CN103575980B - 系统频率测量方法、同步相量测量方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种系统频率测量方法、同步相量测量方法及设备。该同步相量测量方法包括：基于绝对时间参考来对电力系统的电压和电流信号进行采样；滤除所采样的电压和电流信号中的带外干扰；基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压和电流信号中至少一个进行第一次重新采样；对第一次重新采样的信号计算相量，并更新估计的系统频率；针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压和电流信号进行第二次重新采样；以及对第二次重新采样的电压和电流信号计算同步相量。根据本发明的系统频率测量方法、同步相量测量方法及设备不仅适用于电力系统的稳态运行而且也适用于电力系统的动态运行，并且也提供了高精度的测量结果。

Description

系统频率测量方法、同步相量测量方法及设备

技术领域

本发明涉及电力系统自动测量领域，并且更具体地涉及一种高精度的系统频率测量方法、同步相量测量方法及设备。

背景技术

同步相量测量单元（PMU）已经成为电力系统中的重要测量组件，其可以提供高精度的与绝对时间同步的电压和电流相量以及频率。PMU可以应用于实时的电力系统的动态监控、运行、以及控制等很多方面。

传统的方式是通过综和非同步测量量来监控电力系统，例如，将发电机/负载功率和电压幅值馈送到软件模型中，然后针对特定的负载和发电机实时功率和电压状况计算每条母线的电压角度和幅值信息。然而，现在可以直接使用PMU直接计算这些量值。

随着日益增加的对于同步相量测量技术的需求，IEEE自2005年起已经建立了与该同步相量测量技术相关的标准，以便确保来自不同供应商的设备的互操作性。目前，在市场上已经有多种与该标准兼容的PMU产品。然而，由于该标准仅适用于稳态测量，不能满足更多的诸如电力波动、相角改变、频率改变，甚至故障等动态测量的需求，不同的产品所测量的同步相量不具备可比性和互操作性。一些供应商已经开始使用他们自己定义的企业标准。基于这个新的需求，IEEE和IEC协作而制定了覆盖动态测量的新标准，该标准（IEC/IEEE60255-118-1）将很快被公布。

因此，需要一种既能够用于电力系统的稳态测量又能够用于电力系统的动态测量的同步相量测量方法及设备，其能够符合上述的覆盖了电力系统的动态测量的新标准。

发明内容

考虑到上述问题而提出了本发明。本发明的目的是提供一种高精度的同步 相量测量方法及设备，其通过滤除原始采样的电压信号和电流信号中的带外干扰，然后进行第一次重新采样以获得估计的系统频率，接着针对每个汇报时刻进行第二次重新采样以获得同步电压相量和同步电流相量。该同步相量测量方法针对电力系统的稳态运行和动态运行分别选择不同的计算窗口的宽度，并且针对每个采样样本计算估计的系统频率，因此，应用于电力系统的动态运行情况下亦可以得到很高的精度，并且能够满足新标准的要求 。

根据本发明的一个方面，提供了一种同步相量测量方法，包括：基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行采样；滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰；基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样；对第一次重新采样的信号计算相量，并更新估计的系统频率；针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样；以及对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。

优选地，在所述同步相量测量方法中，利用带通滤波器来滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰，并且所述带通滤波器是根据测量级别、电力系统的额定系统频率和汇报率而定制的。

优选地，在所述同步相量测量方法中，对第一次重新采样的信号计算相量包括：根据电力系统的工作状态，确定第一计算窗口的宽度；以及在所述第一计算窗口内对第一次重新采样的信号计算相量。

优选地，在所述同步相量测量方法中，更新估计的系统频率包括：对于每个第一次重新采样的采样样本，计算估计的系统频率；对所计算的估计的系统频率进行平滑滤波，来更新估计的系统频率；以及对更新后的估计的系统频率设置对应的时间标签，该时间标签补偿了带外干扰滤除所引入的延时以及平滑滤波所引入的延时。

优选地，在所述同步相量测量方法中，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样包括：基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签，估计汇报时刻的系统频率；以及基于汇报时刻的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样，其包括：基于汇报时刻确定第二计算窗口的中心，基于汇报率确定第二计算窗口的宽度，以及在所述第二计算窗口内，基于所估计的汇报时刻的系统频率，来对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二重新采样。

优选地，所述同步相量测量方法还包括：基于更新后的估计的系统频率，使用曲线拟合来计算系统频率变化率。

根据本发明的另一方面，提供了一种同步相量测量设备，包括：原始采样器，用于基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行采样；滤波器，用于滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰；第一重新采样器，用于基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样；系统频率估算部件，用于对第一次重新采样的信号计算相量并更新估计的系统频率；第二次重新采样器，用于针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样；以及同步相量估算部件，用于对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。

