CN105277781A - 一种适应变频过程的电气量相量测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应变频过程的电气量相量测量方法，包括步骤：(1)保护装置使用固定采样频率采集电压互感器和/或电流互感器的二次侧电压电流，使用测频算法检测电压电流信号频率f_e。(2)依据采样频率和当前电压电流频率确定数据窗长度N，在当前数据窗内通过插值方法计算得到新的N个数据值，且新的N个数据值中相邻数据点的时间间隔为(3)将所述N个数据值使用相量算法进行相量计算从而得到电压电流的相量。另外本发明还提供了使用该算法的装置。本方法可以解决当电气量信号频率偏离额定频率值较大时，相量计算误差大的问题。

Description

一种适应变频过程的电气量相量测量方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统电气量测量，具体的说，是一种适应电气设备变频过程中的电流电压相量的测量方法及装置。

背景技术

电力系统电流电压相量的测量是保护控制系统中首先需要解决的问题，其计算精度的好坏将直接影响保护和控制元件的性能。目前，相量测量计算的主要方法有：

(1)固定数据窗的傅氏算法。保护控制系统使用固定的采样频率，获取电流电压的离散信号；取一个固定的数据窗，比如对应于一个工频周期，数据窗取24个点；然后用傅氏算法计算出电流电压的实部和虚部，得到对应的相量。

这种方法的优点是测量计算简单，但是缺点也很明显，当电气量频率偏移额定值时，将会产生测量计算误差，且频率偏移越大，计算误差越大。因此只能应用于系统频率变化范围很窄的场合。

(2)频率跟踪的傅氏算法。该方法与上述方法基本相同，为了为获得较为准确的相量测量值，保护控制系统根据电气量频率的变化而调整硬件的采样频率，使一个固定点数的数据窗所对应的频率和电气量实际的频率基本相同；然后同样采用固定数据窗的傅氏算法，测量计算出电流电压的实部和虚部，得到对应的相量。

这种方法可以提高频率偏移情况下电气量相量的测量精度，但是它要求频率不能快速变化，否则在快速跟踪频率的过程中，测量计算结果会出现不稳定振荡的问题。

(3)变数据窗的傅氏算法。这种方法不调整硬件的采样频率，它根据电气量频率的变化，调整数据窗的点数，比如额定频率时数据窗取24个点，当实际的频率为额定频率的一半时，数据窗变为48点；采用傅氏算法，测量计算出电流电压的实部和虚部，得到对应的相量，具体计算时需要根据数据窗的点数实时计算每个数据点对应的傅氏计算的正弦余弦系数。

这种方法最大的特点是频率快速变化的情况下，仍然可以测量计算出较好的结果。但是，由于变化的数据窗不能完全和电气量实际的周期精准对应，即，一个实际的周期内，数据窗的点数不一定是整数，此时会造成测量计算误差，频率越大，误差越大。

通常情况下，电力系统电网频率比较稳定，不会出现大范围波动，因此并网的发电机等设备的频率比较稳定。在一些变频启动的场合，比如抽蓄机组SFC变频启动、背靠背变频启动，燃气轮机组LCI变频启动，一些大型电动机组变频调速，这些情况下，电气设备的频率会大范围变化，且变化比较迅速。上述几中测量电气量相量的方法或者不能应用，或者测量精度不够。

发明内容

本发明的目的是：提供一种适应变频过程的电气量相量测量方法，解决频率快速变化情况下以往方法无法测量或者测量误差较大的问题。

本发明采取的技术方案是：

一种适应变频过程的电气量相量测量方法，其特征是，包括步骤：

保护控制装置使用固定采样频率f_s采集电压互感器和/或电流互感器的二次侧电压电流；

根据所述二次侧电压电流，使用测频算法检测电压电流信号频率f_e；依据所述f_s和f_e获得数据窗长度N；在所述数据窗内通过插值方法计算得到新的N个数据值，且所述新的N个数据值中相邻数据点的时间间隔为

将所述N个数据值使用相量算法进行相量计算从而得到电压电流的相量；

将所述电压电流的相量值送至保护测控模块。

上述方案中：依据所述f_s和f_e获得数据窗长度N具体指：依据固定采样频率f_s与电压电流信号频率f_e确定相量算法的数据窗长度，采用如下公式：

式中，[]表示向下或向上取整。

上述方案中：在所述数据窗内通过插值方法计算得到新的N个数据值具体指，使用泰勒插值法计算得到：

$\left\{\begin{array}{c}{e}^{\′}\left(k\right)=e\left(k\right)+h\·\sqrt{A_e^2-e^2\left(k\right)}-\frac{h^2}{2}\·e\left(k\right)-\frac{h^3}{6}\·\sqrt{A_e^2-e^2\left(k\right)}\\ h=k\·\frac{f_s/f_e-N}{N}\end{array}\right.k=1~N$

式中，e'(k)为插值后数据值，e(k)为当前数据窗采样值，A_e为当前电气量幅值，由于电气量幅值在一个采样间隔时间内变化很小，A_e使用前一采样点时刻相量计算得到的电气量幅值。

