系统频率测量方法、同步相量测量方法及设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种系统频率测量方法、同步相量测量方法及设备。该同步相量测量方法包括：基于绝对时间参考来对电力系统的电压和电流信号进行采样；滤除所采样的电压和电流信号中的带外干扰；基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压和电流信号中至少一个进行第一次重新采样；对第一次重新采样的信号计算相量，并更新估计的系统频率；针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压和电流信号进行第二次重新采样；以及对第二次重新采样的电压和电流信号计算同步相量。根据本发明的系统频率测量方法、同步相量测量方法及设备不仅适用于电力系统的稳态运行而且也适用于电力系统的动态运行，并且也提供了高精度的测量结果。
【专利说明】系统频率测量方法、同步相量测量方法及设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统自动测量领域，并且更具体地涉及一种高精度的系统频率测量方法、同步相量测量方法及设备。
【背景技术】
[0002]同步相量测量单元(PMU)已经成为电力系统中的重要测量组件，其可以提供高精度的与绝对时间同步的电压和电流相量以及频率。PMU可以应用于实时的电力系统的动态监控、运行、以及控制等很多方面。
[0003]传统的方式是通过综和非同步测量量来监控电力系统，例如，将发电机/负载功率和电压幅值馈送到软件模型中，然后针对特定的负载和发电机实时功率和电压状况计算每条母线的电压角度和幅值信息。然而，现在可以直接使用PMU直接计算这些量值。
[0004]随着日益增加的对于同步相量测量技术的需求，IEEE自2005年起已经建立了与该同步相量测量技术相关的标准，以便确保来自不同供应商的设备的互操作性。目前，在市场上已经有多种与该标准兼容的PMU产品。然而，由于该标准仅适用于稳态测量，不能满足更多的诸如电力波动、相角改变、频率改变，甚至故障等动态测量的需求，不同的产品所测量的同步相量不具备可比性和互操作性。一些供应商已经开始使用他们自己定义的企业标准。基于这个新的需求，IEEE和IEC协作而制定了覆盖动态测量的新标准，该标准(IEC/IEEE60255-118-1)将很快被公布。
[0005]因此，需要一种既能够用于电力系统的稳态测量又能够用于电力系统的动态测量的同步相量测量方法及设备，其能够符合上述的覆盖了电力系统的动态测量的新标准。
【发明内容】
[0006]考虑到上述问题而提出了本发明。本发明的目的是提供一种高精度的同步相量测量方法及设备，其通过滤除原始采样的电压信号和电流信号中的带外干扰，然后进行第一次重新采样以获得估计的系统频率，接着针对每个汇报时刻进行第二次重新采样以获得同步电压相量和同步电流相量。该同步相量测量方法针对电力系统的稳态运行和动态运行分别选择不同的计算窗口的宽度，并且针对每个采样样本计算估计的系统频率，因此，应用于电力系统的动态运行情况下亦可以得到很高的精度，并且能够满足新标准的要求
[0007]根据本发明的一个方面，提供了一种同步相量测量方法，包括:基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行采样；滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰；基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样；对第一次重新采样的信号计算相量，并更新估计的系统频率；针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样；以及对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。
[0008]优选地，在所述同步相量测量方法中，利用带通滤波器来滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰，并且所述带通滤波器是根据测量级别、电力系统的额定系统频率和汇报率而定制的。
[0009]优选地，在所述同步相量测量方法中，对第一次重新采样的信号计算相量包括:根据电力系统的工作状态，确定第一计算窗口的宽度；以及在所述第一计算窗口内对第一次重新采样的信号计算相量。
[0010]优选地，在所述同步相量测量方法中，更新估计的系统频率包括:对于每个第一次重新采样的采样样本，计算估计的系统频率；对所计算的估计的系统频率进行平滑滤波，来更新估计的系统频率；以及对更新后的估计的系统频率设置对应的时间标签，该时间标签补偿了带外干扰滤除所引入的延时以及平滑滤波所引入的延时。
