CN110824247A - 一种电力系统频率测量方法、母线电压校正方法及装置 - Google Patents

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CN110824247A CN201911055487.2A CN201911055487A CN110824247A CN 110824247 A CN110824247 A CN 110824247A CN 201911055487 A CN201911055487 A CN 201911055487A CN 110824247 A CN110824247 A CN 110824247A
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王莉
尹明
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赵晓铎
蔺立
许圣龙
张延海
王宏杰
魏艳伟
马小燕
李磊
郑业兵
胡舒怡
赵琦
李亚爽
方陈
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XJ Electric Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种电力系统频率测量方法、母线电压校正方法及装置，属于电力系统频率测量技术领域。本发明采用正序相电压计算电力系统的频率，对于电压模拟量无论是由于幅值突变还是中性点偏移所产生的角度误差，由三相电压相量合成计算出的正序分量都可有效抵消其中的误差和偏移量，因此本发明的测频方法不受电压过零点和谐波的影响，不仅能够准确测量稳态情况下电力系统的频率，而且有效解决了由于电压突变引起的频率测量误差大的问题。

Description

一种电力系统频率测量方法、母线电压校正方法及装置
技术领域
本发明涉及一种电力系统频率测量方法、母线电压校正方法及装置，属于电力系统频率测量技术领域。
背景技术
频率是电力系统的重要电气参数之一，电力系统安全自动装置要实时测量其值，并根据其值的变化做出相应的控制措施，因此对频率的测量精度直接影响了安全自动装置的动作正确性。目前安全自动装置大多采用对测量电压经离散傅里叶变换法计算频率，该算法具有内在的不敏感于谐波分量的特性，虽然能够准确测量稳态情况下电力系统的频率，但对于动态突然变化的信号会造成较大测量误差。
例如，申请公布号为CN107064630A的中国专利申请，该专利公开了一种电力系统频率测量方法及装置，通过傅立叶变换计算三个时刻的线电压，并根据三个时刻的线电压的实部和虚部计算系统的当前频率，该方案虽然能够实现高精度的频率计算，但对突变信号仍会造成较大的测量误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种电力系统频率测量方法及装置，以解决对与突变信号采用线电压进行频率计算导致的频率误差大的问题；本发明还提供了一种母线电压校正方法及装置，以解决目前缺少对母线电压进行校正的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种电力系统频率测量方法，该测量方法包括以下步骤：
1)采集电力系统中接入的三相母线电压，通过傅立叶变换计算当前时刻、前1/P周波时刻、前2/P周波时刻的三相电压基波相量的实部和虚部，其中P为正整数，且P大于1小于每周波的采样点数；
2)根据得到各时刻的三相电压基波相量的实部和虚部，确定各时刻的正序相电压的实部和虚部；
3)根据各时刻的正序相电压的实部和虚部确定电力系统的计算频率，并根据该计算频率进一步确定当前频率。
本发明还提供了一种电力系统频率测量装置，该测量装置包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明的基于正序相电压的电力系统频率测量方法。
本发明采用正序相电压计算电力系统的频率，对于电压模拟量无论是由于幅值突变还是中性点偏移所产生的角度误差，由三相电压相量合成计算出的正序分量都可有效抵消其中的误差和偏移量，因此本发明的测频方法不受电压过零点和谐波的影响，不仅能够准确测量稳态情况下电力系统的频率，而且有效解决了由于电压突变引起的频率测量误差大的问题。