上述方案中：所述保护测控模块包括但不限于：保护元件、监测元件或控制模块。

另外本发明还提供一种适应变频过程的电气量相量测量装置，其特征在于包括采样模块、计算模块、逻辑判断及控制模块，其中：

所述采样模块用于装置对电压互感器或电流互感器的二次电气量进行采样；

所述计算模块用于根据采样模块结果，计算相量的实部、虚部、幅值、相角；

所述逻辑判断及控制模块用于根据计算模块的结果，通过逻辑判断确定装置的动作行为，或输出控制信号。

上述方案中，所述计算模块中，依据采样频率f_s与电压电流信号频率f_e确定相量算法的数据窗长度；

式中，[]表示向下或向上取整。

上述方案中，所述计算模块中，在所述数据窗内通过插值方法计算得到新的N个数据值，且所述新的N个数据值中相邻数据点的时间间隔为插值公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{e}^{\′}\left(k\right)=e\left(k\right)+h\·\sqrt{A_e^2-e^2\left(k\right)}-\frac{h^2}{2}\·e\left(k\right)-\frac{h^3}{6}\·\sqrt{A_e^2-e^2\left(k\right)}\\ h=k\·\frac{f_s/f_e-N}{N}\end{array}\right.k=1~N$

式中，e'(k)为插值后数据值，e(k)为当前数据窗采样值，A_e为当前电气量幅值，由于电气量幅值在一个采样间隔时间内变化很小，A_e使用前一采样点时刻相量计算得到的电气量幅值。

上述方案中，所述计算模块中，将插值后的新数据值使用相量算法进行相量计算从而得到电压电流的相量。

本发明的有益效果是：提供适应变频过程的电气量相量测量方法，解决了以往相量计算受频率变化影响而计算不准确的问题，且该方法相对较为简单，方便实现。

附图说明

图1是本发明相量测量计算的流程图。

图2是本发明相量测量计算的数据窗向下取整时，插值方式的示意图。

图3是本发明相量测量计算的数据窗向上取整时，插值方式的示意图。

图4是本发明实施例的装置结构图。

具体实施方式

本方法整体的流程图如图1所示。保护装置使用固定采样频率采集电压互感器和/或电流互感器的二次侧电压电流，使用测频算法检测电压电流信号频率f_e。依据采样频率和当前电压电流频率确定数据窗长度N，在当前数据窗内通过插值方法计算得到新的N个数据值，且新的N个数据值中相邻数据点的时间间隔为将所述N个数据值使用相量算法进行相量计算从而得到电压电流的相量。

以傅氏算法为例，结合附图对本发明作进一步说明：

(1)装置采集电压互感器或电流互感器的二次侧电压电流，得到三相电压U_a、U_b、U_c或三相电流I_a、I_b、I_c，使用测频算法得到同步电机的电压电流频率f_e(参见“李一泉,何奔腾.一种基于傅氏算法的高精度测频方法[J].中国电机工程学报.200626(2).78-81”)。

(2)根据当前采样频率f_s和电压电流当前频率f_e，计算当前每周波的采样点数N，也即实时数据窗长度。

$N=\left[\frac{f_s}{f_e}\right]$

[]表示向下或向上取整。

假设采样频率为1200Hz，当前电压电流频率为48.8Hz，则N取24或25。

(3)当傅氏算法的数据窗长度N确定后，计算傅氏算法的正弦、余弦系数表。

$\left\{\begin{array}{c}K\sin \left(k\right)=\sin (k\·\frac{2\mathrm{\π}}{N})\\ K\cos \left(k\right)=\cos (k\·\frac{2\mathrm{\π}}{N})\end{array}\right.k=1~N$

Ksin(k)为第k点的正弦系数，Kcos(k)为第k点的余弦系数，N为步骤(2)确定的数据窗长度，取24或25。

(4)根据当前数据窗长度N，在当前数据窗内通过插值方法计算得到新的N个数据值，且新的N个数据值中相邻数据点的时间间隔为插值算法为如下：

$\left\{\begin{array}{c}{e}^{\′}\left(k\right)=e\left(k\right)+h\·\sqrt{A_e^2-e^2\left(k\right)}-\frac{h^2}{2}\·e\left(k\right)-\frac{h^3}{6}\·\sqrt{A_e^2-e^2\left(k\right)}\\ h=k\·\frac{f_s/f_e-N}{N}=k\·\frac{24.59-N}{\text{N}}\end{array}\right.k=1~N$

式中，e'(k)为插值后数据值，e(k)为当前数据窗采样值，A_e为当前电气量幅值，由于电气量幅值在一个采样间隔时间内变化很小，A_e可使用前一采样点时刻相量计算得到的电气量幅值。N为步骤(2)确定的数据窗长度，取24或25。

