CN103630744B - Pmu相角检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种PMU相角检测方法，包括步骤：获取相角数据，对相角数据进行分段拟合得到FEA曲线；根据各个分段区间内FEA曲线的最大值与最小值之差的平均值确定量测误差；基于相角和频率的关系，确定拟合参数，根据拟合参数确定所有分段区间内的拟合误差；根据拟合误差与量测误差确定系统误差；根据系统误差校正相角数据。本发明通过对相角数据进行分段拟合得到FEA曲线，根据FEA曲线分别计算量测误差、拟合误差及系统误差，能有效地检测出PMU相角量测中存在的系统误差，并对误差的大小做出准确评估，及时对PMU相角数据校正，降低相角量测的突变性，消除伪波动，提高PMU相角量测质量，有利于对整个电网的调度和控制。

Description

PMU相角检测方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统监控测量技术领域，特别是涉及一种PMU相角检测方法及系统。

背景技术

随着互联电网规模的日益扩大，大容量、远距离输电和大型电力系统的联网输电成为现代电力系统的重要发展趋势。随着全球定位系统、数字信号处理器技术以及以太网通讯技术的发展，目前以同步相量测量这一技术手段为主。

同步相量测量单元PMU(PhasorMeasurementUnit)因其量测的同步性与相量上送的快速性为实现电力系统动态过程监测创造了条件，近年来在全球范围内得到快速发展。基于同步相量信息的动态安全控制得到广泛的应用，如电力系统监测、广域保护、阻尼控制、低频振荡辨识、次同步振荡在线预警、状态估计等。

目前，广泛采用DFT算法(离散傅里叶变换)作为PMU相角的检测方法。在额定频率时，DFT算法得到的基频相量能够准确反映系统的运行状况。但是，当系统处于非额定频率情况下，DFT算法导致的系统误差往往表现为伪波动的形式，难以用状态估计等方法消除，不仅影响PMU相角的精度，还会在实际应用时引入干扰，甚至将会对整个电网的调度和控制造成严重的影响。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种误差小、精度较高的PMU相角检测方法及系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种PMU相角检测方法，包括步骤：

获取相角数据，对相角数据进行分段拟合得到FEA曲线；

根据各个分段区间内FEA曲线的最大值与最小值之差的平均值确定量测误差；

基于相角和频率的关系，确定拟合参数，根据拟合参数确定所有分段区间内的拟合误差；

根据所述拟合误差与所述量测误差确定系统误差。

根据所述系统误差校正相角数据。

一种PMU相角检测系统，包括：

获取FEA曲线模块，用于获取相角数据，对相角数据进行分段拟合得到FEA曲线；

确定量测误差模块，用于基于FEA曲线，根据分段区间内FEA曲线的最大值与最小值之差的平均值确定量测误差；

确定拟合误差模块，用于基于相角和频率的关系，确定拟合参数，根据拟合参数确定所有分段区间内的拟合误差；

确定系统误差模块，用于根据所述拟合误差与所述量测误差确定系统误差；

校正相角数据模块，用于根据所述系统误差校正相角数据。

本发明的有益效果：

通过对相角数据进行分段拟合得到FEA曲线，基于FEA曲线分别计算量测误差、拟合误差及系统误差，能有效地检测出PMU相角量测中存在的系统误差，并对误差的大小做出准确评估，及时对PMU相角数据校正，降低相角量测的突变性，消除伪波动，提高PMU相角量测质量，有利于对整个电网的调度和控制。

