CN106841778A - 基于pmu实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，对AD采集中含有次同步和超同步谐波参数的电流信号进行重采样，不仅可用于分析次同步谐波参数，还可用于分析超同步谐波参数，使用Grandke频谱校正方法对FFT的频谱进行了校正，克服了FFT频谱分析中的栅栏效应和频谱泄漏现象，大大提高了振荡分量参数的辨识精度，在一定程度上减轻了WAMS主站端的软硬件开销，并为全系统电网广域监测、变电站自动化测控、稳定控制、自适应继电保护等功能提供了可靠的原始数据和数据支撑，具有良好的应用前景。

Description

基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法

技术领域

本发明涉及电力系统稳定与控制技术领域，具体涉及一种基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法。

背景技术

近年来，随着电网规模的不断扩大和大规模风电等新能源并网外送，使得电网次同步振荡发生的频率不断增加。及时发现并采取措施抑制电网系统中的振荡，成为保障电力系统安全、稳定运行亟待解决的关键问题之一。随着振荡发生频率的增加，网省级调度中心提出了加强低频振荡、次同步振荡全局预警的需求，并开展了基于广域测量系统(WAMS)同步相量测量数据的振荡在线监测分析的相关研究。同步相量测量单元(Phasor MeasureUnit，PMU)作为WAMS子站系统的核心，担负着原始数据采集、测量和传输的任务。尤其是近年来，PMU为各网省级调度中心在基于WAMS系统基础上分析各振荡现象时提供了高精度、高密度原始数据源，因此，日益取得了广泛重视。

但是，在WAMS的主站端进行振荡在线监测分析时存在如下弊端。首先，由于WAMS主站对PMU同步相量数据采集存在频率混叠，从而使得WAMS主站无法准确分析出次同步振荡分量的特征参数；其次，为了抑制带外干扰，PMU上传的同步相量测量数据中滤除了带外频率，因此，对于大于50Hz的超同步谐波分量，由于其频率分量更高，因此，WAMS主站端无法进行超同步谐波分量的检测和分析。最后，随着电网规模的不断扩大，PMU布点数目的不断增多，使得网络结构日益复杂，在WAMS主站端进行振荡参数辨识大大增加了WAMS主站端的软硬件开销，且存在辨识时间长、辨识精度低、算法实现复杂、无法分析超同步谐波参数的问题，如何克服上述的问题，是当前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有的WAMS主站端进行振荡在线监测分析，存在辨识时间长、辨识精度低、算法实现复杂、无法分析超同步谐波参数的问题。本发明的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，实现了次同步谐波和超同步谐波参数的快速、高精度辨识，在一定程度上减轻了WAMS主站端的软硬件开销，并为全系统电网广域监测、变电站自动化测控、稳定控制、自适应继电保护等功能提供了可靠的原始数据和数据支撑，具有良好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(A)，对AD采集中含有次同步和超同步谐波参数的电流信号进行重采样；

步骤(B)，对重采样的电流采样值进行FFT频谱分析，得到频谱X(n)；

步骤(C)，使用Grandke频谱校正方法进行频谱X(n)校正，计算次同步和超同步谐波信号的幅值、频率；

步骤(D)，将步骤(C)计算的次同步和超同步谐波信号的幅值、频率，通过PMU装置传输规约中的模拟量通道上送至WAMS主站；

步骤(E)，根据步骤(C)计算的次同步和超同步谐波信号的幅值，判断是否发生次同步振荡，若发生，则启动PMU装置进行连续录波。

前述的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：步骤(A)，对AD采集中含有次同步和超同步谐波参数的电流信号进行重采样，重采样的采样频率f_s为1KHz。

前述的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：AD采集中含有次同步和超同步谐波参数的电流信号的数学模型，如公式(1)所示，

其中，ω₀为基波频率、ω_i为各次同步和超同步谐波分量的频率、为基波信号初相角、为各次同步和超同步谐波分量的初相角、A为基波的幅值、ΔA_i为各次同步和超同步谐波分量幅值。

前述的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：对于次同步谐波分量，ω_i频率范围在5Hz-45Hz之间,对于超同步谐波分量，ω_i的频率范围大于50Hz。

前述的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：步骤(C)，使用Grandke频谱校正方法进行频谱X(n)校正，计算次同步和超同步谐波信号的幅值、频率，包括以下步骤，

(C1)获取频谱X(n)的各极大值点，记X(n)各极大值处的谱线序号为k_i，与k_i谱线相邻的两谱线序号记为k_i-1和k_i+1，此三条谱线的复数值记为其中，i＝1,...,M；M为含有次同步和超同步谐波参数的电流信号中含有的次同步和超同步谐波个数。

(C2)，根据公式(2)、公式(3)，实现幅值和频率的校正，校正后的次同步和超同步谐波信号的频率和幅值分别记和其中

其中，N是用于计算FFT的点数，公式(2)、公式(3)中的δ_i，根据公式(4)得到，

前述的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：步骤(E)，根据步骤(C)计算的次同步和超同步谐波信号的幅值，判断是否发生次同步振荡，判断过程如下：

