CN111965421B - 一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法、装置及设备，其中方法包括：从发生次同步振荡时的电压电流信号中滤除基波分量；根据三峰插值DFT算法估计次同步和超同步频率；根据次/超同步间谐波频率耦合性和枚举法搜索最优次同步频率，根据最小二乘法估计次同步、超同步间谐波分量的幅值和相位。本发明利用了次/超同步间谐波频率的耦合特性，实现了次/超同步间谐波参数的高准确度检测，能同时得到准确的次同步间谐波频率和超同步间谐波频率，为次同步振荡的监测和控制提供实时信息，保障电力系统的安全稳定运行。

Description

一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统检测技术领域，尤其是涉及一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法、装置及设备。

背景技术

近年来，风力发电、光伏发电等新能源发电技术得到了大范围应用。随着大量风电场接入电网，我国的多座风电场附近发生了次同步振荡事件。这种振荡事件可能会使电力系统设备损坏，例如，它们可能会使同步发电机的轴系产生扭振。因此，它们严重威胁了电力系统的安全稳定运行。所以，非常有必要对次同步振荡进行实时检测，也即对次/超同步间谐波参数进行检测(主要包括幅值和频率)，因此，可以基于检测得到的结果对可能发生的次同步振荡事件进行预警，并对已经发生的次同步振荡进行控制。

现有技术中已有的次/超同步间谐波检测方法主要可分为两类：一类是基于现场安装的相量测量单元(phasor measurement unit，PMU)测量得到的相量测量结果，进一步分析计算出次/超同步间谐波参数(包括幅值和频率)；另一类是直接根据采样得到的电压电流信号计算得到次/超同步间谐波参数，包括幅值、频率和相位。

但是，在发生次同步振荡时，实际电力系统电压电流信号中除存在基波、次/超同步间谐波外，还可能存在谐波。而目前已有的第一类次/超同步检测方法是在假设信号中不存在谐波分量的情况下推导得到的。当信号中谐波分量占比较高时，这种方法误差较大。而且某些PMU在测量基波相量时，还可能存在次/超同步间谐波抑制环节，这导致PMU测量得到的基波相量并不含有完整的次/超同步间谐波信息，使这种方法存在较大误差。因此，直接通过电压电流信号检测次/超同步间谐波参数是一种更优的方案，但其中的模式滤波环节可能受到其他分量的干扰，从而导致次/超同步间谐波参数检测存在较大误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法、装置及设备，以解决现有技术中次/超同步间谐波参数检测时存在较大误差的技术问题。

本发明的目的，可以通过如下技术方案实现：

一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法，包括：

从发生次同步振荡时的电压电流信号中滤除基波分量；

根据三峰插值DFT算法估计次同步和超同步频率；

根据枚举法搜索最优次同步频率，根据最小二乘法估计次同步、超同步间谐波分量的幅值和相位。

可选地，所述发生次同步振荡时的电压电流信号为：

s[n]＝acos(2πf₀nT_s+φ)+a_subcos(2πf_subnT_s+φ_sub)+a_supcos(2πf_supnT_s+φ_sup)

其中，a、a_sub和a_sup分别为基波、次同步间谐波和超同步间谐波分量的幅值；f₀、f_sub和f_sup分别为基波、次同步间谐波和超同步间谐波分量的频率，且f_sub+f_sup＝100Hz；φ、φ_sub和φ_sup分别为基波、次同步间谐波和超同步间谐波分量的相位；T_s为采样间隔；n为采样点编号。

可选地，从发生次同步振荡时的电压电流信号中滤除基波分量具体包括：

采用二阶带阻滤波器对所述电压电流信号中的基波分量进行滤除；其中，所述滤波器的传递函数为：

其中，s表示复数域，G表示增益，α表示阻尼系数，ω＝2πf₀为中心角频率。

可选地，根据三峰插值DFT算法估算次同步和超同步频率之前还包括：

计算谱线的幅值，在

和

范围内找到幅值最大的谱线，分别记为M₁和M₂。

可选地，根据三峰插值DFT算法估算次同步频率具体包括：

利用

计算补偿参数δ₁，利用

计算次同步频率

可选地，根据三峰插值DFT算法估算超同步频率具体包括：

利用

计算补偿参数δ₂，利用

计算超同步频率

可选地，在区间

和

对次同步间谐波频率以特定步长取值，代入s[n]＝acos(2πf₀nT_s+φ)+a_subcos(2πf_subnT_s+φ_sub)+a_supcos(2πf_supnT_s+φ_sup)，得到矩阵：s＝Ep；