进一步地，本发明还给出了具体的计算公式：所述步骤3)中计算频率确定所采用的计算公式为：
Figure BDA0002256437900000021
其中f为电力系统的当前频率，Ts为采样间隔时间，k为1/P周波，U1s(n)和U1c(n)分别为当前时刻正序相电压的实部和虚部，U1s(n-k)和U1c(n-k)分别为前1/P周波时刻正序相电压的实部和虚部，U1s(n-2k)和U1c(n-2k)分别为前2/P周波时刻正序相电压的实部和虚部。
进一步地，为了提高频率测量的精准性，根据该计算频率确定当前频率的过程：
A.根据得到计算频率利用频率跟踪方式确定当前时刻和前一周波时刻各相母线电压有效值；
B.判断步骤A得到的当前时刻各相母线电压有效值是否均小于第一设定电压门槛值，若均小于，则以电力系统的额定频率作为电力系统的当前频率；否则，根据当前时刻母线电压有效值和前一周波时刻母线电压有效值判断相电压是否发生突变，若发生，则以前一周波时刻的频率作为当前频率，若没有发生，则以步骤3)中的计算频率作为当前频率。
进一步地，本发明还给出了频率跟踪法计算相电压有效值的公式，所述当前时刻各相母线电压有效值为：
Figure BDA0002256437900000031
其中，Um为当前时刻相电压有效值，f为计算出的系统当前频率，f0为系统额定频率50Hz，n为采样序列，N为工频采样间隔每周采样点数，
Figure BDA0002256437900000032
为系统当前频率的半周采样点数，u(n-M)为当前频率前半周前采样点正弦量值。
进一步地，为了保证相电压突变判断的精准性，所述的步骤B中的相电压发生突变的判断原则是：当前时刻任一相母线电压有效值与前一周波时刻对应相母线电压有效值之差的绝对值大于第二设定门槛电压值。
本发明还提供了一种电力系统母线电压的校正方法，该校正方法包括以下步骤：
1)采集电力系统中接入的三相母线电压，通过傅立叶变换计算当前时刻、前1/P周波时刻、前2/P周波时刻的三相电压基波相量的实部和虚部，其中P为正整数，且P大于1小于每周波的采样点数；
2)根据得到各时刻的三相电压基波相量的实部和虚部，确定各时刻的正序相电压的实部和虚部；
3)根据各时刻的正序相电压的实部和虚部确定电力系统的计算频率，并根据该计算频率进一步确定当前频率；
4)根据得到当前频率利用频率跟踪方式确定当前时刻各相母线电压有效值，实现对母线电压的校正。
本发明还提供了一种电力系统母线电压的校正装置，该校正装置包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明电力系统母线电压的校正方法。
本发明采用正序相电压计算电力系统的频率，对于电压模拟量无论是由于幅值突变还是中性点偏移所产生的角度误差，由三相电压相量合成计算出的正序分量都可有效抵消其中的误差和偏移量，能够准确测量稳态情况下电力系统的频率，并依据得到的频率实现对母线电压的精确校准，提高母线电压的准确性。
进一步地，本发明还给出了频率跟踪法计算相电压有效值的公式，所述当前时刻各相母线电压有效值为：
Figure BDA0002256437900000041
其中，Um为当前时刻相电压有效值，f为计算出的系统当前频率，f0为系统额定频率，n为采样序列，N为工频采样间隔每周采样点数，为系统当前频率的半周采样点数，u(n-M)为当前频率前半周前采样点正弦量值。
进一步地，所述步骤3)中计算频率确定所采用的计算公式为：
Figure BDA0002256437900000043
其中f为电力系统的当前频率，Ts为采样间隔时间，k为1/P周波，U1s(n)和U1c(n)分别为当前时刻正序相电压的实部和虚部，U1s(n-k)和U1c(n-k)分别为前1/P周波时刻正序相电压的实部和虚部，U1s(n-2k)和U1c(n-2k)分别为前2/P周波时刻正序相电压的实部和虚部。
附图说明
图1是本发明的频率测量与现有频率测量的误差分析对比效果图；
图2是本发明方法实施例在主接线中的接入位置示意图；
图3是本发明于正序相电压的电力系统频率测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。
本发明电力系统频率测量方法的实施例
