CN111929491B

CN111929491B - 基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法及系统

Info

Publication number: CN111929491B
Application number: CN202010806316.5A
Authority: CN
Inventors: 刘世明
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2020-08-12
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2040-08-12
Also published as: CN111929491A

Abstract

本公开提供了一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法及系统，根据线路两端的电压量和电流量，计算工频相量；选取两个不同工况下电压、电流工频相量，并根据其计算似功率差值；一端向另一端传输似功率差值；在线路的任意一端进行采样时刻差值计算及同步校正，根据两端的似功率差值，以及工频的角频率值，计算两端采样时刻差值；根据计算出的采样时刻差值，对一端采样时刻进行校正，实现两端采样时刻的同步。本公开采用工频电气量，无需通信通道收、发延时相等，无需线路和设备的参数，不需要接收卫星同步信号，同步精度高，因而能够很好地满足电力系统自动化的需求。

Description

基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法及系统

技术领域

本公开属于电力系统自动化技术领域，涉及一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在电力系统自动化领域中，需要测量输电线路两端的电气量如三相电流量、电压量等。在采用数字化技术测量电气量时，往往需要两端同步采样，即在同一时刻对输电线路两端的电气量进行数字化采样。例如，输电线路电流差动保护中，需要同步采样线路两端的电流量计算差流。然而，由于输电线路两端一般相距较远，特别是在高压、超高压、特高压电网中，输电线路两端往往相距上百公里到几百公里，因此输电线路两端由独立的装置分别测量各自的电流量和电压量。如何保证输电线路两侧的装置在同一时刻进行采样，是电力系统自动化需要解决的问题。

目前工程中一种常用的同步采样技术是采用卫星同步授时系统进行同步，比如利用GPS系统或者北斗系统的秒脉冲，将输电线路两端测量装置进行同步。为了准确接收卫星授时信号，对应用场地和设备有较高的要求；卫星同步授时系统的秒脉冲具有很高的时间精度，为了保证这些时钟脉冲信号的精度不被劣化，后续的信号传输和处理环节的延时需要有较高的一致性。这些需求，都增加了此种同步采样方案的工程造价和实施难度。

另外一种普遍应用的同步采样技术是基于数据通道的同步方法。该方法利用通信通道传送用于同步处理的各种事件信息，例如输电线路两端各自的数据发送和接收时刻。假设通信通道是对称的，则本端发送的数据和接收的对端数据在通道上的延迟时间相等。因此，通过一发一收的循环，得到两端各自发数据和收数据的4个时刻值，通过一定的算法，就能够计算出发送/接收延时，以及两端采样时刻的差异，在此基础上对任意一端的采样时刻进行调整，从而达到同步采样的目的。此种方法要求通信通道的收发延时相等，对数据传输各个环节的一致性有较高要求，并且只能用于线路两端采用直连通信通道的情况，例如用于光纤直连的输电线路上。对于经过通信网络连接的线路两端，由于不能保证数据收、发延时的相等，因而不能应用这种同步方法。

此外，还有基于参考相量的同步方法。例如认为正常运行时线路两端电流值相等，因而利用电流相量进行同步，但是在长距离输电线路上电容电流较大，两端电流不再严格相等；如果已知线路参数，则可以通过计算，将线路一端的电流电压量补偿到线路对端，从而依靠补偿后的相量进行同步，但是线路参数往往难以准确获取。故障发生后，线路两端会检测到电流的突变，这个突变时刻对应故障发生时刻，由此有文献提出了基于故障发生时刻为基准的同步方法。这种同步方法基于电流突变时刻的检测，精度有限；此外电流信号在线路上传输需要时间，因此难以在长距离输电线上应用。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法及系统，本公开基于特勒根似功率定理，采用工频电气量，无需线路参数，对通信通道的对称性没有要求，同步精度高，能够满足输电线路继电保护等电力系统自动化功能的需求。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法，包括以下步骤：

根据线路两端的电压量和电流量，计算工频相量；

选取两个不同工况下电压、电流工频相量，并根据其计算似功率差值；

一端向另一端传输似功率差值；

在线路的任意一端进行采样时刻差值计算及同步校正，根据两端的似功率差值，以及工频的角频率值，计算两端采样时刻差值；

根据计算出的采样时刻差值，对一端采样时刻进行校正，实现两端采样时刻的同步。

作为可选择的实施方式，线路两端的电压量和电流量包括但不限于：正常工况下的正序电压、电流相量；正常工况下的相电压、相电流相量；正常工况下的线电压、线电流相量；外部故障工况下的正序电压、电流相量；外部故障工况下的负序电压、电流相量。

