CN111190042A - 一种智能传感终端及对电网信号全频段测量的方法 - Google Patents

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CN111190042A CN201911395371.3A CN201911395371A CN111190042A CN 111190042 A CN111190042 A CN 111190042A CN 201911395371 A CN201911395371 A CN 201911395371A CN 111190042 A CN111190042 A CN 111190042A
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Abstract

本发明提供了一种智能传感终端及对电网信号全频段测量的方法,所述终端包括:电源模块以及经总线背板连接的模拟量采集模块、DI开关量采集模块和计算与通信模块;所述方法包括:所述智能传感终端采集信号数据并滤波处理后,基于处理后的数据计算得到基波、谐波值和间谐波测量初值;基于所述基波、谐波值和间谐波测量初值,计算得到间谐波值。本发明提供的技术方案提出了智能传感终端实现方法并研制了相关设备,能够在实现基波、高次谐波监测的同时,准确测量间谐波的频率和幅值,为电网运行状态的实时监测和全面感知提供了新的测量手段。

Description

一种智能传感终端及对电网信号全频段测量的方法
技术领域
本发明涉及电力自动化领域,具体涉及一种智能传感终端及对电网信号全频段测量的方法。
背景技术
传感技术是人工智能、大数据、物联网、移动互联等新兴技术的感知层核心技术,提供了重要的基础数据来源。传感技术正向微型化、智能化、集成化、无源化方向演进,在多学科融合背景下,单一的、单参量的传感器件处于产业链的末端,规模产业化会遇到“天花板”,而集合传感、计算、控制、存储、处理及通信的具有完整功能的感知终端具有更高的市场价值,更可在科研布局和应用部署中将占据主动权;智能传感已被定义为新一代人工智能核心基础技术,因而,传感与“智能”和“数据”结合是大势所趋,实现云-端交互,将轻量级人工智能算法下沉至传感终端,赋予感知终端“边缘计算”、“在网计算”和“嵌入式计算”能力是必然的技术选择。
当前,大规模新能源并网接入、高压直流输电技术应用给电网注入了大量间谐波和高次谐波信号,引发了次/超同步振荡、高次谐波振荡等一系列影响电网运行安全的事故。现有测控装置、PMU等测量设备都是关注于50Hz的工频信号,往往难以覆盖大量非工频的间谐波信号。而对于谐波信号,测控装置也仅仅能覆盖13次谐波。电能质量监测装置虽然可以测量到50次谐波,但其主要是侧重于电压闪变、突降等问题,对谐波的测量更侧重统计分析,无法满足实时监测的需求,且电能质量装置往往应用于低电压的配用电领域,无法满足高压电压实时监测需求。
发明内容
针对现有的测量设备无法有效全面感知基波、间谐波和谐波的现状,本发明提出了智能传感终端及实现方法,能够在实现基波、高次谐波监测的同时,准确测量间谐波的频率和幅值,为电网运行状态的实时监测和全面感知提供了新的测量手段,能够推动新能源大规模安全稳定接入,有效保障电网的安全稳定运行。
本发明提供的技术方案是:
一种智能传感终端,所述终端包括:经总线背板连接的数据采集模块和计算与通信模块;
所述数据采集模块用于采集电压和电流模拟信号以及表示外部状态信息的开关量信号,并将所述电压和电流模拟信号转换为数字化信号数据;
所述计算与通信模块根据所述数字化信号数据或开关量信号数据,计算得到基波、谐波和间谐波值。
优选的,所述数据采集模块包括模拟量采集模块和DI开关量采集模块;
所述模拟量采集模块用于采集电压和电流模拟信号,并将所述电压和电流模拟信号转换为数字化信号数据;
所述DI开关量采集模块用于采集表示外部状态信息的开关量信号。
优选的,所述计算与通信模块包括CPU计算模块和外部通信接口;
所述CPU计算模块用于基波、谐波和间谐波值的计算;
所述外部通信接口用于直接接收来自外部设备的数字化信号数据,并实现所述基波、谐波和间谐波值的对外传输。
进一步的,所述CPU计算模块为基波、谐波和间谐波设置不同的数据缓存地址并各自独立计算,并为所述基波、谐波和间谐波配置不同的数字滤波器。
进一步的,所述计算与通信模块经所述外部通信接口与符合预设通信规范的外部设备连接,进行数字化信号数据的报文采样。
进一步的,所述计算与通信模块采用预设通信规范,经所述外部通信接口通过网络连接向变电站站控层设备传输测量数据。
进一步的,所述变电站站控层设备经所述外部通信接口配置所述智能传感终端的运行参数。
优选的,还包括电源模块,所述电源模块用于提供电源;所述电源模块设置有IRIG-B同步对时接口。
一种利用智能传感终端对电网信号全频段测量的方法,所述方法包括:
所述智能传感终端的数据采集模块采集信号数据;
所述智能传感终端的计算与通信模块进行基波、谐波和间谐波的测量,得到基波、谐波和间谐波值。
优选的,所述智能传感终端的计算与通信模块进行基波、谐波和间谐波的测量,得到基波、谐波和间谐波值,包括:
所述计算与通信模块将所述信号数据进行数字滤波去除非工频信号后,基于滤波后的数据计算得到所述基波和谐波的各相电压有效值、各相电流有效值;
所述计算与通信模块将所述信号数据进行数字滤波去除工频信号后,基于滤波后的数据和所述基波和谐波的各相电压有效值、各相电流有效值,计算得到间谐波值;
其中,所述基波、谐波值包括所述基波和谐波的各相电压幅值有效值、各相电流幅值有效值。
进一步的,所述基于滤波后的数据计算得到所述基波和谐波的各相电压幅值有效值、各相电流幅值有效值,包括:
采用FFT算法,根据预先设定的基波与谐波时间窗计算得到电网信号三相电压、三相电流的各次谐波幅值测量初值;
根据所述各次谐波幅值测量初值,采用平方根方法计算得到各相电压幅值有效值和各相电流幅值有效值。
进一步的,所述各相电压幅值有效值的计算式如下:
Figure BDA0002346150140000031
其中,Ve为各相电压幅值有效值,N为谐波次数,Vi(i=1,2,......N)为各次谐波电压幅值测量初值;
所述各相电流幅值有效值的计算式如下:
Figure BDA0002346150140000032
其中,Ie为各相电流幅值有效值,Ii(i=1,2,......N)为各次谐波电流幅值测量初值。
优选的,所述基于滤波后的数据和所述基波和谐波的各相电压有效值、各相电流有效值,计算得到间谐波值,包括:
根据采样频率和预先设定的间谐波时间窗,确定间谐波测量的频率分辨率及间谐波的频率测量范围;
采用FFT算法,计算得到所述测量范围内以所述间谐波的频率分辨率为公差的电网信号三相电压、三相电流各自的间谐波幅值测量初值和频率测量初值;
基于所述基波、谐波的各相电压有效值、各相电流有效值和所述间谐波幅值测量初值,结合预设的超限判据判断所述间谐波幅值测量初值是否超过预设的阈值;
当所述间谐波幅值测量初值超过预设的阈值时,采用定向高精度算法计算得到间谐波值,否则采用聚合算法计算得到间谐波值;
其中,所述间谐波测量初值包括各相电压和各相电流的间谐波幅值测量初值和间谐波频率测量初值;
所述间谐波值包括各相电压和各相电流的间谐波幅值和间谐波频率值。
进一步的,所述超限判据如下式:
Figure BDA0002346150140000041
其中,Cinter为超限判据,Cinter=Y表示间谐波幅值测量初值超过预设的阈值,Cinter=N表示间谐波幅值测量初值未超过预设的阈值;kV为预先设定的间谐波电压超限判定阈值,kI为预先设定的间谐波电流超限判定阈值;Vinter_max为各相电压间谐波幅值测量初值中最大值,Iinter_max为各相电流间谐波幅值测量初值中最大值,Ve为各相电压幅值有效值,Ie为各相电流幅值有效值。
进一步的,所述采用聚合算法计算得到间谐波值,包括:
以间谐波频率测量初值作为间谐波频率值,并基于间谐波幅值测量初值,采用聚合算法计算得到间谐波幅值。
进一步的,所述采用聚合算法计算各相电压间谐波幅值的计算式如下:
Figure BDA0002346150140000042
其中,Vn为各相电压间谐波幅值,n为正整数,Vk为频率范围[(n-1)*50Hz+5Hz,n*50Hz-5Hz]内公差为1/Ti的各相电压间谐波等差数列序列中各频率对应的间谐波幅值测量初值,Ti为预先设定的间谐波时间窗;
所述采用聚合算法计算各相电流间谐波幅值的计算式如下:
Figure BDA0002346150140000051
其中,In为各相电流间谐波幅值,Ik为频率范围[(n-1)*50Hz+5Hz,n*50Hz-5Hz]内公差为1/Ti的各相电流间谐波等差数列序列中各频率对应的间谐波幅值测量初值。
进一步的,所述采用定向高精度算法计算得到间谐波值,包括:
根据间谐波测量初值,基于预设的频谱泄露判据判断是否存在频谱泄露;
当存在频谱泄露时,对所述间谐波测量初值进行修正和补偿,计算得到间谐波值;
否则将所述间谐波测量初值中的最大值作为间谐波值。
进一步的,所述频谱泄露判据如下式:
Figure BDA0002346150140000052
其中,CL为频谱泄露判据,CL=Y表示存在频谱泄露,CL=N表示不存在频谱泄露;kVh为预先设定的间谐波电压频谱泄露判定阈值;kIh为预先设定的间谐波电流频谱泄露判定阈值;
Vmax为各相电压间谐波频率测量初值中最大频率Fmax对应的电压间谐波的幅值测量初值,Vmax-1为频率测量初值为
Figure BDA0002346150140000053
对应的电压间谐波的幅值测量初值,Vmax+1为频率测量初值为
Figure BDA0002346150140000054
对应的电压间谐波的幅值测量初值;
Imax为各相电流间谐波频率测量初值中最大频率F′max对应的电流间谐波的幅值测量初值,Imax-1为频率测量初值为
Figure BDA0002346150140000055
对应的电流间谐波的幅值测量初值,Imax+1为频率测量初值为
Figure BDA0002346150140000056
对应的电流间谐波的幅值测量初值;
Ti为预先设定的间谐波时间窗。
进一步的,所述对所述间谐波测量初值进行修正和补偿,计算得到间谐波幅值,包括:
将所述各相电压、电流的间谐波测量初值中以最大频率测量初值对应的间谐波为中心的设定频率范围内的所有间谐波的幅值测量初值进行平方根计算,得到各相电压、电流的间谐波幅值;
对于预先设定的间谐波时间窗Ti,通过补零的形式得到Ti*M的时间窗,然后采用FFT算法计算得到各相电压、电流的间谐波频率值;
其中,M为正整数。
进一步的,所述有频谱泄露时计算各相电压间谐波幅值的计算式如下:
Figure BDA0002346150140000061
其中,Vinter为各相电压间谐波幅值,V′k为频率范围
Figure BDA0002346150140000062
内公差为1/Ti的各相电压间谐波等差数列序列中各频率对应的间谐波幅值测量初值,Ti为预先设定的间谐波时间窗,Fmax为最大频率测量初值,Ti为预先设定的间谐波时间窗,m是步长调节系数,为正整数;
所述有频谱泄露时计算各相电流间谐波幅值的计算式如下:
Figure BDA0002346150140000063
其中,Iinter为各相电流间谐波幅值测量值,I′k为频率范围
Figure BDA0002346150140000064
Figure BDA0002346150140000065
内公差为1/Ti的各相电流间谐波等差数列序列中各频率对应的间谐波幅值测量初值。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明提供一种智能传感终端及对电网信号全频段测量的方法,所述终端包括:经总线背板连接的数据采集模块和计算与通信模块;所述数据采集模块用于采集电压和电流模拟信号以及表示外部状态信息的开关量信号,并将所述电压和电流模拟信号转换为数字化信号数据;所述计算与通信模块根据所述数字化信号数据或开关量信号数据,计算得到基波、谐波和间谐波值;所述方法包括:所述智能传感终端的数据采集模块采集信号数据;所述智能传感终端的计算与通信模块进行基波、谐波和间谐波的测量,得到基波、谐波和间谐波值。本发明提供的技术方案能够在实现基波、高次谐波监测的同时,准确测量间谐波的频率和幅值,为电网运行状态的实时监测和全面感知提供了新的测量手段。
本发明提供的技术方案能够推动新能源大规模安全稳定接入,有效保障电网的安全稳定运行。
附图说明
图1为本发明的一种利用智能传感终端对电网信号全频段测量的方法实施流程图;
图2为本发明的一种智能传感终端的硬件架构图;
图3为本发明实施例中智能传感终端数字化采集的硬件架构图;
图4为本发明实施例中间谐波测量补偿和修改算法的流程图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明,下面结合说明书附图和实例对本发明作进一步详细说明。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。
实施例1:
本发明实施例提供一种智能传感终端,包含以下模块:
经总线背板连接的数据采集模块和计算与通信模块;
其中,
数据采集模块用于采集电压和电流模拟信号以及表示外部状态信息的开关量信号,并将所述电压和电流模拟信号转换为数字化信号数据;
计算与通信模块根据所述数字化信号数据或开关量信号数据,计算得到基波、谐波和间谐波值。
其中,数据采集模块包括模拟量采集模块和DI开关量采集模块;
模拟量采集模块用于采集电压和电流模拟信号,并将电压和电流模拟信号转换为数字化信号数据;
DI开关量采集模块用于采集表示外部状态信息的开关量信号。
其中,计算与通信模块包括CPU计算模块和外部通信接口;
CPU计算模块用于基波、谐波和间谐波值的计算;
外部通信接口用于直接接收来自外部设备的数字化信号数据,并实现基波、谐波和间谐波值的对外传输。
CPU计算模块为基波与谐波、间谐波设置不同的数据缓存地址并各自独立计算,并为基波与谐波、间谐波配置不同的数字滤波器。
计算与通信模块经外部通信接口与符合预设通信规范的外部设备连接,进行数字化信号数据的报文采样。
计算与通信模块采用预设通信规范,经外部通信接口通过网络连接向变电站站控层设备传输测量数据。
变电站站控层设备经外部通信接口配置所述智能传感终端的运行参数。
终端还包括电源模块,所述电源模块用于提供电源;所述电源模块设置有IRIG-B同步对时接口。
实施例2:
本发明针对现有测量设备无法有效全面感知基波、间谐波和谐波的现状,提出了智能传感终端及测量方法,能够在实现基波、高次谐波监测的同时,准确测量间谐波的频率和幅值,为电网运行状态的实时监测和全面感知提供了新的测量手段,能够推动新能源大规模安全稳定接入,有效保障电网的安全稳定运行。
本发明实施例提出的一种电网智能传感终端及其实现方法,具体包含以下模块,架构如图2、图3所示:
(1)PWR电源模块,可接入220kV交直流电源,同时设置有IRIG-B同步对时接口。
(2)A/D采样模块,可接入6路模拟信号采集量,包括3相电压和3相电流,并实现高频采样;
(3)DI开关量采样模块,可接入16路开关量信号;
(4)CPU计算与通信模块,实现电网信号的全频段感知,包括基波、间谐波和高次谐波信号的测量,对间谐波频谱泄露进行补偿和修正;具有外部通信接口,可将测量数据采用IEC61850和扩展的GB26865.2谐波对外传输;同时也可接收外部IEC61850-9-2的数字化采样数据。支持通过远程通信的方式进行参数设置、测量数据显示。
