CN109298284A - 利用pmu测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法及系统，通过频率跟踪DFT算法测量配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据，在测量时改进PMU所用的频率跟踪DFT算法，剔除了测量数据中的误差因素，提高了PMU测量精度，能够实现更快、更准确的孤岛检测，避免了传统被动检测法的盲区，为孤岛检测提供了一种新的实现方式。

Description

利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法及系统
技术领域
本发明涉及电网技术，尤其涉及一种利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法及系统。
背景技术
由于化石燃料可用性的降低以及温室气体的大量增加而导致的一系列环境问题，使得人们对环境保护问题越来越重视。分布式发电(DGs)利用太阳能、风能、潮汐能等可再生能源生产出高可靠性的电能，为解决温室气体排放等环境问题做出了重大贡献。与传统的集中发电相比，分布式发电具有能效高、损耗小、污染程度低、安全性高等优点，但也会给电力系统带来很多新的问题，例如频率偏差、电压波动、低频振荡、孤岛效应等。电力系统的孤岛效应就是其中较为突出一项，非计划性孤岛运行严重影响电力系统运行的稳定性，威胁电力设备安全运行甚至危及人身安全，因此，对于含分布式电源的电力系统进行实时的孤岛检测，尽量缩短孤岛运行的持续时间，对于维护电力系统的安全运行、保证用户的用电质量有着重要意义。
目前，孤岛检测的方法主要包括主动监测法、被动检测法以及基于通讯信息的检测方法，从事于孤岛检测的专家学者为了克服每种方法存在的缺点和局限性，找到一种既能正确、快速的反应孤岛运行状态同时又不会增加太多投入的孤岛检测方法做了很多研究。现有的采用非特征谐波正反馈与过电压等被动检测相结合的方式进行孤岛检测，减小了电网或负载状态变化引起的误判断风险，实现了孤岛状态准确检测，但未考虑低电压穿越等要求以及电压闪变等工况，对于判断阈值还需要进一步修正。在主动式检测中加入扰动信号来进行孤岛检测，虽然能有效的检测出孤岛，但不同的扰动信号会造成频率、电压等参数的变化，降低系统的稳定性，并对电能质量产生负面影响。
发明内容
本发明主要目的在于，提供一种利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法及系统，以提升孤岛检测精度。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法，包括：
步骤1：利用PMU测量配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据，并据此计算所述配电网系统侧与所述微电网接入端之间的相量角度差；
步骤2：判断所述相量角度差是否大于设定阈值，当所述相量角度差大于所述设定阈值时，判定产生孤岛效应，否则判定未产生孤岛效应；
所述步骤1中，所述PMU通过频率跟踪DFT算法测量所述配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据，利用PMU测量配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据时，根据所述配电网系统侧与所述微电网接入端两节点处的功率和线路参数校准初始时刻的相量角度，从而校准初始时刻的相量角度差。
进一步地，所述PMU通过频率跟踪DFT算法测量所述配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据时，所述PMU的采样频率随所述微电网系统频率的变化而变化。
进一步地，所述PMU采样的信号经过矩形窗加窗截断处理后，再进行离散傅里叶变换。
进一步地，利用PMU测量配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据时，利用误差的近似度量代替插值条件，进行跟踪频率的函数逼近。
一种利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的系统，包括：
相量角度差测量模块，用于利用PMU测量配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据，并据此计算所述配电网系统侧与所述微电网接入端之间的相量角度差；
孤岛效应判断模块，用于判断所述相量角度差是否大于设定阈值，当所述相量角度差大于所述设定阈值时，判定产生孤岛效应，否则判定未产生孤岛效应；
所述PMU通过频率跟踪DFT算法测量所述配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据，利用PMU测量配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据时，根据所述配电网系统侧与所述微电网接入端两节点处的功率和线路参数校准初始时刻的相量角度，从而校准初始时刻的相量角度差。
