CN111064204A - 一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法 - Google Patents

一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法，其特征在于，包括如下步骤：在同步信号下进行采样三相电压Ua、Ub、Uc，并进行DFT递推运算和序分量计算，获得相量的实部和虚部；在周期TK之后进行N点DFT运算和后序分量计算，并使用其结果作为第N+1点DFT运算和后序分量计算的初值，获得周期TK之后相量的实部和虚部；根据正序相量计算系统当前频率，启用相量补偿算法。本发明使传统的频率电压紧急控制装置在新能源高速发展的电网下可以正确的进行保护动作，维持电网的稳定运行。

Description

一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法
技术领域
本发明涉及一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法，属于电力系统继电保护及安全自动装置技术领域。
背景技术
当前我国电网正处于高速发展期，过渡期的网架不完善，存在“强直弱交”等特点，给安全稳定运行带来很大挑战，尤其是大容量远距离高压直流输电线路(800万～1200万kW)，大规模风电群(千万kW级)和光伏群(百万kW级)接入，西南水电站的头晕、大量水电东送(数千万kW级)等问题，使电网稳定问题愈加复杂，对电网三道防线控制理念愈加倚重。
频率电压紧急控制装置是电力系统安全防御体系中第三道防线的重要组成部分，作为当电网频率及电压崩溃时最后的防护手段，通常在频率异常、电压稳定破坏或电压崩溃时通过切除负荷、切除机组、解列线路等方法来切除局部电网，防止全网性事故与大面积停电，维持系统稳定。
发明内容
本发明针对的是：传统的频率电压紧急控制装置采用递推DFT算法，能在48～52Hz范围内保证电压测量结果准确，使装置地电压保护可以正确动作。但当前新形势下电网中新能源发电渗透率很高，由于储能PCS、光伏逆变器、风电逆变器等电力电子器件大规模使用，容量占比较大，使得系统惯性降低，频率变化范围远大于45～55Hz，甚至波动至25～75Hz。当系统频率偏离额定值大于5Hz时，装置的电压测量结果严重偏离实际值，装置的电压保护存在误动、拒动的风险。
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种适用于频率电压紧急控制装置的电压补偿方法，能够提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性，以确保电压紧急控制装置在宽频范围内进行准确动作。
为解决上述技术问题，本发明一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在同步信号下进行采样三相电压Ua、Ub、Uc，并进行DFT递推运算和序分量计算，获得相量的实部和虚部；将计算结果存入指定缓冲区，供后续滤波模块读取；
在周期TK之后进行N点DFT运算和后序分量计算，并使用其结果作为第N+1点DFT运算和后序分量计算的初值，获得周期TK之后相量的实部和虚部；将计算结果存入指定缓冲区，供后续滤波模块读取；
根据正序相量计算系统当前频率，启用相量补偿算法。
作为一种较佳的实施例，所述DFT递推运算的公式如下：
Figure BDA0002300445020000021
Figure BDA0002300445020000022
其中，Ac1(k)为第k次递推基波相量实部，As1(k)为第k次递推基波相量虚部，x(k)为采样缓冲区中的第k个采样点，N为每周波采样点数N。
作为一种较佳的实施例，所述序分量计算公式如下：
U1r＝Uar-(Ubr+Ucr)*0.5+(Ucm-Ubm)*0.866；
U1m＝Uam-(Ubm+Ucm)*0.5+(Ubr-Ucr)*0.866；
其中，Uar、Ubr、Ucr分别为三相电压采样Ua、Ub、Uc经DFT递推运算后相量的实部，Uam、Ubm、Ucm分别为三相电压采样Ua、Ub、Uc经DFT递推运算后相量的虚部，U1r为正序电压U1相量的实部，U1m为正序电压U1相量的虚部。
作为一种较佳的实施例，所述周期TK之后进行N点DFT运算的公式如下：
Figure BDA0002300445020000031
Figure BDA0002300445020000034
其中，Ac1'为周期TK之后DFT运算的基波相量实部，As1'为周期TK之后DFT运算的基波相量虚部，j为每个周期TK后的采样点数，x(j)为每个周期TK后的采样数据，N为每周波采样点数；
所述第N+1点递推DFT运算的公式如下：
Figure BDA0002300445020000032
Figure BDA0002300445020000033
