CN104007408B - 一种pmu动态性能的在线检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种PMU动态性能的在线检测方法，包括：获取PMU输入端的输入信号x(t)，并根据所述PMU输出的相量幅值、相位和频率，获取重构信号xm(t)；根据输入信号x(t)和重构信号xm(t)，计算两者的差异信号Δxm(t)；对所述差异信号Δxm(t)进行离散傅立叶变换，得到50Hz工频分量根据50Hz工频分量和PMU输出端的重构信号xm(t)，生成综合相量误差其中，Xm为重构信号xm(t)的幅值，|ΔX|为所述50Hz工频分量的幅值。本发明实施例的PMU动态性能的在线检测方法及装置，综合考虑了频率测量误差、幅值测量误差和相位测量误差，适用于现场复杂运行条件下的在线评价，计算结果不受谐波和噪声的影响，也适用于工频分量存在调频、调幅、调相及突变等动态和暂态过程，评价原则适用于各种动态和暂态过程。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统的性能检测领域，尤其涉及一种PMU动态性能的在线检测方法及装置。
背景技术
在交流电力系统中，PMU的主要任务是真实地反映其输入信号中交流工频量的频率、幅值、相位等相量特征，其输入信号主要是交流工频量(电压、电流)，同时也包含谐波分量、谐振分量、动态衰减分量及噪声等。电压和电流信号可以表示为：
其中，x(t)是具有正弦波波形的电压或电流信号，X是有效值，f是频率，为相角。
不考虑频率变化的情况下，式(1)中包含的正弦波信号可以表示为一个矢量(相量)，即：
基于授时精度优于1μs的高精度GPS/北斗等时钟信号，由众多相量测量装置(PMU)组成的广域测量系统(WAMS，Wide Area Measurement system)能够实现广域电网相量数据及其他运行数据的同步采集，从而帮助电网运行人员提高其对电网运行的动态情况的实时感知能力，及早做出有利于电网稳定运行的控制决策。
电力系统科研工作者和电网运行人员对WAMS的重视程度越来越高，PMU布点规模越来越广，基于广域相量测量的电网运行监测分析功能也越来越实用。广域测量系统(WAMS)的各项应用功能的可靠性高度依赖于相量测量装置(PMU)的数据质量。目前，评价PMU性能的指标都是针对离线测试的，包括频率测量误差，频率变化率误差以及综合矢量误差(TVE)等。离线评价指标的应用前提是必须事先准确了解PMU输入信号的真实特征，从而与PMU输出的测量结果进行比对。然而，在现场环境下电网运行动态过程中难以在实验室中复现，无法准确掌握PMU在现场真实环境下的输入信号的信号特征，因此离线评价指标完全没有办法扩展到实负荷情况下的在线应用。
PMU的动态测量性能是PMU区别于SCADA的最重要特征之一。因此有必要通过在线PMU动态性能的监测来评价PMU动态性能。
一、通过采用综合矢量误差(TVE)来综合评价PMU的测量性能
对式(1)所示的信号，假设PMU输出的相量测量结果为：
上式中的下标“m”表示PMU测量结果。
PMU测量结果与x(t)的真实相量之间的差异如图1所示。图1中，为相角测量误差，即
TVE的定义如下：
式(4)中，下标“r”表示实轴(横轴)分量，下标“i”表示虚轴(纵轴)。
式(4)所示的综合矢量误差可以用另外一种形式表达：
但是，这种现有的利用TVE来衡量PMU的测量性能具有以下局限性：
1)需要事先准确掌握被测信号的真实幅值和相位。根据式(4)和式(5)，要计算TVE，首先要准确地掌握输入信号中工频正弦量的真实幅值X和相角这只有在试验室环境中利用可设定的标准信号源做虚负荷测试时才能满足。
2)无法应用于在线评价。真实的电网每时每刻都处在动态变化之中，PMU的使命也是要尽可能准确反映电网的动态过程，因此，对PMU在运行环境下的性能评价就比实验室中的离线测试显得更加重要。然而，现场环境下电网运行过程中难以在实验室中复现，尤其是电网动态和暂态过程中，电压电流信号中包含大量的谐波、交直流衰减分量和振荡分量，甚至还可能包括次同步成份、铁磁谐振成份等，准确给出PMU输入信号的信号特征也是不可能完成的任务，因此，对于在现场真实运行环境下的实负荷测试，由于无法准确掌握输入信号的真实特征，从而导致TVE无法应用。