本发明根据电力系统接入的三相母线电压模拟量，首先采用全周傅氏算法依次计算出当前时刻、前1/P周波时刻、前2/P周波时刻正序相电压的实部和虚部，根据这三个时刻正序相电压的实部和虚部计算出系统的计算频率。同时为了提高频率测量的精准性，还采用具有频率跟踪功能的半周积分算法进一步对母线电压模拟量进行计算和校正，对得到的计算频率进行了防错处理，进一步确定当前频率。本实施例电力系统中主接线的接入位置如图2所示，具体的实施过程如图3所示，具体步骤如下。
1.确定三相电压基波相量的实部和虚部。
根据电力系统中接入的三相母线电压模拟量，采用全周傅氏算法依次计算出当前时刻、前1/P周波时刻、前2/P周波时刻三相电压基波相量的实部和虚部，其中P为正整数，且P大于1小于每周波的采样点数。假设相电压为计算三相电压基波相量的实部和虚部：
Figure BDA0002256437900000053
Figure BDA0002256437900000061
Figure BDA0002256437900000062
Figure BDA0002256437900000063
Figure BDA0002256437900000064
其中，n为采样序列，N为50Hz频率下一周波的采样点数，
Figure BDA0002256437900000065
依次代表A/B/C三相，
Figure BDA0002256437900000066
和
Figure BDA0002256437900000067
分别为当前时刻A/B/C三相电压基波相量的实部和虚部，
Figure BDA0002256437900000068
和
Figure BDA0002256437900000069
分别为1/P周波前A/B/C三相电压基波相量的实部和虚部，
Figure BDA00022564379000000610
和
Figure BDA00022564379000000611
分别为2/P周波前A/B/C三相电压基波相量的实部和虚部。
2.合成计算各时刻正序相电压的实部和虚部。
根据所述三个时刻的三相电压基波相量的实部和虚部，合成计算出三个时刻正序相电压的实部和虚部，其计算公式如下：
Figure BDA00022564379000000613
Figure BDA00022564379000000614
Figure BDA00022564379000000615
Figure BDA00022564379000000616
Figure BDA00022564379000000617
式中U1c(n)和U1s(n)分别为当前时刻正序电压的实部和虚部分量，
Figure BDA0002256437900000071
和
Figure BDA0002256437900000072
分别为1/P周波前正序电压的实部和虚部分量，
Figure BDA0002256437900000073
和
Figure BDA0002256437900000074
分别为2/P周波前正序电压的实部和虚部分量，其中α＝ej2π/3。
3.确定当前时刻计算频率。
本发明使用相电压正序分量进行频率测量，假设正序电压为u1(n)＝Ucos(nωT+φ)，经全周傅氏算法计算正序电压的实部和虚部：
Figure BDA0002256437900000075
由于滤波器为偶对称，
Figure BDA0002256437900000078
为奇对称，所以：
U1c(n)＝|Fc(ω)|U cos(nωTs+φ+α(ω))
U1s(n)＝|Fs(ω)|U sin(nωTs+φ+α(ω))
式中，|Fc(ω)|和|Fs(ω)|为偶、奇滤波器在ω处的增益，α(ω)为在ω处的相位变化；利用三角函数变换关系，进行如下变换：
Figure BDA0002256437900000079
将g2p(ω)和gp(ω)进行比值可得当前系统频率：
Figure BDA0002256437900000081
其中，Ts为采样间隔时间。
离散傅里叶变换法计算频率的根本原理是利用模拟量的矢量角度差来计算频率的，角度误差越小则测频精度越高。对于电压模拟量无论是由于幅值突变还是中性点偏移所产生的角度误差，由三相电压相量合成计算出的正序分量都可有效抵消其中的误差和偏移量。因此上述测量方法不受电压过零点和谐波的影响，不仅能够准确测量稳态情况下电力系统的频率，而且有效解决了由于电压突变引起的频率测量误差大的问题。