优选地，所述滤波器是根据测量级别、电力系统的额定系统频率和汇报率而定制的带通滤波器。

优选地，所述系统频率估算部件根据电力系统的工作状态确定第一计算窗口的宽度，并且在所述第一计算窗口内对第一次重新采样的信号计算相量。

优选地，所述系统频率估算部件对于每个第一次重新采样的采样样本计算估计的系统频率，对所计算的估计的系统频率进行平滑滤波以更新估计的系统频率，以及对更新后的估计的系统频率设置对应的时间标签，该时间标签补偿了带外干扰滤除所引入的延时以及平滑滤波所引入的延时。

优选地，所述第二次重新采样器基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签来估计汇报时刻的系统频率，基于汇报时刻来确定第二计算窗口的中心，基于汇报率来确定第二计算窗口的宽度，并且在所述第二计算窗口内，基于所估计的汇报时刻的系统频率，来对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样。

根据本发明的再一方面，提供了一种电力系统的系统频率测量方法，包括：基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行采样；滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰；基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样；以及对第一次重新采样的信号计算相量，并更新估计的系统频率。

优选地，在所述系统频率测量方法中，对第一次重新采样的信号计算相量包括：根据电力系统的工作状态，确定第一计算窗口的宽度；以及在所述第一 计算窗口内对第一次重新采样的信号计算相量。

优选地，在所述系统频率测量方法中，更新估计的系统频率包括：对于每个第一次重新采样的采样样本，计算估计的系统频率；对所计算的估计的系统频率进行平滑滤波，来更新估计的系统频率；以及对更新后的估计的系统频率设置对应的时间标签，该时间标签补偿了带外干扰滤除所引入的延时以及平滑滤波所引入的延时。

优选地，所述系统频率测量方法还包括：针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签，估计汇报时刻的系统频率；基于汇报时刻的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样；以及对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。

优选地，在所述系统频率测量方法中，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样包括：基于汇报时刻，确定第二计算窗口的中心；基于汇报率，确定第二计算窗口的宽度；以及在所述第二计算窗口内，基于所估计的汇报时刻的系统频率，来对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样，其中，对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量包括：在所述第二计算窗口内，对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。

优选地，所述系统频率测量方法还包括：基于更新后的估计的系统频率，使用曲线拟合来计算系统频率变化率。

利用根据本发明的同步相量测量方法及设备，通过首先对原始采样的电压信号和电流信号滤除带外干扰，然后在第一次重新采样中根据电力系统的工作状态选择特定的计算窗口宽度来针对每个采样样本获得估计的系统频率，并利用第二次重新采样获得汇报时刻的同步电压相量和同步电流相量，从而保证了不仅可以适用于电力系统的稳态运行而且也适用于电力系统的动态运行，提高了同步相量测量的精度。

附图说明

通过结合附图对本发明的实施例进行详细描述，本发明的上述和其它目的、特征、优点将会变得更加清楚，其中：

图1是根据本发明实施例的同步相量测量方法的流程图；

图2A和图2B是针对第一测量级（M级）设计的带通滤波器的示例。

图3A和图3B是针对第二测量级（P级）设计的带通滤波器的示例。

图4是根据本发明实施例的更新估计的系统频率步骤的具体流程图；

图5是根据本发明实施例的第二次重新采样及同步相量计算步骤的具体流程图；以及

图6是根据本发明实施例的同步相量测量设备的示意性框图。

具体实施方式

下面将参照附图来描述根据本发明实施例的同步相量测量方法及设备。

首先，将参考图1来描述根据本发明实施例的同步相量测量方法100。

根据本发明实施例的同步相量测量方法100在步骤S105进行初始化。

在步骤S110，基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行采样。如本领域公知的，在同步采样系统中对电力系统的电压信号和电流信号进行A/D采样，以便得到原始采样的电压信号和电流信号。通常，该同步采样系统中采用的触发采样脉冲锁定于绝对时间参考，例如，所述绝对时间参考可以是GPS的1PPS信号，或者可以是来自其它源的绝对时间参考。例如，该同步采样系统中采用的触发采样脉冲可以是对GPS的1PPS信号进行分频而得到的信号；或者可以是本地振荡器产生的脉冲信号，在此情况下，每隔预定时间间隔（例如1秒）将该本地振荡器与绝对时间参考进行一次同步。

