CN110231514B - 一种适用于宽频带测量的同步相量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于宽频测量的同步相量测量方法，测量方法包括通过同步相量测量装置获取电力系统三相电压和电流信号，用频谱分析获取每相电力信号的间谐波和谐波振荡分量，并计算总谐波畸变率；同时，结合同步相量测量的稳定性指标判断计算结果有效性；若有效，则将所得的间谐波振荡分量和总谐波畸变率分别与装置内设定的判据进行比较，对电力系统的间谐波和谐波振荡判定，从而实现对间谐波、谐波振荡的实时测量与监视。本发明用于实现电力系统的宽频测量，解决电力系统中缺少间谐波、谐波的振荡实时测量与监视手段的难题，使调度人员能够及时发现并处理振荡故障，为保障电力系统的稳定运行提供了一种快捷有效的手段。

Description

一种适用于宽频带测量的同步相量测量方法

技术领域

本发明属于电气测量技术领域，涉及一种适用于宽频测量的同步相量测量方法，具体涉及一种电力系统间谐波、谐波振荡的实时测量与监视方法。

背景技术

随着电网规模的不断扩大和规模化可再生能源的并网发电，大量串补装置、无功补偿装置及直流输电调制、电力系统稳定器等设备投入到了电力系统中，以达到提高输电能力、改善系统稳定性的作用。然而，这些设备为电网带来经济效益的同时，也带来了一些新的问题和挑战，即间谐波和谐波振荡问题。间谐波是频率为基波频率的非整数倍周期性正弦波电气分量，谐波则基波频率的整数倍周期性正弦波电气分量。间谐波、谐波振荡的存在严重威胁着电力系统的安全运行。因此，实现电力系统的宽频测量，实时测量和监视间谐波和谐波振荡，对整个电力系统的问题定运行具有重要意义。

发明内容

本发明提出了一种适用于宽频测量的同步相量测量方法，用于实现电力系统中电气信号的宽频测量，在测量基波相量的同时，解决电力系统中缺少间谐波、谐波振荡实时测量与监视手段的难题。

本发明具体采用以下技术方案。

一种适用于宽频测量的同步相量测量方法，所述方法基于测量点三相电压和三相电流的采样信号进行频谱分析，提取间谐波和谐波振荡分量，同时结合同步相量信息，实现对电力系统的间谐波和谐波振荡判定，从而实现对间谐波、谐波振荡的实时测量与监视。

一种适用于宽频带测量的同步相量测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1：读取配置文件中设定的阈值参数，所述阈值参数用于判断所监测的电气通道是否发生了间谐波或谐波振荡，所述阈值参数包括间谐波振荡幅值阈值，总谐波畸变率THD阈值，幅值变化阈值、频率上限值、频率下限值、频率变化率阈值；

步骤2：通过模数转换将所监测的电气通道的模拟信号转换为数字信号得到AD采样值，获取该电气通道设定数据窗内的AD采样值，并使用快速傅里叶(FFT)进行频谱分析；

步骤3：在频谱分析后，遍历45Hz～55Hz范围内频谱，确定基波频率；然后，根据基波频率得到2～50次谐波预估频率；遍历2～50次谐波预估频率±5Hz范围内频谱，然后针对遍历得到的谐波频点进行插值，修正谐波计算结果，最终计算得到2～50次谐波振荡分量；

步骤4：在得到基波和2～50次谐波分量后，进行总谐波畸变率(THD)计算；

步骤5：在步骤4的基础上，从频谱中剔除掉谐波成分之后，遍历[10Hz，40Hz]和[60Hz，1000Hz]范围内的频点，根据各个频点的幅值大小，选取10个幅值最大的结果作为所监测电气通道的间谐波振荡分量；

步骤6：读取PMU装置相量数据，监测步骤2所述电气通道中同一数据窗内的相量数据；

步骤7：获取同一数据窗内相量数据的频率信息，若设定数据窗内相量数据的频率值都在配置文件中设定的频率上限值、频率下限值之间，则认为步骤3、步骤4和步骤5的计算结果有效，进入步骤8，否则返回步骤2；

