适用于自动准同期装置的相角差测量方法与流程

[0001]
本发明属于并网发电技术领域，尤其是一种适用于自动准同期装置的相角差测量方法。


背景技术：

[0002]
当水电站中水轮发电机组和电网并列操作时，两侧的相角差是判断同期点的关键因素。
[0003]
目前自动准同期装置中普遍采用过零比较法，该方法首先通过模拟电路将正弦波信号整形为方波信号，然后利用主控制器的高速捕捉功能，求取出两个方波上升沿事件的时间差(公开文献：高性能微机自动准同期装置[j].电力系统自动化，2002，26(9)：75—77)。其存在的问题是：每计算一次相角差最少需要系统周期的0.5倍，即10ms左右，且受限于主控制器的系统时钟，导致响应时间和精度较差；并且当谐波、噪音和随机干扰导致波形发生畸变时，相角差测量误差更大。因此，采用传统测量方法无法取得让人满意的结果。
[0004]
近年来，相继有人提出利用fft算法计算同期参数，如文献《基于全相位fft改进相位差法的自动准同期并列参数测量》(电力系统保护与控制，第44卷第4期，2016年2月16日，76—83.)提出了利用全相位频谱分析技术采用fft算法进行同期参数测量的算法，该方法抗谐波干扰能力强、精度高，但是，由于其采用的汉宁窗中的双窗apfft的主瓣较宽，需要多个采样周期，即20ms以上，因此，实时性很差，而且其需要分析信号的全频谱谐波分量，运算量巨大且实践起来非常困难，所以该方法仅仅是理论上可行，难以实际应用。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种设计合理、精度高且实时性强的适用于自动准同期装置的相角差测量方法。
[0006]
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0007]
一种适用于自动准同期装置的相角差测量方法，包括以下步骤：
[0008]
步骤1、预设发电机组信号的初始频率f
0u
和电网信号的初始频率f
0g
；
[0009]
步骤2、计算发电机组信号的采样频率f
un
和电网信号的采样频率f
gn
；
[0010]
步骤3、计算发电机组信号的采样周期t
u0
和电网信号的采样周期t
g0
；
[0011]
步骤4、采集发电机组信号输入值u
ui
和电网信号输入值u
gi
；
[0012]
步骤5、计算发电机组电压信号向量、电网电压信号向量以及发电机组信号向量的余弦值和正弦值、电网信号向量的余弦值和正弦值；
[0013]
步骤6、计算发电机组信号基波频率f
u
和电网信号基波频率f
g
；
[0014]
步骤7、计算发电机组信号和电网信号的相角差；
[0015]
通过以上步骤实现自动准同期装置的相角差测量功能。
[0016]
进一步，所述发电机组信号的初始频率f
0u
和电网信号的初始频率f
0g
均为50hz。
[0017]
进一步，所述发电机组信号的采样频率f
un
和电网信号的采样频率f
gn
按下式计算：
[0018][0019]
其中，f
u
为每次迭代的发电机组信号的频率，f
g
为每次迭代的电网信号的频率。
[0020]
进一步，所述发电机组信号的采样周期t
u0
和电网信号的采样周期t
g0
按下式计算：
[0021][0022]
其中，f
un
、f
gn
分别为发电机组信号的采样频率和电网信号的采样频率。
[0023]
进一步，所述发电机组信号输入值u
ui
和电网信号输入值u
gi
均采用如下公式展开计算：
[0024][0025]
其中，u(t)为输入信号，k为谐波分量，a
0
为直流分量，a
k
为k次谐波幅值，f
k
为各谐波频率，为各谐波初相角。
[0026]
进一步，所述发电机组电压信号向量、电网电压信号向量均包括实部和虚部，所述发电机组信号向量、电网信号向量均包括余弦值和正弦值，并采用如下公式计算：
[0027][0028][0029][0030][0031]
u
ur
为发电机组电压信号向量的实部，u
ui
为发电机组电压信号向量的虚部；
[0032]
u
gr
为发电机组电压信号向量的实部，u
gi
为发电机组电压信号向量的虚部；
[0033]
分别为每次迭代的发电机组信号向量的余弦值和正弦值；
[0034]
分别为每次迭代的电网信号向量的余弦值和正弦值。
[0035]
进一步，所述发电机组信号基波频率f
u
和电网信号基波频率f
g
按下式计算：
[0036][0037][0038]
其中：
[0039]
f
u0
为上一次迭代的发电机组信号的频率，
[0040]
为每次迭代的发电机组信号向量的余弦值，
[0041]
为每次迭代的发电机组信号向量的正弦值，
[0042]
f
g0
为上一次迭代的电网信号的频率，
[0043]
为每次迭代的电网信号向量的余弦值，
[0044]
为每次迭代的电网信号向量的正弦值。
[0045]
进一步，所述发电机组信号和电网信号的相角差δφ
n
按下式计算：
[0046][0047]
其中：
[0048]
分别为发电机组信号向量的正弦值和余弦值，
[0049]
分别为电网信号向量的正弦值和余弦值。
[0050]
本发明的优点和积极效果是：
[0051]
