基于三相瞬时功率的电网全谱功率振荡相量同步测量方法与流程

本申请属于电力系统测量分析领域，特别涉及一种对电网中各种功率振荡进行在线测量技术。

背景技术：

电力系统中各种频率的功率振荡都会给电网运行带来不同危害，在调度中心运行人员希望能知道电网中正在发生哪些频率模式的功率振荡，振荡的覆盖范围如何，振荡功率在设备间的流动关系，各设备对振荡功率的贡献程度等信息。

近年来随着高压直流、柔直、风电、光伏等新能源电厂广泛采用换流器、变频器、可控串补等FACTS技术，电网中更是出现了大量的非工频分量。这些非工频成分包括次同步振荡、电气谐振、控制系统谐振、谐波、分数次谐波、间谐波以及这些波形与工频以及他们之间的相互调制等波形复杂的变频电量。这些成分的存在会引起以下危害，例如次同步振荡会危害发电机组大轴的运行寿命、间谐波会引起电压波动和闪变、无源滤波器的过载(间谐波的谐振放大所致)、干扰电力线上控制、保护和通讯信号，引起机电系统低频振荡、影响以电压过零点为同步信号的控制设备以及某些家用电器正常工作等等。因此电网的非工频成分必须控制在一定水平以下，这就需要对这些非工频成分的发生、发展、作用范围和振荡源进行密切监视。

然而，电力调度中心现有的基于PMU和RTU的电网监测系统均是针对工频及其附近范围的频率进行量测，并且是基于电压相量、电流相量的测量工具。例如PMU虽然使得调度中心人员具有了对电力系统广域动态事件进行快速同步观测的能力，但是PMU从原理设计上只适用于对工频附近的机电动态过程进行量测和监视，并不适用于次同步振荡、谐波、分数次谐波、间谐波等电磁暂态过程的量测和监视。这是因为，例如对于次同步振荡，其典型机械振荡频率或功率次同步振荡频率为10～45Hz，对应的电压次同步振荡频率为5～40Hz，其对工频电压幅值调制后，利用三角函数的积化和差公式可转化为两个正弦信号的和，分别为10～45Hz的次同步正弦信号和55～95Hz的超同步正弦信号。而国际和国内标准规定PMU的有效测量范围为45～55Hz，超过该范围的频率即使没有被滤掉，幅值也将大幅度消减，根据这种电压电流信息计算出的功率也丢失了或歪曲了次同步振荡等高频振荡的信息。因此，PMU不适用于次同步振荡的监测。同理PMU也不适用于谐波、分数次谐波和间谐波的量测和监视。

虽然在故障时也可实时召唤故障厂站的录波数据，这种原始的暂态录波数据虽然包含工频以及其他频率成分与工频的合成频率成分，但是运行人员不能从这种原始录波曲线直观观测非工频成分的变化过程。近年来有的系统，包括电能质量装置、次同步振荡监测装置，虽然可以将非工频成分，例如次同步振荡成分的幅值、频率、衰减因子参数上送控制中心主站，但是由于缺少非工频成分的振荡相位和同步时标，导致运行、分析人员不能直观分析各参与振荡的电网设备在振荡过程中的能量交换关系，难以实现扰动源和振荡源的定位。此外，通常至少千Hz以上的录波信息，由于现有通信资源和存储资源的限值，不可能实时大范围长时间上送调度主站，因此运行人员不能动态地长时间实时地监视这些非工频成分的发生、发展过程，即使采用对录波数据降采样率取样上送控制中心的方法，但是又会引入混叠效应，歪曲了振荡的本质信息。

还需要指出的是电网运行关心的振荡，例如次同步振荡是与发电机大轴相关的功率振荡，现有的基于暂态录波的次同步振荡检测装置是通过分析交流电流量来监测次同步振荡的(目前电力系统中所用录波装置，并不实时计算瞬时功率)，在大多数情况下电流振荡与功率振荡的频率之和为工频50Hz，即存在互补关系，但是在一台发电机的多模式次同步振荡中，有的功率振荡频率与电流振荡的频率并不存在互补关系，这是现有基于电流录波分析振荡的一个局限性。

此外，目前也有通过PMU对励磁电压、励磁电流、转速等发电机直流量测进行观测和分析，实现了对次同步振荡的监测，但是励磁电压、励磁电流等直流信号中其他频率的干扰成分较多，即信噪比较低，因此监测精度较差。