然后，在步骤S120，滤除原始采样的电压信号和电流信号中的带外干扰。带外干扰信号是其频率f在频率范围|f-f₀|≥F_s/2中的信号，其中f₀是电力系统的额定系统频率；F_s是PMU（同步相量测量设备）的汇报率，即每秒中的汇报次数。例如，PMU的汇报率可以为10HZ、20Hz、60Hz、120Hz等等。以汇报率为10Hz为例，每秒中的汇报次数为10次，相应的汇报时刻可以是0.1S、0.2S、0.3S、…、0.9S、1S。更一般地，将汇报间隔标记为T₀，汇报时刻可以相应地表示为T₀、2T₀、3T₀、…、k T₀、(k+1)T₀、…、N T₀。

在步骤S130，基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样。在系统初始化之后，首先将估计的系统频率设置为电力系统的额定系统频率。

然后，在步骤S140，对第一次重新采样的信号计算相量，并更新估计的系统频率。

接下来，根据本发明实施例的同步相量测量方法100返回到步骤S130，并 利用在步骤S140更新后的估计的系统频率来进行第一次重新采样。

另一方面，在步骤S140之后，根据本发明实施例的同步相量测量方法100前进到步骤S150，其中，针对每个汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样。例如，在步骤S150中，针对每个汇报时刻，首先基于更新后的估计的系统频率来估计该汇报时刻的系统频率，然后再基于所估计的汇报时刻的系统频率对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样。

最后，在步骤S160，对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。

接下来，将参考图2和图3来简要说明根据本发明实施例的同步相量测量方法100中的带外信号滤除步骤S120的示例操作。应了解，根据本发明实施例的同步相量测量方法100中的带外信号滤除步骤S120的操作不限于以下描述的示例，本领域技术人员根据实际需要可以设计不同的滤波器。

如前所述，带外干扰信号是其频率f在频率范围|f-f₀|≥F_s/2中的信号，其中f₀是电力系统的额定系统频率；F_s是PMU的汇报率，即每秒中的汇报次数。

在设计滤波器时，可能需要考虑特定的采样率、汇报率、电力系统的额定系统频率、以及测量级别。通常，在同步相量测量中具有两种不同的测量级别，第一测量级别用于高精度的同步相量测量（即第一测量级：M级），第二测量级别用于快速响应的同步相量测量（即第二测量级：P级）。测量级（M级）要求更高的测量精度并且可以容许较长的汇报延时，测量级（P级）要求更快的响应速度（更短的汇报延时）和较低的测量精度。

例如，对于M级，在采样率为4800Hz、汇报率为60Hz、系统额定频率为60Hz的情况下，可以采用具有如图2A所示的幅值-频率响应曲线的有限冲击响应（FIR）滤波器。如图2A所示的幅值-频率响应曲线的通带频率为30－90Hz。

作为另一示例，对于M级，在采样率为4800Hz、汇报率为20Hz、系统额定频率为60Hz的情况下，可以采用具有如图2B所示的幅值-频率响应曲线的有限冲击响应（FIR）滤波器。如图2B所示的幅值-频率响应曲线的通带频率为50－70Hz。

对于P级，由于对于P级应用要求更快的响应速度而允许较短的汇报延时，因此，对于P级应用而言，标准并不要求滤除所有的带外干扰。

例如，对于P级，在采样率为4800Hz、汇报率为60Hz、系统额定频率为 60Hz的情况下，可以采用具有如图3A所示的幅值-频率响应曲线的滤波器，其满足了P级应用对于很小的汇报延时的要求。与图2A所述的幅值-频率响应曲线相比，图3A所述的幅值-频率响应曲线的平坦度大大降低，以此为代价获得了更短的汇报延时。在汇报率小于60Hz的情况下，仍可以采用具有与图3A所述的幅值-频率响应曲线相似特性的滤波器。

作为另一示例，对于P级，在采样率为4800Hz、汇报率为120Hz、系统额定频率为60Hz的情况下，可以采用具有如图3B所示的幅值-频率响应曲线的滤波器，其满足了P级应用对于很小的汇报延时的要求。如图3B所示，带通滤波器变为极限情况的带通滤波器，即，低通滤波器。此外，在汇报率大于60Hz的情况下，仍可以采用具有与图3B所述的幅值-频率响应曲线相似特性的滤波器。

在设计了滤波器之后，可以如下地进行获得滤波后的信号：

$x\left(k\right)=\underset{m=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}y(k-m)\·h\left(m\right)$ （1）

$=\underset{m=0}{\overset{\frac{L-1}{2}-1}{\mathrm{\Σ}}}[y(k-m)+y(k-L+1+m)]\·h\left(m\right)+y(k-\frac{L-1}{2})\·h\left(\frac{L-1}{2}\right)$