(E1)，判断次同步和超同步谐波信号的频率是否在5Hz-45Hz之间，若满足条件，则继续执行(E2)；否则，退出次同步振荡判断；

(E2)，判断次同步和超同步谐波信号的幅值是否大于PMU 装置设定的次同步振荡检测幅值的幅值阈值，若大于，则继续执行(E3)；否则，退出次同步振荡判断；

(E3)，判断次同步和超同步谐波信号的持续时间是否超过PMU装置设定的次同步振荡的持续时间阈值，若超过，则继续执行(E4)；否则，退出次同步振荡判断；

(E4)，此时，判断发生次同步振荡，启动PMU装置进行连续录波。

前述的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：所述幅值阈值可设定为额定电流幅值的10％。

前述的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：所述持续时间阈值可设定为10s。

本发明的有益效果是：本发明的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，对AD采集中含有次同步和超同步谐波参数的电流信号进行重采样，不仅可用于分析次同步谐波参数，还可用于分析超同步谐波参数，使用Grandke频谱校正方法对FFT的频谱进行了校正，克服了FFT频谱分析中的栅栏效应和频谱泄漏现象，大大提高了振荡分量参数的辨识精度，在一定程度上减轻了WAMS主站端的软硬件开销，并为全系统电网广域监测、变电站自动化测控、稳定控制、自适应继电保护等功能提供了可靠的原始数据和数据支撑，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的用于智能电网调度系统的电网模型在线校核方法的流程图。

图2是本发明的仿真信号的2048点FFT频谱分析的频谱图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，包括以下步骤，

步骤(A)，对AD采集中含有次同步和超同步谐波参数的电流信号进行重采样，重采样的采样频率f_s为1KHz，1KHz能够保证较短的数据窗长，因此提高了算法的快速性，AD采集中含有次同步和超同步谐波参数的电流信号的数学模型，如公式(1)所示，

其中，ω₀为基波频率、ω_i为各次同步和超同步谐波分量的频率、为基波信号初相角、为各次同步和超同步谐波分量的初相角、A为基波的幅值、ΔA_i为各次同步和超同步谐波分量幅值，对于次同步谐波分量，ω_i频率范围在5Hz-45Hz之间,对于超同步谐波分量，ω_i的频率范围大于50Hz；

步骤(B)，对重采样的电流采样值进行FFT频谱分析，得到频谱X(n)，这里对对重采样的电流采样值做2048点FFT频谱分析；

步骤(C)，使用Grandke频谱校正方法进行频谱X(n)校正，计算次同步和超同步谐波信号的幅值、频率，包括以下步骤，

(C1)获取频谱X(n)的各极大值点，记X(n)各极大值处的谱线序号为k_i，与k_i谱线相邻的两谱线序号记为k_i-1和k_i+1，此三条谱线的复数值记为其中，i＝1,...,M；M为含有次同步和超同步谐波参数的电流信号中含有的次同步和超同步谐波个数；

(C2)，根据公式(2)、公式(3)，实现幅值和频率的校正，校正后的次同步和超同步谐波信号的频率和幅值分别记和其中，

其中，N是用于计算FFT的点数，公式(2)、公式(3)中的δ_i，根据公式(4)得到，

步骤(D)，将步骤(C)计算的次同步和超同步谐波信号的幅值、频率，通过PMU装置传输规约中的模拟量通道上送至WAMS主站；

步骤(E)，根据步骤(C)计算的次同步和超同步谐波信号的幅值，判断是否发生次同步振荡，若发生，则启动PMU装置进行连续录波，判断过程如下：

(E1)，判断次同步和超同步谐波信号的频率是否在5Hz-45Hz之间，若满足条件，则继续执行(E2)；否则，退出次同步振荡判断；

(E2)，判断次同步和超同步谐波信号的幅值是否大于PMU 装置设定的次同步振荡检测幅值的幅值阈值，若大于，则继续执行(E3)；否则，退出次同步振荡判断；

(E3)，判断次同步和超同步谐波信号的持续时间是否超过PMU装置设定的次同步振荡的持续时间阈值，若超过，则继续执行(E4)；否则，退出次同步振荡判断；

(E4)，此时，判断发生次同步振荡，启动PMU装置进行连续录波。

所述幅值阈值设定为额定电流幅值的10％，所述持续时间阈值设定为10s，也可根据实际需要进行幅值阈值、持续时间阈值的调整。

本发明的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，经过仿真的效果如下，所施加的仿真信号为：

X(n)＝0.5*cos(2*pi*15*n/1000)+cos(2*pi*50*n/1000)+0.4*cos(2*pi*85*n/1000)+0.3*cos(2*pi*110*n/1000)；

在matlab中进行2048点FFT分析，得到其频谱图，如图2所示，由图2可知，若不进行频谱校正，因存在频谱泄漏，各信号的幅值和频率估计精度较低。表1是在PMU装置上，使用Grandke频谱校正方法校正后得到的各信号幅值和频率参数，由表1可知，其精度大大提高。