最后需要特别指出的是对于通常的非工频振荡，并不能直接仿照现有PMU直接设计出相量测量装置。因为与常规的根据工频电压、电流曲线计算工频电压、电流相量不同，功率振荡通常没有事先确定的并且恒定不变的标准频率(例如计算电压、电流相量所用的工频50Hz标准频率)，这就为根据离散傅里叶变换DFT计算瞬时相角带来困难，因为离散傅里叶变换的理论基础是有一个标准的恒定速率旋转的向量。好在对于某个时刻功率流流向的分析，取决定作用的是两个振荡向量间在此时刻的相对相角。因此可以通过选择时变的某个公共参考相量，来实现不同地点两个向量间角度的比较。只要各装置都遵循同样的规则找时变的公共参考相量。

技术实现要素：

针对现有电网中功率振荡监测中存在的上述问题，本发明提出了一种基于三相瞬时功率的电网全频谱功率振荡相量同步测量方法。重点解决以下问题：

(1)实现对各种已知和未知电力系统功率振荡的直接方便观测。解决现有次同步装置不能实现对与电流次同步振荡不存在互补关系的功率次同步振荡实现观测的问题。

(2)解决非工频振荡量没有统一的标准参考频率或公共参考相量，不能基于常规PMU装置中的离散傅里叶算法(DFT)进行相量计算的问题。

(3)解决同时监测不同频段的振荡相量，尤其是高频振荡，导致的计算量大、通信量大的问题。

(4)尽可能提高相量计算的准确性。

本发明具体采用以下技术方案：

一种基于三相瞬时功率的电网全频谱功率振荡相量同步测量方法；其特征在于：

在电网支路测量点由三相瞬时电压和瞬时电流录波量测得到电网三相总瞬时有功功率，采用分频段处理求取各频段包含的振荡模式的参数，并以非计算视窗边界点的整刻度时刻的初相位作为振荡相量的相角，最后将满足振荡幅值阈值要求的振荡模式的相量表达结果输出并上送主站。

所述的基于三相瞬时功率的电网全频谱功率振荡相量同步测量方法，包括以下步骤：

步骤1：由电网支路测量点的三相瞬时电压和瞬时电流的录波量测得到电网相应被测支路的三相总瞬时有功功率曲线，并利用时钟同步装置标注整秒时刻时标；

p_r＝u_ai_a+u_bi_b+u_ci_c

其中，u_a、u_b、u_c分别为从电压互感器直接测量得到的某被测支路的三相电压瞬时值；ia、ib、ic分别为从电流互感器直接测量得到的某被测支路的三相电流瞬时值，p_r为三相总瞬时有功功率；

步骤2：将上述三相总瞬时有功功率数据p_r实时分送到5个不同频段处理模块的内存缓冲区中，用f_x1表示频段X的起始频率，频段X对应的起始频率的周期为T_x1＝1/f_x1；f_x2表示频段x的终止频率，对应的终止频率的周期为T_x2＝1/f_x2；各频段缓冲区至少能存储T_x1×4秒的数据；其中，x取值1-5，分别表示1-5个不同频段；频段1至频段5的频率范围是依次增大的；

步骤3：在各频段处理模块中采用递推带通滤波器实时对进入内存缓冲区的三相总瞬时有功功率数据进行滤波；

步骤4：在各频段处理模块对滤波后的三相总瞬时功率数据采用降采样率处理；

步骤5：在除频段5外的其余各频段的处理模块中以本频段所对应的起始频率的周期的2倍值即2T_x1为计算数据窗口时长，以本频段所对应的终止频率的周期T_x2为计算周期即计算数据窗口的移动步长，采用频谱分析方法对该段计算数据窗口的电网支路三相总瞬时功率数据进行频谱分析；频段5的处理模块则以0.05秒为计算数据窗口，0.01秒为计算周期，采用频谱分析方法对该段时窗内的电网支路三相总瞬时功率数据进行频谱分析；

在频谱分析中，取振荡功率幅值大于设定阈值，并且能占比大于5％的前5个频率模式作为计算结果即频谱分析结果；

步骤6：各频段分别选取t_x2-T_x1/2时刻之前的最近的如下时刻为需要输出的计算结果的时刻t_x-out，其中t_x2为当前频段X计算数据窗的结束时刻，并将该计算数据窗的计算结果由时窗的起点时刻t_x1换算到t_x-out时刻；