[0011]优选地，在所述同步相量测量方法中，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样包括:基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签，估计汇报时刻的系统频率；以及基于汇报时刻的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样，其包括:基于汇报时刻确定第二计算窗口的中心，基于汇报率确定第二计算窗口的宽度，以及在所述第二计算窗口内，基于所估计的汇报时刻的系统频率，来对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二重新采样。
[0012]优选地，所述同步相量测量方法还包括:基于更新后的估计的系统频率，使用曲线拟合来计算系统频率变化率。
[0013]根据本发明的另一方面，提供了一种同步相量测量设备，包括:原始采样器，用于基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行采样；滤波器，用于滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰；第一重新采样器，用于基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样；系统频率估算部件，用于对第一次重新采样的信号计算相量并更新估计的系统频率；第二次重新采样器，用于针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样；以及同步相量估算部件，用于对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。
[0014]优选地，所述滤波器是根据测量级别、电力系统的额定系统频率和汇报率而定制的带通滤波器。
[0015]优选地，所述系统频率估算部件根据电力系统的工作状态确定第一计算窗口的宽度，并且在所述第一计算窗口内对第一次重新采样的信号计算相量。
[0016]优选地，所述系统频率估算部件对于每个第一次重新采样的采样样本计算估计的系统频率，对所计算的估计的系统频率进行平滑滤波以更新估计的系统频率，以及对更新后的估计的系统频率设置对应的时间标签，该时间标签补偿了带外干扰滤除所引入的延时以及平滑滤波所引入的延时。
[0017]优选地，所述第二次重新采样器基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签来估计汇报时刻的系统频率，基于汇报时刻来确定第二计算窗口的中心，基于汇报率来确定第二计算窗口的宽度，并且在所述第二计算窗口内，基于所估计的汇报时刻的系统频率，来对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样。
[0018]根据本发明的再一方面，提供了一种电力系统的系统频率测量方法，包括:基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行采样；滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰；基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样；以及对第一次重新采样的信号计算相量，并更新估计的系统频率。
[0019]优选地，在所述系统频率测量方法中，对第一次重新采样的信号计算相量包括:根据电力系统的工作状态，确定第一计算窗口的宽度；以及在所述第一计算窗口内对第一次重新采样的信号计算相量。
[0020]优选地，在所述系统频率测量方法中，更新估计的系统频率包括:对于每个第一次重新采样的采样样本，计算估计的系统频率；对所计算的估计的系统频率进行平滑滤波，来更新估计的系统频率；以及对更新后的估计的系统频率设置对应的时间标签，该时间标签补偿了带外干扰滤除所引入的延时以及平滑滤波所引入的延时。
[0021]优选地，所述系统频率测量方法还包括:针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签，估计汇报时刻的系统频率；基于汇报时刻的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样；以及对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。
[0022]优选地，在所述系统频率测量方法中，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样包括:基于汇报时刻，确定第二计算窗口的中心；基于汇报率，确定第二计算窗口的宽度；以及在所述第二计算窗口内，基于所估计的汇报时刻的系统频率，来对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样，其中，对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量包括:在所述第二计算窗口内，对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。
