CN109521273B

CN109521273B - 一种同步相量测量方法、系统及装置

Info

Publication number: CN109521273B
Application number: CN201811407434.8A
Authority: CN
Inventors: 徐全; 于力; 雷金勇; 袁智勇; 李鹏
Original assignee: CSG Electric Power Research Institute; China Southern Power Grid Co Ltd
Current assignee: CSG Electric Power Research Institute; China Southern Power Grid Co Ltd
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2020-07-03
Anticipated expiration: 2038-11-23
Also published as: CN109521273A

Abstract

本申请公开了一种同步相量测量方法、系统及装置，包括：获取电力信号离散的采样信号；分别对目标周波数据窗、第一周波数据窗和第二周波数据窗对应的采样信号求和得到目标数值和、第一数值和、第二数值和，然后计算得到衰减直流分量的时间常数、第一初始幅值和第二初始幅值；判断目标数值和是否大于第一数值和，且判断第一初始幅值与第二初始幅值是否相等；若是，判定采样信号中包含衰减直流分量；若否，判定采样信号中不含衰减直流分量；根据采样信号得到对应的修正相量，然后确定电力信号的各项参数。本发明中，准确判断衰减直流分量是否存在，并得到衰减直流分量的时间常数和初始幅值，后续计算运算量小，能准确快速得到电力信号的各项参数。

Description

一种同步相量测量方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及电路设计领域，特别涉及一种同步相量测量方法、系统及装置。

背景技术

目前，同步相量测量装置(Phasor Mearsurement Unit，PMU)已在电力系统发电和输电网中得到广泛的成功应用，其应用领域也从监测扩展到辨识、分析、控制和保护等众多领域。

其中，配电网领域对PMU需求量大，尤其是随着大规模分布式电源和电动汽车等柔性负荷接入配电网，配电网的运行状态复杂，噪声更趋严重，潮流变化更加频繁，传统测量面临精度和速度方面的局限，导致电网安全可靠运行受到很大威胁，这对配电网中的PMU算法提出了更高要求。

自PMU装置被发明至今，针对不同的应用场景，国内外学者已提出多种PMU算法，包括傅里叶变换算法、自适应调整采样率的相量算法、频域动态模型算法、FIR(FiniteImpulse Response，有限长单位冲击响应)滤波器算法和小波变换算法等。但传统PMU算法，无法校验当前时刻有无衰减直流分量，同时无法在未知衰减时间常数，系统频率有偏差时准确计算电力信号幅值相角，从测试结果和现场应用来看，传统算法无法解决运算量和性能、精度和速度之间的矛盾。

PMU正处在积极向配电网推广的阶段，由于当前PMU装置较低的相量精度以及在配网中应用场景的不适应性，导致其大规模推广受限，因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案成为目前本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能够精准计算的同步相量测量方法、系统及装置。其具体方案如下：

一种同步相量测量方法，包括：

获取电力信号离散的采样信号；

分别对目标周波数据窗、第一周波数据窗和第二周波数据窗对应的所述采样信号进行求和，得到目标数值和、第一数值和、第二数值和；其中所述目标周波数据窗与所述第一周波数据窗相隔第一距离，所述目标周波数据窗和所述第二周波数据窗相隔第二距离；

判断所述目标数值和是否大于所述第一数值和；

如果否，判定所述采样信号中不含衰减直流分量；

如果是，根据所述目标数值和、所述第一数值和、所述第二数值和，计算得到所述衰减直流分量的时间常数；

根据所述时间常数、所述目标数值和、所述第一数值和，计算得到所述衰减直流分量的第一初始幅值；

根据所述时间常数、所述目标数值和、所述第二数值和，计算得到所述衰减直流分量的第二初始幅值；

判断所述第一初始幅值与所述第二初始幅值是否相等；如果是，判定所述采样信号中包含所述衰减直流分量；如果否，判定所述采样信号中不含所述衰减直流分量；

根据所述采样信号，得到对应的修正相量；

根据所述修正相量，确定所述电力信号的各项参数。

优选的，所述第一距离通过对

取整得到；所述第二距离通过对

取整得到；其中，f₀为额定频率，Δf为当前频率偏离所述额定频率的差值。

优选的，所述根据所述目标数值和、所述第一数值和、所述第二数值和，计算得到衰减直流分量的时间常数的过程，具体包括：

对计算式

求解，得到所述时间常数；

其中，S_Σ为所述目标数值和，S'_Σ为所述第一数值和，S”_Σ为所述第二数值和，l'为所述第一距离，l”为所述第二距离，N为周波采样点数，T_c为所述时间常数。

