一种电力系统同步相量测量方法技术方案

本发明专利技术涉及电力自动化技术领域，特别涉及一种电力系统同步相量测量方法。本发明专利技术的测量方法基于全相位FFT（all‑phase FFT，apFFT）的“相位不变性”实现对相角的精确估计，并利用时移相位差法实现频率的校正估计，进而完成系统相量的测量。实践证明，该算法在无噪或低噪情况下的估计精度接近无偏估计，和目前广泛采用的算法相比，所提方法在估计精度、实时性上均有较大提升，且不增加额外的运算量和硬件成本，便于工程实现。

Synchronous phasor measurement method for power system

The invention relates to the technical field of electric power automation, in particular to a synchronous phasor measurement method for power system. The measuring method of the invention is based on all phase FFT (all phase FFT, apFFT) \phase invariance\ to achieve accurate estimation of phase angle, and the time shift correction of phase difference estimation method of frequency, and then complete the phasor measurement system. Practice proves that the algorithm in the noise free or low accuracy noise situations nearly unbiased estimation, compared with the widely used algorithm, the proposed method in the estimation precision and real-time has greatly improved, and does not increase the computational complexity and hardware cost extra, easy to implement in engineering.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力自动化
，特别涉及一种电力系统同步相量测量方法。
技术介绍
随着我国智能电网建设的飞速发展，电网的安全稳定运行变得尤为重要，构建全网动态稳定监测与控制系统也成为当前系统急需解决的问题。基于全球定位系统(GPS)的同步相量测量单元(PMU)采用高精度授时信号实现对广域电力系统各节点数据的同步采集，推进了广域测量系统(WAMS)的快速发展。已有大量PMU应用于电网动态状态估计、故障定位、广域保护、在线参数估计等领域，其测量精度将直接影响上述应用的性能。同步相量测量主要针对频率、相角、幅值进行估计，目前实用化的PMU算法包括过零检测法、离散Fourier变换(DFT)法、卡尔曼滤波法、小波变换法等，其中DFT算法由于其在静态条件下良好的谐波抑制特性，广泛应用于不同电压等级的PMU装置中。然而，当系统运行频率偏离50Hz，PMU接收到的采样数据无法满足整周期采样条件时，DFT算法本身的频谱泄漏、频率混叠问题将导致频率、相位等参数估计存在较大误差，严重影响PMU算法性能。虽然可通过调整数据窗长度提高频率等参数估计的精度，但同时也增加了较大的运算负担。此外，部分PMU采用改进的递推DFT实现相量测量，可减小频率估计误差，但该算法仍然无法完全解决频谱泄漏和频率混叠问题，且需要假设信号幅值不变，无法良好适用于动态电网条件。
技术实现思路
