CN110988470A - 一种基于自适应电网次谐波提取与控制方法 - Google Patents

一种基于自适应电网次谐波提取与控制方法 Download PDF

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    • G01R23/16—Spectrum analysis; Fourier analysis

Abstract

一种基于自适应电网次谐波提取与控制方法，主要包括以下内容：(1)通过PT和CT采集现场电压和电流信号；(2)利用傅里叶算法逐点计算电压和电流信号的有效值；(3)对有效值序列进行隔直处理，并与本地理想工频信号相乘后通过低通滤波，得到复合交变信号；(4)将得到的复合交变信号经磁饱和变压器变换，构建幅值稳定的次谐波参考信号；(5)通过LMS自适应滤波环节，从原始电压和电流信号中滤除与次谐波参考信号相关的频率分量。该发明不仅可用于提取电网次谐波信号分量，而且可进一步抑制次谐波影响，对电力系统动态安全稳定研究具有重要作用。

Description

一种基于自适应电网次谐波提取与控制方法
技术领域
本发明属于电力系统稳定与控制技术领域，具体涉及一种基于自适应陷波算法的电网次谐波提取与控制方法，为动态电力系统分析提供解决方案，提高了电力系统的稳定性。
背景技术
随着现代科技的不断发展，电网结构越来越复杂，电网中电力设备的机电耦合作用、电力设备分布参数表现出的弱阻尼现象，导致电网的次同步振荡现象，并严重影响到电网的安全和稳定。因此，电网次谐波的提取和控制具有重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应的电网次谐波提取与控制方法，为动态电力系统分析及监控提供解决方案。
本发明具体采用以下技术方案。
一种基于自适应电网次谐波提取与控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)通过电网中关键电源点、枢纽变电站、母线节点和支路节点处布置的PT和CT连续采集现场电压和电流信号；
(2)利用傅里叶算法逐点计算电压和电流信号的有效值，获得电压和电流信号的有效值序列；
(3)对获得的有效值序列进行隔直处理，并与理想工频信号相乘后通过低通滤波处理形成复合交变信号；
(4)将步骤(3)获得的复合交变信号借助磁饱和变压器变换，生成幅值稳定的次谐波参考信号；
(5)通过LMS自适应滤波环节，从原始采集的电压和电流信号中滤除与电网次谐波参考信号相关的频率成分。
本发明进一步包括以下优选方案。
在步骤(2)中，有效值序列获取具体包括：
①以设定时间窗截取电流或电压的原始采样信号，将某时间窗内样本点序列记为
Figure BDA0002321001540000011
其中，N代表时间窗内采样点个数，t0代表时间窗起始时刻，ΔT代表采样信号的时间间隔，x代表采样信号序列；
②利用式(1)所示的傅里叶算法计算该窗对应的工频相量幅值
Figure BDA0002321001540000025
Figure BDA0002321001540000021
③逐点移动时间窗，重复计算式(1)的工频相量幅值，得到电压或电流信号有效值序列
Figure BDA0002321001540000022
所述设定时间窗为20ms。
在步骤(3)中，所述的复合交变信号获取具体包括：
①对获得的有效值序列
Figure BDA0002321001540000023
进行隔直处理；
②记隔直后的有效值序列为Y(t)，将其与理想工频信号cos(100πt)相乘；
③将相乘后的信号Y(t)cos(100πt)通过截止频率为50Hz的低通滤波器，得到复合交变信号。
在步骤(5)中，利用LMS自适应滤波环节分析处理电网次谐波具体包括：
①将所述复合交变信号通过磁饱和变换后输出的具有稳定幅值的频率分量作为LMS算法的次谐波参考信号r(n)，将原始采集的电压和/或电流信号作为LMS算法的受控信号x(n)；
②按照式(2)得到控制信号c(n)，经数模转换、功率放大及作动器后叠加到受控信号上，最后输出抑制电网次谐波后的电压/电流信号e(n)；
Figure BDA0002321001540000024
其中，r(n)为电网次谐波自适应提取与控制的参考信号，R(n)为L个自适应滤波器阶数的参考信号矩阵向量，W为自适应滤波器系数，RT(n)为R(n)的转置矩阵，CT(n)为C(n)的转置矩阵，x(n)为原始采集的电压/电流信号，e(n)为最后输出抑制电网次谐波后的电压/电流信号，W(n)代表第n步迭代的自适应滤波器抽头权系数，S为数模转换、功率放大及作动器所构成级联系统的传递函数，μ为步长因子，L为自适应滤波器阶数。。
本发明具有以下有益的技术效果：