优选的，所述根据所述时间常数、所述目标数值和、所述第一数值和，计算得到所述衰减直流分量的第一初始幅值的过程，具体包括：

根据公式

得到所述第一初始幅值；

所述根据所述时间常数、所述目标数值和、所述第二数值和，计算得到所述衰减直流分量的第二初始幅值的过程，具体包括：

根据公式

得到所述第二初始幅值；

其中，C₁为所述第一初始幅值，C₂为所述第二初始幅值，T_s为所述电力信号的采样周期。

优选的，所述根据所述采样信号，得到对应的修正相量的过程，具体包括：

根据公式

得到第一修正相量

根据公式

得到第二修正相量

其中，

为所述目标周波数据窗对应的所述采样信号经过DFT变换后的相量，

为比较周波数据窗对应的采样信号经过DFT变换后的相量，所述比较周波数据窗与所述目标周波数据窗距离为l；

若所述采样信号中不含所述衰减直流分量，

若所述采样信号中包含所述衰减直流分量，则

优选的，所述根据所述修正相量，确定所述电力信号的各项参数的过程，具体包括：

根据公式

得到相角一阶系数θ₁；

根据公式

得到所述电力信号的各项参数，所述各项参数包括幅值a和频率f；其中，

优选的，所述A和所述B分别通过泰勒级数展开化简为：

优选的，所述获取电力信号离散的采样信号的过程，包括：

对所述电力信号进行同步等间隔采样，并进行离散化处理，得到离散的采样信号。

相应的，本发明还公开了一种同步相量测量系统，包括：

获取模块，用于获取电力信号离散的采样信号；

求和模块，用于分别对目标周波数据窗、第一周波数据窗和第二周波数据窗对应的所述采样信号进行求和，得到目标数值和、第一数值和、第二数值和；其中所述目标周波数据窗与所述第一周波数据窗相隔第一距离，所述目标周波数据窗和所述第二周波数据窗相隔第二距离；

第一判断模块，用于判断所述目标数值和是否大于所述第一数值和；如果否，判定所述采样信号中不含衰减直流分量并触发第二计算模块；如果是，触发第一计算模块；

所述第一计算模块，用于根据所述目标数值和、所述第一数值和、所述第二数值和，计算得到所述衰减直流分量的时间常数；然后根据所述时间常数、所述目标数值和、所述第一数值和，计算得到所述衰减直流分量的第一初始幅值；最后根据所述时间常数、所述目标数值和、所述第二数值和，计算得到所述衰减直流分量的第二初始幅值；

第二判断模块，用于判断所述第一初始幅值与所述第二初始幅值是否相等并触发所述第二计算模块；如果是，判定所述采样信号中包含所述衰减直流分量；如果否，判定所述采样信号中不含所述衰减直流分量；

所述第二计算模块，用于根据所述采样信号，得到对应的修正相量；根据所述修正相量，确定所述电力信号的各项参数。

相应的，本发明还公开了一种同步相量测量装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文所述同步相量测量方法的步骤。

本发明公开了一种同步相量测量方法，包括：获取电力信号离散的采样信号；分别对目标周波数据窗、第一周波数据窗和第二周波数据窗对应的所述采样信号进行求和，得到目标数值和、第一数值和、第二数值和；其中所述目标周波数据窗与所述第一周波数据窗相隔第一距离，所述目标周波数据窗和所述第二周波数据窗相隔第二距离；判断所述目标数值和是否大于所述第一数值和；如果否，判定所述采样信号中不含衰减直流分量；如果是，根据所述目标数值和、所述第一数值和、所述第二数值和，计算得到所述衰减直流分量的时间常数；根据所述时间常数、所述目标数值和、所述第一数值和，计算得到所述衰减直流分量的第一初始幅值；根据所述时间常数、所述目标数值和、所述第二数值和，计算得到所述衰减直流分量的第二初始幅值；判断所述第一初始幅值与所述第二初始幅值是否相等；如果是，判定所述采样信号中包含所述衰减直流分量；如果否，判定所述采样信号中不含所述衰减直流分量；根据所述采样信号，得到对应的修正相量；根据所述修正相量，确定所述电力信号的各项参数。

