WO2013086887A1

WO2013086887A1 - 一种电力系统相量频率测量方法

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Publication number: WO2013086887A1
Application number: PCT/CN2012/082215
Authority: WO
Inventors: 麦瑞坤; 符玲; 徐海波; 何思模
Original assignee: 广东易事特电源股份有限公司
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2013-06-20
Also published as: DE112012005281T5; US20140330443A1; CN102495281A; CN102495281B; US9645595B2

Abstract

本发明公开了一种电力系统相量频率测量方法，属于电力系统及其自动化技术领域。光伏并网发电系统设置有控制模块（10）、数据缓冲模块（20）、逆变器（30）、采样模块（50）及模数转换模块（60），在光伏并网发电系统的电网侧连接电压互感器（70），所述电压互感器（70）电连接模数转换模块（60），所述模数转换模块（60）将所述电压互感器（70）发出的模拟信号转换成数字信号，所述采样模块（50）对数字信号进行采样并传送到所述数据缓冲模块（20）内，所述数据缓冲模块（20）设置有若干数据窗（21），所述控制模块（10）接收所述数据窗（21）的信号。本发明的电力系统相量频率测量方法不受基准电平的干扰，具有灵活性而且防止造成由于非同步采样导致的频谱泄露现象，同时有效消除或减弱动态特性所带来的震荡效应。

Description

说明书一种电力系统相量频率测量方法

技术领域

本发明涉及电力系统及其自动化技术领域，尤其是涉及一种电力系统相量频率测量方法。

背景技术

在光伏并网发电系统中，相量的频率是一个重要的观测量，光伏并网发电系统安全自动装置需要实时测量其值，并根据其值的变化做出相应的控制措施。发电系统安全自动装置常用的频率测量方法是硬件过零检测法和根据离散傅立叶计算出相位进而再计算出频率的方法。上述两种方法都存在一定缺点，硬件过零检测法的精度容易受到电源基准电平轻微波动的干扰，而光伏并网发电系统应用了大量的电力电子设备，会产生大量的噪声及谐波，从而导致硬件过零检测法无法正确实施；离散傅立叶变换计算出相位进而再计算出频率的方法的要点是相位要计算准确，相位如果计算不准确，频率计算精度就会受到影响。

如图 3所示，传统的离散傅立叶变换计算相位需要将采样模块采集的信号分成若干个数据窗，在不同数据窗内的信号的频率及幅值等相关参数是假定不变的，因此，传统的傅立叶变换计算相位的方法是对两个不同的数据窗内的信号进行变换，进而输出结果。但是，光伏并网发电系统是一个动态非线性系统，发电系统在数据窗内的信号的频率及幅值等时刻变化的，此时用传统的傅立叶变换计算相位的方法的测量精度会下降，从而导致光伏并网发电系统内的逆变器的输出频率及相量与实际的发电系统频率及相量不同步，甚至引起光伏并网发电系统出现非预期震荡。

发明内容本发明是针对上述背景技术存在的缺陷提供一种电力系统相量频率测量方法，不受基准电平的干扰，具有灵活性而且防止造成由于非同步采样导致的信息泄露现象，同时有效消除或减弱动态特性所带来的震荡效应。

为实现上述目的，本发明公开了一种电力系统相量频率测量方法，包括以下步骤，

( 1 )光伏并网发电系统设置有控制模块、数据缓冲模块、逆变器、采样模块及模数转换模块，在光伏并网发电系统的电网侧连接电压互感器，所述电压互感器电性连接模数转换模块，所述模数转换模块将所述电压互感器发出的模拟信号转换成数字信号，所述采样模块对数字信号进行采样并传送到所述数据缓冲模块内，所述数据缓冲模块设置有若干数据窗，所述控制模块接收所述数据窗的信号;