步骤8：在步骤6的基础上计算数据窗中相邻两个相量幅值变化值，若设定数据窗中任意两个相邻幅值变化值大于配置文件中设定的幅值变化阈值，则判定步骤3、步骤4和步骤5的计算结果无效，返回步骤2，否则进入步骤9；

步骤9：在步骤6的基础上获取数据窗内相量数据的频率变化率，若频率变化率大于配置文件中设定的频率变化率阈值，则判定步骤3、步骤4和步骤5的计算结果无效，返回步骤2，否则进入步骤10；

步骤10：假设设定数据窗内的相量数据的频率、幅值变化值、频率变化率均满足要求，则进行间谐波幅值越限判断和谐波THD越限判断；若步骤5中得到的间谐波振荡分量幅值大于配置文件中设定的幅值阈值，则判定所监测电气通道发生了间谐波振荡；若步骤4中得到的总谐波畸变率(THD)大于配置文件中设定THD阈值，则判定所监测电气通道发生了谐波振荡。

本发明进一步包括以下优选方案：

在步骤1中，所述阈值参数包括：

间谐波振荡幅值阈值，其取值为0.5％Un或0.5％In；

THD阈值，其取值为3％；

幅值变化阈值，其取值为10％Un或10％In；

频率上限值，其取值为50.50Hz；

频率下限值，其取值为49.50Hz；

频率变化率阈值，其取值为0.3Hz/s；

其中Un为所监测电气通道的额定电压值，In为所监测电气通道的额定电流值。

在步骤2中，所设定的数据窗为1s。

在步骤4中，总谐波畸变率分为电压总谐波畸变率和电流总谐波畸变率，V_THD为电压总谐波畸变率，I_THD为电流总谐波畸变率：

其中，V₁和I₁分别表示基波成分电压和电流幅值，V₂、V₃、V₄、V₅、……、V_N和I₂、I₃、I₄、I₅、……、I_N分别表示整数倍谐波的电压幅值和电流幅值。

通过上述步骤，本方法可以实时提取间谐波和谐波振荡分量，并对电力系统的振荡情况进行实时监测，有效的解决电力系统中不能在线监测、分析间谐波和谐波振荡的问题，为电网调度人员能够快速及时的了解电网各节点是否发生振荡故障及其故障范围、严重程度提供了有力的手段。

附图说明

附图是用来提供对本方法的进一步理解，并构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本方法。在附图中：

图1为本方法提供的适用于宽频测量的同步相量测量方法的结构示意图；

图2为本方法提供的适用于宽频测量的同步相量测量方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图1对本发明的方法进行说明。

如附图1所示为本方法提供的适用于宽频测量的同步相量测量的结构示意图。所述方法以同步相量测量装置(PMU)为依托，采用16位AD模数转换器，以9600Hz的采样率高速采样，并基于原始AD采样值，使用离散傅里叶变换(DFT)方法经一系列滤波和相位补偿等处理，计算得到同步相量信息(包括幅值、相位、频率以及频率变化率)；计算基波相量的同时，采用设定数据窗的原始AD采样值，使用快速傅里叶变换(FFT)实时计算间谐波和谐波振荡分量，得到10个间谐波振荡分量和1～50次谐波振荡分量，并计算总谐波畸变率；然后，结合同步相量测量的稳定性指标判断间谐波和谐波的计算结果是否有效，最后利用所得的间谐波振荡分量和总谐波畸变率分别与装置内设定的阈值参数进行比较，判定电力系统的间谐波和谐波是否发生振荡。

下面结合附图2对本方法进一步详细描述：

本方法提出了一种适用于宽频测量的同步相量测量方法，用于实现电力系统中电气信号的宽频测量，适用于安装有同步相量测量装置(PMU)的发电厂或变电站，基于同步相量测量的高密度原始采样值，进行相关计算及振荡监测。

本方法具体包括以下步骤：

步骤1：读取配置文件中设定的阈值参数。阈值参数包括间谐波振荡幅值阈值(0.5％Un或0.5％In)，THD阈值(3％)，幅值变化阈值(10％Un或10％In)、频率上限值(50.50Hz)、频率下限值(49.50Hz)、频率变化率阈值(0.3Hz/s)。