其中，x(·)是滤波后的电压信号或电流信号；h(·)是滤波器系数；y(·)是原始采样的电压信号或电流信号；L是在滤波中所用到的采样样本的数量。

接下来，将描述根据本发明实施例的同步相量测量方法100的步骤S140的示例操作。应了解，根据本发明实施例的同步相量测量方法100中的相量计算步骤S140的操作不限于以下描述的示例，本领域技术人员根据实际需要可以设计不同的计算窗口。

在步骤S140中，例如，根据电力系统的工作状态来选择不同的计算窗口，即根据电力系统处于稳态还是动态来选择不同的计算窗口。例如，在电力系统处于稳态时，无论是第一测量级（M级）还是第二测量级（P级），都可以将计算窗口的宽度选择为一个周波；然而在电力系统处于动态时，可以将计算窗口的宽度选择为1/2周波或1/4周波、或者其它适当值。

对于稳态而言，可以利用第一次重新采样所得到的当前电压及其前N个第一次重新采样所得到的电压，如下计算单相电压的相量：

$\stackrel{\·}{X}\left(i\right)=\frac{\sqrt{2}}{N}\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x(i-N+k)\·e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}(i+k-\frac{1}{2})}---\left(2\right)$

其中， 是单相的当前电压，N是一个周期中的采样样本数，i是第一 次重新采样所得到的当前电压的编号。

此外，类似地，可以利用第一次重新采样所得到的当前电流及其前N个第一次重新采样所得到的电流，如公式（2）所示地计算单相电流的相量。

对于动态而言，在将计算窗口的宽度选择为1/2周波的情况下，可以利用第一次重新采样所得到的当前电压及其前N/2个第一次重新采样所得到的电压，如下计算单相电压的相量：

$\stackrel{\·}{X}\left(i\right)=\frac{2\sqrt{2}}{N}\underset{k=0}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}x(i-N/2+k)\·e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}(i+k-\frac{1}{2})}---\left(3\right)$

此外，类似地，可以利用第一次重新采样所得到的当前电流及其前N/2个第一次重新采样所得到的电流，如公式（3）所示地计算单相电流的相量。

对于动态而言，在将计算窗口的宽度选择为1/4周波的情况下，可以利用第一次重新采样所得到的当前电压及其前N/4个第一次重新采样所得到的电压，在N=80的情况下，可以如下计算单相电压的相量：

$\left[\begin{array}{c}{X}_R\left(i\right)\\ X_I\left(i\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0.1684& 0.1073\\ 0.1073& 0.1684\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}\underset{k=i-N/4+1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·(k-\frac{1}{2}))\·x\left(k\right)\\ \underset{k=i-N/4+1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\cos (\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·(k-\frac{1}{2}))\·\left(k\right)\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，X_R(i)是单相的当前电压的实部，X_I(i)是单相的当前电压的虚部。

此外，类似地，可以利用第一次重新采样所得到的当前电流及其前N/4个第一次重新采样所得到的电流，如公式（4）所示地计算单相电流的相量。

应了解，上面的公式（2），（3），（4）仅仅是示例，本发明不限于此，并且替代地也可以用递推方式实现公式（2），（3），（4）。

接下来，将参考图4描述如何根据上述的相量计算结果来更新估计的系统频率。

在步骤S410，对于每个第一次重新采样的采样样本，计算估计的系统频率。例如，根据该第一次重新采样的采样样本和之前的间隔预定时间长度的采样样本的相量的角度差，来更新估计的系统频率。

例如，在计算了单相电压的相量之后，如下地计算正序电压相量：

${\stackrel{\·}{V}}_1\left(i\right)=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{V}}_A\left(i\right)+\mathrm{\α}{\stackrel{\·}{V}}_B\left(i\right)+{\mathrm{\α}}^2{\stackrel{\·}{V}}_C\left(i\right))---\left(5\right)$

其中，

${\stackrel{\·}{V}}_A\left(i\right)=V_{\mathrm{AR}}\left(i\right)+j{V}_{\mathrm{AI}}\left(i\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_B\left(i\right)=V_{\mathrm{BR}}\left(i\right)+j{V}_{\mathrm{BI}}\left(i\right)$

${\stackrel{\·}{V}}_C\left(i\right)=V_{\mathrm{CR}}\left(i\right)+j{V}_{\mathrm{CI}}\left(i\right)$

