CN109188080B - 一种仿真试验平台及相量测量单元的误差测算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿真试验平台，包括大电网仿真模块、通信模块以及测量模块；大电网仿真模块用于实时进行电网的机电暂态仿真，以获得电压和电流的同步向量作为真实值；通信模块用于将大电网仿真单元所获得的电压和电流的同步向量传送给测量模块；测量模块用于对通信模块所传送来的电压和电流的同步向量进行同步向量测量，以把同步相量测量得到的结果作为测量值。本发明利用电网仿真实验平台得到相量测量单元六组量测的时域误差曲线，并计算得到相应误差的均值、标准差以及误差的概率密度函数，最后通过时频域变换，得到六组量测误差的频谱分布，由此更好地实现相量测量单元误差的度量，同时对基于类噪声数据的分析提供较好的指导。

Description

一种仿真试验平台及相量测量单元的误差测算方法
技术领域
本发明属于电力系统同步相量测量技术领域，具体涉及一种仿真试验平台及相量测量单元的误差测算方法。
背景技术
大扰动数据和类噪声数据是电力系统分析的重要数据来源，通常情况下，大扰动发生后，电力系统的电压至少跌落10％的幅值，而相量测量单元的量测误差最多也不会超过2‰，这样悬殊的幅值差异使得大扰动后的量测数据不会受到量测误差太大的影响。然而，电力系统正常运行时的类噪声数据的幅值一般在2％左右，这与相量测量单元的量测误差幅值2‰相比就非常接近了，因此很有必要对相量测量单元的量测误差进行测算，这对基于类噪声数据的分析具有重要的价值。
目前的国家标准与IEEE标准中，对相量测量单元量测误差水平的约束主要通过限制最大的误差值来进行。然而，在满足相同的最大误差值的条件下，量测误差的其他性质可能是非常不同的。按照误差分析理论，一般区分为系统误差与随机误差。系统误差是指“在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差”。随机误差是指“测量结果与在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差”。通过上面的定义可以看出，系统误差与随机误差具有着截然不同的性质。因此，对相量测量单元误差水平的传统测算方法存在较大的不确定性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种仿真试验平台及相量测量单元的误差测算方法，以更加科学地实现对相量测量单元量测误差的度量。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种仿真试验平台，其特征在于，所述仿真试验平台包括大电网仿真模块、通信模块以及测量模块；其中，
大电网仿真模块用于实时进行电网的机电暂态仿真，以获得电压和电流的同步向量作为真实值；
通信模块用于将大电网仿真单元所获得的电压和电流的同步向量传送给测量模块；
测量模块用于对通信模块所传送来的电压和电流的同步向量进行同步向量测量，以把同步相量测量得到的结果作为测量值。
所述的仿真试验平台还包括
量测误差值计算模块，其用于根据测量值和真实值来计算得到量测误差值，量测误差值为测量值与真实值之差。
上述的电压和电流的同步向量为数字信号形式，电压和电流的同步向量包括：电压幅值、电压相角、电流幅值和电流相角。
所述测量模块包括数模转换器、功率放大器以及相量测量单元；数模转换器用于将通信模块输出的数字信号转换成模拟信号，该模拟信号经过功率放大器输出，以模拟电网中的电压互感器和电流互感器二次侧的测量值，相量测量单元用于对功率放大器输出的测量值进行同步向量测量，以把同步相量测量得到的结果作为测量值。
所述的仿真试验平台还包括
有功功率测量误差值计算模块，其用于根据测量值和真实值并通过有功功率计算公式计算得到有功功率的测量值与真实值，有功功率的测量值与相应真实值之差即为有功功率测量误差值。
所述的仿真试验平台还包括
无功功率测量误差值计算模块，其用于根据测量值和真实值并通过无功功率计算公式计算得到无功功率的测量值与真实值，无功功率的测量值与相应真实值之差即为有功功率测量误差值。
