CN108614155A - 一种加入汉明窗的同步相量测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力系统同步相量测量技术领域，具体涉及一种加入汉明窗的同步相量测量方法及系统。方案要点是：采用定间隔采样，根据计算精度需求确定采样点后，引入汉明窗后进行循环离散傅里叶变换，求出相量修正系数，修正因系统频率偏移额定值造成频率泄露导致的计算误差，根据修正后相量值求取相位、系统频率、频率变化率、有功、无功功率等值，再将计算值打包成标准的动态数据报文发送出去。传统DFT算法本身的频率泄露、频率混叠问题将导致频率、相位等参数计算存在较大误差，严重影响同步相量算法精度。本方法及系统通过理论证明，即使系统频率偏移额定频率时，定间隔采样引起频谱泄露影响，相量和频率的测量具有较高的精度，便于工程实现。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统同步相量测量技术领域，具体涉及一种加入汉明窗的同步相量测量方法及系统。
背景技术
随着新能源电源的广泛接入、交流特高压、直流输电工程的快速发展，区域电网结构及全国电网的运行环境变得日渐复杂，电力系统动态运行条件下的实时监控就变得尤为重要，广域测量系统(Wide area measurement system，WAMS)作为电网动态实时监测的新技术和重要手段，能实时反映电网系统的动态变化，对电网的安全稳定运行起到重要作用，而基于全球定位系统同步授时的相量测量单元(PMU-phasor measurement unit)能实现电网相量的实时异地同步测量和传输，是WAMS系统的基础实现环节，而同步相量测量方法的精度将直接影响WAMS系统的应用效果及其适用范围，因此，同步相量测量方法是该领域的研究重点及热点。
目前，电力系统相量的测量方法主要有瞬时值法、过零点检测法、数字滤波法、离散傅里叶变换法(DFT)等，由于DFT法在抑制谐波上具有显著优势，广泛应用于不同电压等级的PMU装置中，然而当系统运行频率偏移额定值50Hz时，PMU采用定间隔采样接收到的采样数据无法满足整周期采样条件，DFT算法本身的频率泄露、频率混叠问题将导致频率、相位等参数计算存在较大误差，严重影响同步相量算法精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加入汉明窗的同步相量测量方法及系统，用于解决傅里叶变换在相量测量的应用中所产生的频率泄露的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种加入汉明窗的同步相量测量方法，包括以下步骤：
1)对于A、B、C三相采样信号，分别进行加窗，以进行DFT运算，得到A、B、C三相同步相量；加入窗函数的采样点值为：
汉明窗函数为：
β＝1-α
2)选取连续等间隔的3个同步相量，对所述A、B、C三相同步相量进行修正，求解出修正后的A、B、C三相同步相量；
3)根据所述修正后的A、B、C三相同步相量，合成正序相量；
4)选取两个正序向量，计算他们的角度差；
5)根据角度差，求频率差，从而得到实际频率及频率变化率。
本发明的有益效果：
传统DFT算法本身的频率泄露、频率混叠问题将导致频率、相位等参数计算存在较大误差，严重影响同步相量算法精度。本方法通过理论证明，即使系统频率偏移额定频率时，定间隔采样引起频谱泄露影响，相量和频率的测量具有较高的精度，便于工程实现。
进一步的，采样信号表示为：
设定：N为每周期交流采样点数，f0为系统额定频率；Δf为一个数据窗时间内相对额定频率的频差；r为当前时刻采样点，k为r后一个数据窗中第k点；
其中
进一步的，引入窗函数后，对采样信号进行DFT运算方法为：
将带入上式并化简得：
第r个数据窗对应的同步相量为：则表达式表达为：
其中