α=e^j2π/3

其中， 为A相电压相量，V_AR(i)为A相电压相量的实部，V_AI(i)为A相电压相量的虚部； 为B相电压相量，V_BR(i)为B相电压相量的实部，V_BI(i)为B相电压相量的虚部；为C相电压相量，V_CR(i)为C相电压相量的实部，V_CI(i)为C相电压相量的虚部。

此外，类似地，在计算了单相电流的相量之后，可以如公式（5）所示地计算正序电流相量。

在对于每个第一次重新采样的采样样本计算了当前时刻的正序电压相量之后，根据当前时刻的正序成电压相量和与该当前时刻相距所述计算窗口的宽度的时刻的正序电压相量之间的角度差，来计算估计的系统频率。

$f_k=f_{k-1}+f_{k-1}\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_k}{2\mathrm{\π}}\·\frac{N}{m}---\left(6\right)$

其中，f_k是当前时刻（k）的估计的系统频率，f_k-1是当前时刻（k）的前一时刻（k-1）的估计的系统频率，Δφ_k＝φ_k-φ_k-m是当前时刻（k）的正序电压相量和与当前时刻相距所述计算窗口的宽度（m）的时刻（k-m）的正序电压相量之间的角度差，m是用采样样本的数量表示的计算窗口的宽度，即计算窗口中所包含的采样样本的数量，例如，在一个周波中包含80（N）个采样样本，在将计算窗口选择为1个周波的情况下，m=80；在将计算窗口选择为1/2周波的情况下，m=40；在将计算窗口选择为1/4周波的情况下，m=20。然而，本发明不限于此，可以根据需要选择计算窗口的宽度，并且得到相应的m。

可以如下地计算Δφ_k：

$\sin \left({\mathrm{\Δ\φ}}_k\right)=\mathrm{Im}\left({\stackrel{\·}{V}}_1\left(k\right)\right)\·\mathrm{Re}\left({\stackrel{\·}{V}}_1(k-m)\right)-\mathrm{Re}\left({\stackrel{\·}{V}}_1\left(k\right)\right)\·\mathrm{Im}\left({\stackrel{\·}{V}}_1(k-m)\right)$

$\cos \left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\φ}}_k\right)=\mathrm{Im}\left({\stackrel{\·}{V}}_1\left(k\right)\right)\·\mathrm{Im}\left({\stackrel{\·}{V}}_1(k-m)\right)+\mathrm{Re}\left({\stackrel{\·}{V}}_1\left(k\right)\right)\·\mathrm{Re}\left({\stackrel{\·}{V}}_1(k-m)\right)$

其中，Im(·)表示“·”的虚部，Re(·)表示“·”的实部。

类似地，也可以利用公式（6）和（7）根据当前时刻的正序电流相量和与该当前时刻相距所述计算窗口的宽度的时刻的正序电流相量之间的角度差，来计算估计的系统频率。

然而，本发明不限于此，本领域技术人员也可以在不计算正序电压相量和正序电流相量的情况下，采用其它方法来计算估计的系统频率，以便作为更新后的估计的系统频率。

更为有利地，在步骤S420，对所计算的估计的系统频率f_k进行平滑滤波，来更新估计的系统频率。例如，可以利用当前时刻（k）的估计的系统频率f_k以及之前的m个估计的系统频率，如下地进行平滑滤波：

$f_k^{\′}=\frac{\underset{i=k-m}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{f}_i}{m}---\left(8\right)$

其中，f′_k是平滑滤波后的估计的系统频率，即作为更新后的估计的系统频率。

然而，平滑滤波不限于公式（8）所示的情况，本领域技术人员可以根据实际需要采用加权平均等手段来进行平滑滤波。

此外，平滑滤波也不是必须的，也就是说，可以直接使用公式（6）所计算的估计的系统频率作为更新后的估计的系统频率。

然后，在步骤S430，在得到更新后的估计的系统频率（公式（6））之后，计算与该系统频率对应的时间标签，该时间标签补偿了带外干扰滤除所引入的延时。此外，在进行平滑滤波（公式（8））的情况下，该时间标签还补偿平滑滤波所引入的延时。

t=t_res-t_fd-t_ad （9）

其中，t是更新后的估计的系统频率的时间标签，t_res是当前时刻（k）的第一次重新采样的采样样本在原始采样的信号中的对应时间，t_fd是带外干扰滤除所引入的延时，t_ad是平滑滤波所引入的延时。

另外，在得到更新后的估计的系统频率（公式（6）或者公式（8））之后，可以如下地计算在第一次重新采样中取得下一个采样样本的时间间隔，即从当前时间到下一个采样样本之间的时间间隔。