所述有功功率计算公式为：P＝UIcos(θu-θi)，无功功率计算公式为：Q＝UIsin(θu-θi)；其中，其中U为电压幅值，I为电流幅值，θu为电压相角，θi为电流相角。
一种相量测量单元的误差测算方法，包括如下步骤：
S1、在仿真试验平台中进行电网故障仿真计算，并把大电网仿真模块输出的计算结果作为真实值，该计算结果为数字信号形式的电压和电流的同步相量，包括：电压幅值、电压相角、电流幅值和电流相角；
相量测量单元对大电网仿真模块输出的电压和电流的同步相量进行同步向量测量，并将得到的结果作为测量值，测量值与真实值之差即为相量测量单元的量测误差值，包括：电压幅值量测误差值、电压相角量测误差值、电流幅值量测误差值、电流相角量测误差值；
S2、在不同时刻重复步骤S1，以得到多个电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角的真实值、测量值及相量测量单元的量测误差值，进而得到电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角四组量测的时域误差曲线；
S3、利用步骤S2中得到的电压幅值、电压相角、电流幅值与电流相角的测量值与真实值，根据有功功率和无功功率计算公式，分别计算得到各个不同时刻有功功率、无功功率的测量值与真实值，进而得到有功功率与无功功率两组量测的时域误差曲线；
S4、根据步骤S2和步骤S3得到的电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角、有功功率、无功功率六组量测的时域误差曲线，分别计算得到六组量测误差的平均值与标准差；然后对六组量测误差分别进行随机统计计数，得到六组量测误差的概率密度函数；
S5、对电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角、有功功率、无功功率六组量测的时域误差曲线，采用离散傅里叶变换的方法，实现从时域信号到频域信号的转换，从而得到六组量测误差的频谱分布；
S6、将步骤S4中所得到的六组量测误差的平均值、标准差，概率密度函数，以及步骤S5中六组量测误差的频谱分布作为相量测量单元的误差测算结果。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本发明利用电网仿真实验平台得到相量测量单元电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角、有功功率、无功功率六组量测的时域误差曲线，并计算得到相应误差的均值、标准差以及误差的概率密度函数，最后通过时频域变换，得到六组量测误差的频谱分布，由此更好地实现相量测量单元误差的度量，同时对基于类噪声数据的分析提供较好的指导。
本发明提出的基于电网仿真实验平台的相量测量单元的误差测算方法，相对于传统仅对于误差最大值进行测量与约束的方式，其优点主要体现在：本发明可以得到误差最大值以外，误差的时域曲线、频谱分布与误差的概率密度函数等更为丰富的信息，可以区分最大值相同而其他特性不同的几组误差，这是传统的仅对于误差最大值进行测量并通过标准进行约束的方法无法实现的，因此，本发明的测算结果对实际电网具有良好的指导意义。
附图说明
图1为本发明实施例提供的相量测量单元的误差测算系统的组成示意图；
图2为本发明实施例提供的相量测量单元的误差测算方法的流程框图；
图3a-3b为本发明实施例的电压时域误差曲线图；
图4a-4b为本发明实施例的电流时域误差曲线图；
图5a-5b为本发明实施例的功率时域误差曲线图；
图6a-6b为本发明实施例的电压量测误差的概率密度函数示意图；
图7a-7b为本发明实施例的电流量测误差的概率密度函数示意图；
图8a-8b为本发明实施例的功率量测误差的概率密度函数示意图；
图9a-9b为本发明实施例的电压量测误差的频谱分布图；
图10a-10b为本发明实施例的电流量测误差的频谱分布图；
图11a-11b为本发明实施例的功率量测误差的频谱分布图；
图中：1、大电网仿真模块；2，通信模块；3、测量模块；31、数模转换器；32、功率放大器；33、相量测量单元.