进一步地，所述PMU通过频率跟踪DFT算法测量所述配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据时，所述PMU的采样频率随所述微电网系统频率的变化而变化。
进一步地，所述PMU采样的信号经过矩形窗加窗截断处理后，再进行离散傅里叶变换。
进一步地，利用PMU测量配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据时，利用误差的近似度量代替插值条件，进行跟踪频率的函数逼近。
与现有技术相比，本发明提供的利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法及系统，通过频率跟踪DFT算法测量配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据，在测量时改进PMU所用的频率跟踪DFT算法，剔除了测量数据中的误差因素，提高了PMU测量精度，能够实现更快、更准确的孤岛检测，避免了传统被动检测法的盲区，为孤岛检测提供了一种新的实现方式。
附图说明
图1是本发明实施例利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法的基本原理示意图；
图2是本发明实施例利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法的总体流程示意图；
图3是输电线路结构等效示意图；
图4是输电线路电压偏移量示意图；
图5是功率平/失衡时分布式电源端电压曲线示意图；
图6是并网/孤岛运行频率变化曲线示意图；
图7是PMU计算相量角度差变化曲线示意图；
图8是本发明实施例本发明实施例利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的系统的组成原理示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供的利用PMU(Phasor Measurement Unit，相量测量单元) 测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法，包括：
步骤1：利用PMU测量配电网系统4侧和微电网1接入端的相量角度数据，并据此计算配电网系统4侧与微电网1接入端之间的相量角度差；
步骤2：判断相量角度差是否大于设定阈值，当相量角度差大于设定阈值时，判定产生孤岛效应，否则判定未产生孤岛效应。
本发明利用PMU测得配电网系统4侧与微电网1接入端处的相量角度数据并计算相量角度差，由于两个测量点(即配电网系统4侧与微电网1接入端处) 距离较长，线路参数会使计算的相量角度差产生误差，因此线路参数的影响不能忽略，在剔除相量角度差误差因素时，需要结合两节点处的功率和线路参数校准初始时刻的相量角度差。
步骤1中，PMU通过频率跟踪DFT(离散傅里叶变换)算法测量配电网系统 4侧和微电网1接入端的相量角度数据，利用PMU测量配电网系统4侧和微电网 1接入端的相量角度数据时，根据配电网系统4侧与微电网1接入端两节点处的功率和线路参数校准初始时刻的相量角度，从而校准初始时刻的相量角度差。
图2是输电线路结构等效示意图，根据图2可得到线路参数为：
上式中，R为线路等效电阻；X为线路等效阻抗。线路上由于阻抗产生的电压横向偏移量ΔU和纵向偏移量δU，如图3所示，可以得出两节点之间的线路电压相量角度差为：
当孤岛形成之后，由于孤岛内部功率供求失衡，系统电压、频率都将发生波动。在孤岛检测中，利用频率变化率法(ROCOF)进行孤岛判断是最常用的方法，但是孤岛内功率的不平衡度对其测量的准确度有较大的影响，在不平衡度低的时候存在检测盲区，并且在该区域微电网1中有大功率负荷3投切时会有误操作的可能。因此，需要改进频率变化率法，以改善其缺点。配电网系统4 侧与微电网1接入端之间会受到电压和频率波动的影响而出现相量角度差，并且会由于微电网1频率的变动，相量角度差越来越大。如果假设配电网系统4侧的电动势一直保持不变并将其作为基准相量，则两节点之间的相量角度将发生变化，这个相量角度变化的大小与孤岛功率供求的不平衡程度呈正比，设置相量角度阈值θlim，当相量角度差超过该阈值后，就判定为出现孤岛效应，此判定方程为：
|ΔθcDs|＝|θcD(t)-θcs(0)|＞θlim (4)
结合PMU的工作原理和设置的相量角度差阈值，给出了利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法的总体流程，如图2所示，首先获取GPS时钟信号，根据GPS时钟信号同步进行两个测量点的模拟信号采集，然后依次进行信号滤波、模数转换，最后利用相关参数进行改进的DFT计算，从而得到两个测量点的相量角度，然后计算两个测量点的相量角度差，将相量角度差与设定阈值进行比较，以判断系统是否处于非计划孤岛运行状态，如果相量角度差大于设定阈值，则系统处于非计划孤岛运行状态，否则，系统未处于非计划孤岛运行状态。