其中，β为0.5Hz，所述特定步长为0.25Hz；s为包含了N_w个信号采样点的列向量，E为行向量包含了N_w个信号采样点的矩阵，行向量由

和

产生；p为包含了p＝ae^jφ、

和

及相应共轭相量的列向量。

可选地，根据

估计最优次同步频率，得到次同步、超同步间谐波分量的幅值和相位；其中，H表示对矩阵做共轭转置运算。

本发明还提供了一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测装置，包括：

基波分量滤除模块，用于从发生次同步振荡时的电压电流信号中滤除基波分量；

次/超同步频率估计模块，用于根据三峰插值DFT算法估计次同步和超同步频率；

次/超同步谐波参数估计模块，用于根据枚举法搜索最优次同步频率，根据最小二乘法估计次同步、超同步间谐波分量的幅值和相位。

本发明还提供了一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测设备，包括：

存储器，用于保存计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现所述的基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法。

本发明提供了一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法、装置及设备，其中，方法包括：从发生次同步振荡时的电压电流信号中滤除基波分量；

根据三峰插值DFT算法估计次同步和超同步频率；根据枚举法搜索最优次同步频率，根据最小二乘法估计次同步、超同步间谐波分量的幅值和相位。

本发明提供的基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法、装置及设备，带来的有益效果是：

利用了次/超同步间谐波频率的耦合特性，实现了次/超同步间谐波参数的高准确度检测，可保证所采用的枚举法搜索得到的次同步间谐波频率和超同步间谐波频率均是最优的，为次同步振荡的监测和控制提供实时信息，保障电力系统的安全稳定运行。能同时得到准确的次同步间谐波频率和超同步间谐波频率，即可在检测次同步间谐波参数(或超同步间谐波参数)时，最大程度地实现超同步间谐波分量(或次同步间谐波分量)陷波性能，从而最大程度地抑制他们频谱间的相互干扰，提高次/超同步间谐波参数的测量性能。

附图说明

图1为本发明一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法的相量测量单元的结构示意图；

图2为本发明一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法的算法流程图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法、装置及设备，以解决现有技术中次/超同步间谐波参数检测时存在较大误差的技术问题。

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

由于风力发电机的控制环节影响，导致在发生这些次同步振荡事件时，电压电流信号中不仅存在一个频率在0～50Hz范围内次同步间谐波分量，还存在一个频率在50～100Hz范围内超同步间谐波分量，而且这两个分量关于额定频率对称，即它们的频率存在耦合特性。因此，可以充分利用这种耦合作用，充分抑制不同分量间的相互干扰，提高次/超同步间谐波检测的准确度。

以下为本发明提供的一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法的实施例，包括：

从发生次同步振荡时的电压电流信号中滤除基波分量；

根据三峰插值DFT算法估计次同步和超同步频率；

根据枚举法搜索最优次同步频率，根据最小二乘法估计次同步、超同步间谐波分量的幅值和相位。

请参阅图1，对输入的电压电流信号，首先，采用信号调理器对其进行低通滤波，从而避免混叠效应；然后，采用模数转换器对调理后的信号进行采样，同时通过全球定位系统(global positioning system，GPS)同步时钟对这个过程进行时间同步；最后，通过信号处理器对同步采样得到的信号进行处理后输出次同步和超同步间谐波参数，包括频率、幅值和相位。

请参阅图2，最后这个环节，又分为以下几个子环节：

(1)从原信号中滤除基波分量

设发生次同步振荡时的电压电流信号(经同步采样后的离散信号)为：

s[n]＝acos(2πf₀nT_s+φ)+a_subcos(2πf_subnT_s+φs_sub)+a_supcos(2πf_supnT_s+φ_sup) (1)

其中，a、a_sub和a_sup分别为基波、次同步间谐波和超同步间谐波分量的幅值；f₀、f_sub和f_sup分别为基波、次同步间谐波和超同步间谐波分量的频率，且f_sub+f_sup＝100Hz；φ、φ_sub和φ_sup分别为基波、次同步间谐波和超同步间谐波分量的相位；T_s为采样间隔；n为采样点编号。

由于信号中的基波分量会对次/超同步间谐波分量的频谱产生干扰，从而导致次超/同步间谐波参数检测准确度降低，因此，需从信号中滤除基波分量，以抑制其对次/超同步间谐波间谐波参数检测造成的干扰。为此，可考虑在信号中滤除基波分量。