前述的智能传感终端,设置了A/D模拟采样模块和数字化采用接入端口,可同时支持模拟量采集和数字化采集。对于模拟量采集,单个A/D采样模块可同时接入三相电压和三相电流的模拟量采样值,整个A/D采样板采用16位的数模转换芯片,可有效提升数据采样的精度。同时装置最高可支持512点/周期(25.6kHz)的高频采样,具体的采样频率可通过装置进行动态设置,范围在0-25.6kHz之间。
对于开关量信息的采集,DI开关量采集模块可接入16路开关量信号,实现外部状态信息的采集。
对于数字化采集,则电压电流及开关量信息都来自外部设备,如合并单元等,则只需接受外部IEC61850-9-2的SV采样报文即可获取相关的采集数据,此时可以省去A/D采样板、DI开关量模块的设置。
前述的智能传感终端,其A/D采样模块具有以下特征:
接入的模拟电压、电流信号采用16位高精度A/D采样芯片,最大采样频率可到512点/周波(25.6kHz),采样频率范围可在0-25.6k之间设置;
前述智能传感终端,其CPU计算与通信模块的电网信号全频段分析具有以下特征:
(1)将基波与谐波、间谐波设置不同的数据缓存地址并各自独立计算,并配置不同的数字滤波器;
(2)对于基波与谐波测量,经过数字滤波后,采用FFT算法,根据基波与谐波时间窗Th计算出电网信号三相电压、三相电流的各次谐波幅值、相角和电网频率;根据各相电压、电流计算出的所有谐波,采用平方根方法计算出各相电压有效值Ve、各相电流的有效值Ie,
Figure BDA0002346150140000091
Figure BDA0002346150140000092
N为谐波次数。
由于基波和谐波都是工频信号50Hz的整数倍,因此对于基波和谐波的计算,毕竟基波可以看成是1次谐波。数据的时间窗Th可以灵活选择,例如选择为一个周期,即20ms。装置采用逐点计算的方式,可同时计算出基波电压、电流幅值、相角以及高次谐波值。装置目前按照25.6kHz最高采样频率,可以计算出0-255次谐波值。整个数据的计算仍然采用FFT算法,对于原始的采样数据采用数字化滤波电路去除非工频信号,并设置了独立的缓存空间,确保谐波测量的准确性。
以A相电压为例,当采用12.8kHz采样频率后,可以计算出127次谐波所有的幅值和相位。将A相基波(1次谐波)电压幅值和2次、3次……127次所有谐波的幅值平方后求和,然后再取其平方根,如此就可得到A相电压的幅值有效值Ve,其余各相电压、电流计算方法相同。
(3)对于间谐波的测量,采用可动态设置的间谐波时间窗Ti实现三相电压、三相电流各自的间谐波信号的高精度测量;将各路电压、电流所计算的间谐波幅值最大值和计算得出的电压有效值Ve、电流的有效值Ie进行对比分析,判断是否存在明显的间谐波信号,若小于K1,则认为不存在明显的间谐波信号,间谐波计算采用聚合算法;若大于K1,则任务存在较大的间谐波信号,则采用定向高精度算法。间谐波补偿和修正算法流程如图4所示。
间谐波覆盖范围较广,所有非工频信号整数倍的都属于间谐波范围,以0-100Hz为例,该范围包含基波50Hz,2次谐波为100Hz,仅有两个值,对于间谐波,不同的分辨率下就存在不同数量的间谐波,以间谐波计算的时间窗Ti=1s为例,那么其频率分辨率就是1Hz,1-49Hz,51-99Hz之间所有自然数值都属于间谐波的范畴。如果间谐波计算的时间窗T=10s,那么其频率分辨率就是0.1s,0.1-49Hz,50.1-99Hz范围内所有频率都将属于装置的测量范围,数据为等差数列,相邻的差值为0.1Hz因此数据量很大。为减少计算和存储规模,本发明的间谐波数据窗Ti根据实现需求可灵活设置。
当计算得出间谐波后,汇总比较幅值最大的间谐波值,以A相电压为例,根据设置的Ti,得出所有分辨率下的间谐波值,涉及的范围为最大谐波频率-1/TiHz。以Ti=1s为例,采样频率为12.8kHz为例,其谐波的测量范围为127次谐波,间谐波的范围为0-6349Hz(127次*50-1=6350-1),由于Ti=1s,其频率分辨率为1Hz,故可测量的间谐波为1Hz、2Hz、……6349Hz,为差值为1的等差数列。
将各路电压、电流所计算的间谐波幅值最大值和计算得出的电压有效值Ve、电流的有效值Ie进行对比分析,判断是否存在明显的间谐波信号,若小于K1,则认为不存在明显的间谐波信号,间谐波计算采用聚合算法;若大于K1,则认为存在较大的间谐波信号,则采用定向的高精度算法。
在此以A相电压为例,从中找到幅值最大的间谐波Vinter_max,将其与A相电压幅值有效值Ve进行比较,若Vinter_max/Ve<K1(K1为设置的门槛限值),则认为无明显间谐波,此时就采用聚合算法,将各个分散的间谐波的进行聚合显示。如果Vinter_max/Ve>K1(K1为设置的门槛限值),则认为存在较大的间谐波,需要将其准确获取,因此就采用定向高精度算法。其它各相电压、电流的处理流程和A相电压相同。
前述间谐波聚合算法,采用以下步骤:
(1)选择谐波(N-1)*50+5Hz到N*50Hz-5Hz之间所有的间谐波测量值,N为自然数;当N=0时,间谐波选择范围为0-45Hz。
(2)对于某一谐波N,将(1)中N范围内所有间谐波测量值进行平方根计算,按照
Figure BDA0002346150140000111
进行计算,得出间谐波N的幅值。V1为间谐波频率为N*50+5Hz+1/Ti的幅值,Vk为间谐波频率为(N+1)*50Hz-5Hz-1/T的幅值,期间为差值为1/Ti的等差数列。
仍然选择以A相电压为例,如果Ti=1s,那么频率分辨率为1Hz,后续间谐波组成的等差数列差值就为1Hz,当N=2时,即将55Hz-95Hz范围内的所有间谐波聚合成间谐波
Figure BDA0002346150140000112
即为间谐波2的值。对于间谐波1,则直接计算2.5-45Hz范围内间谐波的聚合值,由此可以得出和谐波次数相同的间谐波值。
前述间谐波定向高精度测量方法,采用以下步骤:
(1)判断是否存在频谱泄露,对于各相电压、电流信号,其计算出的最大间谐波幅值和间谐波频率Fmax,所计算的最大的间谐波主导分量频率Fmax,然后对比Fmax-1/Ti和Fmax+1/Ti的关系,若未超过门槛系数kh,则直接计算出间谐波值;若超过门槛比例Kh,则判定频谱出现泄露,则对测量值进行修正和补偿。
(2)对于出现频谱泄露的信号,其补偿按照幅值和频率分别进行补偿。对于幅值的补偿,分别计算该主导频率范围内[Fmax-1/Ti*m,Fmax+1/Ti*m]的所有值,按照平方根的方法进行幅值修正,
Figure BDA0002346150140000113
V1是频率为Fmax-1/Ti*m的频率所对应的幅值;Vk是频率为Fmax+1/Ti*m所对应的幅值(m是可调节的步长系数,为整数),相邻数据之间为1/Ti的等差数列。对于频率的补偿,通过原有Ti进行补零的方法,将原有时间窗扩大M倍(M为可设置的正整数),以此进行计算获取更加精确的间谐波频率。
在此仍然以A相电压为例,当Ti=1s时,根据计算出的最大间谐波频率Fmax和幅值Vmax,然后判断间谐波Fmax-1/Ti的幅值(即间谐波(Fmax-1)的幅值V(max-1))和间谐波频率(Fmax+1/Ti)的幅值(即(Fmax+1)的幅值V(max+1)),如果V(max-1)/Vmax<kh或者V(max+1)/Vmax<kh,kh为频谱泄露判定的门槛值,则认为无频谱泄露。此时Fmax即为间谐波频率、Vmax即为间谐波幅值。如果V(max-1)/Vmax>kh或者V(max+1)/Vmax>kh,则认为存在谐波泄露,此时需要对幅值和频率分别进行补偿。
对于幅值的补偿,获取Fmax的频率,然后在其相邻两边分别获取m个步长的间谐波,将其采用平方根法聚合到Fmax的幅值。以Fmax=64Hz为例,Ti=1s,m=5,则将63、62、61、60、59Hz及其65、66、67、68、69Hz所对应的幅值与64Hz采用平方根聚合在一起,即新的
Figure BDA0002346150140000121
如此将计算出的值替换原有值,就实现了幅值的修正。
而对于频率补偿,则通过将时间窗扩大M倍,对于原有采样数据窗,则通过补零的形式凑成Ti*M的时间窗,然后计算得出间谐波频率值。以M为10为例,Ti=1s,新的时间窗就为Ti*M为10s,如此就可以将频率分辨率提高到0.1Hz,确保测量的准确。
通过上述计算,可以实现电网基波、间谐波和谐波的统一测量,进而实现电网状态的全频段感知,为各类电网振荡的监测、间谐波越限提供实时监测手段。测量得出的结果通过网络传输,一方面可以沿用IEC61850标准,另外一方面也可扩展GB/T26865.2规约实现测量数据的传输,为变电站站控层设备提供宽频测量数据。
为了简化智能传感终端的结构,本发明并未配置液晶面板,而是通过网络连接的方式远程配置相关参数,同时远程监测相关测量数据。如果实际工程需要,也可单独配置显示面板,方式和远程监视类似。装置同步对时功能不属于PWR电源板上,也是为了进一步简化设备的尺寸,便于现场部署和安装。
本发明实施例提出的智能传感终端作为变电站间隔层设备,类似变电站的测控装置、PMU装置,它接入变电站电气间隔的电压、电流信号,实现电网信号的宽频感知,实时计算出电网的基波、间谐波和谐波值。它可以广泛应用于各新能源厂站、变电站、牵引变电站及高压换流站等各个领域。由于它兼容了基波测量的功能,因此它可以完全替代PMU装置,在实现电网基波相量测量的同时,实时测量间谐波和谐波信号,为电网运行状态的监测提供新的感知测量手段。
实施例3:
基于同一发明构思,本发明实施例提供一种利用智能传感终端对电网信号全频段测量的方法,其具体实施过程如图1所示,包括:
S101:所述智能传感终端的数据采集模块采集信号数据;
S102:所述智能传感终端的计算与通信模块进行基波、谐波和间谐波的测量,得到基波、谐波和间谐波值。
具体的,步骤S102,所述智能传感终端的计算与通信模块进行基波、谐波和间谐波的测量,得到基波、谐波和间谐波值,具体实施过程包括:
步骤S102-1,计算与通信模块将信号数据进行数字滤波去除非工频信号后,基于滤波后的数据计算得到基波和谐波的各相电压有效值、各相电流有效值,具体包括:
步骤S102-1-1,采用FFT算法,根据预先设定的基波与谐波时间窗计算得到电网信号三相电压、三相电流的各次谐波幅值测量初值;
步骤S102-1-2,根据各次谐波幅值测量初值,采用平方根方法计算得到各相电压幅值有效值和各相电流幅值有效值;
各相电压幅值有效值的计算式如下:
Figure BDA0002346150140000131
其中,Ve为各相电压幅值有效值,N为谐波次数,Vi(i=1,2,......N)为各次谐波电压幅值测量初值;
各相电流幅值有效值的计算式如下:
Figure BDA0002346150140000132
其中,Ie为各相电流幅值有效值,Ii(i=1,2,......N)为各次谐波电流幅值测量初值。
步骤S102-2,计算与通信模块将信号数据进行数字滤波去除工频信号后,基于滤波后的数据和所述基波和谐波的各相电压有效值、各相电流有效值,计算得到各相电压和各相电流的间谐波幅值测量初值和间谐波频率测量初值,具体包括:
步骤S102-2-1,根据采样频率和预先设定的间谐波时间窗,确定间谐波测量的频率分辨率及间谐波的频率测量范围;
步骤S102-2-2,采用FFT算法,计算得到测量范围内以间谐波的频率分辨率为公差的电网信号三相电压、三相电流各自的间谐波序列的所有幅值测量初值和频率测量初值;
步骤S102-2-3,基于基波、谐波的各相电压有效值、各相电流有效值和所述间谐波幅值测量初值,结合预设的超限判据判断间谐波幅值测量初值是否超过预设的阈值;
确定是否超限判据如下式:
Figure BDA0002346150140000141
其中,Cinter为超限判据,Cinter=Y表示间谐波幅值测量初值超过预设的阈值,Cinter=N表示间谐波幅值测量初值未超过预设的阈值;kV为预先设定的间谐波电压超限判定阈值,kI为预先设定的间谐波电流超限判定阈值;Vinter_max为各相电压间谐波幅值测量初值中最大值,Iinter_max为各相电流间谐波幅值测量初值中最大值,Ve为各相电压幅值有效值,Ie为各相电流幅值有效值。
步骤S102-2-4,当存在明显间谐波时,采用定向高精度算法计算得到间谐波值,否则采用聚合算法计算得到间谐波值,具体包括:
步骤S102-2-4-1,采用聚合算法计算得到间谐波值,包括:
步骤S102-2-4-1-1,以间谐波频率测量初值作为间谐波频率值,并基于间谐波幅值测量初值,采用聚合算法计算得到间谐波幅值;
采用聚合算法计算各相电压间谐波幅值的计算式如下:
Figure BDA0002346150140000142
其中,Vn为各相电压间谐波幅值,n为正整数,Vk为频率范围[(n-1)*50Hz+5Hz,n*50Hz-5Hz]内公差为1/Ti的各相电压间谐波等差数列序列中各频率对应的间谐波幅值测量初值,Ti为预先设定的间谐波时间窗;
采用聚合算法计算各相电流间谐波幅值的计算式如下:
Figure BDA0002346150140000151
其中,In为各相电流间谐波幅值,Ik为频率范围[(n-1)*50Hz+5Hz,n*50Hz-5Hz]内公差为1/Ti的各相电流间谐波等差数列序列中各频率对应的间谐波幅值测量初值。
步骤S102-2-4-2,用定向高精度算法计算得到间谐波值,包括:
步骤S102-2-4-2-1,根据间谐波测量初值,基于预设的频谱泄露判据判断是否存在频谱泄露;
频谱泄露判据如下式:
Figure BDA0002346150140000152
其中,CL为频谱泄露判据,CL=Y表示存在频谱泄露,CL=N表示不存在频谱泄露;kVh为预先设定的间谐波电压频谱泄露判定阈值;kIh为预先设定的间谐波电流频谱泄露判定阈值;
Vmax为各相电压间谐波频率测量初值中最大频率Fmax对应的电压间谐波的幅值测量初值,Vmax-1为频率测量初值为
Figure BDA0002346150140000153
对应的电压间谐波的幅值测量初值,Vmax+1为频率测量初值为
Figure BDA0002346150140000154
对应的电压间谐波的幅值测量初值;
Imax为各相电流间谐波频率测量初值中最大频率F′max对应的电流间谐波的幅值测量初值,Imax-1为频率测量初值为
Figure BDA0002346150140000155
对应的电流间谐波的幅值测量初值,Imax+1为频率测量初值为
Figure BDA0002346150140000156
对应的电流间谐波的幅值测量初值;
Ti为预先设定的间谐波时间窗。
步骤S102-2-4-2-2,当存在频谱泄露时,将各相电压、电流的间谐波测量初值中以最大频率测量初值对应的间谐波为中心的设定频率范围内的所有间谐波的幅值测量初值进行平方根计算,得到各相电压、电流的间谐波幅值;
有频谱泄露时计算各相电压间谐波幅值的计算式如下:
Figure BDA0002346150140000161
其中,Vinter为各相电压间谐波幅值,V′k为频率范围
Figure BDA0002346150140000162
内公差为1/Ti的各相电压间谐波等差数列序列中各频率对应的间谐波幅值测量初值,Ti为预先设定的间谐波时间窗,Fmax为最大频率测量初值,Ti为预先设定的间谐波时间窗,m是步长调节系数,为正整数;
