CN110930680A - 一种多模态相量监测及实时数据传输系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多模态相量监测及实时数据传输系统及方法，属于电力系统监测技术领域。该系统包括数据采集模块、振荡模态参数计算模块、振荡模态筛选模块、自适应滤波计算模块、时间同步模块和数据传输模块六大部分。本发明解决了多模态相量及次/超同步相量数据的传输问题，通过对线路电流及节点电压进行定间隔采样；然后基于自适应监测、自适应滤波实现多模态相量的提取；构建实时数据传输协议，满足多模态相量的同步传输，而且通过动态监视振荡相量的个数，调整数据帧的长度，可以实现节约带宽的目的。

Description

一种多模态相量监测及实时数据传输系统及方法

技术领域

本发明属于电力系统监测技术领域，具体涉及一种多模态相量监测及实时数据传输系统及方法，尤其涉及新能源并网后引起的多模态振荡相量的监测及实时数据传输系统及方法。

背景技术

我国新能源与可再生能源资源丰富，大力发展风力和光伏等新能源发电是未来电网发展的趋势。风力发电及光伏发电一般经电力电子变流器并网，使新一代电力系统呈现出电力电子化趋势。电力系统的电力电子化给电网的运行带来可控性和灵活性的同时，也给电网的动态安全稳定及其控制都带来了前所未有的挑战。其中，电力电子变流器与电网之间相互作用，引发的多模态振荡成为威胁电力系统安全稳定运行的重要问题之一。构建电力系统多模态相量监测系统是掌握电网动态变化行为的重要手段，子站和主站之间的数据传输协议是保障多模态振荡及次/超同步相量监测系统正常运行的前提。

《GB/T 26865.2-2011电力系统实时动态监测系统第2部分：数据传输协议》规定了传统广域相量测量系统(WAMS)数据帧传输协议，但是由于传统PMU仅采集基波相量信息不涉及其它模态的信息(如，次同步、超同步、高频谐波相量等)。但电力电子变流器会引起电力系统振荡呈现出多模态的形式，因此需要构建多模态相量监测及实时数据传输系统。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种多模态相量监测及实时数据传输系统及方法，该系统可将基波、次同步、超同步相量等都作为模态处理，从而能够保证基波相量、次同步、超同步相量等模态相量信息的同时传输；可根据需要选择是否上传除基波相量外的其它模态相量信息；当无次同步、超同步等振荡模态信息时可只上传基波相量信息，从而达到节约带宽的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多模态相量监测及实时数据传输系统，包括：

数据采集模块，用于通过定间隔对电压、电流进行采样；

振荡模态参数计算模块，与数据采集模块相连，用于基于快速傅里叶变换进行计算得到振荡模态的初始振荡频率f_0i和幅值A_0i，i＝1,2，…，m，其中i表示第i个模态，m表示初步获取的总振荡模态个数；

振荡模态筛选模块，与振荡模态参数计算模块相连，用于设定振荡模态幅值的门槛值A_set，当A_0i＞A_set时，将第i个模态加入待处理集合，即筛选出幅值超过设定门槛的振荡模态，并根据频率f_0i的大小进行排序，取其前n个振荡模态，n＜m；

