專利名稱：高精度的同步相量測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
高精度的同步相量測(cè)量方法屬于電力系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
已有的測(cè)量方法基于循環(huán)離散傅立葉變換(DFT)，從原理上講，該方法在系統(tǒng)頻率偏移額定頻率時(shí)，計(jì)算誤差隨偏移量增大而增大，因而適用的測(cè)量范圍較小，精度不夠理想。在電網(wǎng)頻率偏移50Hz較遠(yuǎn)時(shí)，計(jì)算精度達(dá)不到《電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)(控制)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》的要求。
本發(fā)明為一種高精度的同步相量測(cè)量方法，其特征在于該方法包含以下步驟首先進(jìn)行變量初始化N每周波交流采樣點(diǎn)數(shù)，大于12的整數(shù)；ΔT交流采樣時(shí)間間隔，初始值為20/N毫秒；各個(gè)采樣緩沖區(qū)初始清零；以ΔT為間隔采集三相電壓(或電流)值，當(dāng)已采樣點(diǎn)數(shù)小于N時(shí)，則繼續(xù)等待新的采樣點(diǎn)；當(dāng)已采樣點(diǎn)數(shù)大于等于N時(shí)，每得到一個(gè)新的采樣點(diǎn)，它與前N-1個(gè)采樣點(diǎn)形成一個(gè)新的數(shù)據(jù)窗；對(duì)每一個(gè)新數(shù)據(jù)窗的N點(diǎn)數(shù)據(jù)，順序執(zhí)行以下步驟；1)采用循環(huán)DFT算法，計(jì)算ABC各相的相量，循環(huán)DFT以額定頻率作為中心頻率，計(jì)算結(jié)果未考慮頻率偏差的影響，計(jì)算公式為x^(r)=x^(r-1)+j2N[x~(r+N-1)-x~(r-1)]e-j2πN(r-1);]]> 剛進(jìn)入數(shù)據(jù)窗的最新采樣值，x~(r+N-1)=x~(k)|k=r+N-1,]]> 剛退出數(shù)據(jù)窗的采樣值，x~(r-1)=x~(k)|k=r-1;]]>其中 定義如下 X信號(hào)有效值；f0額定頻率；Δf信號(hào)偏移額定頻率的偏差；信號(hào)初始相角； 上一次DFT計(jì)算得到的同步相量，用于循環(huán)DFT運(yùn)算； 本次DFT計(jì)算得到的同步相量；2)利用ABC三相相量合成正、負(fù)和零序相量，計(jì)算公式為x^1(r)=13[x^A(r)+ax^B(r)+a2x^C(r)];]]>x^2(r)=13[x^A(r)+a2x^B(r)+ax^C(r)];]]>x^0(r)=13[x^A(r)+x^B(r)+x^C(r)];]]> 循環(huán)DFT計(jì)算所得的ABC三相同步相量； 由三相相量合成的正、負(fù)、零序相量；α＝ej2π/3；3)利用3點(diǎn)校正算法修正各序相量中由于頻率偏差而帶來(lái)的計(jì)算誤差，修正方法為a.頻率偏差計(jì)算，使用3個(gè)等間隔的未校正的同步相量，按3點(diǎn)校正算法求取當(dāng)前頻率與額定頻率的偏差g(r+m)=x^(r+m)x^(r);]]>g(r+2m)=x^(r+2m)x^(r+m);]]>f(r+2m)=g(r+2m)+e-j4πNm/g(r+m)2;]]>αm(Φ(r))=f(r+2m)+[f(r+2m)]2-e-j4πNm;]]>Φ(r)＝a tan{Re[αm(Φ(r))]，Im[αm(Φ(r))]}/m；Δf(r)=f0NΦ(r)2π;]]>m采樣率和相量校正計(jì)算頻率之比，即每采樣m點(diǎn)，做一次相量修正計(jì)算；b.根據(jù)頻率偏差計(jì)算相量的修正量，并對(duì)相量進(jìn)行校正，校正方法為c2(r)=x^(r+m)-x^(r)αm(Φ(r))αm(Φ(r))-α-m(Φ(r))e-j4πNm;]]>c1(r)=x^(r)+c2(r);]]>x‾(r)=c1(r)Nsin(Φ(r)/2)sin(Φ(r)N/2);]]>x(r)修正后的高精度同步相量；4)利用頻率偏差計(jì)算相量頻率，采用差分法計(jì)算頻率變化率，計(jì)算方法為f(r)＝f0+Δf(r)；dfdt(r)=Nf0[f(r)-f(r-1)];]]> 頻率變化率；5)對(duì)相量和頻率測(cè)量值進(jìn)行平滑濾波，相量進(jìn)行兩個(gè)周期的平滑，頻率進(jìn)行一個(gè)周期的平滑，濾波算法為|x‾(r)|flt=|x‾(r-1)|flt+|x‾(r)|+|x‾(r-2N)|2N;]]>θ(r)flt=θ(r-1)flt+θ(r)-θ(r-2N)2N;]]>f(r)flt=f(r-1)flt+f(r)-f(r-N)N;]]>|x(r)|flt平滑濾波后的同步相量的幅值；θ(r)flt平滑濾波后的同步相量的相角；