根据IEEE国际标准C39.118-2011中关于PMU的规定，在电网频率发生波动时，将频率偏移量Δf(t)代入电网中电压信号表达式，可以得到PMU相对于UTC 的任意时刻t同步相量角度表达式：
式中,Δf(t)电网频率偏移量。由(5)可以看出，PMU通过对频率的变化进行积分为孤岛检测提供时间同步测量的相量角度数据。
目前，PMU装置的计算大部分采用DFT算法，假设系统频率fN维持50Hz不变，DFT以采样间隔fs＝NfN进行采样，采样点数为N,则第n个采样点φn的值为：
为了更好的处理采样信号，对采样信号用矩形窗加窗截断，PMU采样的信号经过矩形窗加窗截断处理后，再进行离散傅里叶变换，可以得到在一个采样周期内第n个点电网频率振动时的相量角度误差值Δθcn为：
由表达式(7)的组成部分可以看出相量角度误差与Δf和θcn有关，所以在任意的采样工频周期的t时刻，可以得出计算相量角度误差Δθc(t)为：
在假设系统频率fN维持50Hz不变的前提下，DFT计算的理论相量角度为：
6cL(t)＝6c(t)+A6c(t) (9)
但是对于实际的微电网1系统，由于微电网1本身的发电容量有限，网络规模也往往比较小，其系统频率会随着系统潮流的变化而不断变化，不可能恒定在50Hz，测量数据的准确性就会受到系统频率振动的影响。因此，利用PMU 进行孤岛检测，PMU采样频率应该根据系统频率的变化而进行实时变化，改进 PMU频率跟踪DFT算法以保证测量数据的准确性。即PMU通过频率跟踪DFT算法测量配电网系统4侧和微电网1接入端的相量角度数据时，PMU的采样频率随微电网1系统频率的变化而变化。
目前，实际应用在主网线路中的PMU，由于其生产厂商对使用的频率跟踪 DFT算法有保密要求，无法准确得知DFT算法，只能通过分析PMU实际测得相量角度数据与理论计算得到的相量角度数据进行分析推导出跟踪频率fgN(t)表达式为:
式中，B1＝A1(0)+A2(0)，B2＝A1(0)+A′2(0)(B1、B2分别为下式在t＝0 时刻及其一阶导数在t＝0时刻的值
上述公式在将离散的相量角度和频率连续化时，采用一次函数进行拟合求解fgN(t)。在实际微电网1系统频率振荡的情况下，测得的离散数据本身包含误差，利用一次函数近似求解fgN(t)，显然不恰当。因此，本发明利用PMU测量配电网系统4侧和微电网1接入端的相量角度数据时，利用误差的近似度量代替插值条件，进行跟踪频率的函数逼近，即进行fgN(t)的函数逼近，进一步减小了计算误差，提高了测量精度。将求解的fgN(t)代入表达式(4)可以得到配电网系统4 侧与微电网1接入端之间相量角度差的表达式为：
由表达式(11)2、3部分可以看出，通过改进fgN(t)及ΔfgN(t)函数求解精度，提高表达式相量角度差ΔθCDS(t)的计算精度，对于改进1部分的初始时刻的相量角度差，需要通过求解的线路参数，利用式(3)代入式(11)中1部分进行初始时刻相量角度校准。通过对PMU测量数据所用计算方法进行改进分析，在很大程度上消除了相量角度差计算时产生的误差，较大的提高了测量精度。
利用Matlab和PSCAD仿真软件对微电网1进行建模仿真，将直流电源逆变模拟分布式电源2，在配电网系统4侧用恒压源进行模拟取线路电压为380V，通过控制接入系统侧的断路器的开/闭状态模拟微电网1的的孤岛运行和并网运行的状态。在仿真时间1s之前，微电网1处于并网运行状态，系统有功负荷大小设为恒定80MW，如图5所示，其内部功率处于供需平衡状态，测量到分布式电源2端电压的标幺值。如图6所示，其频率基本稳定在50Hz。如图7所示，由于线路参数的问题相量角度差的绝对值大于0。
在仿真时间1s时，将断路器断开切换到孤岛运行状态，从图5中可以看出分布式电源2机端电压标幺值呈增长趋势，最后稳定在1.27左右。在孤岛运行状态下，频率产生了明显的突变，但是经过PID控制调节在很短的时间内频率的变化恢复正常，可以看出利用频率检测孤岛运行的难度较大。在图7中相量角度差的变化仍然稳定且明显，所以利用相量角度差作为判定条件进行孤岛检测，能有效的避免传统被动检测法在微电网1内部功率匹配下检测盲区的出现，并且通过改进PMU频率跟踪DFT算法，能更快、更准确的进行孤岛检测。
基于上述方法，本发明实施例还提供了一种利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的系统，包括：
相量角度差测量模块5，用于利用PMU测量配电网系统4侧和微电网1接入端的相量角度数据，并据此计算配电网系统4侧与微电网1接入端之间的相量角度差；
孤岛效应判断模块6，用于判断相量角度差是否大于设定阈值，当相量角度差大于设定阈值时，判定产生孤岛效应，否则判定未产生孤岛效应；