其中，Ac1'(k)为周期TK后第k次递推基波相量实部，As1'(k)为周期TK后第k次递推基波相量虚部，Ac1'为周期TK之后DFT运算的基波相量实部，As1'为周期TK之后DFT运算的基波相量虚部，x(k)为采样缓冲区中的第k个采样点，N为每周波采样点数。
作为一种较佳的实施例，所述周期TK之后进行后序分量计算的公式如下：
U1r'＝Uar'-(Ubr'+Ucr')*0.5+(Ucm'-Ubm')*0.866；
U1m'＝Uam'-(Ubm'+Ucm')*0.5+(Ubr'-Ucr')*0.866；
其中，Uar'、Ubr'、Ucr'分别为三相电压采样Ua、Ub、Uc在周期TK后经DFT递推运算后相量的实部，Uam'、Ubm'、Ucm'分别为三相电压采样Ua、Ub、Uc在周期TK后经DFT递推运算后相量的虚部，U1r'为在周期TK后正序电压U1相量的实部，U1m'为正序电压U1在周期TK后相量的虚部。
作为一种较佳的实施例，所述根据正序相量计算系统当前频率包括：使用基波正序电压的角度变化率计算系统当前频率。
作为一种较佳的实施例，所述系统当前频率的计算公式如下：
Figure BDA0002300445020000041
Figure BDA0002300445020000042
其中，Δθ为Tk时间内的基波正序电压的角度变化率，f为计算得到的系统当前频率；f0为设定系统额定频率f0，TK为计算周期，U1r'为在周期TK后正序电压U1相量的实部，U1m'为正序电压U1在周期TK后相量的虚部。
作为一种较佳的实施例，所述相量补偿算法的公式如下：
Figure BDA0002300445020000043
y＝ax2+bx+c；
其中，f为计算得到的系统当前频率，j为每个周期TK后的采样点数，ωk为权；a、b、c为X(j)函数经拟合后多项式系数，x为DFT递推运算后三相电压采样Ua、Ub、Uc的原始相量值，y为补偿后的相量值。
作为一种较佳的实施例，所述相量补偿算法的启动条件为：系统当前频率大于52Hz或小于48Hz。
作为一种较佳的实施例，所述方法还包括：设定系统额定频率f0、每周波采样点数N、计算周期TK、DFT递推算法的原始系数。
本发明所达到的有益效果：本发明针对传统的频率电压紧急控制装置当前新形势下电网中新能源发电渗透率很高，由于储能PCS、光伏逆变器、风电逆变器等电力电子器件大规模使用，容量占比较大，使得系统惯性降低，频率变化范围远大于45～55Hz，甚至波动至25～75Hz，当系统频率偏离额定值大于5Hz时，装置的电压测量结果严重偏离实际值，装置的电压保护存在误动、拒动的风险的技术需求，通过在同步信号下进行采样三相电压Ua、Ub、Uc，并进行DFT递推运算和序分量计算，获得相量的实部和虚部；在周期TK之后进行N点DFT运算和后序分量计算，并使用其结果作为第N+1点DFT运算和后序分量计算的初值，获得周期TK之后相量的实部和虚部；将计算结果存入指定缓冲区，供后续滤波模块读取；根据正序相量计算系统当前频率，系统当前频率大于52Hz或小于48Hz，启用相量补偿算法，本发明可实现在25～75Hz宽频范围下的电压测量值的准确计算，使传统的频率电压紧急控制装置在新能源高速发展的电网下可以正确的进行保护动作，维持电网的稳定运行。另外，本发明可以使用MATLAB等仿真分析工具，提前进行补偿公式的系数计算，使电压采集时可以实时进行计算判别，不会因频率的过度偏移导致采样的滞后及过多的资源占用。
附图说明
图1是本发明的优选实施例的流程图。
图2是频率为55Hz时未补偿情况下仿真波形图。
图3是频率为55Hz时采用本发明实施方法补偿情况下仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参见图1，本发明提供一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法，具体的5个方法步骤如下：
(1)设定系统额定频率f0、每周波采样点数N、相量计算周期TK、DFT递推算法的原始系数。
(2)在同步信号下进行采样，首先进行DFT递推运算，其公式如下：
Figure BDA0002300445020000061
Figure BDA0002300445020000062
式中，Ac1(k)为第k次递推基波相量实部，As1(k)为第k次递推基波相量虚部，x(k)为采样缓冲区中的第k个采样点。
之后进行序分量计算，其公式如下：
U1r＝Uar-(Ubr+Ucr)*0.5+(Ucm-Ubm)*0.866；
U1m＝Uam-(Ubm+Ucm)*0.5+(Ubr-Ucr)*0.866；
U2r＝Uar-(Ubr+Ucr)*0.5+(Ubm-Ucm)*0.866；
U2m＝Uam-(Ubm+Ucm)*0.5-(Ubr-Ucr)*0.866；
U0r＝(Uar+Ubr+Ucr)/3；
U0m＝(Uam+Ubm+Ucm)/3；