附图说明

图1为本发明PMU相角检测方法的示意流程图；

图2为本发明PMU相角检测系统的结构示意图；

图3为频率固定偏离额定值(49Hz)和频率斜坡时得到的相量相角的量测误差图；

图4为120s内稳态数据进行定分段间隔拟合得到的FEA曲线与频率拟合曲线图；

图5为60s内含扰动的数据进行定分段间隔拟合得到的FEA曲线与频率拟合曲线图；

图6为120s内稳态数据进行自适应分段间隔拟合得到的FEA曲线与频率拟合曲线图；

图7为60s内含扰动的数据进行自适应分段间隔拟合得到的FEA曲线与频率拟合曲线图；

图8为定分段间隔拟合法和自适应分段间隔拟合法两种方法的频率拟合误差曲线图；

图9为定分段间隔拟合法和自适应分段间隔拟合法两种方法的量测误差图；

图10为定分段间隔拟合法和自适应分段间隔拟合法两种方法的拟合误差图；

图11为定分段间隔拟合法和自适应分段间隔拟合法两种方法综合考虑后的系统误差图。

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。

请参阅图1，图1为本发明PMU相角检测方法的示意流程图。本发明PMU相角检测方法，包括以下步骤：

S101获取相角数据，对相角数据进行分段拟合得到FEA曲线；

在其中一个实施例中，所述对相角数据进行分段拟合得到FEA曲线，采用定分段间隔拟合法或自适应分段间隔拟合法的分段拟合方法。

所述定分段间隔拟合法包括步骤：

检测相角曲线发生突变的时间点集{t_i|i＝1,2,...,m}，给定分段拟合的分段间隔ΔT；

对于首个突变点t_i之前的相角曲线，若t_i＜ΔT，则使用二次曲线拟合相角曲线，使用直线拟合频率曲线；若t_i＞ΔT，将(0,t_i)按照ΔT分段后拟合相角与频率；

对于两个突变点t_i＞t_j之间的相角曲线，若t_j-t_i＜ΔT，直接拟合相角与频率，若t_j-t_i＞ΔT，将(t_i,t_j)按照ΔT分段后拟合相角与频率。

所述自适应分段间隔拟合法包括步骤：

检测频率曲线拐点的时间点集t₁＝{t_k|k＝1,2,...,m}；

检测相角曲线发生突变的时间点集t₂＝{t_i|i＝1,2,...,m}；

设定分段时间点集t＝t₁Ut₂，使用二次曲线拟合相角曲线，使用直线拟合频率曲线。

S102基于FEA曲线，根据分段区间内FEA曲线的最大值与最小值之差的平均值确定量测误差；

根据公式确定所述量测误差，其中D_v为量测误差，FEA_kmax为各个分段区间内FEA曲线的最大值，FEA_kmin为各个分段区间内FEA曲线的最小值，N为分段区间的数量。

在分段拟合中，认为在分段区间内，频率的变化率相同，因而相角可以FEA曲线用一条二次曲线拟合。在分段区间内相角FEA曲线应波动很小，相角FEA波动越小且越趋近于0，说明该PMU相角量测的质量越好。

如图3和4所示，为经过未经修正的DFT算法，在频率固定偏离额定值(49Hz)和频率斜坡时得到的量测误差。当频率固定偏离额定值时，量测误差呈现周期性的波动；而当频率斜坡变化时，量测误差随着频率偏移的增大而增大，并且频率斜坡变化时的量测误差明显大于频率固定偏离额定值时的指标。

经过上述分析可见，由于DFT算法导致的系统误差可以由量测误差体现出来。

S103基于相角和频率的关系，确定拟合参数，根据拟合参数确定所有分段区间内的拟合误差；

确定拟合误差的步骤如下：

设定相角和频率分段拟合的表达式为：和

根据相角和频率的关系，确定拟合参数如下： $\begin{array}{c}{c}_i=180e_i\\ b_i=360(d_i-50)\end{array};$

设定：ξ_i＝180e_i-c_i和η_i＝360(d_i-50)-b_i；

根据公式确定拟合误差，其中F_v为拟合误差，N为分段区间的数量。

由于拟合本身带有误差，引入拟合误差。拟合误差越小，证明拟合越准确，FEA曲线越能够反应系统误差的情况。

S104根据所述拟合误差与所述量测误差确定系统误差。

在其中一个实施例中，根据公式D'_v＝D_v+aF_v确定所述系统误差，其中D'_v为系统误差，D_v为量测误差，F_v为拟合误差，a权重系数，a的取值范围为0.01～0.05。

当F_v较大时，FEA曲线反应系统误差的能力减小，此时需要对量测误差D_v进行修正。并且，F_v越大，修正的幅度越大，从而得到上述综合考虑的系统误差。

S105根据所述系统误差校正相角数据。

实施例一：分段FEA曲线拟合结果。

如图4所示，为对某省一台PMU的120s内稳态数据进行定分段间隔拟合，分段间隔为5s，得到的FEA曲线与频率拟合曲线。

如图5所示，为对同一台PMU的60s内含扰动的数据进行定分段间隔拟合，分段间隔为5s，得到的FEA曲线与频率拟合曲线。

如图6所示，为对同一台PMU的120s内的稳态和扰动数据进行自适应分段间隔拟合，得到的FEA曲线与频率拟合曲线。

如图7所示，为对同一台PMU的60s内含扰动的数据进行自适应分段间隔拟合得到的FEA曲线与频率拟合曲线图。

如图8所示，为定分段间隔拟合法和自适应分段间隔拟合法两种方法的频率拟合误差曲线图，对比分析如下：

稳态情况下，自适应分段间隔频率拟合误差略小，这与分段间隔的选取有关。只有当分段间隔拟合的分段间隔选择合理时，才能对频率做出正确的拟合。如果分段间隔选择的过大，频率拟合度过低，FEA曲线反应误差的能力下降；如果分段间隔选择的过小，可能将伪波动分量拟合到二次曲线中，导致应有的系统误差不能完全检测出来。