对于频段1，选取t₁₂-T₁₁/2时刻之前整10秒时刻为需要输出的计算结果的时刻t_1-out；

对于频段2，选取t₂₂-T₂₁/2时刻之前整秒时刻为需要输出的计算结果的时刻t_2-out；

对于频段3，选取t₃₂-T₃₁/2时刻之前整0.1秒时刻为需要输出的计算结果的时刻t_3-out；

对于频段4，选取t₄₂-T₄₁/2时刻之前整0.01秒时刻为需要输出的计算结果的时刻t_4-out；

对于频段5，选取t₅₂-T₅₁/2时刻之前整0.01秒时刻为需要输出的计算结果的时刻t_5-out；

步骤7：就地存储各频段实时计算的结果，保留至少2星期；

步骤8：将各频段的计算结果实时上送主站或根据主站对各频段上送数据的间隔要求上送，包括各频段中检测到的满足阈值的功率振荡的频率、幅值、初相位、阻尼系数以及时标；

步骤9：各频段处理模块等待满足本频段计算周期T_x2时长后，返回步骤5。

本发明还进一步包括以下优选方案：

在步骤1中，时标精度高于1微秒，原始瞬时录波曲线采样率至少4800Hz以上。

在步骤2中，所述5个不同频段设置如下：

频段1即负荷振荡或者发电厂热工系统振荡频段：f₁₁-f₁₂的范围为(0.01Hz,0.1Hz]；

频段2即电力系统区间低频振荡频段：f₂₁-f₂₂的范围为(0.1Hz,1Hz]；

频段3即发电机间振荡或发电机调速控制系统振荡频段：f₃₁-f₃₂的范围为(1Hz,10Hz]；

频段4即次同步或超同步振荡频段：f₄₁-f₄₂的范围为(10Hz,100Hz]；

频段5即各次工频谐振频段：f₅₁-f₅₂的范围为(100Hz,1000Hz]；

在步骤3中，各频段处理模块所对应的递推带通滤波器的-3dB通带范围为[f_x1，f_x2]。

在步骤4中，在频段1的处理模块中，对滤波后的电网三相总瞬时功率数据保留每1秒整秒时刻瞬时数据；

在频段2的处理模块中，对滤波后的电网三相总瞬时功率数据，每N1个点保留最新1个点，其中N1为小于等于原采样率的1/1000的最小整数；

在频段3的处理模块中，对于滤波后的电网三相总瞬时功率数据，降采样的采样率变为原采样率的1/100；

在频段4的处理模块中，对于滤波后的电网三相总瞬时功率数据，降采样的采样率变为原采样率的1/10；

在频段5的处理模块中，降采样的采样率取为大于等于4800的最小的原始采样率约数。

在步骤5中，所述频谱分析方法为Prony算法或EMD算法。

所述设定阈值取为当前计算窗口开始前的30秒钟时段内总瞬时有功功率曲线去除直流成份后的最大点和最小点绝对值的平均值的5％。

在步骤5中，计算结果信息包括：各频段包含的振荡功率的频率f_x、幅值A_x1、初相位φ_x1、衰减因子σ_x，能占比e_x。

在步骤6中，对于各频段由步骤5计算并选择出的各频率模式，将t_x1时刻的功率振荡的幅值A_x1和初相位φ_x1，换算为t_x-out时刻的幅值A_x-out和初相位φ_x-out，初相位是相对于该时刻sin 2πf_xt曲线的相位，具体公式如下：

φ_x-out＝φ_x1+(t_x-out-t_x1)(2πf_x)

其余信息，即振荡功率的频率f_x、衰减因子σ_x，能占比e_x仍然取计算数据窗起点时刻t_x1时的值。

根据本发明所述方法开发的装置可以实现对所在厂站各种类型、各种频率已知或未知的功率振荡的实时监测和分析，形成带有同步时标的以整时间刻度初相位为基础的功率振荡相量，并实时以现有电力调度数据网可接受的通信量上送调度主站，从而实现在调度主站对广域电网不同厂站同一振荡成分的广域比较分析。

本发明的方法相对于现有技术具有以下有益的技术效果：

(1)基于三相总瞬时功率分析次同步振荡、谐振等振荡现象，实现了对电力系统真正关注的功率振荡的直接观测。避免了基于电流振荡所得的频率与实际关心的发电机轴系振荡频率不一致的问题，并且也实现了与电流次同步振荡不存在频率互补关系的功率次同步振荡的观测。

(2)采用10秒、整秒、0.1秒等整刻度时刻的初相位作为相量相角的表达方法，解决了非工频振荡量没有统一的标准参考频率或公共参考相量，不同地点的测量装置无法进行广域相量量测比较的问题。这个时变的公共参考相量取为整刻度时刻初相角为0的正弦函数。