[0023]优选地，所述系统频率测量方法还包括:基于更新后的估计的系统频率，使用曲线拟合来计算系统频率变化率
[0024]利用根据本发明的同步相量测量方法及设备，通过首先对原始采样的电压信号和电流信号滤除带外干扰，然后在第一次重新采样中根据电力系统的工作状态选择特定的计算窗口宽度来针对每个采样样本获得估计的系统频率，并利用第二次重新采样获得汇报时刻的同步电压相量和同步电流相量，从而保证了不仅可以适用于电力系统的稳态运行而且也适用于电力系统的动态运行，提高了同步相量测量的精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]通过结合附图对本发明的实施例进行详细描述，本发明的上述和其它目的、特征、优点将会变得更加清楚，其中:
[0026]图1是根据本发明实施例的同步相量测量方法的流程图；
[0027]图2A和图2B是针对第一测量级(M级)设计的带通滤波器的示例。
[0028]图3A和图3B是针对第二测量级(P级)设计的带通滤波器的示例。
[0029]图4是根据本发明实施例的更新估计的系统频率步骤的具体流程图；
[0030]图5是根据本发明实施例的第二次重新采样及同步相量计算步骤的具体流程图；以及
[0031]图6是根据本发明实施例的同步相量测量设备的示意性框图。
【具体实施方式】[0032]下面将参照附图来描述根据本发明实施例的同步相量测量方法及设备。
[0033]首先，将参考图1来描述根据本发明实施例的同步相量测量方法100。
[0034]根据本发明实施例的同步相量测量方法100在步骤S105进行初始化。
[0035]在步骤S110，基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行采样。如本领域公知的，在同步采样系统中对电力系统的电压信号和电流信号进行A/D采样，以便得到原始采样的电压信号和电流信号。通常，该同步采样系统中采用的触发采样脉冲锁定于绝对时间参考，例如，所述绝对时间参考可以是GPS的IPPS信号，或者可以是来自其它源的绝对时间参考。例如，该同步采样系统中采用的触发采样脉冲可以是对GPS的IPPS信号进行分频而得到的信号；或者可以是本地振荡器产生的脉冲信号，在此情况下，每隔预定时间间隔(例如I秒)将该本地振荡器与绝对时间参考进行一次同步。
[0036]然后，在步骤S120，滤除原始采样的电压信号和电流信号中的带外干扰。带外干扰信号是其频率f在频率范围If-fcJ >Fs/2中的信号，其中L是电力系统的额定系统频率；Fs是PMU (同步相量测量设备)的汇报率，即每秒中的汇报次数。例如，PMU的汇报率可以为10HZ、20Hz、60Hz、120Hz等等。以汇报率为IOHz为例，每秒中的汇报次数为10次，相应的汇报时刻可以是0.1S、0.2S、0.3S、…、0.9S、1S。更一般地，将汇报间隔标记为T。，汇报时刻可以相应地表示为UTqJV…、k Tq、(k+l)TQ、…、N T。。
[0037]在步骤S130，基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样。在系统初始化之后，首先将估计的系统频率设置为电力系统的额定系统频率。
[0038]然后，在步骤S140，对第一次重新采样的信号计算相量，并更新估计的系统频率。
[0039]接下来，根据本发明实施例的同步相量测量方法100返回到步骤S130，并利用在步骤S140更新后的估计的系统频率来进行第一次重新采样。
[0040]另一方面，在步骤S140之后，根据本发明实施例的同步相量测量方法100前进到步骤S150，其中，针对每个汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样。例如，在步骤S150中，针对每个汇报时刻，首先基于更新后的估计的系统频率来估计该汇报时刻的系统频率，然后再基于所估计的汇报时刻的系统频率对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样。
[0041]最后，在步骤S160，对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。
[0042]接下来，将参考图2和图3来简要说明根据本发明实施例的同步相量测量方法100中的带外信号滤除步骤S120的示例操作。应了解，根据本发明实施例的同步相量测量方法100中的带外信号滤除步骤S120的操作不限于以下描述的示例，本领域技术人员根据实际需要可以设计不同的滤波器。
[0043]如前所述，带外干扰信号是其频率f在频率范围If-fJ≥Fs/2中的信号，其中f。是电力系统的额定系统频率；FS是PMU的汇报率，即每秒中的汇报次数。
