CN105182073A - 一种同步相量测量装置的动态相量测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同步相量测量装置的动态相量测量系统及其测量方法，该系统包括电流电压输入模块、卫星接收机、计算模块、通讯模块、存储器模块；所述计算模块与卫星接收机、通讯模块、存储器模块和电流电压输入模块相连。本发明采用四分之三基波周期动态相量测量算法测量动态相量，解决了动态相量测量中计算量和实时性的矛盾，实现动态相量的快速准确测量，可以提高同步相量测量装置的测量性能，为大电网分析和控制提供帮助。

Description

一种同步相量测量装置的动态相量测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种动态相量测量方法，具体涉及一种同步相量测量装置的动态相量测量方法。

背景技术

同步相量测量装置(PhasorMeasurementUnit,PMU)的应用，使大规模互联电网的实时监测成为可能，为大规模互联电网的监测和分析带来了极大地便利。PMU的动态性能十分重要，但在实际中电网电压的幅值、频率和相角难以保持恒定，因此PMU始终需要测量动态信息。当电网发生低频振荡、频率偏移等故障时，如果对电流、电压估计不准确，有可能造成对电网潮流的错误估计，从而导致对电网状态的错误判断和对电网故障的错误分析，引起错误调度，影响电网的安全稳定运行。随着分布式电源大规模接入电网，电网中的干扰因素会不断增多，动态测量对电力系统的意义会愈发显著。

相量测量方法是PMU动态监测的核心。现阶段，实际中主要采用的相量测量算法是离散傅里叶变换相量估计法(discreteFouriertransform,DFT)。DFT可以准确测量静态相量的幅值和频率，但DFT测量动态相量时效果会明显变差。因此，动态相量测量方法还很不成熟，如何能够准确、实时的测量动态相量仍需要深入研究。只有这样才能提高PMU实际测量的准确性，满足大型互联电网测量分析的实际需要。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种同步相量测量装置的动态相量测量系统及其测量方法。

实现上述目的所采用的解决方案为：

一种同步相量测量装置的动态相量测量系统，该系统包括电流电压输入模块、卫星接收机、计算模块、通讯模块、存储器模块；所述计算模块与卫星接收机、通讯模块、存储器模块和电流电压输入模块相连。

优选的，所述电流电压输入模块包括滤波器和模数转化装置，输入的模拟电流电压量经滤波器滤除高频干扰后，由模数转化装置将模拟电流电压量转化为数字量。

优选的，所述卫星接收机获得卫星授权后，可同时接收GPS卫星信号和北斗卫星信号，根据信号质量自动选择卫星信号，还可以手工设置接收的信号的种类，以保证时间信号的安全性。在初始化时，可以根据接收的卫星数量、卫星仰角等信息自动判断选择何种卫星信号。将卫星的标准时间赋给被观测相量作为被观测相量的时标。

优选的，所述计算模块根据不同的应用需求选择不同的滤波器和窗函数，配合四分之三基波周期动态相量测量算法得到动态相量即被观测相量的测量值，减少动态相量的测量时间。

优选的，所述通讯模块功能包括将计算模块中的计算结果上传到以太网，进行远程分析和控制、将远程指令传输到计算模块，配置不同的相量测量方案。

通讯模块做为微处理器连接以太网的接口，用于PMU和外界的信息交换。存储器模块可以存储同步相量测量结果。

优选的，所述存储器模块用于存储计算模块的计算结果。

优选的，所述测量方法包括如下步骤：(1)所述电流电压输入模块采集四分之三基波周期的数据，组成列向量 $\left(\begin{array}{c}s\left(0\right)\\ s\left(1\right)\\ .\\ .\\ .\\ s(\frac{3N}{4}-1)\end{array}\right);$ N为一个周期的采样点数；

(2)对采集的数据进行Kalman滤波降低噪声、提高信噪比；

(3)计算模块由LS法估计被观测相量得式(1)

$\left(\begin{array}{c}\hat{p}\\ \widehat{\stackrel{\‾}{p}}\end{array}\right)=2{\left(B_{sq}^H{W}^H{\mathrm{WB}}_{sq}\right)}^{-1}{B}_{sq}^H{W}^{H}W\hat{s}---\left(1\right)$