式中，Uar、Ubr、Ucr分别为三相电压Ua、Ub、Uc经DFT递推运算后相量的实部，Uam、Ubm、Ucm分别为三相电压Ua、Ub、Uc经DFT递推运算后相量的虚部，U1r、U2r、U0r分别为正序电压U1、负序电压U2、零序电压U0相量的实部，U1m、U2m、U0m分别为正序电压U1、负序电压U2、零序电压U0相量的虚部。
经过上述DFT递推运算和序分量计算，可以获得相量的实部和虚部，将计算结果存入指定缓冲区，供后续滤波模块读取。
(3)在周期TK之后进行N点DFT运算，其公式如下：
Figure BDA0002300445020000071
Figure BDA0002300445020000072
其中，Ac1'为周期TK后一周波DFT运算的基波相量实部，As1'为周期TK后一周波DFT运算的基波相量虚部，x(0)...x(N-1)为每个周期TK后一周波的采样数据；
使用上式中的结果作为第N+1点DFT运算的初值，周期TK后的第N+1点递推DFT的公式如下：
Figure BDA0002300445020000081
Figure BDA0002300445020000082
其中，Ac1'(k)为周期TK后第k次递推基波相量实部，As1'(k)为周期TK后第k次递推基波相量虚部。
之后进行周期TK后的序分量计算，其公式如下：
U1r'＝Uar'-(Ubr'+Ucr')*0.5+(Ucm'-Ubm')*0.866；
U1m'＝Uam'-(Ubm'+Ucm')*0.5+(Ubr'-Ucr')*0.866；
U2r'＝Uar'-(Ubr'+Ucr')*0.5+(Ubm'-Ucm')*0.866；
U2m'＝Uam'-(Ubm'+Ucm')*0.5-(Ubr'-Ucr')*0.866；
U0r'＝(Uar'+Ubr'+Ucr')/3；
U0m'＝(Uam'+Ubm'+Ucm')/3；
式中，Uar'、Ubr'、Ucr'分别为三相电压Ua、Ub、Uc在周期TK后经DFT递推运算后相量的实部，Uam'、Ubm'、Ucm'分别为三相电压Ua、Ub、Uc在周期TK后经DFT递推运算后相量的虚部，U1r'、U2r'、U0r'分别为周期TK后正序电压U1、负序电压U2、零序电压U0相量的实部，U1m'、U2m'、U0m'分别为周期TK后正序电压U1、负序电压U2、零序电压U0相量的虚部。
基波正序电压的角度变化率计算系统当前频率，计算公式如下：
Figure BDA0002300445020000083
Figure BDA0002300445020000084
其中，Δθ为Tk时间内的基波正序电压的角度变化率，f为系统当前频率。
然后根据频率判断是否启用相量补偿算法，当频率大于52Hz或小于48Hz时启用相量补偿算法，其公式如下：
Figure BDA0002300445020000091
y＝ax2+bx+c；
其中，f为系统当前频率，j为当前采样点数，ωk为权。a、b、c为X(j)函数经拟合后多项式系数，x为DFT递推运算后三相电压采样Ua、Ub、Uc的原始相量值，y为补偿后的相量值。
(5)重复步骤(2)-(4)。
表1示出了本发明实施例进行补偿前后不同频率下的数据对比，从表1可以看出，在二次侧额定电压为57.735V时，不采用补偿的情况下，当频率偏移过大时，电压测量误差也逐渐增大，而采用补偿后，电压测量误差始终能够维持在1％以内，没有受到频率变化的影响。
表1进行补偿前后不同频率下的数据对比
Figure BDA0002300445020000101
图2、3分别示出了未补偿情况下和采用本发明实施例的方法进行补偿的情况下装置记录的电压测量波形，经过对比可以看出，图2所示的未补偿情况下当频率偏移过大时电压测量值呈很大波动，电压保护已不可靠；而图3采用本发明的方法进行了补偿，当频率偏移过大时电压测量值仍然能够维持恒定。
可见，本发明实施例可实现在25～75Hz宽频范围下的电压测量值的准确计算，使传统的频率电压紧急控制装置在新能源高速发展的电网下可以正确的进行保护动作，维持电网的稳定运行。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。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 (10)

1.一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在同步信号下进行采样三相电压Ua、Ub、Uc，并进行DFT递推运算和序分量计算，获得相量的实部和虚部；
在周期TK之后进行N点DFT运算和后序分量计算，并使用其结果作为第N+1点DFT运算和后序分量计算的初值，获得周期TK之后相量的实部和虚部；
根据正序相量计算系统当前频率，启用相量补偿算法。
2.根据权利要求1所述的一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法，其特征在于，所述DFT递推运算的公式如下：