3)性能评价比较片面，未综合考虑频率误差。频率与幅值和相位一起构成了正弦量的三要素，频率测量与幅值和相位测量具有同等的重要性。同调机组分群、惯性中心的计算等都依赖于频率测量的准确性。频率测量与幅值和相位测量是耦合在一起的。然而，TVE只考虑了幅值和相角的综合误差，而将频率误差单独作为一项指标。因此，综合矢量误差TVE其实不够“综合”。
二、在PMU离散傅里叶变换(DFT)算法的基础上，重点利用相量因子的概念，分析相量算法的动态特性，揭示其在计算动态相量时出现的平均化效应；进一步给出了即使在相量计算平均化效应的情况下，通过改变时标位置减小动态相量计算误差的理论分析。
该方案设计了PMU静、动态自动测试系统。测试系统采用Omicron继电保护测试仪作为测试信号源。同步时间补偿及信号精度校准后，可发出带有时标的高精度信号，其幅值精度可保证在0.025％以内，相角典型精度为0.02°，频率精度为±0.5×10-6。
在信号发生模块中，根据测试方案建立测试所需信号波形库，分别由Omicron的状态序列及暂态回放2种方式组成。通过计算机可控制Omicron测试波形库可发出PMU测试所需的所有信号。
误差分析模块中，将测试PMU实测相量与理论值进行比较，得到相量、频率、功率等误差。然后进行误差统计分析，得到最大值、最小值、中位数、平均值、标准差、频率影响因子等统计指标，并自动生成测试报告。
但是，该现有的技术方案同样具有以下缺陷：
1)需要事先准确掌握被测信号的真实幅值和相位。该方案的测试系统采用Omicron继电保护测试仪作为测试信号源，测试信号源的波形被认为是完全确定，波形特征事先被测试者所掌握。
2)无法应用于在线评价。该方案的测试系统采用Omicron继电保护测试仪作为测试信号源，然而，现场环境下电网运行过程中不可能在实验室中准确复现，尤其是电网动态和暂态过程中，电压电流信号中包含大量的谐波、交直流衰减分量和振荡分量，甚至还可能包括次同步成份、铁磁谐振成份等，准确给出PMU输入信号的信号特征也是不可能完成的任务，因此，该技术方案只能适用于实验室评价。
3)性能评价比较片面，未综合考虑频率误差。该技术方案的误差分析模块中，将测试PMU实测相量与理论值进行比较，得到相量、频率、功率等误差，各项指标均比较片面。
发明内容
本发明的目的是提出能够适用于电力系统实际运行工况和现场运行环境的PMU性能在线评价方法，以具备综合评价PMU的幅值、相位、频率等误差能力。
为了达到上述目的，本发明实施例提供一种PMU动态性能的在线检测方法，包括：获取PMU输入端的输入信号x(t)，并根据所述PMU输出的相量幅值、相位和频率，获取重构信号xm(t)；根据所述输入信号x(t)和重构信号xm(t)，计算两者的差异信号Δxm(t)；对所述差异信号Δxm(t)进行离散傅立叶变换，得到50Hz工频分量根据所述50Hz工频分量和PMU输出端的重构信号xm(t)，生成综合相量误差其中，所述Xm为所述重构信号xm(t)的幅值，|ΔX|为所述50Hz工频分量的幅值。
进一步地，所述根据PMU输出的相量幅值、相位和频率，获取重构信号xm(t)，包括：根据所述PMU输出端的相量测量结果：所述幅值Xm，相位以及频率fm，重新构造正弦信号：
进一步地，所述根据所述输入信号x(t)和重构信号xm(t)，计算两者的差异信号Δxm(t)，包括：Δxm(t)＝x(t)-xm(t)。
进一步地，所述对差异信号Δxm(t)进行离散傅立叶变换，得到的50Hz工频分量为：其中，Nm＝round[Tm/Ts]，Ts为PMU的采样间隔；的实部为Δxm(t)在cos(2πfmt)上的投影，的虚部为Δxm(t)在sin(2πfmt)上的投影。