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
参阅图1所示，本实施例提供的相量测量单元的误差测算系统包括大电网仿真模块1，通信模块2以及测量模块3三个部分。其中，该大电网仿真模块1由预先装有电力系统仿真程序的计算机实现，实时进行电网的机电暂态仿真，并且对外输出电网的状态量和非状态量；通信模块2则将大电网仿真单元的输出量传送给测量模块3。
而该测量模块3则包括数模转换器31、功率放大器32、相量测量单元33三部分。其中，该数模转换器31将通信模块2输出的数字量转换成模拟量，该模拟量经过功率放大器32输出能够模拟电网中的电压互感器和电流互感器二次侧的测量值，然后，相量测量单元33对功率放大器32的输出进行量测。
相应地，本实施例还提供了一种基于相量测量单元的误差测算系统的误差测算方法，该方法的流程框图如图2所示，具体包括如下步骤：
S1、在仿真实验平台的大电网仿真模块中选择待测算的电网仿真系统，并设置该电网某条线路发生三相短路接地故障并进行仿真计算；本实施例中选择南方电网作为待测算的仿真系统，在仿真系统中设置博罗-横沥线1s时发生三相短路接地故障，1.1s时故障切除，仿真步长为10ms，仿真40s，选取北郊站30～40s的数据进行分析。大电网仿真模块输出的计算结果作为真实值，该计算结果为数字信号形式的电压和电流的同步相量，包括：电压幅值、电压相角、电流幅值和电流相角；大电网仿真模块通过通信模块将数字信号形式的电压和电流的同步相量发送到测量模块；测量模块中，数模转换器把数字信号转换为模拟信号，功率放大器对转换得到的模拟信号进行放大，相量测量单元对放大后的模拟信号进行同步相量测量，把同步相量测量得到的结果作为测量值；所述测量值与真实值之差即为相量测量单元的量测误差值，包括：电压幅值量测误差值、电压相角量测误差值、电流幅值量测误差值、电流相角量测误差值；
S2、令仿真步长为10ms，利用电网仿真实验平台得到30～40s的电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角的真实值、测量值及相量测量单元的量测误差值，进而得到电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角四组时域误差曲线，如图3和图4所示。图3中，图3(a)为电压幅值的量测误差曲线，图3(b)为电压相角的量测误差曲线；图4中，图4(a)为电流幅值的量测误差曲线，图4(b)为电流相角的量测误差曲线；可以看出，除了图4(b)所示的电流相角外，其余的量测误差基本呈随机噪声状；
S3、利用步骤S2中得到的电压幅值、电压相角、电流幅值与电流相角的测量值与真实值，根据有功功率计算公式P＝UI cos(θu-θi)和无功功率计算公式Q＝UI sin(θu-θi)，其中U为电压幅值，I为电流幅值，θu为电压相角，θi为电流相角，分别得到各时刻有功功率、无功功率的测量值与真实值。测量值与相应真实值之差即为各时刻的有功功率和无功功率量测误差值，并得到有功功率与无功功率两组时域误差曲线，如图5所示。图5(a)为有功功率的量测误差曲线，图5(b)为无功功率的量测误差曲线；
S4、根据步骤S2和步骤S3得到的电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角、有功功率、无功功率六组量测的时域误差曲线，分别计算得到六组量测误差的平均值与标准差，如表1所示，可以看出每组量测误差的标准差的数值要远小于平均值，由此可见误差中系统误差占主要成分。
Figure BDA0001750452560000051
表1六组量测误差的平均值与标准差列表
然后，对六组量测误差分别进行随机统计计数，得到六组量测误差的概率密度函数。本实施例统计所得到的电压幅值量测误差的概率密度函数如图6(a)所示，电压相角量测误差的概率密度函数如图6(b)所示，可以看出电压幅值和相角的量测误差都近似呈正态分布，电流幅值量测误差的概率密度函数如图7(a)所示，电流相角量测误差的概率密度函数如图7(b)所示，电流幅值和相角的量测误差都呈双峰分布的形态，有功功率量测误差的概率密度函数如图8(a)所示，无功功率量测误差的概率密度函数如图8(b)所示，可见有功功率与无功功率的误差分布也会受到电流量测误差分布的影响而呈现双峰分布。
S5、对电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角、有功功率、无功功率六组量测的时域误差曲线，采用离散傅里叶变换的方法，实现从时域信号到频域信号的转换，从而得到六组量测误差的频谱分布。本实施例计算得到电压幅值量测误差的频谱分布如图9(a)所示，电压相角量测误差的频谱分布如图9(b)所示，可见电压幅值量测误差近似为一个均匀频谱的白噪声，电压相角量测误差主要在0-10Hz范围内分布，在2Hz与6Hz附近分布较强。电流幅值量测误差的频谱分布如图10(a)所示，电流相角量测误差的频谱分布如图10(b)所示，可见电流幅值和相角量测误差的频谱中低频分量占据主要成分，幅值在16Hz附近有一定的分布。有功功率量测误差的频谱分布如图11(a)所示，无功功率量测误差的频谱分布如图11(b)所示，有功功率量测误差的频谱分布与电流相角量测误差的频谱分布更为接近，而无功功率量测误差的频谱在10Hz以内分布，主要分布在5-10Hz范围内。