$\mathrm{\Δt}=\frac{1}{N\·f_k^{\′}}---\left(10\right)$

接下来，将参考图5描述根据本发明实施例的同步相量测量方法100的步骤S150的示例操作，其中针对特定汇报时刻，基于在步骤S140更新后的估计的系统频率来估计该特定汇报时刻的系统频率，然后基于该特定汇报时刻的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样。 应了解，根据本发明实施例的同步相量测量方法100中的相量计算步骤S150的操作不限于以下描述的示例，本领域技术人员根据实际需要可以设计不同的计算窗口。

鉴于每个汇报时刻不一定完全对应于第一次重新采样后所更新的估计的系统频率的时间标签，因此需要基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签，估计每个汇报时刻的系统频率。

首先，在步骤S510，基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签，估计汇报时刻的系统频率。

例如，可以获得两个具有最接近汇报时刻的时间标签的所估计的系统频率，并且基于所获得的两个系统频率的时间标签对这两个系统频率进行线性内插，从而估算汇报时刻的系统频率。可以按照以下来估算汇报时刻的系统频率：

$f_{\mathrm{out}}={f^{\′}}_m+\frac{{f^{\′}}_{m+1}+{f^{\′}}_m}{t_{m+1}-t_m}\·(t_c-t_m)---\left(11\right)$

其中，t_c是汇报时刻，f_out是汇报时刻的系统频率，t_m是在汇报时刻之前最接近汇报时刻的时间标签，t_m+1是在汇报时刻之后最接近汇报时刻的时间标签，f'_m是具有时间标签t_m的所估计的系统频率，f'_m+1是具有时间标签t_m+1的所估计的系统频率。

接下来，在步骤S520-S540中，基于汇报时刻的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样。

具体地，在步骤S520，基于汇报时刻，确定第二计算窗口的中心。例如，以汇报时刻作为第二计算窗口的中心。

在步骤S530，基于汇报率，确定第二计算窗口的宽度。例如，在汇报率为60Hz时，可以将第二计算窗口的宽度选择为一个周波，即具有N个采样样本。然而，本发明不限于此，在更高汇报率时，例如120Hz时，可以将第二计算窗口的宽度选择为1/2周波，即具有N/2个采样样本。

然后，在步骤S540，在所述第二计算窗口内，基于所估计的汇报时刻的系统频率，来对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样。

例如，可以根据所估计的汇报时刻的系统频率如下地计算第二次重新采样的采样间隔：

$\mathrm{\Δ}{t}_{\mathrm{out}}=\frac{1}{N\·f_{\mathrm{out}}}---\left(12\right)$

其中，N为一个周波中的采样样本数。

因此，在利用汇报时刻作为第二计算窗口的中心的情况下，可以如下地计算在第二计算窗口中每个采样样本在原始采样的电压信号和电流信号中的对应时间：

$t_{\mathrm{pi}}=t_c+t_{\mathrm{fd}}-t_{\mathrm{wid}}+\frac{1}{2}i\·\mathrm{\Δt}$

其中，t_pi是第二计算窗口中的第i（1≤i≤N）个采样样本在原始采样的电压信号和电流信号中的对应时间；t_c是第二计算窗口的中心，即，当前计算的汇报时刻；t_fd是带外干扰滤除所引入的延时；t_wid是半窗口延时，即，第二计算窗口的总时间长度的一半。

最后，在执行了图5中的所有步骤之后，根据本发明实施例的同步相量测量方法进行到步骤图1所示的步骤S160，在所述第二计算窗口内，对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。

在第二计算窗口内对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量，以便作为与所述第二计算窗口所对应的汇报时刻的汇报同步相量。当计算窗口为一周波时，计算公式如下：

${\stackrel{\·}{X}}_{\mathrm{out}}\left(i\right)=\frac{\sqrt{2}}{N}\underset{k=-N/2}{\overset{N/2-1}{\mathrm{\Σ}}}x(i+k+\frac{1}{2})\·e^{-j(\frac{2\mathrm{\π}}{N}(i+k-\frac{1}{2})-\mathrm{\π}+\frac{\mathrm{\π}}{N})}---\left(13\right)$