式中， $B_{sq}=\left(\begin{array}{cc}{e}^{j\mathrm{\ω}}& e^{-j\mathrm{\ω}}\\ e^{j2\mathrm{\ω}}& e^{-j2\mathrm{\ω}}\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ e^{j(\frac{3N}{4}-1)\mathrm{\ω}}& e^{-j(\frac{3N}{4}-1)\mathrm{\ω}}\end{array}\right),$ ω为角频率，j是虚部，N为一个周期的采样点数，W为窗函数，一般选择Hamming窗函数或者Kaiser窗函数，为经过Kalman滤波的列向量, $\hat{s}=\left(\begin{array}{c}\hat{s}\left(0\right)\\ \hat{s}\left(1\right)\\ .\\ .\\ .\\ \hat{s}(\frac{3N}{4}-1)\end{array}\right),$ 为的共轭相量；W^H为窗函数转置，为B_sq转置；

测量动态相量的核心是四分之三基波周期动态相量测量算法，每一个计算时间窗内截取四分之三基波周期的测量量。对截取的数据采用最小二乘相量估计算法测量相量。由于算法在基频附近频谱平坦，故具有良好的动态特性。同时，在截取数据和最小二乘相量估计时可以选择不同的滤波器和窗函数，调整计算结果。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用四分之三基波周期动态相量测量算法测量动态相量，解决了动态相量测量中计算量和实时性的矛盾，实现动态相量的快速准确测量，可以提高同步相量测量装置的测量性能，为大电网分析和控制提供帮助。

附图说明

图1为本发明的原理结构图；

图2为本发明动态相量测量算法的核心思路图。

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。

一种同步相量测量装置的动态相量测量系统，包括电流电压输入模块1，卫星接收机2，计算模块3，通讯模块4、存储器模块5。电流电压输入模块1中包括滤波器和模数转化两个部分，输入的模拟电流量和电压量经滤波器滤除高频干扰后，由模数转化部分将模拟量转化为数字量，转化结果输入计算模块3。卫星接收机2获得卫星授时，改时间可以来自GPS卫星或北斗卫星。卫星接收机输出的时间信号输入计算模块3，在该模块中采用四分之三基波周期动态相量测量算法测量出动态相量即被观测相量。通讯模块4可以将计算模块3中的计算结果上传到以太网，进行远程分析和控制；也可以将远程指令传输到计算模块3中，配置不同的相量测量方案。存储器模块5可以存储计算模块3中的计算结果。

采用四分之三基波周期动态相量测量算法测量动态相量，减少动态相量的测量时间。

可以根据不同的应用需求选择不同的滤波器和窗函数，配合四分之三基波周期动态相量测量算法。

卫星接收机可以同时接收GPS卫星信号和北斗卫星信号，可以根据信号质量自动切换，以保证卫星信号的质量。

可以手工设置卫星接收机接收的信号的种类，可以保证时间信号的安全性。

可以通过通讯模块接收指令、上传数据，实现远程控制和分析。

一种同步相量测量装置的动态相量测量系统的的测量方法，包括如下步骤：(1)电流电压输入模块接收四分之三基波周期的模拟数据组成列向量 $\left(\begin{array}{c}s\left(0\right)\\ s\left(1\right)\\ .\\ .\\ .\\ s(\frac{3N}{4}-1)\end{array}\right),$ N为一个周期的采样点数；电流电压输入模块的滤波器对组成的列向量数据进行Kalman滤波降低噪声、提高信噪比 $\begin{array}{c}\hat{s}\left(k\right)=\hat{s}(k-1)+b\left(k\right)\[s\left(k\right)-\hat{s}(k-1)\]\\ b\left(k\right)=q_1\left(k\right){\[q_1\left(k\right)+{\mathrm{\σ}}_v^2\]}^{-1}\\ q_1\left(k\right)=q\left(k-1\right)+{\mathrm{\σ}}_w^2\\ q\left(k\right)=q_1\left(k\right)-b\left(k\right)q_1\left(k\right)\end{array};$ σ_v为观测噪声，σ_w为建模噪声，电流电压输入模块的模数转化装置将滤波后的模拟信号转化成数字信号并传给计算模块；(2)计算模块通过最小二乘法(LS)估计被观测相量得式(1)

$\left(\begin{array}{c}\hat{p}\\ \widehat{\stackrel{\‾}{p}}\end{array}\right)=2{\left(B_{sq}^H{W}^H{\mathrm{WB}}_{sq}\right)}^{-1}{B}_{sq}^H{W}^{H}W\hat{s}---\left(1\right)$