在扰动时，频率的变化比较剧烈。相对于定间隔拟合的方法，自适应算法对频率拐点识别度降低，分段间隔变大，使得频率拟合误差增大。但是总体来说相差不大。

综上所述，在定分段间隔拟合法分段间隔选择合理的情况下，两种拟合方法都能得到合理的FEA曲线，可以用于检测和评估系统误差。

实施例二：系统误差结果

如图9所示，为定分段间隔拟合法和自适应分段间隔拟合法两种方法的量测误差图，其分析如下：

无论是稳态数据还是暂态数据，虽然两种拟合方法得到的量测误差有所不同，但是都存在一定的波动性。此波动与由于DFT算法造成的系统误差的波动性类似。因此PMU量测中存在算法造成的系统误差。并且对比稳态和扰动数据可以发现，扰动数据在扰动期间量测误差明显的大于稳态时的量测误差，该PMU在电力系统处于动态时量测的系统误差明显增大，与前述分析相符。

如图10所示，为定分段间隔拟合法和自适应分段间隔拟合法两种方法，使用相同的PMU相角数据，检测稳态及扰动数据的拟合误差图，其分析如下：

扰动时的拟合误差反而比稳态时要好，这是由于在线检测时拟合相角曲线时采用的是二次多项式拟合。处于稳态情况时，频率的变化率往往不大，受限于量测时产生的误差和其他干扰，导致拟合不准确。发生扰动时，频率变化剧烈，拟合更加准确。

如图11所示，为定分段间隔拟合法和自适应分段间隔拟合法两种方法当α＝0.05时综合考虑后的系统误差图，其分析如下：

系统误差在两种拟合方法下的波动性更趋于一致，并且扰动期间的量测误差大于稳态，进一步说明该PMU相角量测中存在一定的伪波动，并且在扰动时，系统误差有所增大。

本发明还公开了一种PMU相角检测系统，包括：

获取FEA曲线模块，用于获取相角数据，对相角数据进行分段拟合得到FEA曲线；

确定量测误差模块，用于基于FEA曲线，根据分段区间内FEA曲线的最大值与最小值之差的平均值确定量测误差；

确定拟合误差模块，用于基于相角和频率的关系，确定拟合参数，根据拟合参数确定所有分段区间内的拟合误差；

确定系统误差模块，用于根据所述拟合误差与所述量测误差确定系统误差；

校正相角数据模块，用于根据所述系统误差校正相角数据。

其中一个实施例中，所述量测误差模块根据公式确定所述量测误差，其中D_v为量测误差，FEA_kmax为各个分段区间内FEA曲线的最大值，FEA_kmin为各个分段区间内FEA曲线的最小值，N为分段区间的数量。

其中一个实施例中，所述拟合误差模块根据如下步骤确定拟合误差：

设定相角和频率分段拟合的表达式为：和

根据相角和频率的关系，确定拟合参数如下： $\begin{array}{c}{c}_i=180e_i\\ b_i=360(d_i-50)\end{array};$

设定：ξ_i＝180e_i-c_i和η_i＝360(d_i-50)-b_i；

根据公式确定拟合误差，其中F_v为拟合误差，N为分段区间的数量。

其中一个实施例中，所述确定系统误差模块，根据公式D'_v＝D_v+aF_v确定，其中D'_v为系统误差，D_v为量测误差，F_v为拟合误差，a权重系数，a的取值范围为0.01～0.05。

综上所述，本发明通过对相角数据进行分段拟合得到FEA曲线，基于FEA曲线分别计算量测误差、拟合误差及系统误差，能有效地检测出PMU相角量测中存在的系统误差，并对误差的大小做出准确评估，及时对PMU相角数据校正，降低相角量测的突变性，消除伪波动，提高PMU相角量测质量，有利于对整个电网的调度和控制。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。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，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种PMU相角检测方法，其特征在于，包括步骤：

获取相角数据，并对所述相角数据进行分段拟合得到FEA曲线；

根据各个分段区间内FEA曲线的最大值与最小值之差的平均值确定量测误差；

根据相角和频率的关系，确定拟合参数，根据拟合参数确定所有分段区间内的拟合误差；

根据所述拟合误差与所述量测误差确定系统误差；

根据所述系统误差校正相角数据；

所述根据所述拟合误差与所述量测误差确定系统误差，根据公式D'_v＝D_v+aF_v确定所述系统误差，其中D'_v为系统误差，D_v为量测误差，F_v为拟合误差，a权重系数，a的取值范围为0.01～0.05；