采用二阶带阻滤波器(无限冲激响应型)对信号中的基波分量进行滤除。该滤波器的传递函数为：

其中，s表示复数域；G表示增益；α表示阻尼系数，ω＝2πf₀为中心角频率。设经以上滤波器滤波后得到的信号为s_-0[n]。

(2)基于三峰插值DFT算法计算次/超同步频率

对滤除基波分量后的信号s_-0[n]，取

时间窗内的信号进行离散傅里叶变换；其中，N_w为时间窗内的采样点个数：

其中，j为虚数单位；w[n]为汉宁窗；m为谱线编号，S_-0[m]为在谱线m处的向量。

接着，分别在0～50Hz和50～100Hz范围内找到幅值最大的谱线。

具体方法如下：

第一步：计算各谱线的幅值，即|S_-0[m]|；

第二步：分别在

和

范围内找到幅值最大的谱线，设编号分别为M₁和M₂。

可采用三峰插值方法计算次同步、超同步间谐波频率的估计值

例如，计算次同步谐波频率的估计值的过程如下：

首先，通过式(4)计算得到补偿参数δ₁：

然后，可以通过式(5)计算得到次同步频率

类似地，计算超同步谐波频率的估计值的过程如下：

首先，通过式(6)计算得到补偿参数δ₂：

然后，可以通过式(7)计算得到次同步频率

(3)最优次同步间谐波频率搜索及次/超同步参数估计

根据次超同步频率的耦合性，分别在区间

和

对次同步间谐波频率以特定步长取值，代入式(1)，并将其整理为矩阵形式：

s＝Ep； (8)

其中，β为0.5Hz，所述特定步长为0.25Hz；s为包含了N_w个信号采样点的列向量，E为行向量包含了N_w个信号采样点的矩阵，行向量由

和

产生；p为包含了p＝ae^jφ、

和

及相应共轭相量的列向量。

因此，可以用最小二乘法估计次/超同步参数：

其中，H表示对矩阵做共轭转置运算；

为包含了p＝ae^jφ、

和

及相应共轭相量估计值的列向量。最优的次同步频率估计值即为使最小二乘误差平方和最小的频率值，根据式(9)估计得到的次/超同步参数即为检测得到的次/超同步间谐波相量(也即得到了次/超同步间谐波的幅值和相位)。一般地，β取0.5Hz，步长取0.25Hz。

本实施例提供的基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法，首先，采用二阶带阻滤波器，对发生次同步振荡时的电压电流信号进行滤波，以滤除基波分量；然后，采用三峰插值DFT算法计算次同步和超同步间谐波分量的频率

最后，在取次同步频率为区间区间

和

内取值，相应的超同步频率相对于基波频率对称，通过枚举法选取最优的次同步频率，并采用最小二乘法估计次/超同步间谐波的幅值和相位。

理论上说，信号中同时包含了次同步间谐波分量和超同步间谐波分量，这两个分量的频谱会相互干扰。在本实施例提供的方法，在搜索最优次同步间谐波频率及估计次/超同步参数的过程中，若能同时得到准确的次同步间谐波频率和超同步间谐波频率，即可在检测次同步间谐波参数(或超同步间谐波参数)时，最大程度地实现超同步间谐波分量(或次同步间谐波分量)陷波性能，从而最大程度抑制他们频谱间的相互干扰，提高次/超同步间谐波参数的测量性能。

本实施例提供的基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法，利用了次/超同步间谐波频率的耦合特性，可保证所采用的枚举法搜索得到的次同步间谐波频率和超同步间谐波频率均是最优的，从而达到上述目的。而不利用这种耦合特性的检测方法得到的结果基本不满足耦合特性，从而难以保证检测得到的两个分量的频率均是最优的，也就不能实现上述分量所造成干扰的完美抑制。

本实施例提供的基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法，利用了次/超同步间谐波频率的耦合特性，实现了次/超同步间谐波参数的高准确度检测，可保证所采用的枚举法搜索得到的次同步间谐波频率和超同步间谐波频率均是最优的，为次同步振荡的监测和控制提供实时信息，保障电力系统的安全稳定运行。

本实施例提供的基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法，能同时得到准确的次同步间谐波频率和超同步间谐波频率，即可在检测次同步间谐波参数(或超同步间谐波参数)时，最大程度地实现超同步间谐波分量(或次同步间谐波分量)陷波性能，从而最大程度地抑制他们频谱间的相互干扰，提高次/超同步间谐波参数的测量性能。