S6、将步骤(4)中所得六组量测误差的平均值、标准差，概率密度函数，以及步骤(5)中六组量测误差的频谱分布作为相量测量单元的误差测算结果，并以此结果为依据，对实际系统量测进行相应处理，可以大大降低量测误差对类噪声数据的影响。
由此可知，本发明利用电网仿真实验平台得到相量测量单元电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角、有功功率、无功功率六组量测的时域误差曲线，并计算得到相应误差的均值、标准差以及误差的概率密度函数，最后通过时频域变换，得到六组量测误差的频谱分布，由此更好地实现相量测量单元误差的度量，同时对基于类噪声数据的分析提供一定的指导。
本发明提出的基于电网仿真实验平台的相量测量单元的误差测算方法，相对于传统仅对于误差最大值进行测量与约束的方式，其优点主要体现在：本发明可以得到误差最大值以外，误差的时域曲线、频谱分布与误差的概率密度函数等更为丰富的信息，可以区分最大值相同而其他特性不同的几组误差，这是传统的仅对于误差最大值进行测量并通过标准进行约束的方法无法实现的，因此，本发明的测算结果对实际电网具有良好的指导意义。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种仿真试验平台，其特征在于，所述仿真试验平台包括大电网仿真模块、通信模块以及测量模块；其中，
大电网仿真模块用于实时进行电网的机电暂态仿真，以获得电压和电流的同步向量作为真实值；
通信模块用于将大电网仿真单元所获得的电压和电流的同步向量传送给测量模块；
测量模块用于对通信模块所传送来的电压和电流的同步向量进行同步向量测量，以把同步相量测量得到的结果作为测量值；
还包括
量测误差值计算模块，其用于根据测量值和真实值来计算得到量测误差值，量测误差值为测量值与真实值之差；
电压和电流的同步向量为数字信号形式，电压和电流的同步向量包括：电压幅值、电压相角、电流幅值和电流相角；
所述测量模块包括数模转换器、功率放大器以及相量测量单元；数模转换器用于将通信模块输出的数字信号转换成模拟信号，该模拟信号经过功率放大器输出，以模拟电网中的电压互感器和电流互感器二次侧的测量值，相量测量单元用于对功率放大器输出的测量值进行同步向量测量，以把同步相量测量得到的结果作为测量值；
还包括
有功功率测量误差值计算模块，其用于根据测量值和真实值并通过有功功率计算公式计算得到有功功率的测量值与真实值，有功功率的测量值与相应真实值之差即为有功功率测量误差值；
还包括
无功功率测量误差值计算模块，其用于根据测量值和真实值并通过无功功率计算公式计算得到无功功率的测量值与真实值，无功功率的测量值与相应真实值之差即为有功功率测量误差值。
2.如权利要求1所述的仿真试验平台，其特征在于，所述有功功率计算公式为：P＝UIcos(θu-θi)，无功功率计算公式为：Q＝UIsin(θu-θi)；其中，其中U为电压幅值，I为电流幅值，θu为电压相角，θi为电流相角。
3.一种相量测量单元的误差测算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在仿真试验平台中进行电网故障仿真计算，并把大电网仿真模块输出的计算结果作为真实值，该计算结果为数字信号形式的电压和电流的同步相量，包括：电压幅值、电压相角、电流幅值和电流相角；
相量测量单元对大电网仿真模块输出的电压和电流的同步相量进行同步向量测量，并将得到的结果作为测量值，测量值与真实值之差即为相量测量单元的量测误差值，包括：电压幅值量测误差值、电压相角量测误差值、电流幅值量测误差值、电流相角量测误差值；
S2、在不同时刻重复步骤S1，以得到多个电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角的真实值、测量值及相量测量单元的量测误差值，进而得到电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角四组量测的时域误差曲线；
S3、利用步骤S2中得到的电压幅值、电压相角、电流幅值与电流相角的测量值与真实值，根据有功功率和无功功率计算公式，分别计算得到各个不同时刻有功功率、无功功率的测量值与真实值，进而得到有功功率与无功功率两组量测的时域误差曲线；
S4、根据步骤S2和步骤S3得到的电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角、有功功率、无功功率六组量测的时域误差曲线，分别计算得到六组量测误差的平均值与标准差；然后对六组量测误差分别进行随机统计计数，得到六组量测误差的概率密度函数；
S5、对电压幅值、电压相角、电流幅值、电流相角、有功功率、无功功率六组量测的时域误差曲线，采用离散傅里叶变换的方法，实现从时域信号到频域信号的转换，从而得到六组量测误差的频谱分布；
S6、将步骤S4中所得到的六组量测误差的平均值、标准差，概率密度函数，以及步骤S5中六组量测误差的频谱分布作为相量测量单元的误差测算结果。
4.如权利要求3所述的相量测量单元的误差测算方法，其特征在于，所述有功功率计算公式为：P＝UIcos(θu-θi)；无功功率计算公式为：Q＝UIsin(θu-θi)；其中，U为电压幅值，I为电流幅值，θu为电压相角，θi为电流相角。
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