(2) 所述控制模块对数据缓冲模块内的数据窗信号进行傅立叶变换计算：

X(M ) = 2 x_a (n + l)h(n)e~

k l

⁼ D_{K J} ' ^ + C_{K l} Ά 其中， (M 为相量测量结果变换值， M为所述数据窗中相量参考点； /为数据窗中各采样点与参考点的点距离； ^N为数据窗时间长度；为数据窗窗函数； ω。为数据窗窗函数时间系数； ^Χ" ⁺ )为数据窗内第个采样点的值； " 为数据窗信号在 ^{i = Q}处的第 ^k 阶导数；第 ^k 阶导数 ^a 的系数为

分别为导数" ^W系数列以及共轭转置导数的系数列矩阵；

(3)将相量参考点 M统一为一点，将相量测量结果变换值 ^(M 进行相移并计算后得到相量估计值 ^X{MJ、：

X(M,l) = e—^jl(0。 ·Χ(Μ +1,0) ,

(4) 所述控制模块结合相量测量结果变换值 ^^Μ^与相量估计值 ^X、^MJ、并进行重新组合：

E X=D A + C A* 其中， ^为数据窗采样点所对应的向量，对 ^ ^; ^构造对角矩阵

E = diag(e~^JCO°^lM-^L ,--;e~^JCO°^lM+L) . X(MJ)

X =[X(M,-L) X(M,L) D = [(D_KJM— ,···, (D_K J

、 ' ,、 M

； ι = μτ '，···，"，-；同时，利用泰勒级数表示所述数据窗中相量参考点 M上对应的相量估计值，并通过最小二乘法得到所述数据窗中相量参考点 ^M对应的修正相量值 X ；

(5) 所述控制模块对修正相量值进行数据处理后，得到修正频率值

F(M)。进一步地，所述逆变器配合修正相量值及修正频率值 _F(_M)输出驱动信号的相量及频率。进一步地，所述控制模块电性连接有通信单元，所述逆变器输出驱动信号的相量及频率通过所述通信单元传送到网络上，所述通信单元以 IEEE标准 C37.118进行通信。 _A

4

f angle[X{M_l)-X{M₂

K^}~ π{Τ₂-Τ_χ)

其中， M P M₂为两个不同数据窗 21的窗中心采样点， 7；和 r₂分别为 M P M₂ 对应的时间， "[ (^1 ) ) 为相量值^ O和 ^之间的夹角。

进一步地，所述采样模块电性连接有 GPS接收器，所述 GPS接收器对所述采样模块采集的数字信号标记绝对时标，所述数据缓冲模块接收标记绝对时标后的数据窗的信号，所述修正相量值及修正频率值 _F(_M)与所述数据窗的信号标记的绝对时标同步。

综上所述，本发明一种电力系统相量频率测量方法利用泰勒级数表示所述数据窗中相量参考点 ^M上对应的相量估计值 X(M， /)以进行重新修正，并通过最小二乘法得到所述数据窗中相量参考点 ^对应的精确修正相量值 X(M)，使得发电系统安全自动装置不受基准电平的干扰，具有灵活性而且防止造成由于非同步采样导致的频谱泄露现象，同时有效消除或减弱动态特性所带来的震荡效应。附图说明

图 1为本发明光伏并网发电系统的结构原理图。

图 2为本发明电力系统相量频率测量方法的流程图。

图 3为本发明传统的采样模块的数据窗的示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图 1和图 2所示，本发明一种电力系统相量频率测量方法，通过如下步骤实现：

(1) 光伏并网发电系统设置有控制模块 10、数据缓冲模块 20、逆变器 30、通信单元 40、采样模块 50及模数转换模块 60，所述控制模块 10与所得通信单元 40电性连接，在光伏并网发电系统的电网侧连接有电压互感器 70，以降低电网侧的工作电压。所述电压互感器 70电性连接模数转换模块 60，所述模数转换模块 60将所述电压互感器 70发出的模拟信号转换成数字信号，所述采样模块 50 电性连接有 GPS (Global Positioning System, 全球卫星定位系统）接收器 80，所述采样模块 50 对数字信号进行采样并传送到所述数据缓冲模块 20 内，所述 GPS接收器 80对所述采样模块 50采集的数字信号标记绝对时标，所述数据缓冲模块 20设置有若干数据窗 21，所述控制模块 10接收标记绝对时标后的数据窗 21的信号，并进行计算以对所述逆变器 30的输出相量及频率进行修正。