作为可选择的实施方式，两个工况的形式包括但不限于以下方式：

负荷状态不同的两个工况；

负荷工况和外部故障工况；

当前测量工况和理论计算工况。

作为可选择的实施方式，根据两端的似功率差值，以及工频的角频率值，计算两端采样时刻差值的具体过程包括：将本端的似功率差值，除以收到的对端似功率差值，得到一个复数结果，该复数的相角除以工频的角频率值，就得到两端采样时刻差值。

作为可选择的实施方式，所述似功率差值为在两个不同工况下，将该端电压相量和电流相量交叉相乘，得到两个功率值，两个功率值相减，得到的差值称为似功率差值。

作为可选择的实施方式，根据计算出的采样时刻差值，对两端采样时刻进行校正的具体过程包括：根据计算出的采样时刻差值，若该差值为正，将本端采样时刻提早相应时间。

作为可选择的实施方式，根据计算出的采样时刻差值，对两端采样时刻进行校正的具体过程包括：根据计算出的采样时刻差值，若差值为负，将本端采样时刻延迟相应时间。

一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步系统，包括：

采集模块，被配置为采集线路两端的电压量和电流量；

工频相量计算模块，被配置为根据线路两端的电压量和电流量，计算工频相量；

似功率差值计算模块，被配置为选取两个不同工况下电压、电流工频相量，并根据其计算似功率差值，两端相互传输似功率差值；

采样时刻差值计算模块，被配置为在线路的任意一端进行采样时刻差值计算及同步校正，根据两端的似功率差值，以及工频的角频率值，计算两端采样时刻差值；

校正模块，被配置为根据计算出的采样时刻差值，对一端采样时刻进行校正，实现两端采样时刻的同步。

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法。

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开计算方法简单，无需大量运算过程；

本公开采用工频电气量，无需通信通道收、发延时相等，无需线路和设备的参数，不需要接收卫星同步信号，同步精度高，对通信通道的对称性没有要求，能够满足输电线路继电保护等电力系统自动化功能的需求。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为输电线路及两端等值系统的单线系统示意图；

图2为输电线路及等值系统的等效电路示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种输电线路采样同步方法的步骤如下：

(1)分别对线路两端的电压量、电流量进行数字化采样，计算出工频相量；

(2)根据两个不同工况下电压、电流工频相量，计算似功率差值；

(3)通过通信通道，将本端似功率差值传输给对端；

(4)采样时刻差值计算及同步校正可以在线路的任意一端进行。将本端的似功率差值，除以收到的对端似功率差值，得到一个复数结果，该复数的相角除以工频的角频率值，就得到两端采样时刻差值。

(5)根据计算出的采样时刻差值，将本端采样时刻提早(差值为正)或者延迟(差值为负)相应时间，就实现了本端采样时刻与对端采样时刻的同步。

所述步骤(1)中，为了计算“似功率差值”，可以采用但不限于如下的电压、电流相量：正常工况下的正序电压、电流相量；正常工况下的相电压、相电流相量；正常工况下的线电压、线电流相量；外部故障工况下的正序电压、电流相量；外部故障工况下的负序电压、电流相量。

在本公开中，输电线路任意一端的“似功率差值”，是在两个不同工况下(记为工况1和工况2)，将该端电压相量和电流相量交叉相乘，得到两个功率值(功率值1＝工况1电压相量×工况2电流相量，功率值2＝工况2电压相量×工况1电流相量)，然后两个值相减(功率值1－功率值2)，得到的差值称为“似功率差值”。

根据特勒根似功率定理及本专利的原理分析，在上述两个工况下，要求输电线路的电路结构和参数相同。例如，上述两个工况的形式包括但不限于以下方式：

负荷状态不同的两个工况。例如当前运行工况和一个负荷差别较大的工况，如负荷差别超过10％的工况；

负荷工况和外部故障工况。例如当前运行工况和一次线路外部故障时的工况；

当前测量工况和理论计算工况。在输电线路工频参数的准确值已知的情况下，可以对输电线路进行数字或者模拟仿真。仿真工况下的电流电压量，也可以用于计算“似功率差值”。

如图1所示的输电线路，在没有内部故障的情况下，其不同运行工况的等值电路相同，如图2所示，因此满足特勒根似功率定理。记工况1下的各支路电流电压相量分别为

记工况2下的各支路电流电压相量分别为

其中下标1，2，...，b表示各支路的序号。则根据特勒根似功率定理有：

特别地，选择在两个工况下，输电线路等值电路内部各支路阻抗相等，则有：

于是上述特勒根似功率定理等式可以写为：

其中下标m和n分别表示线路两端的电气相量。上下两式相减既可以得到：

当线路两端采样不同步时，不失一般性，假设以m侧为参考，n侧采样滞后时间t，则相当于n的各工频电气相量比m侧相量滞后了ω×t角度。其中ω是工频角频率，对于工频50Hz而言，ω等于100π。将采样不同步引起的相量角度偏差带入上式，则有：

