CN115598443A - 一种基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统及方法，包括，A/D采样模块，用于获取模拟信号，根据所述模拟信号，得到同步采样数字信号；FPGA模块，用于根据同步采样数字信号，计算正序瞬时功率，得到第二运算结果；CPU模块，用于根据第二运算结果，得到宽频振荡的判别结果；其中，所述FPGA模块分别与A/D采样模块和CPU模块之间采用并行数据总线连接。采用正序瞬时功率判别宽频振荡，可以滤除因三相不平衡导致的二倍工频谐波成分，同时还可以滤除该成分叠加至宽频振荡瞬时功率中后引发的新的频率成分。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统及方法，属于电力系统自动化测量技术领域。
背景技术
同步相量测量装置(PMU)利用卫星同步时钟系统为广域范围内的全网同步采样提供统一的采样脉冲和标准时间，使得各个站点之间有了相同的时间基准点和采样参考基准点，在同步采样和计算之后所得到的同步相量能准确描述实际系统的动态过程，为电力系统新型保护、测控、安全稳定控制提供了新的数据源。
传统PMU装置一般测量基频分量，而新型“双高”电力系统中，谐波和间谐波含量较多，为了更好地描述电力系统的动态过程，需要同步测量谐波和间谐波，并在电力系统出现宽频振荡时发出宽频振荡告警。
依据相关标准，宽频振荡的瞬时功率频率范围是100-300Hz。但是，当电力系统中存在三相不平衡时，瞬时功率中将出现二倍工频的瞬时功率分量，该分量恰好位于宽频振荡的频率判别区间。现有的宽频测量装置在用功率判别宽频振荡时，无法对三相不平衡和宽频振荡导致的瞬时功率变化进行区分，从而会导致当电力系统中存在三相不平衡时，装置发生宽频振荡误告警。
同时，CPU只能进行串行计算，在同时测量多元件的谐波和间谐波以及计算多元件的正序瞬时功率时，运算量大，存在运算速度慢、CPU负荷过高的问题。发明专利《一种基于FPGA硬件DFT递推的同步相量计算方法》(专利号：201210310767.5)和《一种快速同步相量修正方法》(专利号：201410529646.9)中均阐述了利用FPGA进行多元件同步相量测量并行计算的方法，但这些方法并未解决多元件的电压、电流正序分量和正序瞬时功率并行计算问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统及方法，采用正序瞬时功率判别宽频振荡，可以滤除因三相不平衡导致的二倍工频谐波成分，同时还可以滤除该成分叠加至宽频振荡瞬时功率中后引发的新的频率成分。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一方面，本发明公开了一种基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统，包括，
A/D采样模块，用于获取模拟信号，根据所述模拟信号，得到同步采样数字信号；
FPGA模块，用于根据同步采样数字信号，计算正序瞬时功率，得到第二运算结果；
CPU模块，用于根据第二运算结果，得到宽频振荡的判别结果；
其中，所述FPGA模块分别与A/D采样模块和CPU模块之间采用并行数据总线连接。
进一步的，所述FPGA模块包括，
同步单元，用于获取B码时间信号，得到1PPS信号；
第一FFT单元，用于根据同步采样数字信号和1PPS信号，基于FFT运算，得到第一运算结果；
电压电流缓存单元，用于转存第一运算结果；
第二FFT单元，用于根据第一运算结果，基于FFT运算，得到第二计算结果；
正序瞬时功率缓存单元，用于转存第二运算结果。
进一步的，所述第一运算结果，包括打上时标的三相电压的谐波、间谐波幅值信息和相位信息，以及三相电流的谐波、间谐波幅值信息和相位信息。
进一步的，所述第二运算结果，包括打上时标的正序瞬时功率的幅值信息。
进一步的，所述FPGA模块还包括，
第一补偿单元，设于第一FFT单元与电压电流缓存单元之间，用于修正第一运算结果。
进一步的，所述FPGA模块还包括，
第二补偿单元，设于第二FFT单元与正序瞬时功率缓存单元之间，用于修正第二运算结果。
进一步的，所述FPGA模块还包括，
DFT单元，用于根据同步采样数字信号和1PPS信号，基于DFT运算，得到相量数据；
相量存储单元，用于存储相量数据。
另一方面，本发明公开了基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统的判别方法，包括如下步骤：
获取模拟信号，根据所述模拟信号，得到同步采样数字信号；
根据同步采样数字信号，计算正序瞬时功率，得到第二运算结果；
根据第二运算结果，得到宽频振荡的判别结果。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明采用正序瞬时功率判别宽频振荡，可以滤除因三相不平衡导致的二倍工频谐波成分，同时还可以滤除该成分叠加至宽频振荡瞬时功率中后引发的新的频率成分。滤除三相不平衡导致的频率成分后，可以避免宽频振荡告警的误报，使得宽频振荡告警功能能够准确地在电力系统安全稳定运行的过程中发挥作用，更好地满足用户的需求。