为了达到上述目的，本发明实施例还提供一种PMU动态性能的在线检测装置，包括：信号获取装置，用于获取PMU输入端的输入信号x(t)，并根据所述PMU输出的相量幅值、相位和频率，获取重构信号xm(t)；差异信号生成装置，用于根据所述输入信号x(t)和重构信号xm(t)，计算两者的差异信号Δxm(t)；工频分量生成装置，用于对所述差异信号Δxm(t)进行离散傅立叶变换，得到50Hz工频分量综合相量误差生成装置，用于根据所述50Hz工频分量和PMU输出端的重构信号xm(t)，生成综合相量误差其中，所述Xm为所述重构信号xm(t)的幅值，|ΔX|为所述50Hz工频分量的幅值。
本发明实施例的PMU动态性能的在线检测方法及装置，综合考虑了频率测量误差、幅值测量误差和相位测量误差，适用于现场复杂运行条件下的在线评价，计算结果不受谐波和噪声的影响，也适用于工频分量存在调频、调幅、调相及突变等动态和暂态过程，评价原则适用于各种动态和暂态过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中描述的PMU测量结果与x(t)的真实相量之间的差异；
图2为本发明实施例的PMU动态性能的在线检测方法的方法流程图；
图3为本发明实施例的PMU动态性能的在线检测装置的结构示意图；
图4为具体实施例中的采样数据与基于PMU数据的重构数据之间的差别信号的示意图；
图5为具体实施例中的PMU数据的综合相量误差计算结果示意图；
图6为具体实施例中的采样数据与基于计算数据的重构信号之间的差别信号的示意图；
图7为具体实施例中的计算数据的综合相量误差计算结果示意图；
图8为具体实施例中的PMU数据中的频率测量结果与计算数据中的频率计算结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
PMU相量测量的目的是为了准确的提取其输入信号中工频量的相量特征，包括幅值X、频率f和相位因此PMU在线性能的评价原则应该是：理想情况下，PMU的输出应该准确地反映PMU的输入。
图2为本发明实施例的PMU动态性能的在线检测方法的方法流程图。如图所示，该方法包括：步骤S101，获取PMU输入端的输入信号x(t)，并根据所述PMU输出的相量幅值、相位和频率，获取重构信号xm(t)；步骤S102，根据所述输入信号x(t)和重构信号xm(t)，计算两者的差异信号Δxm(t)；步骤S103，对所述差异信号Δxm(t)进行离散傅立叶变换，得到50Hz工频分量步骤S104，根据所述50Hz工频分量和PMU输出端的重构信号xm(t)，生成综合相量误差其中，所述Xm为所述重构信号xm(t)的幅值，|ΔX|为所述50Hz工频分量的幅值。
在本实施例中，在步骤S101中，假设PMU对其输入信号x(t)的相量测量结果为：幅值Xm，相位频率fm。设xm(t)是利用Xm，和fm构造的一个正弦信号(以下简称重构信号)，如下式所示：
在理想情况下，重构信号xm(t)与真实信号x(t)中包含的工频正弦量应完全相同。即：
根据所述输入信号x(t)和重构信号xm(t)，计算两者的差异信号Δxm(t)为：
Δxm(t)＝x(t)-xm(t)＝Δx(t) (8)
式(8)意味着基于PMU测量结果的重构信号xm(t)与PMU输入信号x(t)之间的差异信号Δxm(t)中只包含噪声、谐波等与工频信号无关的分量。反言之，如果差异信号Δxm(t)中包含了工频分量，则可以断定PMU的测量结果没有真实地反映PMU的输入信号的特征。
根据这一思路，给出了PMU动态性能的综合评价指标：综合相量误差(TPE)。
如果PMU测量结果准确的反映了输入信号中的工频正弦量的特征，则差异信号Δxm(t)中不应该包含频率为工频分量真实频率f的分量。
由于Δxm(t)包含频率为fm的信号与频率为f的信号之间的差异信号，因此可以将测量结果xm(t)看作输入，将原始信号x(t)看做是输出，在理想条件下，差异信号Δxm(t)中也不应该包含频率为fm的分量，即：
在式(9)和式(10)中，Tm＝1/fm。
式(9)和式(10)表明：如果PMU测量结果准确的反映了输入信号中的工频正弦量的特征，则差异信号Δxm(t)中不应该包含频率为fm的分量。也就是说，理想情况下，Δxm(t)在sin(2πfmt)和cos(2πfmt)上的投影应该为零。由式(9)和式(10)，给出综合相量误差(TPE)的确定方法如下：