根据定义，上式中的

和

分别就是m侧和n侧的似功率差值。由此就由线路两侧的似功率差值，计算出了采样不同步引起的相量角度偏差，进一步就可以计算出采样滞后时间t。在此基础上，调整n侧得采样时刻，从而实现线路两侧采样同步。

【实施例1】

对于完全换位三相交流输电线路，其采样同步实施步骤如下：

步骤1：线路两侧分别对本端的电压量、电流量进行数字化采样，并计算出工频正序电压和电流相量，并保存；

步骤2：判断负荷如果发生10％以上的变化，则应用变化前后的工频正序电压和电流相量，计算似功率差值；

步骤3：通过通信通道，将m侧的似功差率差值传输给n侧；

步骤4：n侧根据自己计算的似功率差值及接收到的m侧似功率差值，计算出采样不同步时间t；

步骤5：如果t为正,则n侧将自己的采样时刻延迟t时间；否则，将采样时刻滞后t时间，从而实现了与m侧采样的同步。

【实施例2】

对于已经精确测量出工频参数的输电线路，其采样同步实施步骤如下：

步骤0：对输电线路及两端等效电源进行数字建模，仿真一个特殊的运行工况，计算出线路两端的工频正序电压和电流相量，并保存。这个特殊的运行工况，需要与线路正常运行工况有较大差异，例如仿真输电线路在极限传输功率下的运行工况。

步骤1：输电线路运行时，两侧分别对本端的电压量、电流量进行数字化采样，并计算出工频正序电压和电流相量；

步骤2：应用实时的工频正序电压和电流相量，与仿真的工频正序电压和电流相量，计算似功率差值；

步骤3：通过通信通道，将m侧的似功率差值传输给n侧；

【实施例3】

当发生外部不对称故障时，可以利用输电线路两端测量的电压电流正序相量和负序相量进行同步计算，其采样同步实施步骤如下：

步骤1：判断输电线路发生外部不对称故障，两侧分别对本端的电压量、电流量进行数字化采样，并计算出工频正序电压和电流相量和工频负序电压和电流相量。为了提高计算精度，需要尽量采用故障后的稳态值进行计算，例如采用外部故障跳闸前的一个周波数据进行计算；

步骤2：应用工频正序和负序电压和电流相量，计算似功率差值；

步骤3：通过通信通道，将m侧的似功率差值传输给n侧；

【实施例4】

一种输电线路采样同步系统，包括：

采集模块，被配置为采集线路两端的电压量和电流量；

【实施例5】

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种输电线路采样同步方法。

【实施例6】

一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种输电线路采样同步方法。

本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开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，本公开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。

本公开是参照根据本公开实施例的方法、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。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims

1.一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法，其特征是：包括以下步骤：

根据线路两端的电压量和电流量，计算工频相量；

一端向另一端传输似功率差值；

2.如权利要求1所述的一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法，其特征是：线路两端的电压量和电流量包括但不限于：正常工况下的正序电压、电流相量；正常工况下的相电压、相电流相量；正常工况下的线电压、线电流相量；外部故障工况下的正序电压、电流相量；外部故障工况下的负序电压、电流相量。

3.如权利要求1所述的一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法，其特征是：根据两端的似功率差值，以及工频的角频率值，计算两端采样时刻差值的具体过程包括：将本端的似功率差值，除以收到的对端似功率差值，得到一个复数结果，该复数的相角除以工频的角频率值，就得到两端采样时刻差值。

4.如权利要求1所述的一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法，其特征是：所述似功率差值为在两个不同工况下，将该端电压相量和电流相量交叉相乘，得到两个功率值，两个功率值相减，得到的差值称为似功率差值。

5.如权利要求1所述的一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法，其特征是：两个工况的形式包括但不限于以下方式：

负荷状态不同的两个工况；

负荷工况和外部故障工况；

当前测量工况和理论计算工况。

6.如权利要求1所述的一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法，其特征是：两个工况的形式包括但不限于以下方式：

负荷状态不同的两个工况；

负荷工况和外部故障工况；

当前测量工况和理论计算工况；

根据计算出的采样时刻差值，对一端采样时刻进行校正的具体过程包括：根据计算出的采样时刻差值，若该差值为正，将本端采样时刻提早相应时间。

7.如权利要求1所述的一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法，其特征是：根据计算出的采样时刻差值，对一端采样时刻进行校正的具体过程包括：根据计算出的采样时刻差值，若差值为负，将本端采样时刻延迟相应时间。

8.一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步系统，其特征是：包括：

采集模块，被配置为采集线路两端的电压量和电流量；

似功率差值计算模块，被配置为选取两个不同工况下电压、电流工频相量，并根据其计算两端的似功率差值，两端相互传输似功率差值；

9.一种计算机可读存储介质，其特征是：其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法。

10.一种终端设备，其特征是：包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7中任一项所述的一种基于特勒根似功率定理的输电线路采样同步方法。