f(r)flt平滑濾波后的頻率。
運(yùn)行在工業(yè)PC機(jī)和智能采集卡中的軟件實(shí)現(xiàn)了這種高精度的相量測(cè)量方法。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試表明，當(dāng)采樣率為4800Hz，相量校正計(jì)算頻率為200Hz時(shí)，算法的穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)為相量幅值誤差小于0.5％，相量相角誤差小于1°，頻率計(jì)算誤差小于0.01Hz；算法的動(dòng)態(tài)精度指標(biāo)為相量幅值誤差小于1％，相量相角誤差小于1°，頻率計(jì)算誤差小于0.01Hz。可見(jiàn)，該同步相量測(cè)量方法具有較高的測(cè)量精度，完全滿足《電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)(控制)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》的要求。
圖2為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的算法框圖。
圖3為頻率偏差計(jì)算及相量校正流程圖。
測(cè)量系統(tǒng)的硬件配置如

圖1所示，包括工業(yè)PC機(jī)，ABC三相電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)，及從二次PT和二次CT的二次側(cè)輸出采集數(shù)據(jù)的集成在工業(yè)PC機(jī)上的A/D采集卡。
在機(jī)端或變電站母線處，PT和CT分別測(cè)量母線三相電壓和出線三相電流，得到±120V范圍內(nèi)的交流電壓信號(hào)，送到二次PT和二次CT，由它轉(zhuǎn)換成±5V范圍內(nèi)的電壓信號(hào)；A/D采集卡將二次PT和二次CT二次側(cè)電壓信號(hào)進(jìn)行低通濾波、交流采樣和數(shù)模轉(zhuǎn)換，并將得到的數(shù)字信號(hào)通過(guò)PCI總線傳輸?shù)焦I(yè)PC機(jī)CPU，由相應(yīng)的軟件程序進(jìn)行處理，完成同步相量的測(cè)量以及頻率的計(jì)算，進(jìn)而輸出到用戶監(jiān)視界面。
本發(fā)明所提出的測(cè)量方法主要體現(xiàn)于運(yùn)行在A/D采集卡和工業(yè)PC機(jī)中的軟件上，軟件的算法結(jié)構(gòu)如圖2所示，運(yùn)行在工業(yè)PC上的頻率偏差計(jì)算及相量校正的流程如圖3所示。
測(cè)量方法包括以下步驟1.初始化a.提示用戶設(shè)定每工頻周期(50Hz系統(tǒng))的采樣點(diǎn)數(shù)N，本例N＝96，表示每工頻周期(20毫秒)采樣96點(diǎn)，從而采樣間隔ΔT＝20/96毫秒。
b.提示用戶輸入測(cè)量裝置的相關(guān)配置參數(shù)，包括PT變比(本例為(13.8/3)kV/120V]]>)、CT變比(本例為600A/120V)、二次PT變比(本例為120V/5V)、二次CT變比(本例為120V/5V)、濾波比例系數(shù)(本例為0.95)和A/D轉(zhuǎn)換系數(shù)(本例為5V/3FFFh)等。
c.算法內(nèi)參量初始化采樣頻率與相量校正頻率之比m，本例m＝24，表示每24次采樣進(jìn)行一次相量校正計(jì)算；各個(gè)采樣緩沖區(qū)清零ua(t+kΔT-(N-1)ΔT)＝0，ub(t+kΔT-(N-1)ΔT)＝0，uc(t+kΔT-(N-1)ΔT)＝0，
ia(t+kΔT-(N-1)ΔT)＝0，ib(t+kΔT-(N-1)ΔT)＝0，ic(t+kΔT-(N-1)ΔT)＝0，k＝0，...，N-1，它們用來(lái)循環(huán)存放采集得到的同步發(fā)電機(jī)輸出相電壓ua、ub、uc、電流ia、ib、ic信號(hào)，形成采樣點(diǎn)序列，其中t是當(dāng)前采樣時(shí)刻，k是采樣序列的編號(hào)，k＝N-1表示最近的、即t時(shí)刻的采樣點(diǎn)。
2.在交流采樣數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下，依次執(zhí)行如下環(huán)節(jié)a.從A/D采樣卡得到新的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，首先對(duì)它們進(jìn)行標(biāo)么化，即考慮到PT/CT和二次PT/CT的變比、濾波比例系數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換系數(shù)等因素，將得到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成測(cè)量母線或線路處對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理量值。