通过本发明中的两次判断能够准确判断可能包含干扰信号的采样信号中是否存在直流衰减分量：只有目标数据和大于第一数据和，且第一初始幅值等于第二初始幅值时电力信号中存在直流衰减分量，并且此时已经准确获取了衰减直流分量的时间常数和初始幅值，根据该判断对采样信号进行相关计算，运算量小，计算精度高，能够准确快速得到电力信号的各项参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种同步相量测量方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中一种电力信号的数值仿真曲线；

图3为本发明实施例中另一种电力信号的数值仿真曲线；

图4为本发明实施例中一种电力信号的计算仿真结果；

图5为本发明实施例中另一种电力信号的计算仿真结果；

图6为本发明实施例中多种方法的计算仿真结果对比图；

图7为本发明实施例中一种同步相量测量系统的结构分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种同步相量测量方法，参见图1所示，包括：

S1：获取电力信号离散的采样信号；

其中，步骤S1具体包括：对电路信号进行同步等间隔采样，并进行离散化处理，得到离散的采样信号。

具体的，本实施例中的同步采样通过软硬件综合处理方式，在单CPU上实现满足PMU要求的同步采样。进一步的，同步采样采用CPU定时中断实现，根据GPS绝对时间秒脉冲修正定时中断的时间偏差，同时采用相应的容错机制，在GPS秒脉冲丢失或短时错误时，仍有较高的精度。

本实施例中的容错机制，以在工频为50H电力系统为例，假设每周波采样点数为N，CPU每秒的定时器值为M，则等间隔采样时间的理论值t′为

记录前一次秒脉冲到来时刻定时器值，设为Tx，并记录本次秒脉冲到来时刻定时器值Ty，则下一秒的等间隔采样时间的校正值t为

比较校正值t与理论值t′的差值，与预设的阈值比较，如果小于预设阈值则采用校正值对定时器进行校正；如果大于预设阈值，则认为GPS信号错误，依然使用理论值t′，并记录本次的偏差，在连续10次偏差均超过阈值，且偏差值恒定，定时器误差较大，采用校正值t。

其中，采样过程中每10ms进入定时中断，进行相量计算。

具体的，同步等间隔采样后得到的原始采样信号以幅值相角的形式表示，则纯正弦无衰减直流分量的电力信号x(t)可以表示为：

式中P(t)＝a(t)e^jθ(t)，a(t)和θ(t)分别表示电力系统电压或电流信号幅值和相角，P^*与P互为共轭，f₀为电力系统额定频率。

而当电力系统发生故障时，电力信号中可能包含衰减直流分量，衰减直流分量的存在，如不进行相应算法改进，将导致传统相量算法无法正确获取电力信号真实相量的幅值和相角。因此为滤除衰减直流分量，且更真实反映电力系统电力信号的特性，含衰减直流分量的原始采样信号可以表示为：

式中C'为衰减直流分量的初始幅值，T_c为衰减直流分量的时间常数。

进一步的，对原始采样信号进行离散化处理，假设采样周期为Ts，每周波采样点数为N，则t＝nT_s＝n/(Nf₀)，n为采样点的序号，则有：

根据上式，即可得到离散化处理后的采样信号。

进一步的，后续的计算思路是对采样信号进行DFT变换，从而求得相关的相位、幅值、时间常数等。

具体的，对离散后信号进行DFT变换，假设电力信号在一个周波内幅值恒定，相角为一阶函数，即a(t)＝a，θ(t)＝θ₀+θ₁t，θ₁＝2πΔf，其中Δf为系统当前频率偏离工频的大小。可得电力信号经DFT变换后的相量为：

由该式可以推导得到

其中

为衰减直流分量，

为了简化计算，对A和B进行泰勒级数展开并化简可得到：

进一步的，令

则可以得到仅包含基波的修正向量：

从而可以求得：

类似的，对与目标周波数据窗相隔l点的数据窗进行非递归DFT计算，且假设幅值和频率偏差不变则可求得：

式中：θ_0l为与上述采样信号相隔l点数据窗的修正后相角；θ_ml为与上述采样信号相隔l点数据窗的修正前相角；θ_1l为相隔l点数据窗信号模型中相角一阶系数。

从而可以求得：

进一步还可求得幅值及频率：

上文是本实施例中根据采样信号、修正向量来确定电力信号的各项参数的具体思路，详细的计算过程还需要根据实际数据进行调整。

S2：分别对目标周波数据窗、第一周波数据窗和第二周波数据窗对应的所述采样信号进行求和，得到目标数值和、第一数值和、第二数值和；其中所述目标周波数据窗与所述第一周波数据窗相隔第一距离，所述目标周波数据窗和所述第二周波数据窗相隔第二距离；