(3)采用针对不同频段采用不同采样率、不同计算窗口、不同步长的方法降低计算量和通信量。针对电力系统功率振荡的特点，设置以下5个频段，涵盖了电力系统关注的全部功率振荡的频率范围：0.01—0.1Hz的负荷振荡或者发电厂热工系统振荡；0.1Hz—1Hz电力系统区间低频振荡；1Hz—10Hz发电机间振荡、发电机调速等控制系统振荡；10Hz—100Hz次同步和超同步振荡；100Hz—1000Hz的电力系统谐波振荡。

(4)通过避免使用计算窗口边缘的计算结果，提高相量计算的准确性。

附图说明

图1基于三相瞬时功率的电网全谱功率振荡相量同步测量方法流程示意图；

图2带通滤波器的参数定义图；

图3基于三相瞬时功率的电网全谱功率振荡相量同步测量装置物理功能模块图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细介绍。

本发明提出了一种基于三相总瞬时功率进行电力系统全频谱功率振荡相量同步测量的方法。该方法在电网支路测量点由三相瞬时电压和瞬时电流录波量测得到三相总瞬时有功功率，并获得高精度时标，然后采用分频段处理技术，针对各频段采用特定的滤波参数、降采样率参数、计算数据窗和计算步长参数求取各频段包含的振荡模式的参数；以整刻度时刻(10秒，整秒，0.1秒等)的初相位作为振荡相量的相角，从而实现了可进行广域分析的振荡相量的表达；为了进一步提高相量计算的精度，整刻度时刻的选择避开了计算时窗的边界点。基于本发明所述方法开发的装置部署于各发电厂或变电站，实时采集发电机、变压器或重要线路的电压电流瞬时录波数据，并通过卫星定位系统获取高精度时标，据此监测电网中的各种频率的功率振荡，并输出各频段中检测到的满足阈值的功率振荡的频率、幅值、初相位、衰减系数以及时标，最后通过调度数据网将这些信息实时上送到电网调度控制中心主站。调度主站的综合分析软件基于这些同步测量信息进行全网广域同步综合分析，就可以告诉运行人员电网中正在发生哪些频率模式的功率振荡，振荡的覆盖范围如何，振荡功率在设备间的交互关系，各设备对振荡功率的贡献程度等情况，从而帮助运行人员找出抑制和消除功率振荡的方法。

实现本发明的装置的物理功能模块图如图3所示，原始的电压电流模拟信号进入装置后，通过采样保持电路和A/D转换电路转化为电压电流数字信号，所用的采样脉冲来自于高精度的时钟和分频器，从而为数字信号提供了高精度的时标。数字电压电流信号经计算后得到数字的三相瞬时有功功率信号，该信号被同时分别输入到各频段对应的物理处理模块中；在各频段的物理处理模块中，瞬时功率信号经过滤波和降采样率处理后，以T_x2为计算周期，以2T_x1为计算数据窗口时长，进行振荡的频谱和初相位分析，并降分析结果推算到非边界整刻度时刻；最后各频段的分析结果被就地存储，并通过通信系统上送调度主站。本发明方法的的算法流程图如图1所示，其具体步骤如下：

步骤1：由电网支路测量点的三相瞬时电压和瞬时电流的录波量测得到电网相应被测支路的三相总瞬时有功功率曲线,并利用时钟同步装置标注整秒时刻时标，时标精度高于1微秒，原始瞬时录波曲线采样率至少4800Hz以上。

p_r＝u_ai_a+u_bi_b+u_ci_c

其中u_a、u_b、u_c分别为从电压互感器直接测量得到的某被测支路的三相电压瞬时值；ia、ib、ic分别为从电流互感器直接测量得到的某被测支路的三相电流瞬时值，p_r为三相总瞬时有功功率；

步骤2：将上述三相总瞬时有功功率曲线p_r实时分送到5个频段的处理模块的内存缓冲区中，用f_x1表示频段X的起始频率，频段X对应的起始频率的周期为T_x1＝1/f_x1；f_x2表示频段X的终止频率，对应的终止频率的周期为T_2X＝1/f_x2；各频段缓冲区至少能存储T_X1×4秒的数据；其中，x取值1-5，分别表示1-5个不同频段；频段1至频段5的频率范围是依次增大的；这5个不同频段设置如下：

