CN112345826B

CN112345826B - 孤网失稳状态下频率和暂态谐波测量方法

Info

Publication number: CN112345826B
Application number: CN202011148661.0A
Authority: CN
Inventors: 朱明星; 阳登辉; 高敏; 焦亚东; 陶骏; 张彤
Original assignee: Anhui Anda Qingneng Electric Technology Co ltd; Anhui University; Green Industry Innovation Research Institute of Anhui University
Current assignee: Anhui Anda Qingneng Electric Technology Co ltd; Anhui University; Green Industry Innovation Research Institute of Anhui University
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2020-10-23
Publication date: 2022-04-29
Anticipated expiration: 2040-10-23
Also published as: CN112345826A

Abstract

本发明公开了一种孤网系统失稳状态下频率和暂态谐波测量方法。该方法首先对供电母线电压和进线电流进行录波，得到数字量的三相电压和三相电流采样序列；接着提取被测非平稳信号电压、电流中各相的直流分量；然后对滤除直流分量的电压、电流序列进行滑动滤波处理以滤除高频干扰；最后利用过零点检测算法对滤除直流分量和高频干扰的电压、电流序列进行过零点检测得到各周波被测失稳状态下电压、电流采样点数，进而得到各周波被测信号的基波频率，同时利用离散傅里叶变化得到各次谐波幅值，实现非平稳过程的谐波测量。本发明提供的孤网失稳状态下频率和暂态谐波测量方法具有较好的准确性和实用性，能够为孤网暂态谐波的治理提供有力的借鉴。

Description

孤网失稳状态下频率和暂态谐波测量方法

技术领域

本发明涉及电力系统测量技术领域，尤其涉及一种失稳状态下频率和暂态谐波测量方法。

背景技术

受高耗能大功率冲击性负荷的影响，孤网系统失稳状态频频发生，给电力设备的稳定运行造成巨大威胁。当前电力设备大多只考虑过电压和过电流保护，低周减载保护装置并没有应用于所有场合，而频率骤变往往产生更为严重的后果。因此从失稳状态下的非平稳信号中快速准确提取出频率和暂态谐波信息对孤网系统的安全运行具有重要意义。

对于电力系统稳态谐波的测量，国家标准GB/T 17626.7-2017延用IEC 61000-4-7标准的相关规定：对于50Hz系统，采用10周波加矩形窗的采样方法，并利用离散傅里叶变换(Discrete Fourier transform,DFT)提取频域信息。然而孤网系统在失稳状态下，系统频率快速宽频变化，无法保持50Hz恒定值，在此情况下基于标准方法的谐波分析会产生很大的频谱泄漏误差。

目前国内外对于非平稳过程谐波测量的方法虽然在各自研究的问题上均取得了满意的效果。但是根据现场测试数据，在孤网失稳状态下，频率偏移可以达到10Hz以上，在如此大的频率偏移下，上述暂态谐波测量方法不仅复杂，而且还难以同时满足实时性和高精度的要求。

为了实现孤网失稳状态下频率和暂态谐波的低运算、高精度测量，本发明提出了一种基于自适应变带宽周期滑动滤波的频率和暂态谐波测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种孤网失稳状态下频率和暂态谐波测量方法，为孤网系统暂态过程的谐波测量及设备保护提供一种有效借鉴。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种孤网失稳状态下频率和暂态谐波测量方法，包括：

对三相供电母线电压和系统总进线电流分别进行录波，得到三相电压采样序列{u_a(n),u_b(n),u_c(n)}和三相电流采样序列{i_a(n),i_b(n),i_c(n)}，n为序列长度，a,b,c为三相序号；

根据交流信号正负对称的周期特性，提取电压和电流各相直流分量；

利用电压和电流各相直流分量对三相电压采样序列和三相电流采样序列，进行直流分量的滤除处理；

对滤除直流分量的三相电压采样序列和三相电流采样序列进行滑动滤波处理，得到滤除高频周期干扰后的三相电压序列和三相电流序列，再采用过零检测的方式得到过零点索引号；

基于索引号得到被测非平稳信号每周波内的采样点数，进而得到被测非平稳信号的基波频率；

基于每周波内的采样点数从被测非平稳信号中取出相应三相电压序列和三相电流序列通过离散傅立叶变换，得到三相电压和三相电流的各次谐波幅值。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述方法能够有效地滤除失稳状态下被测信号中的直流分量和高频干扰，实现对失稳状态下系统频率的动态跟踪和暂态谐波幅值的准确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种孤网失稳状态下频率和暂态谐波测量方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的某孤网系统结构示意图；