[0044]在设计滤波器时，可能需要考虑特定的采样率、汇报率、电力系统的额定系统频率、以及测量级别。通常，在同步相量测量中具有两种不同的测量级别，第一测量级别用于高精度的同步相量测量(即第一测量级:M级)，第二测量级别用于快速响应的同步相量测量(即第二测量级:P级)。测量级(M级)要求更高的测量精度并且可以容许较长的汇报延时，测量级(P级)要求更快的响应速度(更短的汇报延时)和较低的测量精度。[0045]例如，对于M级，在采样率为4800Hz、汇报率为60Hz、系统额定频率为60Hz的情况下，可以采用具有如图2A所示的幅值-频率响应曲线的有限冲击响应(FIR)滤波器。如图2A所示的幅值-频率响应曲线的通带频率为30 - 90Hz。
[0046]作为另一示例，对于M级，在采样率为4800Hz、汇报率为20Hz、系统额定频率为60Hz的情况下，可以采用具有如图2B所示的幅值-频率响应曲线的有限冲击响应(FIR)滤波器。如图2B所示的幅值-频率响应曲线的通带频率为50 - 70Hz。
[0047]对于P级，由于对于P级应用要求更快的响应速度而允许较短的汇报延时，因此，对于P级应用而言，标准并不要求滤除所有的带外干扰。
[0048]例如，对于P级，在采样率为4800Hz、汇报率为60Hz、系统额定频率为60Hz的情况下，可以采用具有如图3A所示的幅值-频率响应曲线的滤波器，其满足了 P级应用对于很小的汇报延时的要求。与图2A所述的幅值-频率响应曲线相比，图3A所述的幅值-频率响应曲线的平坦度大大降低，以此为代价获得了更短的汇报延时。在汇报率小于60Hz的情况下，仍可以采用具有与图3A所述的幅值-频率响应曲线相似特性的滤波器。
[0049]作为另一示例，对于P级，在采样率为4800Hz、汇报率为120Hz、系统额定频率为60Hz的情况下，可以采用具有如图3B所示的幅值-频率响应曲线的滤波器，其满足了 P级应用对于很小的汇报延时的要求。如图3B所示，带通滤波器变为极限情况的带通滤波器，即，低通滤波器。此外，在汇报率大于60Hz的情况下，仍可以采用具有与图3B所述的幅值-频率响应曲线相似特性的滤波器。
[0050]在设计了滤波器之后，可以如下地进行获得滤波后的信号:
【权利要求】
1.一种同步相量测量方法，包括: 基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行米样； 滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰； 基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样； 对第一次重新采样的信号计算相量，并更新估计的系统频率； 针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样；以及 对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。
2.如权利要求1所述的同步相量测量方法，其中， 利用带通滤波器来滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰，并且所述带通滤波器是根据测量级别、电力系统的额定系统频率和汇报率而定制的。
3.如权利要求1所述的同步相量测量方法，其中，对第一次重新采样的信号计算相量包括: 根据电力系统的工作状态，确定 第一计算窗口的宽度；以及 在所述第一计算窗口内对第一次重新采样的信号计算相量。
4.如权利要求1所述的同步相量测量方法，其中，更新估计的系统频率包括: 对于每个第一次重新采样的采样样本，计算估计的系统频率； 对所计算的估计的系统频率进行平滑滤波，来更新估计的系统频率；以及对更新后的估计的系统频率设置对应的时间标签，该时间标签补偿了带外干扰滤除所引入的延时以及平滑滤波所引入的延时。
5.如权利要求4所述的同步相量测量方法，其中，对于每个第一次重新采样的采样样本计算估计的系统频率包括: 根据该第一次重新采样的采样样本和之前的间隔预定时间长度的采样样本得到的相量的角度差，来计算估计的系统频率。
6.如权利要求4所述的同步相量测量方法，其中，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样包括: 基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签，估计汇报时刻的系统频率；以及基于汇报时刻的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样，其包括: 基于汇报时刻，确定第二计算窗口的中心， 基于汇报率，确定第二计算窗口的宽度，以及 在所述第二计算窗口内，基于所估计的汇报时刻的系统频率，来对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样， 其中，对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量包括: 在所述第二计算窗口内，对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。
