利用頻域信息濾除衰減直流的電力信號同步相量測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統中的電力信號同步相量測量方法。
【背景技術】
[0002] 隨著全球電力市場化和電網區(qū)域互聯的發(fā)展，電網的運行環(huán)境日益復雜，其安全 穩(wěn)定運行問題日益突出，迫切需要提高電網的動態(tài)安全監(jiān)控能力。近年來，廣域測量系統 (Wide Area Measurement System，WAMS)作為一種新的電網動態(tài)監(jiān)控系統，為電網動態(tài)安 全監(jiān)控提供了新的技術手段。WAMS中的數據采集和處理方式要求對采集數據的處理結果是 帶有精確時標的相量數據。因此，能同步采集電力信號的時間、相位和幅值的同步相量測量 技術是實現WAMS的基礎和核心。而同步相量測量技術的核心是相量估計方法的設計，估計 方法的估計精度將直接影響到WAMS的應用效果。
[0003] 離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT)算法具有良好的諧波抑制 特性和快速運算特性，在靜態(tài)條件下具有較好應用價值，已被廣泛應用到同步相量測量中。
[0004] 現有的DFT算法，在非同步采樣的情況下存在幅值和頻率誤差，且隨著其非同步 性的增強，誤差急劇增大，往往達不到實際應用的要求。當系統頻率是隨著系統配置參數以 及狀態(tài)變化而變化時，不能保證采樣系統對實測信號一直保持同步采樣。對于頻率為f的 正弦序列，它的頻譜應該只是在f處有離散譜。但是，在利用DFT求它的頻譜做了截短，結 果使信號的頻譜不只是在f處有離散譜，而是在以f為中心的頻帶范圍內都有譜線出現，它 們可以理解為是從f頻率上泄露出去的；同時，對一函數實行采樣，即是抽取采樣點上的對 應函數值。其效果如同透過柵欄的縫隙觀看外景一樣，只有落在縫隙前的少數景象被看到， 其余景象均被柵欄擋住而視為零，這種現象視為柵欄效應。
[0005] 因此應用DFT進行相量測量時所引起的頻譜泄露和柵欄現象可能會使得DFT算法 產生較大誤差，甚至得到一個不可用的結果。并且當電網處于動態(tài)過程中，電力信號的頻率 及幅值均隨著時間變化，算法對信號動態(tài)特性的不完全表示也可能會加大DFT算法產生的 誤差。再者，當電力系統發(fā)生接地故障時，故障電流信號中可能包含衰減直流分量，這也會 加大DFT算法產生的誤差。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供利用頻域信息濾除衰減直流的電力信號同步相量測量方法， 該方法能在電網處于頻率偏移等動態(tài)過程中時，更精確的實現電力信號的同步相量測量， 并且能夠減弱或消除信號中可能存在的衰減直流分量對相量測量精度的影響。
[0007] 本發(fā)明為實現其發(fā)明目的所采用的技術方案為：利用頻域信息濾除衰減直流的電 力信號同步相量測量方法，其步驟為：
[0008] A、數據采集與預估計處理
[0009] 電網中的電流互感器或電壓互感器測量電網的電流信號或電壓信號得到電網的 電力信號X(t)，采集電力信號x(t)得到電網的電力信號離散序列x(n)，其中t為時間，η 為采樣時刻點；數字信號處理器利用加窗傅里葉變換對電力信號離散序列x(n)濾波，得到 電力信號離散序列X(H)在5個角速度ω處的相量測量預估計值Χ(ω);其中ω =2π f，f 為角速度ω對應的頻率，f = 〇, 1，49, 50, 51Hz ;
[0010] B、修正相量預估計值
[0011] 數字信號處理器對得到的5個相量測量預估計值χ(ω)，用考慮衰減直流分量的 動態(tài)信號模型，求得電力信號基波分量的時變特性的各階導數值，并進行相移運算得到當 前時刻網的電力信號的基波相量值f (k)。
[0012] 與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0013] 本發(fā)明首先對電力信號離散序列進行加窗傅里葉變換，利用0, 1，49, 50, 51Hz共5 個頻點（角速度）處的相量分量獲得5個相量測量預估計值，其中0, IHz頻點處的相量測 量預估計值含有豐富的衰減直流分量信息，而49, 50, 51Hz頻點處的相量測量預估計值含 有豐富的頻率偏移等基波時變特性信息。再利用低頻帶限相量及泰勒級數合理表示信號基 波分量的時變特性，利用衰減指數函數及泰勒級數合理表示信號的衰減直流分量，從而得 到計算簡單、模擬足夠準確的考慮衰減直流分量的電力信號動態(tài)模型；進而利用該模型有 效計算出在考慮衰減直流分量情況下的電力信號基波分量時變特性的各階導數值；最后進 行相移運算，得到修正后的當前時刻的精確相量值。求出的相量值既消除了衰減直流分量 對相量計算的影響，又能準確地測出頻率偏移等動態(tài)過程形成的電力信號基波分量的時變 特性對相量值產生的偏移，其對電力信號基波相量值的測量更加精確、可靠。
[0014] 進一步，所述的步驟B中考慮衰減直流分量的動態(tài)信號模型用以下方法建立：
[0015] (BI)數字信號處理器利用低頻帶限相量aUd的泰勒級數近似表示電力信號基波 分量的時變特性Xg (〇，
【主權項】