进一步的，所述连续等间隔的3个同步相量间隔为m，修正后相量值表示为：
其中
cw(r)、coef为相关修正量值。
进一步的，A、B、C三相相量合成正序相量，
其中分别为A、B、C三相同步相量，a＝ej2π/3。
进一步的，根据角度差，求频率差，从而得到实际频率方法为，取间隔为Δt的正序电压相量分别为(x1,y1)、(x2,y2)，则两个同步相量的角度差为：
θ＝arctan[(x1y2-x2y1)/(x1x2+y1y2)]
频率差：
Δf＝θ/(2πΔt)
从而得到当前频率值：
f＝50-Δf。
进一步的，根据计算出不同时刻频率测量值f，选取间隔为Δt2的频率测量值f1和f2，得到的变化率值为：
df＝(f2-f1)/Δt2
进一步的，α、β为设定值，α取0.46。
本发明还提供了一种加入汉明窗的同步相量测量系统，包括处理器和储存器，所述处理器执行存储在所述储存器中的指令以实现上述方法。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2a为频率偏差为47Hz下修正前后相量对比图；
图2b为频率偏差为50Hz下修正前后相量对比图；
图2c为频率偏差为52Hz下修正前后相量对比图；
图3a为频率偏差为47Hz下相量修正前后频率对比图；
图3b为频率偏差为50Hz下相量修正前后频率对比图；
图3c为频率偏差为52Hz下相量修正前后频率对比图；
图4a为加入谐波时频率偏差为47Hz下修正前后相量对比图；
图4b为加入谐波时频率偏差为50Hz下修正前后相量对比图；
图4c为加入谐波时频率偏差为52Hz下修正前后相量对比图；
图5a为加入谐波时频率偏差为47HZ下相量修正前后频率对比图；
图5b为加入谐波时频率偏差为50HZ下相量修正前后频率对比图；
图5c为加入谐波时频率偏差为52HZ下相量修正前后频率对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示为本发明的方法流程图，下面对此算法实现进行详细说明。
首先采集电网的一次信号，经PT、CT互感器变换后接入A/D采样插件，经A/D采样后获取原始采样信号x0(n)，根据计算精度需求，确定经A/D采样后，按照数据窗采样每周期交流采样点数N，除系统初始化的第一个周期外，任一采样点均可与它前N-1个采样点构成一个数据窗完成相关计算；根据系统确定的采样率，使用固定周期为20ms的汉明窗进行滑窗循环采样，获取计算所需信号xw(n)，对xw(n)进行全周傅氏计算，得到原始采样相量按照系统频率50Hz，交流电压、电流信号周期为20ms，为降低计算量，如采用间隔5ms抽取一个相量计算一次修正系数，根据计算出修正系数，对进行修正，得到相量计算值根据计算相量幅值和相位及正、负、零序值，再用计算出正序值计算电压频率及频率变化率，根据需要计算有功、无功功率等其他量值，并打包成动态数据报文。
以A/D采样后的单相信号为例：
电力系统信号模型：
x(n)＝A cos[2π(f+Δf)n+φ]
A为信号幅值，f为系统频率50Hz，Δf为信号偏移系统频率量值，n为当前采样值时刻，φ为信号原始相位。
汉明窗(Hamming)函数：
由于工程应用中每周波采样点多采用24点、36点、48点、80点、96点等方式，N为每周波固有采样点数，N取值一般都为偶数，下面给定值为48，即每周波采样频率2400Hz。
进行DFT计算，求取原始相量值：
根据A、B、C三相相量合成正、负和零序相量，
其中分别为A、B、C三相同步相量，a＝ej2π/3。
选取间隔5ms的相量值(每隔12个点抽取一次)求取修正系数：
式中m＝12，θ＝-angle(e-jθm)/m，angle为相量相位计算函数。
求取修正后相量值：
求取相量幅值、相位、频率等值；
实施例中的信号模型：
实施例中加入谐波信号模型：
频率偏差Δf的范围在-5到5之间，代入实施例中的信号模型及实施例中加入谐波信号的信号模型中。
