一种电力系统频率测量方法及装置与流程

本发明属于电力系统继电保护及控制测量技术领域，具体涉及一种电力系统频率测量方法及装置。

背景技术：

频率是电力系统的重要电气参数之一，对电力系统频率测量算法的研究在理论和实际中都有重要的意义。电力系统正常运行时，频率是衡量电能质量的一个重要指标，电力系统出现故障时，频率是判断系统故障的重要依据。

目前，电力系统中的设备都是按照额定频率设计和制造的，只有在额定频率附近运行时，才能发挥最好的性能。系统频率过大的变动，对用户和发电厂的运行都将产生不利影响。随着负荷和发电厂输出功率的变化，频率也将发生相应的变化。因此，频率可以作为预测电力系统是否将失去稳定的判据，从而为切负荷和切机提供可行的判据。

现有的频率估计方法主要分为两类：

1、测量电压一周波的时间，计算频率；

2、利用数字滤波的方法，进行频率估计。

前者受过零点和谐波的影响较大；后者将时域信号转化到频域，寻找最大值，并进行插值，为提高频率估计精度，需要较长的数据窗，插值过程中又需要确定修正系数，增加了装置的计算量和计算时间。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电力系统频率测量方法及装置，用于解决现有数字滤波方法计算频率时计算工作量大、计算时间长的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出一种电力系统频率测量方法，包括以下方法方案：

方法方案一，包括以下步骤：

1)根据电力系统中获取的母线电压采样值，通过傅立叶变换计算依次相差1/p周波的三个时刻的线电压基波相量，分别为当前时刻的线电压基波相量、1/p周波前的线电压基波相量、2/p周波前的线电压基波相量，p≥3；

2)根据所述三个时刻的线电压基波相量的实部、虚部，计算系统当前的频率。

方法方案二，在方法方案一的基础上，所述系统当前频率的计算式如下：

式中，f为系统当前的频率，ts为采样间隔时间，k为1/p周波，和分别为所述当前时刻的线电压基波相量的虚部和实部，和分别为所述1/p周波前的线电压基波相量的虚部和实部，和分别为所述2/p周波前的线电压基波相量的虚部和实部。

方法方案三，在方法方案一的基础上，计算出所述三个时刻的线电压基波相量后，比较所述三个时刻的线电压基波相量的幅值，当所述三个时刻的线电压基波相量中最小的电压幅值小于设定的第一电压门槛值时，设定系统当前的频率为50赫兹。

方法方案四，在方法方案一的基础上，计算所述系统当前的频率后，还包括输出频率的步骤：当1/p周波内的线电压的最大瞬时值的幅值小于所述第一电压门槛值时，判定线电压发生突然无压，输出历史频率；当所述当前时刻的线电压的基波幅值与一周前线电压的基波幅值之差的绝对值大于设定的第二电压门槛值时，判定线电压发生突然变化，输出历史频率；当线电压没有发生突变时，输出所述系统当前的频率。

为解决上述技术问题，本发明提出一种电力系统频率测量装置，包括以下装置方案：

装置方案一，包括以下单元：

电压计算单元：用于根据电力系统中获取的母线电压采样值，通过傅立叶变换计算依次相差1/p周波的三个时刻的线电压基波相量，分别为当前时刻的线电压基波相量、1/p周波前的线电压基波相量、2/p周波前的线电压基波相量，p≥3；

频率计算单元：用于根据所述三个时刻的线电压的实部、虚部，计算系统当前的频率。

装置方案二，在装置方案一的基础上，所述系统当前频率的计算式如下：

式中，f为系统当前的频率，ts为采样间隔时间，k为1/p周波，和分别为所述当前时刻的线电压基波相量的虚部和实部，和分别为所述1/p周波前的线电压基波相量的虚部和实部，和分别为所述2/p周波前的线电压基波相量的虚部和实部。

装置方案三，在装置方案一的基础上，还包括比较单元：用于比较所述三个时刻的线电压基波相量的幅值，当所述三个时刻的线电压基波相量中最小的电压幅值小于设定的第一电压门槛值时，设定系统当前的频率为50赫兹。

装置方案四，在装置方案一的基础上，还包括频率输出单元：用于当1/p周波内的线电压的最大瞬时值的幅值小于所述第一电压门槛值时，判定线电压发生突然无压，输出历史频率；当所述当前时刻的线电压的基波幅值与一周前线电压的基波幅值之差的绝对值大于设定的第二电压门槛值时，判定线电压发生突然变化，输出历史频率；当线电压没有发生突变时，输出所述系统当前的频率。