(2)所述控制模块 10对数据缓冲模块 20内的数据窗 21的信号进行傅立

X (M ) = x_a (n ^ l)h(n)e

⁼ D_{K l} - A -- C_{K l} · A

其中， 0^ 为相量测量结果变换值，定义 M为所述数据窗中相量参考点； ^Z为数据窗中各采样点与参考点的点距离（时间差）； W为数据窗时间长度；为数据窗窗函数； ω。为数据窗窗函数时间系数； ⁺ 为数据窗内第 Ζ个采样点的值； " 为数据窗信号在^ ^{= ()}处的第阶导数；第阶导数^)的系数为 n„ ； ^和 u分别为导数 " 的系数列矩阵以及共轭转置导数的系数列矩阵。

X(M,l) = e—^jl。 ·Χ(Μ +1,0)

(4) 所述控制模块 10 结合相量测量结果变换值 ^{(Μ )}与相量估计值 (Μ 并进行重新组合:

E X =D A + C A* 其中，为数据窗采样点所对应的向量，对构造对角矩阵 E = diagie- 、e-^ja> ) 用数据窗的采样点对 ^X{MJ、构造的矩阵求对称矩阵 ^x=[ (^M，― ^L)， …， ^Ϊ(Μ^ ^]Τ； ^D=U 'U ;

C = [(C_{K M L}) ，…人 C_K,_1M+L) ] ；对数据窗信号在 = 0处的第阶导数 "^w构造的矩阵求对称矩阵 A = ，…， β 。同时，利用泰勒级数表示所述数据窗中相量参考点^上对应的相量估计值

X(M, /)以进行重新修正，并通过最小二乘法得到所述数据窗中相量参考点 M 对应的精确修正相量值。

(5)所述控制模块 10对修正相量值 X(M)进行必要的数据处理后，得到修正频率值 F(M): angle[X(M_l)-X(M₂)*]

F M

π{Τ₂-Τ_χ) 其中， Μ ΡΜ₂为两个不同数据窗 21的窗中心采样点， 7；和 r₂分别为 Μ ΡΜ₂ 对应的时间， ]为相量值 ^之间的夹角 (6)所述修正相量值 X (M)及修正频率值 _F(_M)与所述数据窗的信号标记的绝对时标同步，所述逆变器 30配合修正相量值 X (M)及修正频率值 _F(_M)输出驱动信号的相量及频率，并标记绝对时标后通过所述通信单元 40传送到网络上，所述通信单元 40以 IEEE标准 C37.118进行通信。综上所述，本发明一种电力系统相量频率测量方法利用泰勒级数表示所述数据窗中相量参考点 ^上对应的相量估计值^ 以进行重新修正，并通过最小二乘法得到所述数据窗中相量参考点 M对应的精确修正相量值，使得发电系统安全自动装置不受基准电平的干扰，具有灵活性而且防止造成由于非同步采样导致的频谱泄露现象，同时有效消除或减弱动态特性所带来的震荡效应。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

权利要求书

1、一种电力系统相量频率测量方法，其特征在于，包括以下步骤，

(1) 光伏并网发电系统设置有控制模块（10)、数据缓冲模块（20)、逆变器（30)、采样模块（50) 及模数转换模块（60)，在光伏并网发电系统的电网侧连接电压互感器（40)，所述电压互感器（70) 电性连接模数转换模块（60)，所述模数转换模块（60)将所述电压互感器（70)发出的模拟信号转换成数字信号，所述采样模块（50) 对数字信号进行采样并传送到所述数据缓冲模块（20) 内，所述数据缓冲模块（20) 设置有若干数据窗（21)，所述控制模块（10) 接收所述数据窗（21) 的信号；