图3为本发明实施例提供的失稳状态下频率测量结果；

图4为本发明实施例提供的失稳状态下电压、电流实测结果。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供一种孤网失稳状态下频率和暂态谐波测量方法，如图1所示，其主要包括：

步骤1、对三相供电母线电压和系统总进线电流分别进行录波，将模拟量转化为数字量以便于计算机处理，得到三相电压采样序列和三相电流采样序列。

本发明实施例中，通过在线测量，可以得到三相电压采样序列{u_a(n),u_b(n),u_c(n)}和三相电流采样序列{i_a(n),i_b(n),i_c(n)}，其中，n为序列长度，a,b,c为三相序号。

步骤2、根据交流信号正负对称的周期特性，提取电压和电流各相直流分量。

本步骤的优选实施方式为：

利用交流信号正负对称的周期特性，将三相电压采样序列{u_a(n),u_b(n),u_c(n)}和三相电流序列{i_a(n),i_b(n),i_c(n)}中各相采样点数值取算数平均值，从而提取电压和电流各相直流分量，公式为：

其中，{u_ad,u_bd,u_cd}和{i_ad,i_bd,i_cd}分别为电压和电流各相直流分量，M_i、N_j分别为电压、电流各相采样序列点数。

步骤3、利用电压和电流各相直流分量对三相电压采样序列和三相电流采样序列，进行直流分量的滤除处理。

通过求取的电压、电流各相采样序列的算数平均值可以消除谐波分量，直流分量的滤除处理公式为：

u_i(n)'＝u_i(n)-u_id,i＝a,b,c

i_j(n)'＝i_j(n)-i_jd,j＝a,b,c

其中，{u_ad,u_bd,u_cd}和{i_ad,i_bd,i_cd}分别为电压和电流各相直流分量；{u_a(n)',u_b(n)',u_c(n)'}和{i_a(n)',i_b(n)',i_c(n)'}分别为滤除直流分量后的三相电压序列和三相电流序列。

步骤4、对滤除直流分量的三相电压采样序列和三相电流采样序列进行滑动滤波处理，得到滤除高频周期干扰后的三相电压序列和三相电流序列。

本发明实施例中，对滤除直流分量的三相电压采样序列{u_a(n)',u_b(n)',u_c(n)'}和三相电流采样序列{i_a(n)',i_b(n)',i_c(n)'}进行滑动滤波处理的公式为：

其中，L是一次滑动滤波处理时选取的采样序列点数，L选取的原则是尽量为高频谐波周期的整数倍；{u_a(n)″,u_b(n)″,u_c(n)″}和{i_a(n)″,i_b(n)″,i_c(n)″}分别为滤除高频周期干扰后的三相电压序列和三相电流序列；

对{u_a(n)',u_b(n)',u_c(n)'}和{i_a(n)',i_b(n)',i_c(n)'}进行一次滑动滤波处理后，往后移动一个采样点间隔，继续滑动滤波处理，直至所有采样点均完成一次滑动滤波处理。

步骤5、再采用过零检测的方式得到过零点索引号。

本发明实施例中，采用过零检测的方式对滤除高频周期干扰后的三相电压序列{u_a(n)″,u_b(n)″,u_c(n)″}和三相电流序列{i_a(n)″,i_b(n)″,i_c(n)″}处理，得到相应的过零点的索引号{h_ua(k),h_ub(k),h_uc(k)}和{h_ia(k),h_ib(k),h_ic(k)}，优选实施方式如下：

1)找到{u_i(n)″,i＝a,b,c}和{i_j(n)″,j＝a,b,c}中所有满足如下条件的采样点：

u″_i,k＜0且u″_i,k+1＞0,u″_i,k+2＞0，i＝a,b,c

i″_j,k＜0且i″_j,k+1＞0,i″_j,k+2＞0，j＝a,b,c

其中：u″_i,k和i″_j,k分别为{u_a(n)″,u_b(n)″,u_c(n)″}和{i_a(n)″,i_b(n)″,i_c(n)″}中第k个过零点的值。

2)存储所有满足上述条件的u″_i,k和i″_j,k对应的索引号{h_ua(k),h_ub(k),h_uc(k)}和{h_ia(k),h_ib(k),h_ic(k)}。