求取的间隔为Δt的正序电压相量分别为(x1,y1)、(x2,y2)，则两个同步相量的角度差为：
θ＝arctan[(x1y2-x2y1)/(x1x2+y1y2)]
Δf＝θ/(2πΔt)
从而得到当前频率值：
f＝50-Δf
根据计算得到的多个频率值，求取频率变化率，根据计算出不同时刻频率测量值f，选取间隔为Δt2的频率测量值f1和f2，得到的变化率值为：
df＝(f2-f1)/Δt2
也可运用差分法计算频率变化率。
在工业运用中，使用相量测量单元(PMU)可实现本发明提供的同步相量检测方法。
因考虑附图过多的原因，选取47Hz、50Hz、52Hz计算数据，图2a、图2b、图2c为不同频率偏差下修正前后相量对比图，图3a、图3b、图3c为不同频率偏差下相量修正前后频率对比图，图4a、图4b、图4c为加入谐波时不同频率偏差下修正前后相量对比图，图5a、图5b、图5c为加入谐波时不同频率偏差下相量修正前后频率对比图；由附图所示修正结果，本算法在计及系统频率偏移后，计算结果无误差，即使加入谐波，在不进行任何滤波情况下，仍具有很高的计算精度。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种加入汉明窗的同步相量测量方法，其特征在于，包含以下步骤：
1)对于A、B、C三相采样信号，分别进行加窗，以进行DFT运算，得到A、B、C三相同步相量；加入窗函数的采样点值为：
汉明窗函数为：
β＝1-α
2)选取连续等间隔的3个同步相量，对所述A、B、C三相同步相量进行修正，求解出修正后的A、B、C三相同步相量；
3)根据所述修正后的A、B、C三相同步相量，合成正序相量；
4)选取两个正序向量，计算他们的角度差；
5)根据角度差，求频率差，从而得到实际频率及频率变化率。
2.根据权利要求1所述的一种加入汉明窗的同步相量测量方法，其特征在于，所述采样信号表示为：
设定：N为每周期交流采样点数，f0为系统额定频率；Δf为一个数据窗时间内相对额定频率的频差；r为当前时刻采样点，k为r后一个数据窗中第k点；
其中
3.根据权利要求1所述的一种加入汉明窗的同步相量测量方法，其特征在于，所述对采样信号进行DFT运算方法为：
将带入上式并化简得：
第r个数据窗对应的同步相量为：则表达式表达为：
其中
4.根据权利要求1所述的一种加入汉明窗的同步相量测量方法，其特征在于，所述连续等间隔的3个同步相量间隔为m，修正后相量值表示为：
其中
cw(r)、coef为相关修正量值。
5.根据权利要求1所述的一种加入汉明窗的同步相量测量方法，其特征在于，所述A、B、C三相相量合成正序相量，
其中分别为A、B、C三相同步相量，a＝ej2π/3。
6.根据权利要求1所述的一种加入汉明窗的同步相量测量方法，其特征在于，两个间隔为Δt的正序电压相量(x1,y1)、(x2,y2)的角度差为：
θ＝arctan[(x1y2-x2y1)/(x1x2+y1y2)]
频率差：
Δf＝θ/(2πΔt)
从而得到当前频率值：
f＝50-Δf。
7.根据权利要求1所述的一种加入汉明窗的同步相量测量方法，其特征在于，根据计算出不同时刻频率测量值f，选取间隔为Δt2的频率测量值f1和f2，得到的变化率值为：
df＝(f2-f1)/Δt2。
8.根据权利要求1所述的一种加入汉明窗的同步相量测量方法，其特征在于，所述α、β为设定值，α取0.46。
9.一种加入汉明窗的同步相量测量系统，包括处理器和储存器，其特征在于，所述处理器执行存储在所述储存器中的指令以实现权利要求1-8任一项所述的方法。
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| WO2019228540A1 (zh) | 2019-12-05 |
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