(2) 所述控制模块（10) 对所述数据缓冲模块（20) 内的数据窗（21) 信号进行傅立叶变换计算：

{N-\)I2

X(M,l) = ∑

n=-(N-l)/2

K 1 (N-l)/2

j2(n+l) ₀

+∑{["("]* · ∑ i _n -h{n)-e

k=0

K K

• H(k,l,0)] + ^{ [a^ik)]* . H(k,l,-2 ₀)}

k=0 k=0

= D_{K J} · A + C_{K l} · A 其中，为相量测量结果变换值， M为所述数据窗（₂₁₎ 中相量参考点；为数据窗（21) 中各采样点与参考点的点距离； W为数据窗（21) 时间长度；为数据窗（21)窗函数； ω。为数据窗（21)窗函数时间系数； ^Χ"(^{η + ί)} 为数据窗（21 )内第个采样点的值； ^ak、为数据窗（21 )信号在 t = ⁰处的第 ^k

(

H(k,l = ~

阶导数；第 ^K阶导数 ^Ω 的系数为

¹分别为导数" ^W系数列以及共轭转置导数 '的系数列矩阵；

(3)将相量参考点 M统一为一点，将相量测量结果变换值 ^(M'^/:)进行相移

X(MJ)

并计算后得到相量估计值

X(M,l) = e~^jla° ·Χ(Μ +1,0) .

(4) 所述控制模块（10) 结合相量测量结果变换值 (^M^^:l与相量估计值 KM 并进行重新组合：

E X =D A + C A* 其中， ^e ^为数据窗（21) 采样点所对应的向量，对 ^{e_ ia¾}构造对角矩阵

E = diag (e · · · ~

；对 ^X{M 、构造的矩阵求对称矩阵

X=[X(M,-L) X(M,L) Ό = [φ_κ, Υ,··· Ό_κ, )^τί

；同时，利用泰勒级数表; 所述数据窗（21) 中相量参考点 M上对应的相量估计值 ^^H) , 并通过最小二乘法得到所述数据窗（21) 中相量参考点 M对应的修正相量值 X(M);

(5) 所述控制模块（10) 对修正相量值 X(M)进行数据处理后，得到修正频率值 F(M)。

2、根据权利要求 1所述的一种电力系统相量频率测量方法，其特征在于：所述逆变器（30) 配合修正相量值 X M 及修正频率值 _F(_M)输出驱动信号的相量及频

3、根据权利要求 2所述的一种电力系统相量频率测量方法，其特征在于：所述控制模块（10) 电性连接有通信单元（40)，所述逆变器（30) 输出驱动信号的相量及频率通过所述通信单元（40) 传送到网络上，所述通信单元（40) 以 IEEE 标准 C37.118进行通信。

4、根据权利要求 1所述的一种电力系统相量频率测量方法，其特征在于，所述修

angle[X(M_L)-X(M₂)*]

F(M) =

π{Τ₂-Τ_χ) 其中， Μ ΡΜ₂为两个不同数据窗 21的窗中心采样点， 7；和 r₂分别为 Μ ΡΜ₂ 对应的时间， [ (ΟΆ^Λ .ί]为相量值和 ( 之间的夹角。

5、根据权利要求 1所述的一种电力系统相量频率测量方法，其特征在于：所述采样模块（50) 电性连接有 GPS接收器（80)，所述 GPS接收器（80) 对所述采样模块（50) 采集的数字信号标记绝对时标，所述数据缓冲模块（20) 接收标记绝对时标后的数据窗（21)的信号，所述修正相量值 X(M)及修正频率值 _F(_M)与所述数据窗（21) 的信号标记的绝对时标同步。