针对以上技术问题，本专利技术提供了一种电力系统同步相量测量方法。本专利技术的技术方案为：一种电力系统同步相量测量方法，包括以下步骤：步骤1对PMU接收到的电流、电压观测量进行两组固定长度的数据采样，获得两组PMU序列：两组所述PMU序列长度均为2N+1，延时为n0。步骤2对两组所述PMU序列分别进行长度为N的双窗全相位谱分析，根据主谱线k*处的相位谱，可获得两组所述PMU序列的相位差表达式：其中，2n0k*π/N为主谱线k*处数字角频率2k*π/N经大小为n0的延时后的相位差补偿值。步骤3根据式3推出经相位补偿后的PMU信号频率估计以及主谱线k*上的频偏值表达式：其中，为频率估计，dω为主谱线k*上的频偏值。步骤4根据主谱线k*上的频偏值dω对PMU采样信号幅值进行估计，对于双窗apFFT谱分析，有其中，为幅值估计，dω为主谱线k*上的频偏值，Y(k*)为观测信号在主谱线k*处的全相位谱值，Fg(dω)为主谱线频偏值代入窗函数全相位表达式的计算结果。具体的，步骤1中数据采样为非整周期采样。具体的，步骤4中采用了hanning窗函数进行双窗apFFT谱分析，相应的电流、电压幅值校正估计表达式为：其中，为幅值估计，dω为主谱线k*上的频偏值，Y(k*)为观测信号在主谱线k*处的全相位谱值。一种PMU相量测量系统，包括前端被测模拟量接入电路、信号调理电路、同步A/D转换器、微处理器及外部系统。前端模拟量接入电路由电压互感器和电流互感器组成，信号调理电路由集成运算放大器和数字电位器组成，数字电位器为集成运算放大器的反馈电阻。电压互感器和电流互感器的输出端接集成运算放大器的输入端，集成运算放大器的输出端接同步A/D转换器的输入端，同步A/D转换器的输出端接微处理器的输出端，微处理器的一个输出端接数字电位器的控制端，外部系统接微处理器的输入/输出端。具体的，PMU相量测量系统中微处理器为ARM9LPC3250型微控制器。具体的，PMU相量测量系统中同步A/D转换器为ADS8568型8通道同步采样A/D转换器。本专利技术的有益效果：本专利技术的测量方法基于全相位FFT(all-phase FFT，apFFT)的“相位不变性”实现对相角的精确估计，并利用时移相位差法实现频率的校正估计，进而完成系统相量的测量。实践证明，该算法在无噪或低噪情况下的估计精度接近无偏估计，和目前广泛采用的算法相比，所提方法在估计精度、实时性上均有较大提升，且不增加额外的运算量和硬件成本，便于工程实现。附图说明图1为本专利技术中电力系统同步相量测量方法的流程图。图2为本专利技术中PMU相量测量系统的电路原理图。图3为双窗apFFT的信号处理流程图。图4为传统加窗FFT振幅和相位谱。图5为双窗apFFT振幅和相位谱。图6为实施例中测试信号及其apFFT谱。具体实施方式参考图2搭建PMU相量测量系统，参照图1进行基于apFFT的相量测量。PMU相量测量系统由前端被测模拟量接入电路、信号调理电路、同步A/D转换器、ARM9LPC3250微处理器及外部系统构成。其中前端模拟量接入电路主要由电压、电流互感器组成，负责将被测交流信号在接入系统前进行隔离，提高整个测量系统的安全性。模拟信号调理电路由集成运算放大器和数字电位器组成，对电压、电流信号进行放大处理，数字电位器在ARM处理器的控制下进行反馈电阻调节，实现自动的可变量程测量。同步A/D可选用TI公司的ADS8568型8通道同步采样A/D转换器。LPC3250是一个工业级的具有ARM9内核的微控制器，工作频率在200MHz，是该PMU测量系统的控制与运算核心，外挂SPI型的FLASH存储器用于存储测量信息及系统参数，以太网口用来实现与远程机通信实现数据上传，SDRAM用于存储和执行具体的测试主程序代码。设备配置有LCD彩色液晶屏及矩阵键盘，实现参数设置、结果查询、功能选择、波形显示等本地功能，SD卡用来长期存储用户选择的被测参数或波形等。PMU的ARM9核心运算单元执行本专利技术提出的基于apFFT的相量测量算法，流程如图1所示。图1中，双窗apFFT计算单元的信号处理流图如图3所示。