图2和图3为插值方法的示意图，为简明起见，仅画出数据窗初始和末尾几个采样点的插值示意图。

图2为傅氏算法的数据窗向下取整时，插值方式的示意图。当前数据窗实际包含24.4个采样间隔(使用虚线、空心圆和x1～x25标注)，经过插值后的新数据的间隔数恰为24(使用实线、实心圆和X1～X24标注)。

图3为傅氏算法的数据窗向上取整时，插值方式的示意图。当前数据窗实际包含24.6个采样间隔(使用虚线、空心圆和x1～x25标注)，经过插值后的新数据的间隔数恰为25(使用实线、实心圆和X1～X25标注)。

(5)对于插值后的新数据值，采用匹配的傅氏算法公式计算三相电气量相量的实部和虚部。

设X相的实部e_Xr和虚部e_Xi，X相表示A相、B相和C相中的任意一相，匹配的傅氏算法计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{Xr}}=\frac{2}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}_X^{\′}\left(n\right)\·K\sin \left(k\right)\\ e_{\mathrm{Xi}}=\frac{2}{N}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{e}_X^{\′}\left(n\right)\·K\cos \left(k\right)\end{array}\right.$

其中，e'_X(n)表示插值后的X相电气量数据序列；N为步骤(2)确定的数据窗长度，取24或25。

从而得到电气量相量如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{e}}_a=e_{\mathrm{ar}}+j\·e_{\mathrm{ai}}\\ {\stackrel{\·}{e}}_b=e_{\mathrm{br}}+j\·e_{\mathrm{bi}}\\ {\stackrel{\·}{e}}_c=e_{\mathrm{cr}}+j\·e_{\mathrm{ci}}\end{array}\right.$

另外，本发明还有实施例提供一种使用基于泰勒插值的变数据窗相量算法的装置如图4所示，包括采样模块、计算模块、逻辑判断及控制模块，其中：

所述采样模块用于装置对电压互感器或电流互感器的二次电压电流进行采样；

所述计算模块用于根据采样模块结果，测量电压电流频率，确定相量算法的数据窗，根据数据窗进行插值计算，使用变数据窗相量算法计算相量的实部、虚部、幅值、相角等；

所述逻辑判断及控制模块用于根据计算模块的结果，通过逻辑判断确定装置的动作行为，或输出控制信号。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适应变频过程的电气量相量测量方法，其特征是，包括步骤：

保护控制装置使用固定采样频率f_s采集电压互感器和/或电流互感器的二次侧电压电流；

根据所述二次侧电压电流，使用测频算法检测电压电流信号频率f_e；依据所述f_s和f_e获得数据窗长度N；在所述数据窗内通过插值方法计算得到新的N个数据值，且所述新的N个数据值中相邻数据点的时间间隔为

将所述N个数据值使用相量算法进行相量计算从而得到电压电流的相量；

将所述电压电流的相量值送至保护测控模块。

2.如权利要求1所述的适应变频过程的电气量相量测量方法，其特征是：依据所述f_s和f_e获得数据窗长度N具体指：依据固定采样频率f_s与电压电流信号频率f_e确定相量算法的数据窗长度，采用如下公式：

式中，[]表示向下或向上取整。

3.如权利要求1所述的适应变频过程的电气量相量测量方法，其特征是：在所述数据窗内通过插值方法计算得到新的N个数据值具体指，使用泰勒插值法计算得到：

式中，e'(k)为插值后数据值，e(k)为当前数据窗采样值，A_e为当前电气量幅值，由于电气量幅值在一个采样间隔时间内变化很小，A_e使用前一采样点时刻相量计算得到的电气量幅值。

4.如权利要求1所述的适应变频过程的电气量相量测量方法，其特征是：所述保护测控模块包括但不限于：保护元件、监测元件或控制模块。

5.一种适应变频过程的电气量相量测量装置，其特征在于包括采样模块、计算模块、逻辑判断及控制模块，其中：

所述采样模块用于装置对电压互感器或电流互感器的二次电气量进行采样；

所述计算模块用于根据采样模块结果，计算相量的实部、虚部、幅值、相角；

所述逻辑判断及控制模块用于根据计算模块的结果，通过逻辑判断确定装置的动作行为，或输出控制信号。

6.如权利要求5所述的适应变频过程的电气量相量测量装置，其特征在于所述计算模块中，依据采样频率f_s与电压电流信号频率f_e确定相量算法的数据窗长度；

式中，[]表示向下或向上取整。

7.如权利要求5所述的适应变频过程的电气量相量测量装置，其特征在于所述计算模块中，在所述数据窗内通过插值方法计算得到新的N个数据值，且所述新的N个数据值中相邻数据点的时间间隔为插值公式如下：

式中，e'(k)为插值后数据值，e(k)为当前数据窗采样值，A_e为当前电气量幅值，由于电气量幅值在一个采样间隔时间内变化很小，A_e使用前一采样点时刻相量计算得到的电气量幅值。

8.如权利要求5所述的适应变频过程的电气量相量测量装置，其特征在于所述计算模块中，将插值后的新数据值使用相量算法进行相量计算从而得到电压电流的相量。