具体的，对目标周波数据窗对应的采样信号求和可以得到目标数值和S_∑：

类似的，对第一周波数据窗和第二周波数据窗对应的采样信号求和得到第一数值和S′_∑和第二数值和S″_∑：

其中，第一距离l′的选择依据是能使目标数值和与第一数值和的基波相同，第二距离l″的选择依据是使第二数值和的基波反相，通常取第一距离为一周波，取第二距离为半周波。

S3：判断所述目标数值和是否大于所述第一数值和；如果否，判定所述采样信号中不含衰减直流分量；

S4：如果是，根据所述目标数值和、所述第一数值和、所述第二数值和，计算得到所述衰减直流分量的时间常数；

S5：根据所述时间常数、所述目标数值和、所述第一数值和，计算得到所述衰减直流分量的第一初始幅值；

S6：根据所述时间常数、所述目标数值和、所述第二数值和，计算得到所述衰减直流分量的第二初始幅值；

其中，第一初始幅值与第二初始幅值的计算思路类似，但是采用数据不同，因此可以使用第一初始幅值和第二初始幅值来校验衰减直流分量的存在。

S7：判断所述第一初始幅值与所述第二初始幅值是否相等；如果是，判定所述采样信号中包含所述衰减直流分量；如果否，判定所述采样信号中不含所述衰减直流分量；

S8：根据所述采样信号，得到对应的修正相量；

S9：根据所述修正相量，确定所述电力信号的各项参数。

可以理解的是，本实施例中进行了两次判断，第一次判断目标数值和是否大于第一数值和，第二次判断第一初始幅值与第二初始幅值是否相等，通过这两次判断，可以得出理论计算得到的衰减直流分量是否实际存在的结论，因此这两次判断又被称为衰减直流分量的双重校验。

实际上，步骤S4-6中计算衰减直流分量的时间常数、第一初始幅值、第二初始幅值的动作，并不涉及步骤S3的判断结果，即使步骤S3的判断结果为否，步骤S4-6也可以计算，因此也可以先执行步骤S4-6中计算衰减直流分量的时间常数、第一初始幅值、第二初始幅值的动作，然后再进行两次判断。但明显看出，如果先进行第一次判断，再执行步骤S4-6，当步骤S3判断结果为否时可以节省大量计算成本。

本发明实施例公开了一种具体的同步相量测量方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的：

步骤S2中的所述第一距离通过对

取整得到；所述第二距离通过对

具体的，由上一实施例得知，第一距离l′的选择依据是能使目标数值和与第一数值和的基波相同，第二距离l″的选择依据是使第二数值和的基波反相，因此

选取第一距离l′使得：

即

解得(θ₁T_s+2π/N)l′＝2kπ，本实施例中可以令k＝1，求得：

[]为取整符号；也可以令k的取值为其他整数，同样可以获得可用的数值作为第一距离l′。

同理，选取l″使得：

即

解得(θ₁T_s+2π/N)l′＝(2k+1)π，本实施例可以令k＝0，求得

[]为取整符号；也可以令k的取值为其他整数，同样可以获得可用的数值作为第二距离l″。

步骤S4所述根据所述目标数值和、所述第一数值和、所述第二数值和，计算得到衰减直流分量的时间常数的过程，具体包括：

对计算式

求解，得到所述时间常数；

实际上，利用第一个实施例，对目标数值和与第二数值和求和可得：

同理对目标数值和与第一数值和作差可得

然后对上述两式作商可得

令

则上式可简化为一元二次方程λξ²+ξ-λ+1＝0，从而求得ξ，继而可以求得衰减直流分量时间常数T_c。

进一步的，步骤S5所述根据所述时间常数、所述目标数值和、所述第一数值和，计算得到所述衰减直流分量的第一初始幅值的过程，具体包括：

根据公式

得到所述第一初始幅值；

类似的，步骤S6所述根据所述时间常数、所述目标数值和、所述第二数值和，计算得到所述衰减直流分量的第二初始幅值的过程，具体包括：

根据公式

得到所述第二初始幅值；

本实施例中出现了两次判断，也即双重校验：

第一重校验，判断所述目标数值和是否大于所述第一数值和，通过检验公式

是否成立实现，也就是在校验当前时间的数据窗和值是否大于相距第一距离的数据窗的和值；

第二重校验，判断第一初始幅值是否等于第二初始幅值，具体计算过程已经在上一实施例中描述清楚。

可以理解的是，双重校验必须同时满足才表明本实施例的电力信号具有衰减直流分量，否则任一校验不通过，则认为当前系统无衰减直流分量。

进一步的，步骤S8中所述根据所述采样信号，得到对应的修正相量的过程，具体包括：

根据公式

得到第一修正相量

根据公式

得到第二修正相量

其中，

为比较周波数据窗对应的采样信号经过DFT变换后的相量，所述比较周波数据窗与所述目标周波数据窗距离为l，可以看出，这里的比较周波数据窗也就是第一实施例中与目标周波数据窗相隔l点的数据窗；