本发明利用FPGA的同步并发计算能力，可以实现多个元件本时刻电压、电流的谐波和间谐波与上一时刻电压、电流的正序分量以及正序瞬时功率的谐波和间谐波的快速计算。上述测量过程在卫星同步时钟同步后，所计算的广域范围内不同电气元件的谐波、间谐波信号可以直接进行比较，方便定位低频振荡、次超同步振荡、宽频振荡的振荡源。
附图说明
图1是一种基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统的模块原理图；
图2是FPGA模块的原理图；
图3是一种基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统的方法流程图；
图4是使用本发明判别正常状态的结果；
图5是使用本发明判别三相不平衡状态的结果；
图6是使用本发明判别宽频振荡状态的结果。
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。
实施例
本实施例公开了一种基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统，如图1-3所示，包括，
A/D采样模块，用于获取模拟信号，根据模拟信号，得到同步采样数字信号；
FPGA模块，用于根据同步采样数字信号，计算正序瞬时功率，得到第二运算结果；
CPU模块：用于根据第二运算结果，得到宽频振荡的判别结果；
其中，FPGA模块分别与A/D采样模块和CPU模块之间采用并行数据总线连接。
需要说明的是，A/D采样模块中获取的模拟信号是通过AC模块变换整形得到的。AC模块用于将原始采样得到的电压、电流的模拟信号进行变换整形，使其转变为满足A/D采样要求的±5V弱电电压信号后，再输入至A/D采样模块。
本实施例中的AC模块的额定相电压是57.74V，额定相电流是5A/1A。
具体的，FPGA模块内设有同步单元并使之驯服于卫星同步时钟，用于获取B码时间信号，即卫星同步时钟信号，得到1PPS信号。
需要说明的是，此处的1PPS信号还需要进行倍频处理，得到同步采样脉冲和同步计算脉冲。其中，同步采样脉冲用于控制A/D采样模块完成广域同步采样过程，同步计算脉冲用于后续的FFT运算。
A/D采样模块，将获取模拟信号转换为数字信号，转换过程在FPGA和外部卫星同步时钟控制下进行，得到同步采样数字信号。
本实施例中，PMU需接入B码对时，装置采集指定电压、电流的模拟信号时，接入B码对时，实现同步采样，1PPS时刻和采样时刻重合，采样频率为1024Hz。
转换后，对应的同步采样数字信号x(k)表示为：
其中，
分别为第i个分量的幅值、频率、初相位，k为当前采样点序号，Δt为采样间隔。
进一步的，FPGA模块包括，
第一FFT单元，用于根据同步采样数字信号和1PPS信号，基于FFT运算，得到第一运算结果；
电压电流缓存单元，用于转存第一运算结果；
第二FFT单元，用于根据第一运算结果，基于FFT运算，得到第二计算结果；
正序瞬时功率缓存单元，用于转存第二运算结果。
进一步的，FPGA模块还包括，
第一补偿单元，设于第一FFT单元与电压电流缓存单元之间，用于修正第一运算结果。
第二补偿单元，设于第二FFT单元与正序瞬时功率缓存单元之间，用于修正第二运算结果。
DFT单元，用于根据同步采样数字信号和1PPS信号，基于DFT运算，得到相量数据；
相量存储单元，用于存储相量数据。
具体的，第一FFT单元在上述1PPS信号同步下，对所得到的同步采样数字信号进行FFT运算，得到打上高精度时标的第一运算结果。通过第一补偿单元对第一运算结果进行修正再存入电压电流数据缓存单元。
第一运算结果即工频分量和各谐波、间谐波分量的频率、幅值和相位信息，包括打上时标的三相电压的谐波、间谐波幅值信息和相位信息，以及三相电流的谐波、间谐波幅值信息和相位信息。
第一FFT单元的工作原理为：对同步采样数字信号进行FFT运算，窗内采样点数为N1，得出三相电压谐波、间谐波幅值的频谱序列
和相位的频谱序列
以及三相电流谐波、间谐波幅值的频谱序列
和相位的频谱序列
使用采样中间点
的时间作为该频谱序列的绝对时标。
第二FFT单元在上述1PPS信号同步下，读取电压电流数据缓存单元的第一运算结果，进行FFT运算，得到打上高精度时标的第二运算结果。通过第二补偿单元对第二运算结果进行修正再存入正序瞬时功率缓存单元。
第二运算结果即正序瞬时功率中各谐波和间谐波分量的频率和幅值信息，包括打上时标的正序瞬时功率的幅值信息。
第二FFT单元的工作原理为：基于第一运算结果中的三相电压、电流频谱序列计算电压、电流正序分量序列，进而计算正序瞬时功率。
第k个正序电压分量和正序电流分量的计算方法为：
其中，e表示自然常数，j表示复数的虚部，
分别表示A、B、C三相电压和电流中第k个分量的复频域值，满足：
因此，第k个正序分量可以表示为：
uA1k(t)＝UA1kcos(2πfkt+αA1k)
uB1k(t)＝UB1kcos(2πfkt+αB1k)