步骤6、基于索引号得到被测非平稳信号每周波内的采样点数，进而得到被测非平稳信号的基波频率。

本步骤优选实施方式如下：

首先，根据滤除高频周期干扰后的三相电压序列和三相电流序列过零点的索引号{h_ua(k),h_ub(k),h_uc(k)}和{h_ia(k),h_ib(k),h_ic(k)}得到每周波内的采样点数，公式为：

N_u,i(k)＝h_ui(k+1)-h_ui(k),i＝a,b,c

N_i,j(k)＝h_ij(k+1)-h_ij(k),j＝a,b,c

其中：N_u,i(k)和N_i,j(k)分别为电压和电流第k个周波采样点数；不考虑采样过程存在的误差，令N_u,i(k)＝N_i,j(k)＝N(k)。

然后，根据每周波内的采样点数N(k)计算出被测非平稳信号第k个周波的基波频率f(k)，公式为：

f(k)＝N(k)/f_s

其中，f_s为数据采集卡采样频率。

步骤7、基于每周波内的采样点数从被测非平稳信号中取出相应三相电压序列和三相电流序列通过离散傅立叶变换，得到三相电压和三相电流的各次谐波幅值。

本发明实施例中，取未经处理的被测非平稳信号三相电压和三相电流采样序列{u_a(n),u_b(n),u_c(n)}和{i_a(n),i_b(n),i_c(n)}对应的第k个周波中的N(k)点采样序列，进行离散傅里叶变换，从而计算三相电压和三相电流的基波及各次谐波幅值，公式为：

其中，W_N＝e^-j2π/n为旋转因子，N为DFT序列长度，n＝0,1,…N(k)-1为第k周波数据点；U_i,k(m)、I_j,k(m)分别为被测非平稳信号第k个周波m次谐波的傅里叶展开；U_i,k,m、I_j,k,m分别为被测非平稳信号第k个周波m次谐波电压、电流幅值。Re[·]、Im[·]分别表示取实部和虚部。

为了便于理解，下面结合一具体的示例进行说明；需要说明的是，下述示例中所采用的数值仅为举例，用户可根据实际的需求做相应的更改。

本示例为某孤网系统自备电厂发电机经110kV I线和110kV II线供110kV变电站主变并列运行供35kV、10kV母线，该电厂内配有1号机组和2号机组两台发电机组。某孤网系统结构如图2所示。

事故发生前，该电厂内1号机组处于停机检修状态，2号机组正常运行，机组出力242MW。故障开始时，2号机组运行有异音，电厂热工保护启动，2号机组汽轮机跳闸，0.3s后电厂2#主变开关跳闸。电厂出力降低后，园区电网产生低频，安稳系统动作切园区负荷128.24MW。孤网系统内安稳装置共计四轮切负荷动作，整个过程中，2轮、3轮执行了切除中压35kV侧负荷的动作，4轮执行了切除低压10kV侧负荷的动作。经安稳装置切负荷动作后，整个园区的负荷(电厂2号机组所带负荷)基本全部切除，然而发电机还处于惯性滑停过程，系统频率迅速下降，而安稳装置无法稳住系统频率，导致系统室温状态产生。

(1)在线测量三相供电母线电压和系统总进线电流，采样频率f_s＝10kHz。分别得到三相电压采样序列{u_a(n),u_b(n),u_c(n)}和三相电流采样序列{i_a(n),i_b(n),i_c(n)}，录波时长为17s。

(2)提取{u_a(n),u_b(n),u_c(n)}和{i_a(n),i_b(n),i_c(n)}各相直流分量，同时将直流分量滤除。

(3)对滤除直流分量的电压、电流采样序列进行滑动滤波处理，取滑动步长L＝6，滤除高频干扰。

(4)如图3所示，对滤除直流分量和高频干扰的电压、电流序列进行过零点检测，得到第k个周波采样点数N(k)，结合采样频率f_s＝10kHz，得到第k个周波基波频率f(k)。

(5)如图4所示，利用离散傅里叶变换对步骤(4)所述电压、电流序列进行频域分析(也即前文提到的计算三相电压和三相电流的基波及各次谐波幅值)，将频域分析结果合成得到原信号的时域波形。

