD采样数据，嵌入式处理器获取采集的AD采样数据；嵌入式处理器根据所述AD采样数据进行相量计算。

如图2所示，图2为同步相量测量方法流程图；所述同步相量测量方法包括以下步骤：

步骤一、嵌入式处理器内部相关变量的初始化。

嵌入式处理器内部相关变量的初始化，包括：每周波采样点数N，本例按行业规范要求，选择为96；电压、电流的比例系数；一次电压互感器变比（实施例为220Kv/0.1Kv）,一次电流互感器变比（实施例为800A/5A）；二次电压变送器规格（实施例为100V/3V）,二次电流变送器规格（实施例为5A/1.7V）；AD内部变比（1个码值代表0.000030512V）；DFT变换系数等，缓冲准备AD采样数据，保存的滤波器的固定系数，以及获取其他相关配置。

上述AD内部变比表示AD的转换位数，互感器的输出端收到AD采样数据后，将其转换为嵌入式处理器能够进行处理的码值，比如1V电压，转换为一个二进制16位的有符号的满码表示为32768，则1个码值为1/32768，等于0.000030517578125V。

步骤二、电压、电流信号的采样及处理。

首先，在变电站或者发电厂的高压母线及出线处，由电压互感器、电流互感器分别采集电压信号和电流信号。

然后，将采集来的信号送到同步相量测量系统的二次电压变送器、二次电流变送器，二次电压变送器、二次电流变送器将线路上电压互感器、电流互感器的信号变换为同步相量测量系统内部范围的测量信号；测量信号范围根据选用的硬件决定，如±5V。所述测量信号是包含电压电流信号的测量信号。

其次，FPGA模块对转化获得的测量信号进行低通滤波，同时解析时钟同步信息，解析获得时间信号及同步秒脉冲信号；

在同步秒脉冲信号的控制下，AD采样模块按一定的时间间隔进行同步采样，采样完成后，FPGA模块向嵌入式处理器发出中断信号，通知其来获取最新的AD采样数据，嵌入式处理器读取采集的AD采样数据，进行相量计算。

AD采样过程设定：AD的采样速率不低于2400Hz；设定N为每周波的交流采样点数，N为大于48的整数。上述AD采样速率根据行业规范选定，一般速率选定范围为大于1200Hz，可选取2400hz，该值在选取过程中考虑计算量及测量精度综合、结合行业规范要求。

FPGA模块控制AD采样模块以一定的间隔时间进行AD采样，本实施例中选取间隔时间为10ms，间隔时间在考虑到行业规范要求的传输速度及主站系统的网络通信负担的基础上进行选择，即每秒需完成最高100次的相量数据上传；10MS内必须计算一次最新的相量，在满足计算条件的基础上不加重网络通信负担。

步骤三、相量处理。具体包括步骤：

I、嵌入式处理器获取到最新的10ms内的AD采样数据后进行DFT计算（离散傅里叶变换，DiscreteFourierTransform）；DFT计算得到三相电压的相量信息，获取三相电压相量分别为运用对称分量法根据三相电压信号进行正序变换，求取得到正序电压信号

构建时间间隔为10ms的数据窗，获取过去10ms的定间隔的采样数据，与上一10ms内的数据构成一整周波的采样值，按公式获取三相电压相量分别为 并对求取的电压信号，进行正序变换，获得正序电压信号

II、在获得新的下一个10ms的数据到达后，按步骤I根据对称分量法求取新的正序电压信号

III、获得两次求取的正序电压信号，运用如下式（1），根据前后10ms两次正序电压信的号角度差求取实时频率：

θ=2π(50+Δf)t（1）

式中，t为两次计算间隔，本例中t=10ms=0.01s；θ则为前后10ms两次正序电压信号的正序电压信号角度差；求取的Δf为实时频率偏移，实时频率则为50+Δf。

IV、对DFT计算所用的通项进行滤波。

本实施例中，选取有限冲击响应低通滤波器为低通滤波函数；根据电力系统运行特点，低通滤波器的截止频率fc选取10Hz；同时选取汉明窗作为窗函数进行滤波。

低通滤波器的滤波系数β根据下式（2）确定，该滤波系数为与通项进行相乘滤波的滤波系数：

$\mathrm{\β}=\frac{\sin (2\mathrm{\πkfc}/f_s)}{2\mathrm{\πkfc}/f_s}*(0.54-0.46*\cos \left(\frac{2\mathrm{\πk}}{N}\right))---\left(2\right)$

式中，f_s为采样速率，fc为低通滤波器的截止频率。

V、获取滤波系数β后，对N项滤波系数β进行求和，表示为gain。

VI、根据下式（3）获得修正的三相电压信号的相量值：

${\stackrel{\→}{X}}_m=\frac{1}{\mathrm{gain}}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k{e}^{-j\frac{2\mathrm{\πk}}{N}}*\frac{\sin (2\mathrm{\πkfc}/f_s)}{2\mathrm{\πkfc}/f_s}*(0.54-0.46*\cos \left(\frac{2\mathrm{\πk}}{N}\right))e^{-j\frac{2\mathrm{\πk\Δf}}{f_s}}---\left(3\right)$