uC1k(t)＝UC1kcos(2πfkt+αC1k)
iA1k(t)＝IA1kcos(2πfkt+βA1k)
iB1k(t)＝IB1kcos(2πfkt+βB1k)
iC1k(t)＝IC1kcos(2πfkt+βC1k)
其中，UA1k、αA1k分别是
幅值和相位，UB1k、αB1k分别是
的幅值和相位，UC1k、αC1k分别是
的幅值和相位，IA1k、βA1k分别是
的幅值和相位，IB1k、βB1k分别是
的幅值和相位，IC1k、βC1k分别是
的幅值和相位，t是时间。
因此，上一数据窗内的时刻对应的瞬时功率为
进一步地，FPGA在1PPS信号同步下，对得到的正序瞬时功率进行FFT运算，窗内采样点数为N2，得出正序瞬时功率幅值的频谱序列为
使用采样中间点的时间作为该频谱序列的绝对时标。
CPU模块的工作原理如下：
取100-300Hz内频谱序列分量的最大值，假设为Pk，若满足下式，则判定为发生宽频振荡，装置发出宽频振荡告警。
式中，Pm是宽频振荡功率一次侧门槛值，ku为一二次测的电压变比，ki为一二次测的电流变比。
在本实施例中，正常状态下的电压、电流只含有工频分量，其幅值大小等于额定值，相位互差120°；三相不平衡状态下的电压、电流仍只含有工频分量，和正常状态不同的是，A相电压幅值变为40V；宽频振荡状态下，电压只含有工频分量，电流除了工频分量外，还含有175Hz、204Hz和220Hz的谐波分量。通过探讨正常状态、三相不平衡状态以及宽频振荡状态三种情形下的测量，得出的正常状态的振荡检测结果如图4所示，三相不平衡状态的振荡检测结果如图5所示，宽频振荡状态的振荡检测结果如图6所示。
由图4-6所示的三种情形下的正序瞬时功率频谱图可知，本发明的判别方法能够正确判别宽频振荡的发生并发出告警，且不会将三相不平衡状态误判为宽频振荡状态。
本发明着重阐述基于FPGA正序瞬时功率算法的宽频振荡判别方法在PMU中的应用过程，实际中，该方法还可以在宽频测量装置、电能质量检测装置等场景中应用。
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。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统，其特征是，包括，
A/D采样模块，用于获取模拟信号，根据所述模拟信号，得到同步采样数字信号；
FPGA模块，用于根据同步采样数字信号，计算正序瞬时功率，得到第二运算结果；
CPU模块，用于根据第二运算结果，得到宽频振荡的判别结果；
其中，所述FPGA模块分别与A/D采样模块和CPU模块之间采用并行数据总线连接。
2.根据权利要求1所述的基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统，其特征是，所述FPGA模块包括，
同步单元，用于获取B码时间信号，得到1PPS信号；
第一FFT单元，用于根据同步采样数字信号和1PPS信号，基于FFT运算，得到第一运算结果；
电压电流缓存单元，用于转存第一运算结果；
第二FFT单元，用于根据第一运算结果，基于FFT运算，得到第二计算结果；
正序瞬时功率缓存单元，用于转存第二运算结果。
3.根据权利要求2所述的基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统，其特征是，所述第一运算结果，包括打上时标的三相电压的谐波、间谐波幅值信息和相位信息，以及三相电流的谐波、间谐波幅值信息和相位信息。
4.根据权利要求2所述的基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统，其特征是，所述第二运算结果，包括打上时标的正序瞬时功率的幅值信息。
5.根据权利要求2所述的基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统，其特征是，所述FPGA模块还包括，
第一补偿单元，设于第一FFT单元与电压电流缓存单元之间，用于修正第一运算结果。
6.根据权利要求2所述的基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统，其特征是，所述FPGA模块还包括，
第二补偿单元，设于第二FFT单元与正序瞬时功率缓存单元之间，用于修正第二运算结果。
7.根据权利要求2所述的基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统，其特征是，所述FPGA模块还包括，
DFT单元，用于根据同步采样数字信号和1PPS信号，基于DFT运算，得到相量数据；
相量存储单元，用于存储相量数据。
8.根据权利要求1-6任一所述的基于正序瞬时功率算法的宽频振荡判别系统的判别方法，其特征是，包括如下步骤：
获取模拟信号，根据所述模拟信号，得到同步采样数字信号；
根据同步采样数字信号，计算正序瞬时功率，得到第二运算结果；
根据第二运算结果，得到宽频振荡的判别结果。
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