4.当电力系统各相电压均无压或电压突变时，需要对频率计算值进行相应的防错处理，过程如下：
4.1由于上述三相电压基波相量是在电力系统额定频率50Hz的情况下采用全周傅氏算法得出，若系统实际频率偏离额定频率越大，则基波相量测量值误差越大，在计算出系统频率f后，需要使用具有频率跟踪功能的半周积分算法重新计算当前时刻和一周前各相母线电压有效值。假设相电压为
Figure BDA0002256437900000082
则在任意半周内对其绝对值的积分为：
其中Um为有效值，T为母线电压周期。
采用分段梯形积分公式对上式进行离散，则具有频率跟踪功能的半周积分算法电压计算公式如下：
Figure BDA0002256437900000092
Figure BDA0002256437900000093
式中Um为当前时刻相电压有效值，U2m为一周前时刻相电压有效值，f为系统当前的频率，f0为系统额定频率50Hz，n为采样序列，N为工频采样间隔每周采样点数，
Figure BDA0002256437900000094
为系统当前频率的半周采样点数，u(n-M)为当前频率下半周前采样点正弦量值，u(n-2M)为当前频率前一周前采样点正弦量值。
4.2当电力系统各相电压均无压或电压突变时，需要对频率计算值进行相应的处理。
(1)比较电力系统当前三相电压有效值，求出其中最大相电压的有效值，判断使用的三相电压是否存在无压的情况，判据如下：
Umax＜Uvalve1
式中，Umax为三相最大相电压有效值，Uvalve1为设定的第一设定电压门槛值(无压门槛)，当上述最大相电压有效值小于设定的第一设定电压门槛值时，判定母线三相电压无压。
(2)判别任一相母线电压是否发生突然变化。突然变化的判据如下：
|U2m-Um|＞Uvalve2
式中，Um为当前时刻相电压有效值，U2m为一周前时刻相电压有效值，Uvalve2为设定的第二设定电压门槛值，上式表示若当前时刻的相电压的基波幅值与一周前线电压的基波幅值之差的绝对值大于设定的第二电压门槛值，判定任一相母线电压发生突然变化。本发明只有在相电压没有发生突然变化时，才按照前述电力系统频率的计算值作为当前时刻频率；当相电压发生突然变化时，将前一周波时刻的历史频率做为当前时刻测量的频率值。
为了证明本发明方案的可行性，将本发明的测频方法得到结果与现有采用线电压测频得到的结果进行比较，如图1所示，在系统额定频率50Hz情况下，母线三相电压由额定电压57.74V突变到18V，本发明采用正序相电压的频率测量结果明显优于基于线电压的频率测量结果，相电压正序测频误差范围为0.5Hz～1Hz，线电压测频误差范围为2Hz～4Hz。
本发明电力系统母线电压的校正方法的实施例
本实施例的母线电压校正方法根据得到当前频率利用频率跟踪方式确定当前时刻各相母线电压有效值，对母线电压的校正，其中，当前频率的确定已在电力系统频率测量方法实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。
本发明电力系统频率测量装置的实施例
本发明的电力系统频率测量装置，包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述电力系统频率测量方法，具体过程已在方法实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。
本发明电力系统母线电压的校正装置的实施例
本发明的电力系统母线电压的校正装置，包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述电力系统频率测量方法，具体过程已在方法实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力系统频率测量方法，其特征在于，该测量方法包括以下步骤：
1)采集电力系统中接入的三相母线电压，通过傅立叶变换计算当前时刻、前1/P周波时刻、前2/P周波时刻的三相电压基波相量的实部和虚部，其中P为正整数，且P大于1小于每周波的采样点数；
2)根据得到各时刻的三相电压基波相量的实部和虚部，确定各时刻的正序相电压的实部和虚部；
3)根据各时刻的正序相电压的实部和虚部确定电力系统的计算频率，并根据该计算频率进一步确定当前频率。