得到電壓、電流的實(shí)際值后，將電壓/電流采樣序列的值依次前推-個(gè)，最近的采樣點(diǎn)存放在k＝N-1對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)上。
b.當(dāng)已采樣點(diǎn)數(shù)小于N時(shí)，則繼續(xù)等待新的采樣點(diǎn)，否則，每得到一個(gè)新的采樣點(diǎn)，它與前N-1個(gè)采樣點(diǎn)形成一個(gè)新的數(shù)據(jù)窗；對(duì)每一個(gè)新數(shù)據(jù)窗的N點(diǎn)數(shù)據(jù)，順序執(zhí)行以下步驟進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。
1)利用循環(huán)DFT求取未考慮頻率偏差影響的同步相量，電壓和電流相量的計(jì)算完全相同，因此采用統(tǒng)一的方式 來(lái)表達(dá)采樣值。x^(r)=x^(r-1)+j2N[x~(r+N-1)-x~(r-1)]e-j2πN(r-1)]]>2)每m次采樣計(jì)算一次序相量，利用ABC三相相量合成正序相量，本例計(jì)算頻率偏差和相量校正都采用正序相量。合成的正序相量存入初始相量序列，序列長(zhǎng)度為3，用于3點(diǎn)校正算法計(jì)算頻率偏差和相量校正x^1(r)=13[x^A(r)+ax^B(r)+a2x^C(r)]]]>3)利用3點(diǎn)等間隔正序相量計(jì)算頻率偏差Δf3.1)使用初始相量序列中連續(xù)3點(diǎn)初始正序相量，按下面的公式計(jì)算參數(shù)g(r+m)，g(r+2m)，f(r+2m)。g(r+m)=x^(r+m)x^(r);]]>g(r+2m)=x^(r+2m)x^(r+m);]]>f(r+2m)=g(r+2m)+e-j4πNm/g(r+m)2;]]>3.2)計(jì)算參數(shù)αm(Φ(r))和Φ(r)。αm(Φ(r))=f(r+2m)+[f(r+2m)]2-e-j4πNm;]]>
Φ(r)＝αtan{Re[αm(Φ(r))]，Im[αm(Φ(r))]}/m；3.3)根據(jù)Φ(r)計(jì)算ΔfΔf=f0NΦ(r)2π;]]>4)根據(jù)頻率偏差校正同步相量4.1)計(jì)算參數(shù)c1(r)，c2(r)。c2(r)=x^(r+m)-x^(r)αm(Φ(r))αm(Φ(r))-α-m(Φ(r))e-j4πNm;]]>c1(r)=x^(r)+c2(r);]]>4.2)校正同步相量x‾(r)=c1(r)Nsin(Φ(r)/2)sin(Φ(r)N/2);]]>5)根據(jù)頻率偏差計(jì)算實(shí)時(shí)頻率和頻率變化率5.1)計(jì)算實(shí)時(shí)頻率f(r)。
f(r)＝f0+Δf(r)；5.2)利用差分法計(jì)算頻率變化率 dfdt(r)=Nf0[f(r)-f(r-1)];]]>6)對(duì)同步相量和頻率進(jìn)行平滑濾波|x‾(r)|flt=|x‾(r-1)|flt+|x‾(r)|-|x‾(r-2N)|2N;]]>θ(r)flt=θ(r-1)flt+θ(r)-θ(r-2N)2N;]]>f(r)flt=f(r-1)flt+f(r)-f(r-N)N;]]>上述測(cè)量方法在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和穩(wěn)態(tài)過(guò)程均可取得很高的精度，并可在工業(yè)PC機(jī)的監(jiān)視器上動(dòng)態(tài)刷新同步相量和頻率測(cè)量結(jié)果。
權(quán)利要求
1.高精度的同步相量測(cè)量方法，應(yīng)用了循環(huán)離散傅立葉變換(DFT)方法，其特征在于在定間隔采樣循環(huán)DFT基礎(chǔ)上，當(dāng)系統(tǒng)頻率偏移額定頻率時(shí)，計(jì)及了頻率偏差的影響，使頻率和相量的測(cè)量具有較高的精度，它依次含有以下步驟(1)變量初始化設(shè)定N為每周波交流采樣點(diǎn)數(shù)，大于12的整數(shù)；ΔT為交流采樣時(shí)間間隔，初始值為20/N毫秒；m為采樣率和相量校正計(jì)算頻率之比，即每采樣m點(diǎn)，做一次相量修正計(jì)算；各個(gè)采樣緩沖區(qū)初始清零；(2)構(gòu)建數(shù)據(jù)窗以ΔT為間隔用互感器采集三相電壓(或電流)值，當(dāng)已采樣點(diǎn)數(shù)小于N時(shí)，等待新的采樣點(diǎn)；當(dāng)已采樣點(diǎn)數(shù)大于或等于N時(shí)，每得到一個(gè)新的采樣點(diǎn)，它與前N-1個(gè)采樣點(diǎn)形成一個(gè)新的數(shù)據(jù)窗；(3)用循環(huán)DFT算法，用工業(yè)PC機(jī)計(jì)算ABC各相的相量；x^(r)=x^(r-1)+j2N[x~(r+N-1)-x~(r-1)]e-j2πN(r-1);]]>其中 