表1次同步和超同步谐波参数计算结果

综上所述，本发明的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，对AD采集中含有次同步和超同步谐波参数的电流信号进行重采样，不仅可用于分析次同步谐波参数，还可用于分析超同步谐波参数，使用Grandke频谱校正方法对FFT的频谱进行了校正，克服了FFT频谱分析中的栅栏效应和频谱泄漏现象，消除了WAMS主站端分析次同步谐波参数存在的频率混叠现象，解决了WAMS主站端无法分析超同步谐波参数的问题，为及时监测电力系统中的次同步振荡现象，采取措施保障机组安全和电力系统稳定运行，提供了一种有效、可靠的手段，大大提高了振荡分量参数的辨识精度，在一定程度上减轻了WAMS主站端的软硬件开销，并为全系统电网广域监测、变电站自动化测控、稳定控制、自适应继电保护等功能提供了可靠的原始数据和数据支撑，具有良好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤(A)，对AD采集中含有次同步和超同步谐波参数的电流信号进行重采样；

步骤(B)，对重采样的电流采样值进行FFT频谱分析，得到频谱X(n)；

步骤(C)，使用Grandke频谱校正方法进行频谱X(n)校正，计算次同步和超同步谐波信号的幅值、频率；

步骤(D)，将步骤(C)计算的次同步和超同步谐波信号的幅值、频率，通过PMU装置传输规约中的模拟量通道上送至WAMS主站；

步骤(E)，根据步骤(C)计算的次同步和超同步谐波信号的幅值，判断是否发生次同步振荡，若发生，则启动PMU装置进行连续录波。

2.根据权利要求1所述的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：步骤(A)，对AD采集中含有次同步和超同步谐波参数的电流信号进行重采样，重采样的采样频率f_s为1KHz。

3.根据权利要求1所述的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：AD采集中含有次同步和超同步谐波参数的电流信号的数学模型，如公式(1)所示，

其中，ω₀为基波频率、ω_i为各次同步和超同步谐波分量的频率、为基波信号初相角、为各次同步和超同步谐波分量的初相角、A为基波的幅值、ΔA_i为各次同步和超同步谐波分量幅值,M为电流信号中含有的次同步和超同步谐波个数。

4.根据权利要求3所述的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：对于次同步谐波分量，ω_i频率范围在5Hz-45Hz之间,对于超同步谐波分量，ω_i的频率范围大于50Hz。

5.根据权利要求3所述的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：步骤(C)，使用Grandke频谱校正方法进行频谱X(n)校正，计算次同步和超同步谐波信号的幅值、频率，包括以下步骤，

(C1)获取频谱X(n)的各极大值点，记X(n)各极大值处的谱线序号为k_i，与k_i谱线相邻的两谱线序号记为k_i-1和k_i+1，此三条谱线的复数值记为其中，i＝1,...,M，M为含有次同步和超同步谐波参数的电流信号中含有的次同步和超同步谐波个数；

(C2)，根据公式(2)、公式(3)，实现幅值和频率的校正，校正后的次同步和超同步谐波信号的频率和幅值分别记和其中

$f_c^i=(k_i-{\mathrm{\δ}}_i)\×\frac{f_s}{N}---\left(2\right)$

$f_c^i=\frac{1-{{\mathrm{\δ}}_i}^2}{\sin c\left({\mathrm{\δ}}_i\right)}\left|X_k^i\right|---\left(3\right)$

其中，N是用于计算FFT的点数，公式(2)、公式(3)中的δ_i，根据公式(4)得到，

${\mathrm{\&delta;}}_i=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\left|X_k^i\right|-2\left|X_{k+1}^i\right|}{\left|X_k^i\right|+\left|X_{k+1}^i\right|},& \left|X_{k+1}^i\right|\&GreaterEqual;\left|X_{k-1}^i\right|\\ \frac{\left|X_k^i\right|+2\left|X_{k-1}^i\right|}{\left|X_k^i\right|+\left|X_{k-1}^i\right|},& \left|X_{k+1}^i\right|<\left|X_{k-1}^i\right|\end{array}\right.---\left(4\right).$

6.根据权利要求1所述的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：步骤(E)，根据步骤(C)计算的次同步和超同步谐波信号的幅值，判断是否发生次同步振荡，判断过程如下：

(E1)，判断次同步和超同步谐波信号的频率是否在5Hz-45Hz之间，若满足条件，则继续执行(E2)；否则，退出次同步振荡判断；

(E2)，判断次同步和超同步谐波信号的幅值是否大于PMU装置设定的次同步振荡检测幅值的幅值阈值，若大于，则继续执行(E3)；否则，退出次同步振荡判断；

(E3)，判断次同步和超同步谐波信号的持续时间是否超过PMU装置设定的次同步振荡的持续时间阈值，若超过，则继续执行(E4)；否则，退出次同步振荡判断；

(E4)，此时，判断发生次同步振荡，启动PMU装置进行连续录波。

7.根据权利要求6所述的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：所述幅值阈值可设定为额定电流幅值的10％。

8.根据权利要求6所述的基于PMU实现的次同步和超同步谐波参数的处理方法，其特征在于：所述持续时间阈值可设定为10s。