以下为本发明一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测装置，包括：

基波分量滤除模块，用于从发生次同步振荡时的电压电流信号中滤除基波分量；

次/超同步频率估计模块，用于根据三峰插值DFT算法估计次同步和超同步频率；

次/超同步谐波参数估计模块，用于根据枚举法搜索最优次同步频率，根据最小二乘法估计次同步、超同步间谐波分量的幅值和相位。

此外，本发明还提供了一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测设备，包括：

存储器，用于保存计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现所述的基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法，其特征在于，包括：

从发生次同步振荡时的电压电流信号中滤除基波分量；

根据三峰插值DFT算法估计次同步和超同步频率；

利用

计算补偿参数δ₁，利用

计算次同步频率

其中，M₁为

内幅值最大的谱线，S_-0M₁+1]为在谱线M₁+1处的向量，S_-0[M₁-1]为在谱线M₁-1处的向量，S_-0[M₁]为在谱线M₁处的向量，T_s为采样间隔，N_w为时间窗内的采样点个数；

根据枚举法搜索最优次同步频率，根据最小二乘法估计次同步、超同步间谐波分量的幅值和相位。

2.根据权利要求1所述的基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法，其特征在于，根据三峰插值DFT算法估算超同步频率具体包括：

利用

计算补偿参数δ₂，利用

计算超同步频率

其中，M₂为

内幅值最大的谱线，S_-0[M₂+1]为在谱线M₂+1处的向量，S_-0[M₂-1]为在谱线M₂-1处的向量，S_-0[M₂]为在谱线M₂处的向量。

3.根据权利要求1所述的基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法，其特征在于，根据三峰插值DFT算法估算次同步和超同步频率之前还包括：

计算谱线的幅值，在

和

范围内找到幅值最大的谱线，分别记为M₁和M₂。

4.根据权利要求1所述的基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法，其特征在于，所述发生次同步振荡时的电压电流信号为：

s[n]＝a cos(2πf₀nT_s+φ)+a_subcos(2πf_subnT_s+φ_sub)+a_supcos(2πf_supnT_s+φ_sup)

其中，a、a_sub和a_sup分别为基波、次同步间谐波和超同步间谐波分量的幅值；f₀、f_sub和f_sup分别为基波、次同步间谐波和超同步间谐波分量的频率，且f_sub+f_sup＝100Hz；φ、φ_sub和φ_sup分别为基波、次同步间谐波和超同步间谐波分量的相位；T_s为采样间隔；n为采样点编号。

5.根据权利要求1所述的基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法，其特征在于，从发生次同步振荡时的电压电流信号中滤除基波分量具体包括：

采用二阶带阻滤波器对所述电压电流信号中的基波分量进行滤除；其中，所述滤波器的传递函数为：

其中，s表示复数域，G表示增益，α表示阻尼系数，ω＝2πf₀为中心角频率。

6.根据权利要求5所述的基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法，其特征在于，在区间

和

对次同步间谐波频率以特定步长取值，代入s[n]＝a cos(2πf₀nT_s+φ)+a_subcos(2πf_subnT_s+φ_sub)+a_supcos(2πf_supnT_s+φ_sup)，得到矩阵：s＝Ep；

其中，β为0.5Hz，所述特定步长为0.25Hz；s为包含了N_w个信号采样点的列向量，E为行向量包含了N_w个信号采样点的矩阵，行向量由

和

产生；p为包含了p＝ae^jφ、

和

及相应共轭相量的列向量。

7.根据权利要求6所述的基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法，其特征在于，根据

估计最优次同步频率，得到次同步、超同步间谐波分量的幅值和相位；其中，H表示对矩阵做共轭转置运算。

8.一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测装置，其特征在于，包括：

基波分量滤除模块，用于从发生次同步振荡时的电压电流信号中滤除基波分量；

次/超同步频率估计模块，用于根据三峰插值DFT算法估计次同步和超同步频率；

利用

计算补偿参数δ₁，利用

计算次同步频率

其中，M₁为

内幅值最大的谱线，S_-0[M₁+1]为在谱线M₁+1处的向量，S_-0[M₁-1]为在谱线M₁-1处的向量，S_-0[M₁]为在谱线M₁处的向量，T_s为采样间隔，N_w为时间窗内的采样点个数；

次/超同步谐波参数估计模块，用于根据枚举法搜索最优次同步频率，根据最小二乘法估计次同步、超同步间谐波分量的幅值和相位。

9.一种基于频率耦合性的次超同步间谐波检测设备，其特征在于，包括：

存储器，用于保存计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序，以实现如权利要求1至7任一项所述的基于频率耦合性的次超同步间谐波检测方法。

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