有频谱泄露时计算各相电流间谐波幅值的计算式如下:
Figure BDA0002346150140000163
其中,Iinter为各相电流间谐波幅值测量值,I′k为频率范围
Figure BDA0002346150140000164
Figure BDA0002346150140000165
内公差为1/Ti的各相电流间谐波等差数列序列中各频率对应的间谐波幅值测量初值。
步骤S102-2-4-2-3,将预先设定的间谐波时间窗扩大至设定的M倍(M为正整数):对于原有采样数据时间窗Ti,通过补零的形式得到Ti*M的时间窗,然后采用FFT算法计算得到各相电压、电流的间谐波频率值。
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。
以上仅为本发明的实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (20)

1.一种智能传感终端,其特征在于,包括:经总线背板连接的数据采集模块和计算与通信模块;
所述数据采集模块用于采集电压和电流模拟信号以及表示外部状态信息的开关量信号,并将所述电压和电流模拟信号转换为数字化信号数据;
所述计算与通信模块根据所述数字化信号数据或开关量信号数据,计算得到基波、谐波和间谐波值。
2.如权利要求1所述的一种智能传感终端,其特征在于,所述数据采集模块包括模拟量采集模块和DI开关量采集模块;
所述模拟量采集模块用于采集电压和电流模拟信号,并将所述电压和电流模拟信号转换为数字化信号数据;
所述DI开关量采集模块用于采集表示外部状态信息的开关量信号。
3.如权利要求1所述的一种智能传感终端,其特征在于,所述计算与通信模块包括CPU计算模块和外部通信接口;
所述CPU计算模块用于基波、谐波和间谐波值的计算;
所述外部通信接口用于直接接收来自外部设备的数字化信号数据,并实现所述基波、谐波和间谐波值的对外传输。
4.如权利要求3所述的一种智能传感终端,其特征在于,所述CPU计算模块为基波、谐波和间谐波设置不同的数据缓存地址并各自独立计算,并为所述基波、谐波和间谐波配置不同的数字滤波器。
5.如权利要求3所述的一种智能传感终端,其特征在于,所述计算与通信模块经所述外部通信接口与符合预设通信规范的外部设备连接,进行数字化信号数据的报文采样。
6.如权利要求3所述的一种智能传感终端,其特征在于,所述计算与通信模块采用预设通信规范,经所述外部通信接口通过网络连接向变电站站控层设备传输测量数据。
7.如权利要求6所述的一种智能传感终端,其特征在于,所述变电站站控层设备经所述外部通信接口配置所述智能传感终端的运行参数。
8.如权利要求1所述的一种智能传感终端,其特征在于,还包括电源模块,所述电源模块用于提供电源;所述电源模块设置有IRIG-B同步对时接口。
9.一种利用智能传感终端对电网信号全频段测量的方法,其特征在于,所述方法包括:
所述智能传感终端的数据采集模块采集信号数据;
所述智能传感终端的计算与通信模块进行基波、谐波和间谐波的测量,得到基波、谐波和间谐波值。
10.如权利要求9所述的方法,其特征在于,所述智能传感终端的计算与通信模块进行基波、谐波和间谐波的测量,得到基波、谐波和间谐波值,包括:
所述计算与通信模块将所述信号数据进行数字滤波去除非工频信号后,基于滤波后的数据计算得到所述基波和谐波的各相电压有效值、各相电流有效值;
所述计算与通信模块将所述信号数据进行数字滤波去除工频信号后,基于滤波后的数据和所述基波和谐波的各相电压有效值、各相电流有效值,计算得到间谐波值;
其中,所述基波、谐波值包括所述基波和谐波的各相电压幅值有效值、各相电流幅值有效值。
11.如权利要求10所述的方法,其特征在于,所述基于滤波后的数据计算得到所述基波和谐波的各相电压幅值有效值、各相电流幅值有效值,包括:
采用FFT算法,根据预先设定的基波与谐波时间窗计算得到电网信号三相电压、三相电流的各次谐波幅值测量初值;
根据所述各次谐波幅值测量初值,采用平方根方法计算得到各相电压幅值有效值和各相电流幅值有效值。
12.如权利要求11所述的方法,其特征在于,
所述各相电压幅值有效值的计算式如下:
Figure FDA0002346150130000021
其中,Ve为各相电压幅值有效值,N为谐波次数,Vi(i=1,2,……N)为各次谐波电压幅值测量初值;
所述各相电流幅值有效值的计算式如下:
Figure FDA0002346150130000022
其中,Ie为各相电流幅值有效值,Ii(i=1,2,……N)为各次谐波电流幅值测量初值。
13.如权利要求10所述的方法,其特征在于,所述基于滤波后的数据和所述基波和谐波的各相电压有效值、各相电流有效值,计算得到间谐波值,包括:
根据采样频率和预先设定的间谐波时间窗,确定间谐波测量的频率分辨率及间谐波的频率测量范围;
采用FFT算法,计算得到所述测量范围内以所述间谐波的频率分辨率为公差的电网信号三相电压、三相电流各自的间谐波幅值测量初值和频率测量初值;