所述根据拟合参数确定所有分段区间内的拟合误差的步骤包括如下：

设定相角和频率分段拟合的表达式为：和

根据相角和频率的关系，确定拟合参数如下：

设定：ξ_i＝180e_i-c_i和η_i＝360(d_i-50)-b_i；

根据公式确定拟合误差，其中F_v为拟合误差，N为分段区间的数量。

2.根据权利要求1所述的PMU相角检测方法，其特征在于：所述对相角数据进行分段拟合得到FEA曲线的步骤包括：

检测相角曲线发生突变的时间点集{t_i|i＝1,2,...,m}，给定分段拟合的分段间隔ΔT；

对于首个突变点t_i之前的相角曲线，若t_i＜ΔT，则使用二次曲线拟合相角曲线，使用直线拟合频率曲线；若t_i＞ΔT，将(0,t_i)按照ΔT分段后拟合相角与频率；

对于两个突变点t_i＞t_j之间的相角曲线，若t_j-t_i＜ΔT，直接拟合相角与频率，若t_j-t_i＞ΔT，将(t_i,t_j)按照ΔT分段后拟合相角与频率；

或

所述对相角数据进行分段拟合得到FEA曲线的步骤包括：

检测频率曲线拐点的时间点集t₁＝{t_k|k＝1,2,...,m}；

检测相角曲线发生突变的时间点集t₂＝{t_i|i＝1,2,...,m}；

设定分段时间点集t＝t₁Ut₂，使用二次曲线拟合相角曲线，使用直线拟合频率曲线。

3.根据权利要求1所述的PMU相角检测方法，其特征在于：所述根据各个分段区间内FEA曲线的最大值与最小值之差的平均值确定量测误差的步骤包括公式：

$D_v=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}({\mathrm{FEA}}_{kmax}-{\mathrm{FEA}}_{kmin})}{N}$

其中D_v为量测误差，FEA_kmax为各个分段区间内FEA曲线的最大值，FEA_kmin为各个分段区间内FEA曲线的最小值，N为分段区间的数量。

4.一种PMU相角检测系统，其特征在于，包括：

获取FEA曲线模块，用于获取相角数据，对相角数据进行分段拟合得到FEA曲线；

确定量测误差模块，用于基于FEA曲线，根据分段区间内FEA曲线的最大值与最小值之差的平均值确定量测误差；

确定拟合误差模块，用于基于相角和频率的关系，确定拟合参数，根据拟合参数确定所有分段区间内的拟合误差；

确定系统误差模块，用于根据所述拟合误差与所述量测误差确定系统误差；

校正相角数据模块，用于根据所述系统误差校正相角数据；

所述确定系统误差模块，根据公式D'_v＝D_v+aF_v确定，其中D'_v为系统误差，D_v为量测误差，F_v为拟合误差，a权重系数，a的取值范围为0.01～0.05；

所述拟合误差模块根据如下步骤确定拟合误差：

设定相角和频率分段拟合的表达式为：和

根据相角和频率的关系，确定拟合参数如下：

设定：ξ_i＝180e_i-c_i和η_i＝360(d_i-50)-b_i；

根据公式确定拟合误差，其中F_v为拟合误差，N为分段区间的数量。

5.根据权利要求4所述的PMU相角检测系统，其特征在于：所述对相角数据进行分段拟合得到FEA曲线的步骤包括：

检测相角曲线发生突变的时间点集{t_i|i＝1,2,...,m}，给定分段拟合的分段间隔ΔT；

对于首个突变点t_i之前的相角曲线，若t_i＜ΔT，则使用二次曲线拟合相角曲线，使用直线拟合频率曲线；若t_i＞ΔT，将(0,t_i)按照ΔT分段后拟合相角与频率；

对于两个突变点t_i＞t_j之间的相角曲线，若t_j-t_i＜ΔT，直接拟合相角与频率，若t_j-t_i＞ΔT，将(t_i,t_j)按照ΔT分段后拟合相角与频率；

或

所述对相角数据进行分段拟合得到FEA曲线的步骤包括：

检测频率曲线拐点的时间点集t₁＝{t_k|k＝1,2,...,m}；

检测相角曲线发生突变的时间点集t₂＝{t_i|i＝1,2,...,m}；

设定分段时间点集t＝t₁Ut₂，使用二次曲线拟合相角曲线，使用直线拟合频率曲线。

6.根据权利要求4所述的PMU相角检测系统，其特征在于：所述量测误差模块根据公式确定所述量测误差，其中D_v为量测误差，FEA_kmax为各个分段区间内FEA曲线的最大值，FEA_kmin为各个分段区间内FEA曲线的最小值，N为分段区间的数量。