本发明综合了傅里叶算法和LMS滤波算法的优点，具有良好的自适应性和鲁棒性。该方法不仅适用于稳定电网运行分析，更适用于诸如低频振荡、次同步振荡等动态运行分析。
附图说明
图1为本发明公开的电网次谐波提取与控制方法流程示意图；
图2为本发明实现的实测数据分析图；
其中图2(a)为原始信号；2(b)为有效值序列；2(c)为谐波参考信号；2(d)为谐波控后信号。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细阐述。
本发明的具体实现流程图如附图1所示，一种基于自适应陷波算法的电网次谐波提取与控制方法包括以下步骤：
步骤1：原始采样信号获取
通过在电力系统关键电源点、枢纽变电站、母线节点和支路节点处布置PT和CT，连续采集现场电压和电流信号。某火电机组的一次机端量测电流信号如图2(a)所示，本实施例以该量测数据为基础展开论述。
步骤2：有效值序列计算
相关文献研究表明，利用傅里叶算法计算的电力系统动态信号相量中含有与次谐波分量相关的频率成分，但因PMU相量计算频率的限制，无法从PMU相量中正确识别系统中的次谐波分量。随着数字信号处理技术的发展，傅里叶算法在DSP中的实现已不再受计算效率等因素的限制，为此，本发明通过傅里叶算法逐点计算采样信号的有效值，即有效值序列的采样率与原始信号采样率一致。利用傅里叶算法计算采样序列有效值的步骤如下：
①以设定时间窗截取原始采样信号，假设某窗内样本点序列为
Figure BDA0002321001540000031
其中，N代表窗内采样点个数，t0代表时间窗起始时刻，ΔT代表采样信号的时间间隔，x代表采样信号序列；
其中所述时间窗可以设定为15—25ms，本发明实施例优选20ms。
②利用式(3)所示的傅里叶算法计算该窗对应的工频相量幅值
Figure BDA0002321001540000032
Figure BDA0002321001540000041
③逐点移动时间窗，重复计算式(3)的工频相量幅值，得到有效值序列
Figure BDA0002321001540000042
基于附图2(a)所示的原始电流信号，经傅里叶算法获得的电流有效值序列如图2(b)所示。
步骤3：次谐波参考信号构建
对步骤2获得的有效值序列进行隔直处理，从动态信号的调幅波模型角度讲，经隔直处理后的有效值序列相当于原始信号被工频载波调制，即隔直后的有效值序列中次谐波成分与原始信号中次谐波成分互补。为了得到原始信号中次谐波成分，通过将隔直后的有效值序列与理想工频载波相乘，并结合低通滤波从中解调出与原始信号中次谐波成分相关的频率分量。本发明将解调输出的频率分量，通过磁饱和变换处理，进而作为电网次谐波自适应提取与控制的参考信号。
步骤4：次谐波提取与控制
本发明采用LMS滤波算法实现次谐波分析，LMS实为一种自适应的FIR滤波器，即L阶FIR滤波器的抽头权系数W0，W1，…，WL可以根据估计误差的大小自动调节，使得某个代价函数最小。滤波器设计最常用的准则是使滤波器实际输出与期望响应x(n)之间的均方误差为最小，这就是最小均方误差准则。
为此，本发明首先基于傅里叶算法及信号调制解调原理得到与真实次谐波相关的参考信号，然后利用LMS算法从原始动态信号中滤除与次谐波相关分量，达到抑制电网次谐波的效果，其详细步骤如下：
①将步骤3磁饱和变换后输出的具有稳定幅值的频率分量作为LMS算法的参考信号r(n)，将原始采集的电压/电流信号作为LMS算法的受控信号x(n)；
②通过合理选择步长因子μ和自适应滤波器阶数L，按照式(4)得到控制信号c(n)，经数模转换、功率放大及作动器后叠加到受控信号上，最后输出抑制电网次谐波后的电压/电流信号e(n)。式中，W代表自适应滤波器系数，S代表数模转换、功率放大及作动器所构成级联系统的传递函数。
Figure BDA0002321001540000051
其中，r(n)为电网次谐波自适应提取与控制的参考信号，R(n)为L个自适应滤波器阶数的参考信号矩阵向量，W为自适应滤波器系数，RT(n)为R(n)的转置矩阵，CT(n)为C(n)的转置矩阵，x(n)为原始采集的电压/电流信号，e(n)为最后输出抑制电网次谐波后的电压/电流信号，W(n)代表第n步迭代的自适应滤波器抽头权系数，S为数模转换、功率放大及作动器所构成级联系统的传递函数，μ为步长因子，L为自适应滤波器阶数。
本实施例中步长因子μ为0.02，自适应滤波阶数L为18，W＝0.1，W(1)＝0.1，经LMS控制前后的电流频谱分布如图2(c)所示。对比图2(a)和2(d)可见，本发明所涉及的基于自适应陷波算法的电网次谐波提取与控制方法鲁棒性强，能够从电气量中识别和抑制微弱的动态信号。该方法能够有效地提高系统的电能质量。
以上所述仅为用以解释本发明的较佳实施例，并非企图据以对本发明做任何形式上的限制，因此，凡有在相同的创作精神下所作有关本发明的任何修饰或变更，皆仍应包括在本发明意图保护的范畴。