式中，gain为N项滤波系数的求和；X_k为AD采样序列；为DFT计算所用的通项；

VII、利用上式（3）分别求得前后两个10ms的三相电压信号的相量值，获取相量的角度差，对得到的相量进行正序转换；

根据上式（1）获得两次正序电压相角的实时频率，该实时频率为滤除动态变化所带来的误差后一个更接近电力系统运行频率的频率值。

VIII、如上述步骤II到步骤VII对于输入的电流信号进行计算，其求取过程中的频率偏移和对应的电压正序的频率偏移保持一致。

VIII、根据上述三相电压信号的相量、三相电流信号的相量、三相电压、三相电流确定线路的功率，如下式（4）：

式中，U_a、U_b、U_c、I_a、I_b、I_c分别为三相电压、三相电流的相量值， 分别为三相电压、三相电流相量的相角。

根据正序电压相量的相位，拟合正序电压相量的相位信息的变化过程，根据连续几组（大于等于5）正序电压相量的相角，利用最小二乘法获得频率变化率，即求取下式（5）中的系数a，频率变化率即为a/π；

y(t)＝at²+bt+c（5）

最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种同步相量测量方法，所述方法包括以下步骤：I、电压互感器和电流互感器分别获取电压信号和电流信号；II、二次电压变送器和电流变送器分别将所述电压信号和电流信号转换为测量信号；其特征在于：

III、FPGA模块控制AD采样模块根据时钟同步信号及同步秒脉冲进行AD同步采样；

IV、嵌入式处理器接收所述FPGA的AD采样数据；

V、嵌入式处理器根据所述AD采样数据进行相量计算；

所述步骤III包括：所述FPGA模块对所述测量信号进行低通滤波并解析时钟同步信号；同时FPGA模块控制AD采样模块根据时钟同步信号及同步秒脉冲进行AD同步采样；

所述步骤IV包括，AD采样模块采集每段时间段的信号，采集完成由FPGA模块向所述嵌入式处理器发送中断信号；

所述嵌入式处理器读取所述FPGA模块中新的AD采样数据。

2.如权利要求1所述的一种同步相量测量方法，其特征在于：所述步骤I包括：基于同步卫星的秒脉冲信号，二次电压变送器和二次电流变送器分别对电压互感器和电流传感器从电力系统中采集的三相电压信号和三相电流信号进行定间隔采样。

3.如权利要求2所述的一种同步相量测量方法，其特征在于：所述电压互感器和电流传感器接入三相电压信号和三相电流信号采用的速率每秒大于2400Hz；时间间隔为10ms。

4.如权利要求1所述的一种同步相量测量方法，其特征在于：所述步骤V，通过嵌入式处理器实现以下步骤：

S501、根据获取的AD采样数据确定正序电压或电流信号

S502、根据获取的下一时间段内AD采样数据确定正序电压或电流信号

S503、如下式(1)根据正序电压或电流信号的相角确定实时频率：

θ＝2π(50+Δf)t(1)

式中，t为两次信号获取时间间隔，θ为两次正序电压或电流信号的角度差；获得实时的频率偏移Δf，实时频率则为50+Δf；

S504、如下式(2)确定低通滤波器的滤波系数β，对离散傅里叶变换运算的通项进行滤波；

$\mathrm{\β}=\frac{sin(2\mathrm{\π}kfc/f_s)}{2\mathrm{\π}kfc/f_s}*(0.54-0.46*cos(\frac{2\mathrm{\π}k}{N}\left)\right)---\left(2\right)$

式中，f_s为采样速率，fc为低通滤波器的截止频率；

S505、对N项滤波系数β求和，根据下式(3)分别获得修正的三相电压或电流信号的相量值：

${\stackrel{\→}{X}}_m=\frac{1}{gain}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{X}_k{e}^{-j\frac{2\mathrm{\π}k}{N}}*\frac{sin(2\mathrm{\π}kfc/f_s)}{2\mathrm{\π}kfc/f_s}*(0.54-0.46*cos(\frac{2\mathrm{\π}k}{N}\left)\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}k\mathrm{\Δ}f}{f_s}}---\left(3\right)$

式中，gain为N项滤波系数β的求和；为离散傅里叶变换运算的通项；X_k为AD采样序列；

S506、对所述修正的三相电压或电流信号的相量值进行正序变换，根据上式(1)获得两次所述正序电压或电流信号的实时频率；

S507、根据上述步骤S501至S506获得正序电压信号和正序电流信号，运用最小二乘法对相位数据进行拟合，根据正序相位数据及间隔时间获得频率变化率。

5.如权利要求4所述的一种同步相量测量方法，其特征在于：所述步骤S501和所述步骤S502中确定正序电压或电流信号包括：根据获取的AD采样数据确定三相电压或电流的相量信息；运用对称分量法进行正序变换获得正序电压或电流信号。

6.如权利要求4所述的一种同步相量测量方法，其特征在于：所述步骤504中，选取有限冲击响应低通滤波器为低通滤波函数；选取汉明窗作为窗函数进行滤波。