用长为2N-1的卷积窗wc对输入样本加窗，将间隔为N的两段数据平移叠加生成N个新数据样本y(n),(n＝0,1,…,N-1)，再对y(n)进行FFT即得谱分析结果。图3中，N＝4。图3中卷积窗wc＝[wc(-N+1),…,wc(-1),wc(0),wc(1),…,wc(N-1)]T由前窗f与翻转的后窗b卷积而成，即：对应的傅里叶变换满足Wc(ejω)＝F(ejω)B(e-jω)＝F(ejω)B*(ejω) 式9令前窗f与后窗b均为对称窗，则wc也为对称窗，即：wc(n)＝wc(-n)。依据卷积窗形式不同，apFFT可分为无窗、单窗和双窗三种情况。可以看出，全相位谱分析全面考虑了包含样点x(0)的长度为N的所有N种分段FFT谱分析情况。上述有机综合的结果衍生出了apFFT一些特有性能，如振幅谱抑制泄漏性能，以及谱峰附近相位平坦分布特性等。需指出的是，尽管apFFT考虑了N种样本分段FFT谱分析情况，但只需进行1次FFT即可完成，较传统PMU算法未增加额外运算量，工程应用效果良好。下面从信号相位估计性能和谐波条件下算法性能两个方面分析实施例中相量测量方法的技术效果。1.信号相位估计性能利用本专利技术测量装置对采集的电流波形相位参数进行估计，采集序列为一个包含3个不同频率成分和初相位的复合余弦电流采样其中，ω1＝20.0，ω2＝60.2，ω3＝100.4，N＝256。其对应的加窗FFT以及双窗apFFT谱分别如图4、图5所示。这里窗函数采用了hanning窗(升余弦窗)，表达式如下：如图4～5所示，在振幅谱方面，全相位FFT相比于传统FFT具有更好的抑制泄漏能力，由于非整周期采样以及多本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电力系统同步相量测量方法，其特征在于其包括以下步骤：步骤1对PMU接收到的电流、电压观测量进行两组固定长度的数据采样，获得两组PMU序列：两组所述PMU序列长度均为2N+1，延时为n0；步骤2对两组所述PMU序列分别进行长度为N的双窗全相位谱分析，根据主谱线k*处的相位谱，可获得两组所述PMU序列的相位差表达式：其中，2n0k*π/N为主谱线k*处数字角频率2k*π/N经大小为n0的延时后的相位差补偿值；步骤3根据式3推出经相位补偿后的PMU信号频率估计以及主谱线k*上的频偏值表达式：其中，为频率估计，dω为主谱线k*上的频偏值；步骤4根据主谱线k*上的频偏值dω对PMU采样信号幅值进行估计，对于双窗apFFT谱分析，有其中，为幅值估计，dω为主谱线k*上的频偏值，Y(k*)为观测信号在主谱线k*处的全相位谱值，Fg(dω)为主谱线频偏值代入窗函数全相位表达式的计算结果。

【技术特征摘要】
1.一种电力系统同步相量测量方法，其特征在于其包括以下步骤：步骤1对PMU接收到的电流、电压观测量进行两组固定长度的数据采样，获得两组PMU序列：两组所述PMU序列长度均为2N+1，延时为n0；步骤2对两组所述PMU序列分别进行长度为N的双窗全相位谱分析，根据主谱线k*处的相位谱，可获得两组所述PMU序列的相位差表达式：其中，2n0k*π/N为主谱线k*处数字角频率2k*π/N经大小为n0的延时后的相位差补偿值；步骤3根据式3推出经相位补偿后的PMU信号频率估计以及主谱线k*上的频偏值表达式：其中，为频率估计，dω为主谱线k*上的频偏值；步骤4根据主谱线k*上的频偏值dω对PMU采样信号幅值进行估计，对于双窗apFFT谱分析，有其中，为幅值估计，dω为主谱线k*上的频偏值，Y(k*)为观测信号在主谱线k*处的全相位谱值，Fg(dω)为主谱线频偏值代入窗函数全相位表达式的计算结果。2.根据权利要求1所述的一种电力系统同步相量测量方法，其特征在于步骤1中数据采样为非整周期采样。3.根据权利要求1所述的一种电力系统同步相量测量方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗蓬，郝晓光，赵宇皓，李铁成，何磊，
申请(专利权)人：国网河北省电力公司电力科学研究院，国家电网公司，河北省电力建设调整试验所，
类型：发明
国别省市：河北;13