自适应滤波计算模块，与振荡模态筛选模块相连，用于分别对筛选出的n个模态进行自适应滤波计算，分离出各模态的频率、幅值和相位；

时间同步模块，与自适应滤波计算模块相连，用于采用IRIG-B码对时方式进行时间同步，对获取的各模态数据进行时标时间同步；

数据传输模块，与时间同步模块相连，用于通过时间同步模块同步的数据同步传输至监控系统；

其中，所述的模态包括基波相量、次同步、超同步及高频谐波和间谐波相量。

进一步，优选的是，采用频率为9600Hz。

进一步，优选的是，自适应滤波计算是对初始频率f₀进行带通滤波和带阻滤波。

进一步，优选的是，自适应滤波计算模块为二阶无限冲激响应数字滤波器。

进一步，优选的是，同步对时误差精度控制在±1μs范围内。

进一步，优选的是，传输至监控系统采用的实时数据传输规约如表1所示：

表1实时数据传输规约

本发明同时提供一种多模态相量监测及实时数据传输方法，采用上述多模态相量监测及实时数据传输系统，包括如下步骤：

步骤(1)，数据采集：

通过定间隔对电压、电流进行采样；

步骤(2)，多模态相量数据提取：

基于快速傅里叶变换进行计算得到振荡模态的初始振荡频率f_0i和幅值A_0i，i＝1,2，…，m，其中i表示第i个模态，m表示初步获取的总振荡模态个数；设定振荡模态幅值的门槛值A_set，当A_0i＞A_set时，将第i个模态加入待处理集合，即筛选出幅值超过设定门槛的振荡模态，并根据频率f_0i的大小进行排序，取其前n个振荡模态，n＜m；分别对筛选出的n个模态进行自适应滤波计算，分离出各模态的频率、幅值和相位，得到各模态相量数据；

步骤(3)，多模态相量数据实时传输：

采用IRIG-B码对时方式进行时间同步，对获取的各模态数据进行时标时间同步，之后进一步将其同步传输至监控系统。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明提出了一种多模态相量监测及实时数据传输系统及方法，包括多模态振荡相量监测系统子站和主站之间实时数据传输的数据格式及传输方法，本发明方法可以同时实现基波及多模态振荡相量数据的实时传输，适用于多模态振荡相量实时监测系统主站之间及主站和子站之间的实时数据的传输。该方法解决了多模态相量数据的传输问题，其优点在于：将基波、次同步、超同步及高频谐波相量都作为模态处理，从而能够保证基波、次同步、超同步相量等多模态相量信息的同时传输；可根据需求选择是否上传除基波相量外的其它模态相量信息；当无次同步、超同步、高频谐波等振荡模态信息时可只上传基波相量信息，从而达到节约带宽的目的。

附图说明

图1为本发明多模态相量监测及实时数据传输系统的结构示意图；

其中，101、数据采集模块；102、振荡模态参数计算模块；103、振荡模态筛选模块；104、自适应滤波计算模块；105、时间同步模块；106、数据传输模块。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

如图1所示，一种多模态相量监测及实时数据传输系统，包括：

数据采集模块101，用于通过定间隔对电压、电流进行采样；

振荡模态参数计算模块102，与数据采集模块101相连，用于基于快速傅里叶变换进行计算得到振荡模态的初始振荡频率f_0i和幅值A_0i，i＝1,2，…，m，其中i表示第i个模态，m表示初步获取的总振荡模态个数；

振荡模态筛选模块103，与振荡模态参数计算模块102相连，用于设定振荡模态幅值的门槛值A_set，当A_0i＞A_set时，将第i个模态加入待处理集合，即筛选出幅值超过设定门槛的振荡模态，并根据频率f_0i的大小进行排序，取其前n个振荡模态，n＜m；

自适应滤波计算模块104，与振荡模态筛选模块103相连，用于分别对筛选出的n个模态进行自适应滤波计算，分离出各模态的频率、幅值和相位；

时间同步模块105，与自适应滤波计算模块104相连，用于采用IRIG-B码对时方式进行时间同步，对获取的各模态数据进行时标时间同步；

数据传输模块106，与时间同步模块105相连，用于通过时间同步模块105同步的数据同步传输至监控系统；

其中，所述的模态包括基波相量、次同步、超同步相量及高频谐波和间谐波相量。

A_set需要根据实际系统的运行情况来设定，一般可先设定为基波相量幅值的0.2倍；n根据需求设定，可预设为4。

优选，采用频率为9600Hz。自适应滤波计算是对初始频率f₀进行带通滤波和带阻滤波。自适应滤波计算模块为二阶无限冲激响应数字滤波器。同步对时误差精度控制在±1μs范围内。