式中， $B_{sq}=\left(\begin{array}{cc}{e}^{j\mathrm{\ω}}& e^{-j\mathrm{\ω}}\\ e^{j2\mathrm{\ω}}& e^{-j2\mathrm{\ω}}\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ e^{j(\frac{3N}{4}-1)\mathrm{\ω}}& e^{-j(\frac{3N}{4}-1)\mathrm{\ω}}\end{array}\right),$ ω为角频率，j是虚部，N为一个周期的采样点数，W为窗函数，一般选择Hamming窗函数或者Kaiser窗函数，为经过Kalman滤波的列向量, $\hat{s}=$ $\left(\begin{array}{c}\hat{s}\left(0\right)\\ \hat{s}\left(1\right)\\ .\\ .\\ .\\ \hat{s}(\frac{3N}{4}-1)\end{array}\right),$ 为的共轭相量；W^H为窗函数转置，为B_sq转置；

如图2所示。首先选择合适滤波器处理采集数据，降低数据的信噪比。其次，选择合适的窗函数截取被测量的数据。第三，采用四分之三基波周期动态相量观测算法估计动态相量。

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 (8)

1.一种同步相量测量装置的动态相量测量系统，其特征在于，该系统包括电流电压输入模块、卫星接收机、计算模块、通讯模块、存储器模块；所述计算模块分别与卫星接收机、通讯模块、存储器模块和电流电压输入模块相连。

2.如权利要求1所述测量系统，其特征在于，所述电流电压输入模块包括滤波器和模数转化装置，输入的模拟电流电压量经滤波器滤除高频干扰后，由模数转化装置将模拟电流电压量转化为数字量。

3.如权利要求1所述测量系统，其特征在于，所述卫星接收机获得卫星授权后接收卫星信号，并将卫星的标准时间赋给被观测相量作为被观测相量的时标。

4.如权利要求3所述测量系统，其特征在于，所述卫星接收机用于同时接收GPS卫星信号和北斗卫星信号、并根据信号质量自动选择卫星信号，还用于手工设置接收的信号的种类。

5.如权利要求1所述测量系统，其特征在于，所述计算模块根据不同的应用需求选择相应的滤波器和窗函数，通过四分之三基波周期的数据采用动态相量测量算法得到被观测相量的值。

6.如权利要求1所述测量系统，其特征在于，所述通讯模块用于将计算模块中的计算结果上传到以太网，还用于进行远程分析和控制、将远程指令传输到计算模块，还用于配置不同的相量测量方案。

7.如权利要求1所述测量系统，其特征在于，所述存储器模块用于存储计算模块的计算结果。

8.一种如权利要求1所述测量系统的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括如下步骤：(1)采集四分之三基波周期的模拟数据，组成列向量 $\left(\begin{array}{c}s\left(0\right)\\ s\left(1\right)\\ .\\ .\\ .\\ s(\frac{3N}{4}-1)\end{array}\right);$ N为一个周期的采样点数；

(2)对列向量中的数据进行Kalman滤波和模数转换；

(3)通过下式求得被观测相量的值

$\left(\begin{array}{c}\hat{p}\\ \widehat{\stackrel{\‾}{p}}\end{array}\right)=2{\left(B_{sq}^H{W}^H{\mathrm{WB}}_{sq}\right)}^{-1}{B}_{sq}^H{W}^{H}W\hat{s}---\left(1\right)$

式中， $B_{sq}=\left(\begin{array}{cc}{e}^{j\mathrm{\ω}}& e^{-j\mathrm{\ω}}\\ e^{j2\mathrm{\ω}}& e^{-j2\mathrm{\ω}}\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ e^{j(\frac{3N}{4}-1)\mathrm{\ω}}& e^{-j(\frac{3N}{4}-1)\mathrm{\ω}}\end{array}\right),$ ω为角频率，j是虚部，N为一个周期的采样点数，W为窗函数，一般选择Hamming窗函数或者Kaiser窗函数，为经过Kalman滤波的列向量, $\hat{s}=\left(\begin{array}{c}\hat{s}\left(0\right)\\ \hat{s}\left(1\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ \hat{s}(\frac{3N}{4}-1)\end{array}\right),$ 为的共轭相量；W^H为窗函数转置，为B_sq转置。