第一步：即在步骤S103中，计算Δxm(t)的离散傅立叶变换(DFT)，得到的50Hz工频分量为：
其中，Nm＝round[Tm/Ts]，Ts为PMU的采样间隔；的实部为Δxm(t)在cos(2πfmt)上的投影，的虚部为Δxm(t)在sin(2πfmt)上的投影。
第二步：即在步骤S104中，对PMU测量结果的误差进行综合评价，定义TPE为：
其中，Xm为所述重构信号xm(t)的幅值，|ΔX|为所述50Hz工频分量的幅值。
应该注意到，实际生产应用中，PMU的采样频率Ts高达4800Hz甚至10000Hz，Tm/Ts取整(即Nm＝round[Tm/Ts])对|ΔX|的计算结果影响很小。实际的PMU在幅值测量方面有较高的准确度(一般情况下幅值相对误差均小于1％)，因此，在式(12)中，分母用Xm代替X引起的相对误差很小。
图3为本发明实施例的PMU动态性能的在线检测装置的结构示意图。如图所示，本实施例的在线检测装置包括：信号获取装置101，用于获取PMU输入端的输入信号x(t)，并根据所述PMU输出的相量幅值、相位和频率，获取重构信号xm(t)；差异信号生成装置102，用于根据所述输入信号x(t)和重构信号xm(t)，计算两者的差异信号Δxm(t)；工频分量生成装置103，用于对所述差异信号Δxm(t)进行离散傅立叶变换，得到50Hz工频分量综合相量误差生成装置104，用于根据所述50Hz工频分量和PMU输出端的重构信号xm(t)，生成综合相量误差其中，所述Xm为所述重构信号xm(t)的幅值，|ΔX|为所述50Hz工频分量的幅值。
以下对综合相量误差(TPE)与综合矢量误差(TVE)进行一下比较：
假定被测信号(PMU输入信号)为：
如果式(13)中X和已知，则可以计算综合矢量误差TVE如下：
如果PMU的频率测量误差为零，即ωm＝ω,则：
则可计算出差异信号Δxm(t)为：
此时，工频分量
则综合相量误差
根据式(18)可知，如果频率测量误差为零，综合相量误差TPE与综合矢量误差TVE的评价结果基本一致。但两者在计算过程中的差别很大：
1)综合矢量误差TVE的计算需要准确地了解输入信号的幅值X，角频率ω和相位这在现场运行环境中是不可能得到的；
2)综合相量误差TPE的计算只需要了解PMU输入信号的采样值，不需要了解其真实幅值、角频率和相位。
利用本发明实施例的PMU动态性能的在线检测方法及装置，进行综合评价的综合相量误差TPE的优点如下：
1)适用于现场复杂运行条件下的在线评价；
2)评价原则适用于各种动态和暂态过程，计算结果不受谐波和噪声的影响，也适用于工频分量存在调频、调幅、调相及突变等动态和暂态过程；
3)综合考虑了频率测量误差、幅值测量误差和相位测量误差。
具体实施例：
依据本发明的PMU动态性能的在线检测方法已在国家电网华北电力调控分中心投入运行，下面给出实际算例：
算例均采用华北电网PMU在实际运行中的采样数据及其对应的相量测量结果数据，包括：
1)48000个采样数据(对应时长为10s)；
2)与采样数据对应的1000帧相量数据(对应时长也为10s)。
基于以上数据，算例部分开展了以下工作：
1)对PMU上传的采样数据和相量测量结果进行综合相量误差(TPE)计算；
2)利用现有的一种精度很高的相量计算方法，该方法能够精确补偿非同步采样带来的误差，并能自适应地抑制谐波干扰。对采样数据进行相量计算，然后对计算结果进行综合相量误差(TPE)计算。
为了方便表述，本实施例中对PMU采样数据简称为“采样数据”，对PMU测量结果简称为“PMU数据”，对利用现有的精度很高的相量计算方法计算得到的相量数据简称为“计算数据”。
图4给出了采样数据与基于PMU数据的重构数据之间的差别信号Δxm(t)。为了便于看清细节，图4中的时间范围为100ms。通过图4可以直观地看出，差别信号包含频率接近于工频(50Hz)的分量。
图5给出了PMU数据的综合相量误差计算结果。