PMU通过频率跟踪DFT算法测量配电网系统4侧和微电网1接入端的相量角度数据，利用PMU测量配电网系统4侧和微电网1接入端的相量角度数据时，根据配电网系统4侧与微电网1接入端两节点处的功率和线路参数校准初始时刻的相量角度，从而校准初始时刻的相量角度差。
PMU通过频率跟踪DFT算法测量配电网系统4侧和微电网1接入端的相量角度数据时，PMU的采样频率随微电网1系统频率的变化而变化。
PMU采样的信号经过矩形窗加窗截断处理后，再进行离散傅里叶变换。
利用PMU测量配电网系统4侧和微电网1接入端的相量角度数据时，利用误差的近似度量代替插值条件，进行跟踪频率的函数逼近。
该系统的各模块与上述方法中各步骤相对应，用于执行上述方法中各步骤，系统的工作原理可参考上述方法中相应步骤的描述，在此不再赘述。
上述实施例仅为优选实施例，并不用以限制本发明的保护范围，在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法，其特征在于，包括：
步骤1：利用PMU测量配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据，并据此计算所述配电网系统侧与所述微电网接入端之间的相量角度差；
步骤2：判断所述相量角度差是否大于设定阈值，当所述相量角度差大于所述设定阈值时，判定产生孤岛效应，否则判定未产生孤岛效应；
所述步骤1中，所述PMU通过频率跟踪DFT算法测量所述配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据，利用PMU测量配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据时，根据所述配电网系统侧与所述微电网接入端两节点处的功率和线路参数校准初始时刻的相量角度，从而校准初始时刻的相量角度差。
2.如权利要求1所述的利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法，其特征在于，所述PMU通过频率跟踪DFT算法测量所述配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据时，所述PMU的采样频率随所述微电网系统频率的变化而变化。
3.如权利要求2所述的利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法，其特征在于，所述PMU采样的信号经过矩形窗加窗截断处理后，再进行离散傅里叶变换。
4.如权利要求1所述的利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的方法，其特征在于，利用PMU测量配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据时，利用误差的近似度量代替插值条件，进行跟踪频率的函数逼近。
5.一种利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的系统，其特征在于，包括：
相量角度差测量模块，用于利用PMU测量配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据，并据此计算所述配电网系统侧与所述微电网接入端之间的相量角度差；
孤岛效应判断模块，用于判断所述相量角度差是否大于设定阈值，当所述相量角度差大于所述设定阈值时，判定产生孤岛效应，否则判定未产生孤岛效应；
所述PMU通过频率跟踪DFT算法测量所述配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据，利用PMU测量配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据时，根据所述配电网系统侧与所述微电网接入端两节点处的功率和线路参数校准初始时刻的相量角度，从而校准初始时刻的相量角度差。
6.如权利要求5所述的利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的系统，其特征在于，所述PMU通过频率跟踪DFT算法测量所述配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据时，所述PMU的采样频率随所述微电网系统频率的变化而变化。
7.如权利要求6所述的利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的系统，其特征在于，所述PMU采样的信号经过矩形窗加窗截断处理后，再进行离散傅里叶变换。
8.如权利要求5所述的利用PMU测量相量角度数据进行孤岛效应检测的系统，其特征在于，利用PMU测量配电网系统侧和微电网接入端的相量角度数据时，利用误差的近似度量代替插值条件，进行跟踪频率的函数逼近。
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