步骤2：通过模数转换(即AD采样)将所监测电气通道(如某相电压或电流通道)的模拟信号转换为数字信号。获取电气通道设定数据窗内的AD采样值，进行快速傅里叶(FFT)分析。

本方法的实例中，所设定的数据窗为1s；同时，为了抑制因信号非同步采样或非整数周期截断引起的频谱泄露，采用汉宁窗对原始采样值进行处理。

步骤3：在步骤2的基础上得到AD采样值的频谱分析后，遍历45Hz～55Hz范围内频谱，确定基波频率；然后，根据基波频率得到预估2～50次谐波频率；遍历2～50次谐波预估频率±谐波预范围内频谱，然后针对遍历得到的谐波频点进行插值，修正谐波计算结果，消除栅栏效应引起的误差，最终计算得到2～50次谐波振荡分量；

步骤4：得到基波和2～50次谐波分量后，进行总谐波畸变率(THD)计算。

总谐波畸变率(THD)表征输入波形的失真程度，THD数值越大，输入波形的失真越严重，高次谐波越丰富。数值越小，失真越小，高次谐波占的分量越小。总谐波畸变率分为电压总谐波畸变率和电流总谐波畸变率，V_THD为电压总谐波畸变率，I_THD为电流总谐波畸变率，计算公式如下：

其中，V₁和I₁分别表示基波成分电压和电流幅值，V₂、V₃、V₄、V₅、……、V_N和I₂、I₃、I₄、I₅、……、I_N分别表示整数倍谐波的电压幅值和电流幅值。

步骤5：在步骤4的基础上，从频谱中剔除掉谐波成分之后，遍历[10Hz，40Hz]和[60Hz，1000Hz]范围内的频点，根据各个频点的幅值大小，选取10个幅值最大的结果作为所监测电气通道的间谐波振荡分量；

步骤6：读取所监测电气通道同一数据窗内的相量数据。由步骤2可知，间谐波和谐波振荡分量的计算采用数据窗较长，如果在计算数据窗内，通道电气量发生剧烈波动，则会造成间谐波和谐波振荡分量计算结果失真。因此，需要检测同一数据窗内的相量数据是否有效且处于稳定状态。当同一数据窗的相量数据有效且无剧烈波动，则认为步骤3、步骤4和步骤5的计算结果有效。

步骤7：在步骤6的基础上获取数据窗内相量数据的频率信息。本方法的实例中，所设定的数据窗为1s，因此可得到100个频率值。使用100个频率值，依次与配置文件中的频率上限值、频率下限值进行比较。若频率值大于频率下限值且大于频率上限值，则判定步骤3、步骤4和步骤5的计算结果有效，进入步骤8，否则返回步骤2。

步骤8：在步骤6的基础上通过计算得到设定数据窗中相邻两个相量幅值变化值。本方法的实例中，所设定的数据窗为1s，因此可以得到99个幅值变化值。若相量数据的幅值变化值大于配置文件中设定的幅值变化阈值，则判定步骤3、步骤4和步骤5的计算结果无效，返回步骤2，否则进入步骤9。

步骤9：在步骤6的基础上获取相量数据中的频率变化率。本方法的实例中，所设定的数据窗为1s，因此可以得到100个频率变化率。若频率变化率大于配置文件中设定的频率变化率阈值，则判定步骤3、步骤4和步骤5的计算结果无效，返回步骤2，否则进入步骤10；

步骤10：假设设定数据窗内的相量数据的频率、幅值变化值、频率变化率均满足要求。则进行间谐波幅值越限判断和谐波THD越限判断。若步骤5中得到的间谐波振荡分量幅值大于配置文件中设定的幅值阈值，则判定所监测电气通道发生了间谐波振荡；若步骤4中得到的总谐波畸变率(THD)大于配置文件中设定THD阈值，则判定所监测电气通道发生了谐波振荡。