图6给出了采样数据与基于计算数据的重构信号之间的差别信号。为了便于看清细节，图6中的时间轴的时间范围也为100ms。通过图6可以直观地看出，差异信号中基本不包含工频(50Hz)的分量。
图7给出了计算数据的综合相量误差计算结果。将图7与图5相比，可以看出，计算数据的准确度要明显高于PMU数据。
图8给出了PMU数据中的频率测量结果与计算数据中的频率计算结果。可以看出，两者的频率计算结果相近(PMU数据在从子站上传到主站前进行了滤波，因此看起来要相对平滑)。
将图7与图8比较，可以看出，工频信号的频率偏移(工频信号的实际频率与额定频率50Hz的差值)越大，计算数据的综合相量误差TPE越大，也就是说，计算数据的综合相量误差TPE主要是由于非同步采样引起的。
比较图5和图8，可以看出，工频信号的频率偏移越大，PMU数据的综合相量误差TPE也越大，但影响PMU数据的TPE数值的因素不仅仅是非同步采样，也包括其他原因(如算法精确程度等)。
上述具体实施例对现有PMU产品和本发明方法的误差进行了比对，比对结果表明，与该相量测量方法相比，现有PMU产品的在线测量误差确实比较大，验证了本发明的综合相量误差(TPE)评价方法能够应用于现场分析，给出频率、幅值、相位的综合误差评价，并给出有效的减少误差提高测量准确度的指导意见。
本发明实施例的PMU动态性能的在线检测方法及装置，综合考虑了频率测量误差、幅值测量误差和相位测量误差，适用于现场复杂运行条件下的在线评价，计算结果不受谐波和噪声的影响，也适用于工频分量存在调频、调幅、调相及突变等动态和暂态过程，评价原则适用于各种动态和暂态过程。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (6)
1.一种PMU动态性能的在线检测方法，其特征在于，所述在线检测方法包括：
获取PMU输入端的输入信号x(t)，并根据所述PMU输出的相量幅值、相位和频率，获取重构信号xm(t)；
根据所述输入信号x(t)和重构信号xm(t)，计算两者的差异信号Δxm(t)；
对所述差异信号Δxm(t)进行离散傅立叶变换，得到50Hz工频分量
根据所述50Hz工频分量和PMU输出端的重构信号xm(t)，生成综合相量误差其中，所述Xm为所述重构信号xm(t)的幅值，|ΔX|为所述50Hz工频分量的幅值。
2.根据权利要求1所述的PMU动态性能的在线检测方法，其特征在于，根据所述PMU输出的相量幅值、相位和频率，获取重构信号xm(t)，包括：
根据所述PMU输出端的相量测量结果：所述幅值Xm、相位以及频率fm，重新构造正弦信号：
3.根据权利要求2所述的PMU动态性能的在线检测方法，其特征在于，根据所述输入信号x(t)和重构信号xm(t)，计算两者的差异信号Δxm(t)＝x(t)-xm(t)。
4.一种PMU动态性能的在线检测装置，其特征在于，所述在线检测装置包括：
信号获取装置，用于获取PMU输入端的输入信号x(t)，并根据所述PMU输出的相量幅值、相位和频率，获取重构信号xm(t)；
差异信号生成装置，用于根据所述输入信号x(t)和重构信号xm(t)，计算两者的差异信号Δxm(t)；
工频分量生成装置，用于对所述差异信号Δxm(t)进行离散傅立叶变换，得到50Hz工频分量
综合相量误差生成装置，用于根据所述50Hz工频分量和PMU输出端的重构信号xm(t)，生成综合相量误差其中，所述Xm为所述重构信号xm(t)的幅值，|ΔX|为所述50Hz工频分量的幅值。
5.根据权利要求4所述的PMU动态性能的在线检测装置，其特征在于，所述信号获取装置根据PMU输出的相量幅值、相位和频率，获取重构信号xm(t)，包括：
根据所述PMU输出端的相量测量结果：所述幅值Xm、相位以及频率fm，重新构造正弦信号：
6.根据权利要求5所述的PMU动态性能的在线检测装置，其特征在于，所述差异信号生成装置根据所述输入信号x(t)和重构信号xm(t)，计算两者的差异信号Δxm(t)＝x(t)-xm(t)。
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