其中， 是单相的当前电压或当前电流，N是一个周期中的采样样本数，i是第二次重新采样所得到的当前电压或电流的编号。

此外，根据本发明实施例的同步相量测量方法还可以在步骤S140更新了估计的系统频率之后，获得高精度的频率变化率，其中，该更新的估计的系统频率可以是公式（8）的计算结果。可以在预定时间段内利用一次线性拟合来得到频率变化率，可以将所述预定时间段选择为两个连续周波，然而，本发明不限于此，可以根据具体的系统设计需要，将所述预定时间段选择为其它长度。

f=k_f·t+f_ini （14）

其中，k_f是一次线性拟合的斜率，即频率变化率；t是在所述预定时间段内的特定时刻，f是所述预定时间段内的特定时刻所对应的估计的系统频率；f_ini是常数。

此外，由于前述的带通滤波器的幅频响应不可能完全平坦，尤其对于用于P级的滤波器更是如此（如从图3A和图3B可以看到的），因此，有必要补偿所计算的相量以便实现高精度。相应地，根据本发明实施例的同步相量测量方法还可以在步骤S160对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算了同步相 量之后，补偿由于滤波所造成的幅值偏差，例如所述幅值偏差可能由于带通滤波的通带和大部分边沿部分的不平坦而造成。

原理上，所有设计的滤波器的幅值响应都可以是离线计算的并且可以按照分段的频率来存储滤波器的幅值响应。因此，可以按照以下来补偿由于带通滤波的通带和大部分边沿部分的不平坦而造成的幅值偏差：

${{\stackrel{\·}{X}}^{\′}}_{\mathrm{out}}\left(f_{\mathrm{out}}\right)={\stackrel{\·}{X}}_{\mathrm{out}}\left(f_{\mathrm{out}}\right)\·h\left(f_{\mathrm{out}}\right)---\left(15\right)$

其中， 是汇报时刻的所计算的频率f_out处的同步相量； 是补偿后的频率f_out处的同步相量；h(f_out)是所设计的滤波器在频率f_out处的幅值响应的倒数。

接下来，将参考图6简要描述根据本发明实施例的同步相量测量设备600。

该同步相量测量设备600包括原始采样器610、滤波器620、第一重新采样器630、系统频率估算部件640、第二重新采样器650、以及同步相量估算部件660。

原始采样器610基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行采样。

滤波器620滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰。如前所述，可以根据测量级别、电力系统的额定系统频率和汇报率来定制滤波器620，并且该滤波器620可以是带通滤波器。

第一重新采样器630基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样。

系统频率估算部件640对第一次重新采样的信号计算相量并更新估计的系统频率。

优选地，系统频率估算部件640根据电力系统的工作状态确定计算窗口的宽度，在该计算窗口内对第一次重新采样的信号计算相量，并且根据所计算的相量更新估计的系统频率。

优选地，系统频率估算部件640对于每个第一次重新采样的采样样本计算估计的系统频率以更新估计的系统频率，以及对更新后的估计的系统频率设置对应的时间标签，该时间标签补偿了带外干扰滤除所引入的延时。

更为优选地，系统频率估算部件640在对于每个第一次重新采样的采样样本计算估计的系统频率之后，还对所计算的估计的系统频率进行平滑滤波以更新估计的系统频率。在此情况下，对更新后的估计的系统频率所设置的对应的 时间标签还补偿平滑滤波所引入的延时。

第二重新采样器650针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样。

优选地，第二重新采样器650基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签来估计汇报时刻的系统频率，基于汇报时刻来确定第二计算窗口的中心，基于汇报率来确定第二计算窗口的宽度，并且在所述第二计算窗口内，基于所估计的汇报时刻的系统频率，来对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样。

同步相量估算部件660对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。

原始采样器610、第一重新采样器630以及第二重新采样器650可以被分别实现为硬件的采样器，或者可以将原始采样器610实现为硬件的A/D采样器，而通过专用处理器、通用处理器或FPGA等来实现第一重新采样器630和第二重新采样器650。

滤波器620可以被实现为专用的滤波器电路，或者可以通过专用处理器、通用处理器或FPGA等来实现。

系统频率估算部件640和同步相量估算部件660可以被分别实现为单独的专用处理器件，或者可以在同一通用处理器或FPGA等上实现这两者的功能。

利用根据本发明的同步相量测量方法及设备，通过首先对原始采样的电压信号和电流信号滤除带外干扰，然后在第一次重新采样中根据电力系统的工作状态选择特定的计算窗口宽度来针对每个采样样本获得估计的系统频率，并利用第二次重新采样获得汇报时刻的同步电压相量和同步电流相量，从而保证了不仅可以适用于电力系统的稳态运行而且也适用于电力系统的动态运行，并且也提供了高精度的同步相量测量结果。

尽管这里已经参考附图描述了示例实施例，应理解上述示例实施例仅仅是示例性的，并且不意图将本发明的范围限制于此。本领域普通技术人员可以在其中进行各种改变和修改，而不偏离本发明的范围和精神。所有这些改变和修改意在被包括在所附权利要求所要求的本发明的范围之内。

Claims (16)