当所监测电气通道发生间谐波和谐波振荡时，同步相量测量装置建立振荡事件标识，并把振荡告警标识通过主子站通信规约发送到相量数据集中器(PDC)或广域监测系统(WAMS)中。

以上所述仅为本发明的一种实施案例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于宽频带测量的同步相量测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1：读取配置文件中设定的阈值参数，所述阈值参数用于判断所监测的电气通道是否发生了间谐波或谐波振荡，所述阈值参数包括间谐波振荡幅值阈值，总谐波畸变率THD阈值，幅值变化阈值，频率上限值，频率下限值以及频率变化率阈值；

步骤2：通过模数转换将所监测的电气通道的模拟信号转换为数字信号得到AD采样值，获取该电气通道设定数据窗内的AD采样值，并使用快速傅里叶FFT进行频谱分析；

步骤3：在频谱分析后，遍历45Hz～55Hz范围内频谱，确定基波频率；然后，根据基波频率得到2～50次谐波预估频率；遍历2～50次谐波预估频率±5Hz范围内频谱，然后针对遍历得到的谐波频点进行插值，修正谐波计算结果，最终计算得到2～50次谐波振荡分量；

步骤4：在得到基波和2～50次谐波振荡分量后，进行总谐波畸变率THD计算；

步骤5：在步骤4的基础上，从频谱中剔除掉谐波成分之后，遍历[10Hz，40Hz]和[60Hz，1000Hz]范围内的频点，根据各个频点的幅值大小，选取10个幅值最大的结果作为所监测电气通道的间谐波振荡分量；

步骤6：读取PMU装置相量数据，监测步骤2所述电气通道中同一数据窗内的相量数据；

步骤7：获取同一数据窗内相量数据的频率信息，若设定数据窗内相量数据的频率值都在配置文件中设定的频率上限值、频率下限值之间，则认为步骤3、步骤4和步骤5的计算结果有效，进入步骤8，否则返回步骤2；

步骤8：在步骤6的基础上计算数据窗中相邻两个相量幅值变化值，若设定数据窗中任意相邻两个相量幅值变化值大于配置文件中设定的幅值变化阈值，则判定步骤3、步骤4和步骤5的计算结果无效，返回步骤2，否则进入步骤9；

步骤9：在步骤6的基础上获取数据窗内相量数据的频率变化率，若频率变化率大于配置文件中设定的频率变化率阈值，则判定步骤3、步骤4和步骤5的计算结果无效，返回步骤2，否则进入步骤10；

步骤10：假设设定数据窗内的相量数据的频率、幅值变化值、频率变化率均满足要求，则进行间谐波幅值越限判断和谐波THD越限判断；若步骤5中得到的间谐波振荡分量幅值大于配置文件中设定的间谐波振荡幅值阈值，则判定所监测电气通道发生了间谐波振荡；若步骤4中得到的总谐波畸变率THD大于配置文件中设定THD阈值，则判定所监测电气通道发生了谐波振荡。

2.根据权利要求1所述的适用于宽频带测量的同步相量测量方法，其特征在于：

在步骤1中，所述阈值参数包括：

间谐波振荡幅值阈值，其取值为0.5％Un或0.5％In；

THD阈值，其取值为3％；

幅值变化阈值，其取值为10％Un或10％In；

频率上限值，其取值为50.50Hz；

频率下限值，其取值为49.50Hz；

频率变化率阈值，其取值为0.3Hz/s；

其中Un为所监测电气通道的额定电压值，In为所监测电气通道的额定电流值。

3.根据权利要求1所述的适用于宽频带测量的同步相量测量方法，其特征在于：

在步骤2中，所设定的数据窗为1s。

4.根据权利要求1所述的适用于宽频带测量的同步相量测量方法，其特征在于：

在步骤4中，总谐波畸变率分为电压总谐波畸变率和电流总谐波畸变率，V_THD为电压总谐波畸变率，I_THD为电流总谐波畸变率：

其中，V₁和I₁分别表示基波成分电压和电流幅值，V₂、V₃、V₄、V₅、……、V_N和I₂、I₃、I₄、I₅、……、I_N分别表示整数倍谐波的电压幅值和电流幅值。

Images