為剛進(jìn)入數(shù)據(jù)窗的最新采樣值，x~(r+N-1)=x~(k)|k=r+N-1,]]> 為剛退出數(shù)據(jù)窗的采樣值，x~(r-1)=x~(k)|k=r-1;]]> 其中X為信號(hào)有效值；f0為額定頻率；Δf為信號(hào)偏移額定頻率的偏差；為信號(hào)初始相角； 為上一次DFT計(jì)算得到的同步相量，用于循環(huán)DFT運(yùn)算； 為本次DFT計(jì)算得到的同步相量；(4)利用ABC三相相量合成正、負(fù)和零序相量，正、負(fù)和零序相量依次為x^1(r)=13[x^A(r)+ax^B(r)+a2x^C(r)];]]>x^2(r)=13[x^A(r)+a2x^B(r)+ax^C(r)];]]>x^0(r)=13[x^A(r)+x^B(r)+x^C(r)];]]>其中， 分別為由上述步驟(3)計(jì)算所得到的ABC三相同步相量；a＝ej2π/3；(5)利用3點(diǎn)校正算法修正各序相量中由于頻率偏差而帶來(lái)的計(jì)算誤差；(5.1)計(jì)算頻率偏差，用3個(gè)等間隔的未校正的同步相量 按3點(diǎn)校正算法求取當(dāng)前頻率與額定頻率的偏差令g(r+m)=x^(r+m)x^(r);]]>g(r+2m)=x^(r+2m)x^(r+m);]]>f(r+2m)=g(r+2m)+e-j4πNm/g(r+m)2;]]>αm(Φ(r))=f(r+2m)+[f(r+2m)]2-e-j4πNm;]]>Φ(r)＝a tan{Re[αm(Φ(r))]，Im[αm(Φ(r))]}/m；頻率偏差Δf(r)為Δf(r)=f0NΦ(r)2π;]]>(5.2)根據(jù)頻率偏差計(jì)算相量的修正量，并對(duì)相量進(jìn)行校正c2(r)=x^(r+m)-x^(r)αm(Φ(r))αm(Φ(r))-α-m(Φ(r))e-j4πNm;]]>c1(r)=x^(r)+c2(r);]]>修正后的高精度同步相量x‾(r)=c1(r)Nsin(Φ(r)/2)sin(Φ(r)N/2);]]>(6)利用頻率偏差計(jì)算相量頻率f(r)，采用差分法計(jì)算頻率變化率 f(r)＝f0+Δf(r)；dfdt(r)=Nf0[f(r)-f(r-1)];]]>(7)對(duì)相量和頻率的測(cè)量值進(jìn)行平滑濾波，相量進(jìn)行兩個(gè)周期的平滑，頻率進(jìn)行一個(gè)周期的平滑；平滑濾波后的同步相量的幅值為|x(r)|flt|x‾(r)|flt=|x‾(r-1)|flt+|x‾(r)|-|x‾(r-2N)|2N;]]>平滑濾波后的同步相量的相角為θ(r)fltθ(r)flt=θ(r-1)flt+θ(r)+θ(r-2N)2N;]]>平滑濾波后的頻率為f(r)fltf(r)flt=f(r-1)flt+f(r)-f(r-N)N.]]>
全文摘要
高精度的同步相量測(cè)量方法屬于電力系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于在定間隔采樣循環(huán)DFT基礎(chǔ)上，當(dāng)系統(tǒng)頻率偏移額定頻率時(shí)，計(jì)及了頻率偏差的影響，使頻率和相量的測(cè)量具有較高的精度?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試表明，當(dāng)采樣率為4800Hz，相量校正計(jì)算頻率為200Hz時(shí)，其穩(wěn)態(tài)精度指標(biāo)為相量幅值誤差小于0.5％，相量相角誤差小于1°，頻率計(jì)算誤差小于0.01Hz；其動(dòng)態(tài)精度指標(biāo)為相量幅值誤差小于1％，相量相角誤差小于1°，頻率計(jì)算誤差小于0.01Hz。它完全滿足《電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)(控制)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》的要求。
文檔編號(hào)G01R23/00GK1477401SQ0314595
公開(kāi)日2004年2月25日 申請(qǐng)日期2003年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月18日
發(fā)明者謝小榮, 李建, 吳京濤, 張濤 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 北京四方繼保自動(dòng)化有限公司