本发明的有益效果是：根据电力系统中获取的母线电压采样值，计算依次相差1/p周波的三个时刻的线电压，根据三个时刻的线电压的实部、虚部，计算出系统当前的频率。该测量方法原理简单、容易实现，能够准确测量电力系统的频率，并且不受过零点和谐波的影响。

附图说明

图1是本发明方法在主接线中的接入位置示意图；

图2是基于线电压的电力系统频率测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

本发明的一种电力系统频率测量方法的实施例：

根据电力系统中获取的母线电压采样值，计算依次相差1/p周波的三个时刻的线电压：当前时刻的线电压、1/p周波前的线电压、2/p周波前的线电压：

其中，n为采样序列，n为50hz频率下一周波的采样点数，和代表不同的相，和分别为相和相的当前时刻线电压的基波相量，和分别为相和相的1/p周波前线电压的基波相量，和分别为相和相的2/p周波前线电压的基波相量，为上述三个时刻线电压的基波相量。

计算当前时刻的频率：

为防止发生pt断线情况，本发明使用线电压进行频率测量，假设线电压为计算信号全周傅氏的实部和虚部，

由于滤波器为偶对称，为奇对称，所以，

式中，|fc(ω)|和|fs(ω)|为偶、奇滤波器在ω处的增益，α(ω)为在ω处的相位变化；

利用三角函数变换关系，进行如下变换，

将g2k(ω)和gk(ω)进行比值可得当前系统频率：

其中，ts为采样间隔时间，为的虚部，为的实部，的虚部，为的实部，为的虚部，为的实部。

上述电力系统的频率计算是线电压在正常水平的情况得出的，当线电压出现以下异常情况时，进行相应的防错处理方法：

(1)比较三个时刻的线电压的幅值，求出和中最小的幅值，即

判断使用的三个时刻的线电压是否存在无压的情况，uvalve为无压门槛，判据如下：

umin＜uvalve1

式中，umin为上述最小的幅值，uvalve1为设定的第一电压门槛值，当上述最小的幅值小于设定的第一电压门槛值时，设定系统当前的频率为50hz。

(2)判别线电压是否发生突然无压和突然变化。突然无压的判据如下：

umax＜uvalve1

式中，n1为新计算频率下的一周波采样点数，即信号由50hz频率发生变化后的一周波的采样点数，为线电压的瞬时值，umax为最近周波线电压瞬时值绝对值最大采样点，当其小于第一电压门槛值时，判定线电压发生突然无压。

突然变化的判据如下：

式中，为一周前线电压的基波幅值，为当前时刻线电压的基波幅值，uvalve2为设定的第二电压门槛值，上式表示若当前时刻的线电压的基波幅值与一周前线电压的基波幅值之差的绝对值大于设定的第二电压门槛值，判定线电压发生突然变化。本发明只有在线电压没有发生突然无压和突然变化时，才按照前述电力系统频率的计算公式进行当前时刻频率的计算；本发明测量电力系统频率的方法是实时采集线电压、并进行实时的频率计算，当线电压发生突然无压或突然变化时，将上次测量的频率结构作为当前时刻测量的频率值。

本发明首先使用dft的方法计算当前时刻线电压，1/p周波前线电压，2/p周波前线电压，并记录三个时刻线电压的实部、虚部和幅值最小值；然后使用三个时刻线电压的实部和虚部，利用本发明的频率计算方法得到当前时刻的系统频率。本发明的频率测量方法基于全周滤波后的数据，不依赖于过零点，不要求高采样率，运算速度快，能够实时准确的测量各采样时刻的频率。

本发明的一种电力系统频率测量装置的实施例：

包括电压计算单元和频率计算单元。电压计算单元用于根据电力系统中获取的母线电压采样值，计算依次相差1/p周波的三个时刻的线电压：当前时刻的线电压、1/p周波前的线电压、2/p周波前的线电压，p≥3。

频率计算单元用于根据所述三个时刻的线电压的实部、虚部，计算系统当前的频率。

如图1所示的双端系统，将本发明的频率测量装置安装在母线b1时，通过互感器tv1获取母线电压采样值，采样值送入频率测量装置后，进行电力系统频率的测量，测量方法的流程如图2所示。

由于本实施例中所指的电力系统频率测量装置，实际上是基于本发明方法流程的一种计算机解决方案，即一种软件构架，上述装置即为与方法流程相对应的处理进程。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，故不再详细进行描述。