1. 利用頻域信息濾除衰減直流的電力信號同步相量測量方法，其步驟為： A、 數據采集與預估計處理 電網中的電流互感器或電壓互感器測量電網的電流信號或電壓信號得到電網的電力 信號x(t)，采集電力信號x(t)得到電網的電力信號離散序列x(n)，其中t為時間，η為采 樣時刻點；數字信號處理器利用加窗傅里葉變換對電力信號離散序列x(n)濾波，得到電力 信號離散序列x(n)在5個角速度ω處的相量測量預估計值Χ(ω);其中ω = 23if，f·為 角速度ω對應的頻率，f = 〇, 1，49, 50, 51Hz ; B、 修正相量預估計值 數字信號處理器對得到的5個相量測量預估計值X (ω )，用考慮衰減直流分量的動態(tài) 信號模型，求得電力信號基波分量的時變特性的各階導數值，并進行相移運算得到當前時 刻七_電網的電力信號的基波相量值f〇rep)。
2. 如權利1所述的利用頻域信息濾除衰減直流的電力信號同步相量測量方法，其特征 在于：所述的步驟B中考慮衰減直流分量的動態(tài)信號模型用以下方法建立： (BI)數字信號處理器利用低頻帶限相量a Utl)的泰勒級數近似表示電力信號基波分量 的時變特性
；其中，At為當 前時刻tMp與基準時刻t C1的差，基準時刻t C1為加窗傅里葉變換的數據窗中心時刻，k為泰 勒級數的階次，k = 0, 1，2 ;K為泰勒級數的最高階次，取為2 ;a(k)為電力信號基波分量的時 變特性XgUtl)也即低頻帶限相量aaj的k階導數，A a為用泰勒級數表示電力信號基波分 量的時變特性XgUtl)產生的誤差； (B2)數字信號處理器利用衰減指數函數辦6^^的泰勒級數近似表示電力信號X (t)中 的衰減直流分量xd (tQ)，
自然對數的底；b、τ分別為衰減指數函數的幅值初始值和衰減時間常數；d(k)為衰減直流 分量Xd Utl)的k階導數，Ad為用衰減指數函數的泰勒級數表示電力信號x(t)中的 衰減直流分量X dUtl)所產生的誤差； (B3)將Bl步的電力信號基波分量的時變特性XgUtl)與常量旋轉相量
相乘， 得到電力信號基波相量的模型X'
;將電力信號基波相量 的模型X' (t(l)的實部加上B2步的衰減直流分量XdUtl)，即得到考慮衰減直流分量的電力 信號x(t)的動態(tài)模型
；其中，j為虛 數單位，f〇= 5〇Hz為信號的基波頻率，Re表示取相量實部； 然后利用歐拉公式，對A步中的電力信號x(t)進行離散化處理， 得到電力信號離散序列x(n)的泰勒級數形式的數學模型X ' (η):
采樣角速度，fs為采樣頻率；a (k)為電力信號基波分量的時變特性xg(t(l)的k階導數 a(k)的離散化值，β(?為衰減直流分量X Jtci)的k階導數d(k)的離散化值，
(B4)將電力信號離散序列x(n)的數學模型X' (η)進行加窗傅里葉變換，得到電力信 號離散序列x(n)在5個角速度ω處的相量測量預估計值Χ(ω)的數學模型X' (ω):
其中，N為加窗傅里葉變換的數據窗中的數據個數；h(η)為窗函數序列。
3. 如權利要求1所述的利用頻域信息濾除衰減直流的電力信號同步相量測量方法，其 特征在于：所述的步驟B中求得電力信號基波分量時變特性的各階導數值的具體方法為： (Β5)數字信號處理器將步驟A中得到的5個相量估計值Χ(ω)分別代入相量測量預估 計值Χ(ω)的數學模型X' (ω)中，得到5個含a (k)以及β (k)的方程；將這些方程聯立組 成方程組，求出電力信號基波分量的時變特性Xg Utl)的k階導數a(k)的離散化值a (k)，再根 據//Λ算出電力信號基波分量的時變特性XgUtl)的各階導數值a(k) Utl)。
4. 如權利要求1所述的利用頻域信息濾除衰減直流的電力信號同步相量測量方法， 其特征在于：所述的步驟B中相移運算得到當前時刻1_電網的電力信號的基波相量值 義(/哪）的具體方法是： (B6)當前時刻由數字信號處理器從GPS系統中獲得，將當前時刻t _與基準時刻 t0的差At代入B3步中電力信號基波相量的模型(tQ)中，同時將B5步得到的電力信 號基波分量的時變特性 Xg Utl)的各階導數a(k) Utl)，代入B3步中電力信號基波相量的模型 X，Utl)中，即得到當前時刻^電網的電力信號的基波相量值文('）：
【專利摘要】本發(fā)明公開了利用頻域信息濾除衰減直流的電力信號同步相量測量方法，其步驟是，A、數據采集與預估計處理：采集電力信號x(t)得到電網的電力信號離散序列x(n)，利用加窗傅里葉變換對電力信號離散序列x(n)濾波，得到電力信號離散序列x(n)在5個角速度ω處的相量測量預估計值X(ω)；B、修正相量預估計值：對得到的5個相量測量預估計值X(ω)，用考慮衰減直流分量的動態(tài)信號模型，求得電力信號基波分量的時變特性的各階導數值，并進行相移運算得到當前時刻trep電網的電力信號的基波相量值該方法能夠消除或減弱信號基波分量的時變性以及衰減直流分量對相量測量的影響，并大大提高信號的相量測量精度。
【IPC分類】G01R19-00
【公開號】CN104678152
【申請?zhí)枴緾N201510063569
【發(fā)明人】符玲, 韓文朕, 何正友, 麥瑞坤
【申請人】西南交通大學
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月6日