本发明多模态相量监测及数据实时传输系统可人为选择是否上传除基波相量外的其它模态相量信息，人机交互界面中设置需要传输的模态相量数目(字段MODE_NUM的数值)；当无振荡模态时，可通过自动改变字段STAT的数值，选择仅上传基波相量信息，实现数据帧长度的自动变化，从而达到节约带宽的目的。

一种多模态相量监测及实时数据传输方法，采用上述多模态相量监测及实时数据传输系统，包括如下步骤：

步骤(1)，数据采集：

该系统通过定间隔对电压、电流进行采样，采用频率为9600Hz，即每周期的采样点为192点，能够实现4.8kHz以内信号的检测，可以满足电力系统基波、次同步、超同步振荡及高频谐波和间谐波相量的检测要求。

步骤(2)，多模态相量数据提取：

基于快速傅里叶变换进行初步计算得到振荡模态的初始振荡频率f_0i和幅值A_0i，i＝1,2，…，m，其中i表示第i个模态(基波相量、次同步、超同步及高频谐波及间谐波相量，统称为模态)，m表示初步获取的总振荡模态个数；设定振荡模态幅值的门槛值A_set，当A_0i＞A_set时，将第i个模态加入待处理集合，即筛选出幅值超过设定门槛的振荡模式，并根据频率f_0i的大小进行排序，并取其前n个振荡模态，n＜m；分别对筛选出的n个模态进行自适应滤波计算，分离出各模态的频率、幅值和相位，自适应滤波是针对各模态信号，根据快速傅里叶变换获取的初始频率f₀先进行带通滤波，然后再经过快速傅里叶变换获取该频率下的幅值，再进行带阻滤波，具体可基于二阶无限冲激响应(IIR)实现，从而获取准确的多模态相量信息。带通滤波器二阶形式的传递函数为：

式中，G为增益系数；ξ＝3π/ω_c为阻尼系数；ω_c＝2πf₀为特征频率；f_c为中心频率。带阻滤波器传递函数与带通滤波器的关系为

L_BS＝1-L_BP (2)

式(1)可以通过具体的数字滤波器实现，滤波器系数可以通过中心频率f₀计算得到，而且当中心频率变化时只需要重新计算滤波器系数的数值即可，计算量小，因此可以满足实时监测的要求。

步骤(3)，多模态相量数据实时传输：

该多模态相量监测及数据实时传输系统采用IRIG-B码对时方式进行时间同步，将同步对时误差精度控制在±1ms范围内。对步骤(2)获取的基波、次同步、超同步及高频间谐波和谐波等多模态相量数据进行时标时间同步后，进一步将其同步传输至监控系统，具体实时数据传输规约如下表所示。

由于通过新的监测方法获取多模态相量信息，并实现多模态相量信息由子站上传至主站，但传统WAMS中的数据帧传输协议不再适用于多模态振荡相量测量系统，需要重新定义适用于多模态振荡相量信息实时传输的数据传输协议，所以本发明提供实时数据传输规约，如表2所示。

表2实时数据传输规约

表2中，各字段的含义为：SYNC：表示帧同步字，用于表示协议的版本号；FRAMESIZE：帧字节数；DC_IDCODE：数据集中器标识；SOC：世纪秒；FRACSEC：秒等分数及时间质量及相量数据中的时标；STAT：相量数据异常状态信息；MODE_NUM：模态的数目，即需要监测及上传多少个模态；CHAN_NUM：通道的个数；PHASORS：存储模态的相量信息，包括：幅值和相位；FREQ：存储模态的频率信息。

应用实例

通过下式所示的电压测试信号，包含有基波信号、次同步分量和超同步分量。

式中，f₀＝50Hz，f₁＝25Hz，f₂＝75Hz，

按照步骤(1)对电压测试信号进行定间隔采样，采样频率为9600Hz；

步骤(2)中设定幅值门槛值为10，可将电压测试信号中的3个模态全部筛选出，根据步骤(2)中的方法最后可计算出各模态的幅值、相位、频率如表3所示。

表3：电压测试信号的模态信息

模态	幅值/V	相位/°	频率/Hz
				1	10.001	30.001	50.000
2	7.998	60.002	25.001
				3	5.002	90.001	75.002