图4为失稳状态下35kV母线电压和35kV总进线电流的测量结果，其中虚线对应部分对应前述35kV侧2轮、3轮两轮切负荷动作的过程。图4中三相图形虽然存在覆盖的情况，但是不影响信息表达，即依然可以体现两轮切负荷电流的变化趋势。

由上述实测数据可以看出，本发明提供的孤网失稳状态下频率和暂态谐波测量方法能够准确、有效地对孤网失稳状态下频率和暂态谐波进行测量，在孤网的暂态谐波治理方面具有较好的借鉴意义。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)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的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种孤网失稳状态下频率和暂态谐波测量方法，其特征在于，包括：

基于每周波内的采样点数从被测非平稳信号中取出相应三相电压序列和三相电流序列通过离散傅立叶变换，得到三相电压和三相电流的各次谐波幅值；

其中，对滤除直流分量的三相电压采样序列{u_a(n)',u_b(n)',u_c(n)'}和三相电流采样序列{i_a(n)',i_b(n)',i_c(n)'}进行滑动滤波处理的公式为：

其中，L是一次滑动滤波处理时选取的采样序列点数；{u_a(n)”,u_b(n)”,u_c(n)”}和{i_a(n)”,i_b(n)”,i_c(n)”}分别为滤除高频周期干扰后的三相电压序列和三相电流序列；

采用过零检测的方式对滤除高频周期干扰后的三相电压序列{u_a(n)”,u_b(n)”,u_c(n)”}和三相电流序列{i_a(n)”,i_b(n)”,i_c(n)”}处理，得到相应的过零点的索引号{h_ua(k),h_ub(k),h_uc(k)}和{h_ia(k),h_ib(k),h_ic(k)}，步骤如下：

找到{u_i(n)”,i＝a,b,c}和{i_j(n)”,j＝a,b,c}中所有满足如下条件的采样点：

u_i,k＜0且u_i,k+1＞0,u_i,k+2＞0，i＝a,b,c

i_j,k＜0且i_j,k+1＞0,i_j,k+2＞0，j＝a,b,c

其中，u″_i,k和i″_j,k分别为{u_a(n)”,u_b(n)”,u_c(n)”}和{i_a(n)”,i_b(n)”,i_c(n)”}中第k个过零点的值；

存储所有满足上述条件的u″_i,k和i″_j,k对应的索引号{h_ua(k),h_ub(k),h_uc(k)}和{h_ia(k),h_ib(k),h_ic(k)}；

基于索引号得到被测非平稳信号每周波内的采样点数，进而得到被测非平稳信号的基波频率的公式为：

N_u,i(k)＝h_ui(k+1)-h_ui(k),i＝a,b,c

N_i,j(k)＝h_ij(k+1)-h_ij(k),j＝a,b,c

其中：N_u,i(k)和N_i,j(k)分别为电压和电流第k个周波采样点数；令N_u,i(k)＝N_i,j(k)＝N(k)；

f(k)＝N(k)/f_s

其中，f_s为数据采集卡采样频率。

2.根据权利要求1所述的一种孤网失稳状态下频率和暂态谐波测量方法，其特征在于，将三相电压采样序列{u_a(n),u_b(n),u_c(n)}和三相电流序列{i_a(n),i_b(n),i_c(n)}中各相采样点数值取算数平均值，从而提取电压和电流各相直流分量，公式为：

3.根据权利要求1所述的一种孤网失稳状态下频率和暂态谐波测量方法，其特征在于，直流分量的滤除处理公式为：

u_i(n)'＝u_i(n)-u_id,i＝a,b,c

i_j(n)'＝i_j(n)-i_jd,j＝a,b,c

4.根据权利要求1所述的一种孤网失稳状态下频率和暂态谐波测量方法，其特征在于，计算三相电压和三相电流的各次谐波幅值的公式为：

其中，W_N＝e^-j2π/n为旋转因子，U_i,k(m)、I_j,k(m)分别为被测非平稳信号第k个周波m次谐波的傅里叶展开；U_i,k,m、I_j,k,m分别为被测非平稳信号第k个周波m次谐波电压、电流幅值；Re[·]、Im[·]分别表示取实部和虚部。