频段1即负荷振荡或者发电厂热工系统振荡)频段：f₂₁-f₂₂的范围为(0.01Hz—0.1Hz]；

频段2即电力系统区间低频振荡频段：f₂₁-f₂₂的范围为(0.1Hz—1Hz]；

频段3即发电机间振荡或发电机调速控制系统振荡频段：f₃₁-f₃₂的范围为(1Hz—10H]；

频段4即次同步或超同步振荡频段：f₄₁-f₄₂的范围为(10Hz—100Hz]；

频段5即各次工频谐振频段：f₅₁-f₅₂的范围为(100Hz—1000Hz]；

步骤3：在各频段处理模块中采用递推带通滤波器实时对进入内存缓冲区的三相总瞬时功率数据进行滤波；各带通滤波器的-3dB通带范围为[fx₁，fx₂]，见图2。

步骤4：在各频段处理模块对滤波后的电网三相总瞬时功率数据采用降采样率处理(原始瞬时数据的采样率至少大于4800Hz)。具体方法如下：

在频段1的处理模块中，对滤波后的电网三相总瞬时功率数据保留每1秒整秒时刻瞬时数据；

在频段2的处理模块中，对滤波后的电网三相总瞬时功率数据，每N1个点保留最新1个点，其中N1为小于等于原采样率的1/1000的最小整数；

在频段3的处理模块中，对于滤波后的电网三相总瞬时功率数据，降采样的采样率变为原采样率的1/100；

在频段4的处理模块中，对于滤波后的电网三相总瞬时功率数据，降采样的采样率变为原采样率的1/10；

在频段5的处理模块中，降采样的采样率取为大于等于4800的最小的原始采样率约数。

步骤5：在除频段5外的其余各频段的处理模块中以本频段所对应的起始频率的周期的2倍值即2T_x1为计算数据窗口时长，以本频段所对应的终止频率的周期T_x2为计算周期即计算数据窗口的移动步长，采用Prony或经验模态分解法等频谱分析方法，对该段计算数据窗口内的电网支路三相总瞬时功率数据进行频谱分析；频段5的处理模块则以0.05秒为计算数据窗口，0.01秒为计算周期，对电网支路三相总瞬时功率数据进行频谱分析；在分析结果中取振荡功率幅值大于设定阈值(取为当前计算窗口开始前的30秒钟时段内总瞬时有功功率曲线去除直流成份后的最大点和最小点绝对值的平均值的5％)，并且能占比大于5％的前5个频率模式作为初步计算结果，计算结果信息包括：各频段包含的振荡功率的频率f_x、幅值A_x1、初相位φ_x1、衰减因子σ_x，能占比e_x；

根据上述方法以及步骤2中对各频段范围的定义，可知各频段的具体计算参数如下：

频段1：计算数据窗口时长200秒，计算周期为10秒

频段2：计算数据窗口时长20秒，计算周期为1秒

频段3：计算数据窗口时长2秒，计算周期为0.1秒

频段4：计算数据窗口时长0.2秒，计算周期为0.01秒

频段5：计算数据窗口时长0.05秒，计算周期为0.01秒

步骤6：各频段分别选取t_X2-T_x1/2时刻之前的最近的如下时刻为需要输出的计算结果的时刻t_x-out，其中t_x2为当前频段X计算数据窗的结束时刻，并将该计算数据窗的计算结果由时窗的起点时刻t_x1换算到t_x-out时刻；

对于频段1，选取t₁₂-T₁₁/2时刻之前整10秒时刻为需要输出的计算结果的时刻t_1-out；

对于频段2，选取t₂₂-T₂₁/2时刻之前整秒时刻为需要输出的计算结果的时刻t_2-out；

对于频段3，选取t₃₂-T₃₁/2时刻之前整0.1秒时刻为需要输出的计算结果的时刻t_3-out；

对于频段4，选取t₄₂-T₄₁/2时刻之前整0.01秒时刻为需要输出的计算结果的时刻t_4-out；

对于频段5，选取t₅₂-T₅₁/2时刻之前整0.01秒时刻为需要输出的计算结果的时刻t_5-out；

对于上述各频段由步骤5计算并选择出的各频率模式，将计算结果由计算数据窗的起点时刻t_x1，换算到t_x-out时刻，需要将t_x1时刻的功率振荡的幅值A_x1和初相位φ_x1，修改为t_x-out时刻的幅值A_x-out和初相位φ_x-out，初相位是相对于该时刻sin 2πf_xt曲线的相位，具体计算公式如下：

φ_x-out＝φ_x1+(t_x-out-t_x1)(2πf_x)

其余信息，即振荡功率的频率f_x、衰减因子σ_x，能占比e_x仍然取计算数据窗起点时刻t_x1时的值；

步骤7：就地存储各频段实时计算的结果，保留至少2星期；

步骤8：将各频段的计算结果实时上送主站或根据主站对各频段上送数据的间隔要求上送，包括各频段中检测到的满足阈值的功率振荡的频率、幅值、初相位、衰减因子以及时标；

步骤9：各频段处理模块等待满足本频段计算周期T_x2时长后，返回步骤5。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。