根据步骤(3)规定的实时数据传输规约，可得由子站上传至主站的数据帧为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

本发明为新能源并网引起的多模态相量监测及实时数据传输提供了新的方法，通过对线路电流及节点电压进行定间隔采样；然后基于自适应监测、自适应滤波实现多模态相量的提取；构建实时数据传输协议，满足多模态相量的同步传输，而且通过动态监视振荡相量的个数，调整数据帧的长度，可以实现节约带宽的目的。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种多模态相量监测及实时数据传输系统，其特征在于，包括：

数据采集模块（101），用于通过定间隔对电压、电流进行采样；

振荡模态参数计算模块（102），与数据采集模块（101）相连，用于基于快速傅里叶变换进行计算得到振荡模态的初始振荡频率f _0i 和幅值A _0i ，i=1, 2，…，m，其中i表示第i个模态，m表示初步获取的总振荡模态个数；

振荡模态筛选模块（103），与振荡模态参数计算模块（102）相连，用于设定振荡模态幅值的门槛值A _set，当A _0i ＞A _set时，将第i个模态加入待处理集合，即筛选出幅值超过设定门槛的振荡模态，并根据频率f _0i 的大小进行排序，取其前n个振荡模态，n＜m；

自适应滤波计算模块（104），与振荡模态筛选模块（103）相连，用于分别对筛选出的n个模态进行自适应滤波计算，分离出各模态的频率、幅值和相位；

时间同步模块（105），与自适应滤波计算模块（104）相连，用于采用IRIG-B码对时方式进行时间同步，对获取的各模态数据进行时标时间同步；

数据传输模块（106），与时间同步模块（105）相连，用于通过时间同步模块（105）同步的数据同步传输至监控系统；

其中，所述的模态包括基波相量、次同步、超同步相量及高频谐波和间谐波相量。

2.根据权利要求1所述的多模态相量监测及实时数据传输系统，其特征在于，采用频率为9600Hz。

3.根据权利要求1所述的多模态相量监测及实时数据传输系统，其特征在于，自适应滤波计算是对初始频率f ₀进行带通滤波和带阻滤波。

4.根据权利要求3所述的多模态相量监测及实时数据传输系统，其特征在于，自适应滤波计算模块为二阶无限冲激响应数字滤波器。

5.根据权利要求1所述的多模态相量监测及实时数据传输系统，其特征在于，同步对时误差精度控制在±1μs范围内。

6.根据权利要求1所述的多模态相量监测及实时数据传输系统，其特征在于，传输至监控系统采用的实时数据传输规约如表1所示：

表1 实时数据传输规约

。

7.一种多模态相量监测及实时数据传输方法，采用权利要求1~6任意一项所述的多模态相量监测及实时数据传输系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤（1），数据采集：

通过定间隔对电压、电流进行采样；

步骤（2），多模态相量数据提取：

基于快速傅里叶变换进行计算得到振荡模态的初始振荡频率f _0i 和幅值A _0i ，i=1, 2，…，m，其中i表示第i个模态，m表示初步获取的总振荡模态个数；设定振荡模态幅值的门槛值A _set，当A _0i ＞A _set时，将第i个模态加入待处理集合，即筛选出幅值超过设定门槛的振荡模态，并根据频率f _0i 的大小进行排序，取其前n个振荡模态，n＜m；分别对筛选出的n个模态进行自适应滤波计算，分离出各模态的频率、幅值和相位，得到各模态相量数据；

步骤（3），多模态相量数据实时传输：

采用IRIG-B码对时方式进行时间同步，对获取的各模态数据进行时标时间同步，之后进一步将其同步传输至监控系统。

Images