一种应用于配电网的同步相量测量装置的制作方法

本发明涉及配电网运行状态监测领域，具体涉及一种应用于配电网的同步相量测量装置。

背景技术：

为实现电力系统的动态安全监测，快速发现电力系统中可能存在的故障[1]，动态同步相量(dynamicsynchrophasor)的测量起到了重要的作用。电气与电子工程师协会于2011年发布了修订版的ieeec37.118.1标准。该标准对不同动态条件下相量测量单元(phasormeasurementunit,pmu)的测量准确度提出了明确的指标。

目前，pmu被大量应用在输电网中。随着大量新能源(如光伏设施和储能装置等)接入配电网中，配电网的潮流方向从原来的单向变成双向。且这些新能源装置使配电网呈现强烈的不确定性和动态性。为了能实现配电网的实时监测，未来pmu也被考虑应用到配电网中。但由于大量电力电子装置的使用，配电网中还含有丰富的谐波、间谐波分量。而且配电网受噪声影响明显。如何在谐波和噪声含量丰富时，仍能准确地测量动态同步相量，成为一个亟须解决的问题。

论文“基于dft的电力系统相量及功率测量新算法”(王茂海等，电力系统自动化，2005)通过对稳态条件下的dft及其改进算法测量相量的误差产生机理进行分析，从而对测量得到的幅值和相位进行修正。该算法具有较高的准确度，但是在动态条件下，该算法并不适用。论文“dynamicphasorandfrequencyestimatesthroughmaximallyflatdifferentiators”(platas-garza等，ieeetransactionsoninstrumentation&measurement，2010)将动态同步相量用泰勒级数表示，并基于动态同步相量与信号之间的关系近似表示实际信号，最后通过最小二乘法求解得到同步相量。该算法原理清晰，但由于该算法在信号建模时，未考虑当信号中存在丰富的谐波和间谐波时，算法的准确度下降。针对这一问题，论文“实现动态相量测量的fir数字滤波器最优设计”(汪芙平等，中国电机工程学报，2014)在对信号建模时，将其表示成动态同步相量和指定次谐波和间谐波的叠加，以此实现该次谐波和间谐波的陷波设计。但是该方法需要提前已知谐波、间谐波的幅值、频率、相位等参数。然而，在实际情况下，这些参数均是未知的。论文“动态条件下的同步相量测量算法的研究”(麦瑞坤等，中国电机工程学报，2009)应用泰勒级数表示动态同步相量，并对该动态同步相量以及原始信号作傅里叶变换，再应用不同时刻的结果联立求解后得到同步相量。该算法在一定程度上提高了动态同步相量测量的准确度，但是该算法计算量大，且未考虑间谐波的影响。

技术实现要素：

为此，本发明的目的在于设计一种应用于配电网的同步相量测量装置，旨在实现间谐波、谐波和噪声的强烈抑制，从而在提高配电网相量测量的准确度。

为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种应用于配电网的同步相量测量装置，包括以下部分：

用于滤除配电网电压电流信号中高频成分的低通滤波器；

用于将模拟信号转换成数字信号的模拟数字转换器；

用于计算同步相量、频率、幅值和相位的数字信号处理器；

用于控制整个同步相量测量装置的单片机；

用于产生同步采样时钟的同步采样时钟单元；

用于产生工频振荡信号的工频振荡器；

输出、显示和存储单元；

所述的低通滤波器、模拟数字转换器、数字信号处理器、单片机依次连接，单片机的输出端连接输出、显示和存储单元；同步采样时钟单元分别与模拟数字转换器和工频振荡器连接；所述的工频振荡器与数字信号处理器连接。

本发明所采用的kaiser加权卷积自乘窗fir滤波器，相对于未采用窗函数加权的测量测量滤波器器，具有优异的旁瓣衰减特性，这能在很大程度上实现谐波和间谐波的抑制，从而提高谐波和间谐波含量丰富时的动态同步相量测量准确度。另外，上述滤波器在基波频率附近呈现出一种平滑特性，即在一定的频率范围内，信号的增益均为1，这正是实现带限信号动态同步相量测量的根本原理。

附图说明

图1是本发明的一种应用于配电网的同步相量测量装置的方框图。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

图1是本发明一个实施例的一种应用于配电网的同步相量测量装置的方框图，包括以下部分：用于滤除配电网电压电流信号中高频成分的低通滤波器；用于将模拟信号转换成数字信号的模拟数字转换器；用于计算同步相量、频率、幅值和相位的数字信号处理器；

用于控制整个同步相量测量装置的单片机；用于产生同步采样时钟的同步采样时钟单元；用于产生工频振荡信号的工频振荡器；输出、显示和存储单元；所述的低通滤波器、模拟数字转换器、数字信号处理器、单片机依次连接，单片机的输出端连接输出、显示和存储单元；同步采样时钟单元分别与模拟数字转换器和工频振荡器连接；所述的工频振荡器与数字信号处理器连接。

在本发明的一个实施例中，所述的数字信号处理器嵌入了kaiser加权卷积自乘窗fir滤波器，为使本领域技术人员进一步理解本发明，将通过以下实施例进行进一步地说明。

(1)基于kaiser加权卷积自乘窗的相量测量算法(fir滤波器)的设计原理为：

动态同步相量被定义为一个频带远小于基波频率的带限信号x(t)，其可以表示为

其中，f0为基波频率，为动态同步相量，a(t)为波动的信号幅度，为波动的相位值。在很小的一段时间t内，可将动态同步相量近似表示成κ阶泰勒级数，其表达式为

其中，ψ^(κ)(t)表示ψ(t)的κ阶导数。这样，在任意一个时间段t内，带限信号x(t)就可以近似表示为

其中，对上述连续信号进行离散采样，则式(5)可表示成矩阵形式

xκ＝eκψκ

其中，

xκ＝[xκ(-n),...,xκ(0),...,xκ(n)]^t

ψκ＝[ψκ^*,ψκ-1^*,...,ψ0^*,ψ0,...,ψκ+1,ψκ]^t

其中，ψk＝ψ^(k)(0)/(k！(ts^k))，ts为采样间隔，k＝0,1,...,κ。

其中，n＝-n,…,0,…,n，时间窗长度nw＝2n+1。这样，就实现了动态同步相量的近似表示，即x≈xκ＝eκψκ。接着，可用最小二乘法实现参考时刻(n＝0)的同步相量估计。但是当信号中含有丰富的谐波和间谐波分量时，上述方法存在较大误差。这里考虑采用kaiser加权卷积自乘窗的方法实现谐波和间谐波分量的抑制。即

wx≈wxκ＝weκψκ

其中，w＝diag{w2(n)}。算子diag{w2(n)}表示矩阵的对角化运算。这样，ψκ矩阵的线性估计最优解为其最小二乘估计，即

ψκ＝(eκ^hw^hweκ)^-1eκ^hw^hwx

从而可得矩阵(eκ^hw^hweκ)^-1eκ^hw^hw中，与同步相量ψ0对应的行向量即为所设计的fir滤波器。

(2)kaiser加权卷积自乘窗

这里设计的kaiser加权卷积自乘窗的表达式为

其中，wkaiser代表kaiser窗函数，a为归一化系数，其为中的所有元素之和，表示卷积运算。

其中，kaiser窗函数的表达式为：

式中，β是其形状参数；i0(β)是第1类变形零阶贝塞尔函数；