基于所述基波、谐波的各相电压有效值、各相电流有效值和所述间谐波幅值测量初值,结合预设的超限判据判断所述间谐波幅值测量初值是否超过预设的阈值;
当所述间谐波幅值测量初值超过预设的阈值时,采用定向高精度算法计算得到间谐波值,否则采用聚合算法计算得到间谐波值;
其中,所述间谐波测量初值包括各相电压和各相电流的间谐波幅值测量初值和间谐波频率测量初值;
所述间谐波值包括各相电压和各相电流的间谐波幅值和间谐波频率值。
14.如权利要求13所述的方法,其特征在于,所述超限判据如下式:
Figure FDA0002346150130000031
其中,Cinter为超限判据,Cinter=Y表示间谐波幅值测量初值超过预设的阈值,Cinter=N表示间谐波幅值测量初值未超过预设的阈值;kV为预先设定的间谐波电压超限判定阈值,kI为预先设定的间谐波电流超限判定阈值;Vinter_max为各相电压间谐波幅值测量初值中最大值,Iinter_max为各相电流间谐波幅值测量初值中最大值,Ve为各相电压幅值有效值,Ie为各相电流幅值有效值。
15.如权利要求13所述的方法,其特征在于,所述采用聚合算法计算得到间谐波值,包括:
以间谐波频率测量初值作为间谐波频率值,并基于间谐波幅值测量初值,采用聚合算法计算得到间谐波幅值。
16.如权利要求15所述的方法,其特征在于,
所述采用聚合算法计算各相电压间谐波幅值的计算式如下:
Figure FDA0002346150130000041
其中,Vn为各相电压间谐波幅值,n为正整数,Vk为频率范围[(n-1)*50Hz+5Hz,n*50Hz-5Hz]内公差为1/Ti的各相电压间谐波等差数列序列中各频率对应的间谐波幅值测量初值,Ti为预先设定的间谐波时间窗;
所述采用聚合算法计算各相电流间谐波幅值的计算式如下:
Figure FDA0002346150130000042
其中,In为各相电流间谐波幅值,Ij为频率范围[(n-1)*50Hz+5Hz,n*50Hz-5Hz]内公差为1/Ti的各相电流间谐波等差数列序列中各频率对应的间谐波幅值测量初值。
17.如权利要求13所述的方法,其特征在于,所述采用定向高精度算法计算得到间谐波值,包括:
根据间谐波测量初值,基于预设的频谱泄露判据判断是否存在频谱泄露;
当存在频谱泄露时,对所述间谐波测量初值进行修正和补偿,计算得到间谐波值;
否则将所述间谐波测量初值中的最大值作为间谐波值。
18.如权利要17所述的方法,其特征在于,所述频谱泄露判据如下式:
Figure FDA0002346150130000043
其中,CL为频谱泄露判据,CL=Y表示存在频谱泄露,CL=N表示不存在频谱泄露;kVh为预先设定的间谐波电压频谱泄露判定阈值;kIh为预先设定的间谐波电流频谱泄露判定阈值;
Vmax为各相电压间谐波频率测量初值中最大频率Fmax对应的电压间谐波的幅值测量初值,Vmax-1为频率测量初值为
Figure FDA0002346150130000044
对应的电压间谐波的幅值测量初值,Vmax+1为频率测量初值为
Figure FDA0002346150130000045
对应的电压间谐波的幅值测量初值;
Imax为各相电流间谐波频率测量初值中最大频率F′max对应的电流间谐波的幅值测量初值,Imax-1为频率测量初值为
Figure FDA0002346150130000051
对应的电流间谐波的幅值测量初值,Imax+1为频率测量初值为
Figure FDA0002346150130000052
对应的电流间谐波的幅值测量初值;
Ti为预先设定的间谐波时间窗。
19.如权利要求17所述的方法,其特征在于,所述对所述间谐波测量初值进行修正和补偿,计算得到间谐波幅值,包括:
将所述各相电压、电流的间谐波测量初值中以最大频率测量初值对应的间谐波为中心的设定频率范围内的所有间谐波的幅值测量初值进行平方根计算,得到各相电压、电流的间谐波幅值;
对于预先设定的间谐波时间窗Ti,通过补零的形式得到Ti*M的时间窗,然后采用FFT算法计算得到各相电压、电流的间谐波频率值;
其中,M为正整数。
20.如权利要求19所述的方法,其特征在于,
所述有频谱泄露时计算各相电压间谐波幅值的计算式如下:
Figure FDA0002346150130000053
其中,Vinter为各相电压间谐波幅值,V′k为频率范围
Figure FDA0002346150130000054
内公差为1/Ti的各相电压间谐波等差数列序列中各频率对应的间谐波幅值测量初值,Ti为预先设定的间谐波时间窗,Fmax为最大频率测量初值,Ti为预先设定的间谐波时间窗,m是步长调节系数,为正整数;
所述有频谱泄露时计算各相电流间谐波幅值的计算式如下:
Figure FDA0002346150130000055
其中,Iinter为各相电流间谐波幅值测量值,I′k为频率范围
Figure FDA0002346150130000056
Figure FDA0002346150130000057
内公差为1/Ti的各相电流间谐波等差数列序列中各频率对应的间谐波幅值测量初值。
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