1、本发明首先采用精度高、实时性好的递推型离散傅里叶算法(dft算法)分别提取出并列的两侧信号的基波分量，然后通过递推算法将两侧的实时信号补偿并计算出频率，动态调整采样频率，取时间窗为每次的基波周期，计算出基波的实部和虚部，最后通过三角函数变换求取出两侧的相角差，能够有效抑制谐波干扰引发的畸变对相角采集产生的误差，实现了发电机组安全快速并网发电功能，可广泛应用于水电站中水轮发电机组和线路变压器的并列操作。
[0052]
2、本发明处理速度快：经实测显示在50hz左右时响应时间小于0.56ms。
[0053]
3、本发明计算量小：每个采样点只需分别计算出信号的正弦和余弦值，再经过三次反正弦计算，即可得出并列两侧信号的相角差。由于采用递推算法，三角函数采用查表计算法，因此每个采样周期仅需计算144次整型数值的乘加运算及2次平方根和3次反余弦。
附图说明
[0054]
图1为本发明的处理流程图；
[0055]
图2为使用本发明可有效抑制谐波干扰引发的畸变对相角采集产生的误差的仿真图。
具体实施方式
[0056]
以下结合附图对本发明做进一步详述。
[0057]
一种适用于自动准同期装置的相角差测量方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0058]
步骤1、预设发电机组信号的初始频率f
0u
和电网信号的初始频率f
0g
：
[0059][0060]
步骤2、按下式计算发电机组信号的采样频率f
un
和电网信号的采样频率f
gn
：
[0061][0062]
其中，f
u
为每次迭代的发电机组信号的频率，f
g
为每次迭代的电网信号的频率。
[0063]
步骤3、按下式计算发电机组信号的采样周期t
u0
和电网信号的采样周期t
g0
[0064][0065]
步骤4、采集发电机组信号输入值u
ui
和电网信号输入值u
gi
。
[0066]
发电机组信号输入值u
ui
和电网信号输入值u
gi
均可通过下面输入信号通用表达式展开计算得到：
[0067][0068]
其中，u(t)为输入信号，k为谐波分量，a
0
为直流分量，a
k
为k次谐波幅值，f
k
为各谐波频率，为各谐波初相角。
[0069]
步骤5、计算发电机组电压信号向量和电网电压信号向量以及发电机组信号向量的余弦值和正弦值、电网信号向量的余弦值和正弦值。
[0070]
本步骤的具体实现原理为：
[0071]
取输入信号的基波信号
[0072]
其中a
n
为基波幅值，f
0
为基波初始频率，δf为每次基波的变化量，为基波初相角，设
[0073]
求导可得基波频率
[0074]
其中f
0
为上一次迭代的基波频率，为每次基波相角的变化量，t
0
为采样周期，
[0075]
经过dft变换，可得信号向量的实部和虚部：
[0076]
以及信号的正弦值和余弦值：
[0077]
其中u
i
为输入信号，u
r
为信号向量的实部，u
i
为信号向量的虚部。
[0078]
根据上述实现原理，本步骤按照以下公式计算发电机组电压信号向量和电网电压信号向量：
[0079][0080][0081]
u
ur
为发电机组电压信号向量的实部，u
ui
为发电机组电压信号向量的虚部；
[0082]
u
gr
为发电机组电压信号向量的实部，u
gi
为发电机组电压信号向量的虚部；
[0083]
按下式计算发电机组信号向量和电网信号向量：
[0084][0085][0086]
其中：
[0087]
分别为每次迭代的发电机组信号向量余弦值和正弦值；
[0088]
分别为每次迭代的电网信号向量余弦值和正弦值。
[0089]
步骤6：计算发电机组信号基波频率f
u
和电网信号基波频率f
g
。
[0090]
本步骤的实现原理为：经过递推运算可得每次迭代的基波相角变化量的正弦值为：
[0091][0092]
其中，为每次迭代的信号向量余弦值，为每次迭代的信号向量正弦值。
[0093]
可以求出基波频率：
[0094]
基于上述实现原理，本步骤按下式计算发电机组信号基波频率f
u
和电网信号基波频率f
g
：
[0095][0096][0097]
其中：
[0098]
f
u0
为上一次迭代的发电机组信号的频率，
[0099]
为每次迭代的发电机组信号向量的余弦值，
[0100]
为每次迭代的发电机组信号向量的正弦值，
[0101]
f
g0
为上一次迭代的电网信号的频率，
[0102]
为每次迭代的电网信号向量的余弦值，
[0103]
为每次迭代的电网信号向量的正弦值。
[0104]
步骤7、计算发电机组信号和电网信号的相角差δφ
n
。
[0105]
由于在频率计算中已经分别求取过并列两侧信号向量的正弦和余弦值，因此，在本步骤中可以直接求得并列两侧相角差δφ
n
：
[0106][0107]
其中：
[0108]
分别为发电机组信号向量的正弦值和余弦值，
[0109]
分别为电网信号向量的正弦值和余弦值。
[0110]
通过以上步骤完成自动准同期装置的相角差测量功能。
[0111]
如图2所示，采用本发明处理后的波形非常光滑，有效地抑制谐波干扰引发的畸变对相角产生的误差。
[0112]
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。