Figure FDA0002300445010000011
Figure FDA0002300445010000012
其中，Ac1(k)为第k次递推基波相量实部，As1(k)为第k次递推基波相量虚部，x(k)为采样缓冲区中的第k个采样点，N为每周波采样点数N。
3.根据权利要求1所述的一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法，其特征在于，所述序分量计算公式如下：
U1r＝Uar-(Ubr+Ucr)*0.5+(Ucm-Ubm)*0.866；
U1m＝Uam-(Ubm+Ucm)*0.5+(Ubr-Ucr)*0.866；
其中，Uar、Ubr、Ucr分别为三相电压采样Ua、Ub、Uc经DFT递推运算后相量的实部，Uam、Ubm、Ucm分别为三相电压采样Ua、Ub、Uc经DFT递推运算后相量的虚部，U1r为正序电压U1相量的实部，U1m为正序电压U1相量的虚部。
4.根据权利要求1所述的一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法，其特征在于，所述周期TK之后进行N点DFT运算的公式如下：
Figure FDA0002300445010000021
Figure FDA0002300445010000022
其中，Ac1'为周期TK之后DFT运算的基波相量实部，As1'为周期TK之后DFT运算的基波相量虚部，j为每个周期TK后的采样点数，x(j)为每个周期TK后的采样数据，N为每周波采样点数；
所述第N+1点递推DFT运算的公式如下：
Figure FDA0002300445010000023
Figure FDA0002300445010000024
其中，Ac1'(k)为周期TK后第k次递推基波相量实部，As1'(k)为周期TK后第k次递推基波相量虚部，Ac1'为周期TK之后DFT运算的基波相量实部，As1'为周期TK之后DFT运算的基波相量虚部，x(k)为采样缓冲区中的第k个采样点，N为每周波采样点数。
5.根据权利要求1所述的一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法，其特征在于，所述周期TK之后进行后序分量计算的公式如下：
U1r'＝Uar'-(Ubr'+Ucr')*0.5+(Ucm'-Ubm')*0.866；
U1m'＝Uam'-(Ubm'+Ucm')*0.5+(Ubr'-Ucr')*0.866；
其中，Uar'、Ubr'、Ucr'分别为三相电压采样Ua、Ub、Uc在周期TK后经DFT递推运算后相量的实部，Uam'、Ubm'、Ucm'分别为三相电压采样Ua、Ub、Uc在周期TK后经DFT递推运算后相量的虚部，U1r'为在周期TK后正序电压U1相量的实部，U1m'为正序电压U1在周期TK后相量的虚部。
6.根据权利要求5所述的一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法，其特征在于，所述根据正序相量计算系统当前频率包括：使用基波正序电压的角度变化率计算系统当前频率。
7.根据权利要求6所述的一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法，其特征在于，所述系统当前频率的计算公式如下：
Figure FDA0002300445010000031
Figure FDA0002300445010000032
其中，Δθ为Tk时间内的基波正序电压的角度变化率，f为计算得到的系统当前频率；f0为设定系统额定频率f0，TK为计算周期，U1r'为在周期TK后正序电压U1相量的实部，U1m'为正序电压U1在周期TK后相量的虚部。
8.根据权利要求1所述的一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法，其特征在于，所述相量补偿算法的公式如下：
Figure FDA0002300445010000033
y＝ax2+bx+c；
其中，f为计算得到的系统当前频率，j为每个周期TK后的采样点数，ωk为权；a、b、c为X(j)函数经拟合后多项式系数，x为DFT递推运算后三相电压采样Ua、Ub、Uc的原始相量值，y为补偿后的相量值。
9.根据权利要求1所述的一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法，其特征在于，所述相量补偿算法的启动条件为：系统当前频率大于52Hz或小于48Hz。
10.根据权利要求1所述的一种提高频率电压紧急控制装置电压保护可靠性的方法，其特征在于，所述方法还包括：设定系统额定频率f0、每周波采样点数N、计算周期TK、DFT递推算法的原始系数。
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