2.根据权利要求1所述的电力系统频率测量方法，其特征在于，所述步骤3)中计算频率确定所采用的计算公式为：
Figure FDA0002256437890000011
其中f为电力系统的当前频率，Ts为采样间隔时间，k为1/P周波，U1s(n)和U1c(n)分别为当前时刻正序相电压的实部和虚部，U1s(n-k)和U1c(n-k)分别为前1/P周波时刻正序相电压的实部和虚部，U1s(n-2k)和U1c(n-2k)分别为前2/P周波时刻正序相电压的实部和虚部。
3.根据权利要求1或2所述的电力系统频率测量方法，其特征在于，根据该计算频率确定当前频率的过程：
A.根据得到计算频率利用频率跟踪方式确定当前时刻和前一周波时刻各相母线电压有效值；
B.判断步骤A得到的当前时刻各相母线电压有效值是否均小于第一设定电压门槛值，若均小于，则以电力系统的额定频率作为电力系统的当前频率；否则，根据当前时刻母线电压有效值和前一周波时刻母线电压有效值判断相电压是否发生突变，若发生，则以前一周波时刻的频率作为当前频率，若没有发生，则以步骤3)中的计算频率作为当前频率。
4.根据权利要求3所述的电力系统频率测量方法，其特征在于，所述当前时刻各相母线电压有效值为：
Figure FDA0002256437890000021
其中，Um为当前时刻相电压有效值，f为计算出的系统当前频率，f0为系统额定频率，n为采样序列，N为工频采样间隔每周采样点数，
Figure FDA0002256437890000022
为系统当前频率的半周采样点数，u(n-M)为当前频率前半周前采样点正弦量值。
5.根据权利要求3所述的电力系统频率测量方法，其特征在于，所述的步骤B中的相电压发生突变的判断原则是：当前时刻任一相母线电压有效值与前一周波时刻对应相母线电压有效值之差的绝对值大于第二设定门槛电压值。
6.一种电力系统频率测量装置，其特征在于，该测量装置包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-5中任一项所述的基于正序相电压的电力系统频率测量方法。
7.一种电力系统母线电压的校正方法，其特征在于，该校正方法包括以下步骤：
1)采集电力系统中接入的三相母线电压，通过傅立叶变换计算当前时刻、前1/P周波时刻、前2/P周波时刻的三相电压基波相量的实部和虚部，其中P为正整数，且P大于1小于每周波的采样点数；
2)根据得到各时刻的三相电压基波相量的实部和虚部，确定各时刻的正序相电压的实部和虚部；
3)根据各时刻的正序相电压的实部和虚部确定电力系统的计算频率，并根据该计算频率进一步确定当前频率；
4)根据得到当前频率利用频率跟踪方式确定当前时刻各相母线电压有效值，实现对母线电压的校正。
8.根据权利要求7所述的电力系统母线电压的校正方法，其特征在于，所述当前时刻各相母线电压有效值为：
Figure FDA0002256437890000031
其中，Um为当前时刻相电压有效值，f为计算出的系统当前频率，f0为系统额定频率，n为采样序列，N为工频采样间隔每周采样点数，
Figure FDA0002256437890000032
为系统当前频率的半周采样点数，u(n-M)为当前频率前半周前采样点正弦量值。
9.根据权利要求7所述的电力系统母线电压的校正方法，其特征在于，所述步骤3)中计算频率确定所采用的计算公式为：
Figure FDA0002256437890000033
其中f为电力系统的当前频率，Ts为采样间隔时间，k为1/P周波，U1s(n)和U1c(n)分别为当前时刻正序相电压的实部和虚部，U1s(n-k)和U1c(n-k)分别为前1/P周波时刻正序相电压的实部和虚部，U1s(n-2k)和U1c(n-2k)分别为前2/P周波时刻正序相电压的实部和虚部。
10.一种电力系统母线电压的校正装置，其特征在于，该校正装置包括存储器和处理器，以及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器与所述存储器相耦合，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求7-9中任一项所述的电力系统母线电压的校正方法。
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