1.一种同步相量测量方法，包括：

基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行采样；

滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰；

基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样；

对第一次重新采样的信号计算相量，并更新估计的系统频率；

针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样；以及

对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。

2.如权利要求1所述的同步相量测量方法，其中，

利用带通滤波器来滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰，并且所述带通滤波器是根据测量级别、电力系统的额定系统频率和汇报率而定制的。

3.如权利要求1所述的同步相量测量方法，其中，对第一次重新采样的信号计算相量包括：

根据电力系统的工作状态，确定第一计算窗口的宽度；以及

在所述第一计算窗口内对第一次重新采样的信号计算相量。

4.如权利要求1所述的同步相量测量方法，其中，更新估计的系统频率包括：

对于每个第一次重新采样的采样样本，计算估计的系统频率；

对所计算的估计的系统频率进行平滑滤波，来更新估计的系统频率；以及

对更新后的估计的系统频率设置对应的时间标签，该时间标签补偿了带外干扰滤除所引入的延时以及平滑滤波所引入的延时。

5.如权利要求4所述的同步相量测量方法，其中，对于每个第一次重新采样的采样样本计算估计的系统频率包括：

根据该第一次重新采样的采样样本和间隔预定时间长度的历史重采样样本得到的相量的角度差，来计算估计的系统频率。

6.如权利要求4所述的同步相量测量方法，其中，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样包括：

基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签，估计汇报时刻的系统频率；以及

基于汇报时刻的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样，其包括：

基于汇报时刻，确定第二计算窗口的中心，

基于汇报率，确定第二计算窗口的宽度，以及

在所述第二计算窗口内，基于所估计的汇报时刻的系统频率，来对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样，

其中，对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量包括：

在所述第二计算窗口内，对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。

7.如权利要求6所述的同步相量测量方法，其中，估计汇报时刻的系统频率包括：

获得最接近汇报时刻的两个时刻的所估计的系统频率；以及

对所述最接近汇报时刻的两个时刻的所估计的系统频率进行线性内插，以便计算汇报时刻的系统频率。

8.如权利要求1所述的同步相量测量方法，还包括：

基于更新后的估计的系统频率，使用曲线拟合来计算系统频率变化率。

9.一种同步相量测量设备，包括：

原始采样器，用于基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行采样；

滤波器，用于滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰；

第一重新采样器，用于基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样；

系统频率估算部件，用于对第一次重新采样的信号计算相量并更新估计的系统频率；

第二重新采样器，用于针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样；以及

同步相量估算部件，用于对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。

10.如权利要求9所述的同步相量测量设备，其中，

所述滤波器是根据测量级别、电力系统的额定系统频率和汇报率而定制的带通滤波器。

11.如权利要求9所述的同步相量测量设备，其中，所述系统频率估算部件根据电力系统的工作状态确定第一计算窗口的宽度，并且在所述第一计算窗口内对第一次重新采样的信号计算相量。

12.如权利要求9所述的同步相量测量设备，其中，所述系统频率估算部件对于每个第一次重新采样的采样样本计算估计的系统频率，对所计算的估计的系统频率进行平滑滤波以更新估计的系统频率，以及对更新后的估计的系统频率设置对应的时间标签，该时间标签补偿了带外干扰滤除所引入的延时以及平滑滤波所引入的延时。

13.如权利要求12所述的同步相量测量设备，其中，所述第二重新采样器基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签来估计汇报时刻的系统频率，基于汇报时刻来确定第二计算窗口的中心，基于汇报率来确定第二计算窗口的宽度，并且在所述第二计算窗口内，基于所估计的汇报时刻的系统频率，来对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样。

14.一种电力系统的系统频率测量方法，包括：

基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行采样；

滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰；

基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样；以及

对第一次重新采样的信号计算相量，并更新估计的系统频率；

其中，更新估计的系统频率包括：

对于每个第一次重新采样的采样样本，计算估计的系统频率；

对所计算的估计的系统频率进行平滑滤波，来更新估计的系统频率；

对更新后的估计的系统频率设置对应的时间标签，该时间标签补偿了带外干扰滤除所引入的延时以及平滑滤波所引入的延时；以及

针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签，估计汇报时刻的系统频率。

15.如权利要求14所述的系统频率测量方法，其中，对第一次重新采样的信号计算相量包括：

根据电力系统的工作状态，确定第一计算窗口的宽度；以及

在所述第一计算窗口内对第一次重新采样的信号计算相量。

16.如权利要求14所述的系统频率测量方法，还包括：

基于更新后的估计的系统频率，使用曲线拟合来计算系统频率变化率。