Claims (6)

1.一种基于自适应电网次谐波提取与控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)通过电网中关键电源点、枢纽变电站、母线节点和支路节点处布置的PT和CT连续采集现场电压和电流信号；
(2)利用傅里叶算法逐点计算电压和电流信号的有效值，获得电压和电流信号的有效值序列；
(3)对获得的有效值序列进行隔直处理，并与理想工频信号相乘后通过低通滤波处理形成复合交变信号；
(4)将步骤(3)获得的复合交变信号借助磁饱和变压器变换，生成幅值稳定的次谐波参考信号；
(5)通过最小均方LMS自适应滤波环节，从原始采集的电压和电流信号中滤除与电网次谐波参考信号相关的频率成分。
2.根据权利要求1所述的基于自适应电网次谐波提取与控制方法，其特征在于：
在步骤(2)中，有效值序列获取具体包括：
①以设定时间窗截取电流或电压的原始采样信号，将某时间窗内样本点序列记为
Figure FDA0002321001530000011
其中，N代表时间窗内采样点个数，t0代表时间窗起始时刻，ΔT代表采样信号的时间间隔，x代表采样信号序列；
②利用式(1)所示的傅里叶算法计算该窗对应的工频相量幅值
Figure FDA0002321001530000012
Figure FDA0002321001530000013
③逐点移动时间窗，重复计算式(1)的工频相量幅值，得到电压或电流信号有效值序列
Figure FDA0002321001530000014
3.根据权利要求1所述的基于自适应电网次谐波提取与控制方法，其特征在于：
所述设定时间窗为20ms。
4.根据权利要求2所述的基于自适应电网次谐波提取与控制方法，其特征在于：
在步骤(3)中，所述的复合交变信号获取具体包括：
①对获得的有效值序列
Figure FDA0002321001530000021
进行隔直处理；
②记隔直后的有效值序列为Y(t)，将其与理想工频信号cos(100πt)相乘；
③将相乘后的信号Y(t)cos(100πt)通过截止频率为50Hz的低通滤波器，得到复合交变信号。
5.根据权利要求1或3所述的基于自适应电网次谐波提取与控制方法，其特征在于：
在步骤(5)中，利用LMS自适应滤波环节分析处理电网次谐波具体包括：
①将所述复合交变信号通过磁饱和变换后输出的具有稳定幅值的频率分量作为LMS算法的次谐波参考信号r(n)，将原始采集的电压和/或电流信号作为LMS算法的受控信号x(n)；
②按照式(2)得到控制信号c(n)，经数模转换、功率放大及作动器后叠加到受控信号上，最后输出抑制电网次谐波后的电压/电流信号e(n)；
Figure FDA0002321001530000022
其中，r(n)为电网次谐波自适应提取与控制的参考信号，R(n)为L个自适应滤波器阶数的参考信号矩阵向量，W为自适应滤波器系数，RT(n)为R(n)的转置矩阵，CT(n)为C(n)的转置矩阵，x(n)为原始采集的电压/电流信号，e(n)为最后输出抑制电网次谐波后的电压/电流信号，W(n)代表第n步迭代的自适应滤波器抽头权系数，S为数模转换、功率放大及作动器所构成级联系统的传递函数，μ为步长因子，L为自适应滤波器阶数。
6.根据权利要求5所述的基于自适应电网次谐波提取与控制方法，其特征在于：
所述步长因子μ为0.02，自适应滤波阶数L为18，W＝0.1，W(1)＝0.1。
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