7.如权利要求6所述的同步相量测量方法，其中，估计汇报时刻的系统频率包括: 获得最接近汇报时刻的两个时刻的所估计的系统频率；以及 对所述最接近汇报时刻的两个时刻的所估计的系统频率进行线性内插，以便计算汇报时刻的系统频率。
8.如权利要求1所述的同步相量测量方法，还包括: 基于更新后的估计的系统频率，使用曲线拟合来计算系统频率变化率。
9.一种同步相量测量设备，包括: 原始采样器，用于基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行采样； 滤波器，用于滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰； 第一重新采样器，用于基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样； 系统频率估算部件，用于对第一次重新采样的信号计算相量并更新估计的系统频率；第二重新采样器，用于针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样；以及 同步相量估算部件，用于对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。
10.如权利要求9所述的同步相量测量设备，其中， 所述滤波器是根据测量级别、电力系统的额定系统频率和汇报率而定制的带通滤波器。
11.如权利要求9所述的同步相量测量设备，其中，所述系统频率估算部件根据电力系统的工作状态确定第一计算窗口的宽度，并且在所述第一计算窗口内对第一次重新采样的信号计算相量。
12.如权利要求9所述的同步相量测量设备，其中，所述系统频率估算部件对于每个第一次重新采样的采样样本计算估计的系统频率，对所计算的估计的系统频率进行平滑滤波以更新估计的系统频率，以及对更新后的估计的系统频率设置对应的时间标签，该时间标签补偿了带外干扰滤除所引入的延时以及平滑滤波所引入的延时。
13.如权利要求12所述的同步相量测量设备，其中，所述第二重新采样器基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签来估计汇报时刻的系统频率，基于汇报时刻来确定第二计算窗口的中心，基于汇报率来确定第二计算窗口的宽度，并且在所述第二计算窗口内，基于所估计的汇报时刻的系统频率，来对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样。
14.一种电力系统的系统频率测量方法，包括: 基于绝对时间参考来对电力系统的电压信号和电流信号进行米样； 滤除所采样的电压信号和电流信号中的带外干扰； 基于估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号中至少一个进行第一次重新采样；以及 对第一次重新采样的信号计算相量，并更新估计的系统频率。
15.如权利要求14所述的系统频率测量方法，其中，对第一次重新采样的信号计算相量包括: 根据电力系统的工作状态，确定第一计算窗口的宽度；以及 在所述第一计算窗口内对第一次重新采样的信号计算相量。
16.如权利要求14所述的系统频率测量方法，其中，更新估计的系统频率包括: 对于每个第一次重新采样的采样样本，计算估计的系统频率；对所计算的估计的系统频率进行平滑滤波，来更新估计的系统频率；以及对更新后的估计的系统频率设置对应的时间标签，该时间标签补偿了带外干扰滤除所引入的延时以及平滑滤波所引入的延时。
17.如权利要求16所述的系统频率测量方法，还包括: 针对汇报时刻，基于更新后的估计的系统频率及其对应的时间标签，估计汇报时刻的系统频率； 基于汇报时刻的估计的系统频率，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样；以及 对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。
18.如权利要求17所述的系统频率测量方法，其中，对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样包括: 基于汇报时刻，确定第二计算窗口的中心； 基于汇报率，确定第二计算窗口的宽度；以及 在所述第二计算窗口内，基于所估计的汇报时刻的系统频率，来对滤除了带外干扰的电压信号和电流信号进行第二次重新采样， 其中，对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量包括: 在所述第二计算窗口内，对第二次重新采样的电压信号和电流信号计算同步相量。
19.如权利要求14所述·的系统频率测量方法，还包括: 基于更新后的估计的系统频率，使用曲线拟合来计算系统频率变化率。
【文档编号】G01R25/00GK103575980SQ201210262698
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月26日 优先权日:2012年7月26日
【发明者】罗姗姗 申请人:施耐德电器工业公司