若所述采样信号中不含所述衰减直流分量，

若所述采样信号中包含所述衰减直流分量，则

进一步的，步骤S9中所述根据所述修正相量，确定所述电力信号的各项参数的过程，具体包括：

根据公式

得到相角一阶系数θ₁；

根据公式

其中，所述A和所述B分别通过泰勒级数展开化简为：

可以理解的是，本实施例中最终获取修正向量、确定电力信号的参数的过程，实际上遵循了第一实施例中的计算思路，实现了准确判断衰减直流分量的存在并准确计算电力信号参数的目的。

本实施例中对两种电力信号进行了仿真和计算，以验证本发明。

一种是额定频率的电力信号，表达式

式中a为幅值，取1；Tc为衰减时间常数，取0.05s；Ts为为等间隔采样周期，其计算式为T_s＝1/(Nf₀)，N为每周波采样点数，f₀为系统额定频率。

另一种是频率偏差为5Hz的电力信号，表达式为：

参见图2所示，其中展示了x₁(t)的目标数值和、第一数值和以及第二数值和，还展示了对应的和值、差值，其相邻数据窗的差值指目标数值和与第一数值和的差，相邻数据窗的和值指目标数值和与第二数值和的和。图3与图2类似，对应的电力信号为x₂(t)。

参见图4所示，表示电力信号x₁(t)的衰减直流分量的各项参数；

参见图5所示，表示电力信号x₂(t)的衰减直流分量的各项参数；

可明显看出，两种电力信号的第一初始幅值与第二初始幅值均始终相等。

参见图6所示，图中通过三种方法，包括DFT、修正算法、未考虑衰减直流修正算法对电力信号x₂(t)进行计算，图中是三种算法的计算结果对比。

通过图6的对比，可以看出本发明的同步相量测量方法的结果，与现有技术相比，更为准确稳定。

相应的，本发明还公开了一种同步相量测量系统，参见图7所示，包括：

获取模块1，用于获取电力信号离散的采样信号；

求和模块2，用于分别对目标周波数据窗、第一周波数据窗和第二周波数据窗对应的所述采样信号进行求和，得到目标数值和、第一数值和、第二数值和；其中所述目标周波数据窗与所述第一周波数据窗相隔第一距离，所述目标周波数据窗和所述第二周波数据窗相隔第二距离；

第一判断模块3，用于判断所述目标数值和是否大于所述第一数值和；如果否，判定所述采样信号中不含衰减直流分量并触发第二计算模块6；如果是，触发第一计算模块4；

所述第一计算模块4，用于根据所述目标数值和、所述第一数值和、所述第二数值和，计算得到所述衰减直流分量的时间常数；然后根据所述时间常数、所述目标数值和、所述第一数值和，计算得到所述衰减直流分量的第一初始幅值；最后根据所述时间常数、所述目标数值和、所述第二数值和，计算得到所述衰减直流分量的第二初始幅值；

第二判断模块5，用于判断所述第一初始幅值与所述第二初始幅值是否相等并触发所述第二计算模块6；如果是，判定所述采样信号中包含所述衰减直流分量；如果否，判定所述采样信号中不含所述衰减直流分量；

所述第二计算模块6，用于根据所述采样信号，得到对应的修正相量；根据所述修正相量，确定所述电力信号的各项参数。

其中，通过本发明实施例中的两次判断能够准确判断可能包含干扰信号的采样信号中是否存在直流衰减分量：只有目标数据和大于第一数据和，且第一初始幅值等于第二初始幅值时电力信号中存在直流衰减分量，并且此时已经准确获取了衰减直流分量的时间常数和初始幅值，根据该判断对采样信号进行相关计算，运算量小，计算精度高，能够准确快速得到电力信号的各项参数。

相应的，本发明实施例还公开了一种同步相量测量装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

其中，具体有关同步相量测量方法的细节可以参照上文实施例中的描述。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种同步相量测量方法、系统及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。