一种用于电力系统动态过程中信号特征的提取方法与流程

1.本发明属于电力系统稳定控制技术领域，更具体地，涉及一种用于电力系统动态过程中信号特征的提取方法。


背景技术：

2.目前，电力系统信号分析方法分为以下几种：傅里叶变换直接将信号视为多种幅值频率恒定的信号的加和；prony算法将信号分解为不同频率、幅值及衰减阻尼的复指数函数的线性组合；短时傅里叶变换及小波分析，通过改变时间窗口大小，刻画信号在每个较短时间段的幅值频率，近似刻画信号在总的时间内的频率变化情况。然而，以上信号分析方法均未认识到电力系统动态过程中信号特征是稳态幅值频率及幅值频率上扰动调制量的幅值频率，难以描述电力系统动态过程中交流电气量特征变化情况及规律，使系统中控制参数设计及附加阻尼控制实施等优化措施受到阻碍。
3.因此，如何正确提取电力系统动态过程中的信号特征是亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供了一种用于电力系统动态过程中信号特征的提取方法，提取出的信号特征包括稳态幅值频率及信号调制模态的幅值频率，能准确反映出系统动态过程中交流电气量特征变化情况及规律，有利于对系统振荡进行监测和预警，并有效指导控制器参数设计以及附加阻尼控制实施等系统优化措施的开展。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种用于电力系统动态过程中信号特征的提取方法，包括如下步骤：
6.(1)采集电力系统公共连接点处的三相电压瞬时信号，并将所述三相电压瞬时信号进行两相静止坐标系变换为αβ轴电压分量u
α
和u
β
；
7.(2)将所述αβ轴电压分量u
α
和u
β
经过锁幅锁相，提取出三相电压瞬时信号对应的内电势旋转矢量的瞬时幅值a(t)和瞬时频率w(t)，然后将所述瞬时幅值a(t)分别通过低通滤波、高通滤波提取出其中的稳态幅值a0及扰动对应的幅值调制量并将所述瞬时频率w(t)分别通过低通滤波、高通滤波提取出其中的稳态频率w0及扰动对应的频率调制量
8.(3)将所述幅值调制量和频率调制量分别经过数字滤波，得到幅值调制量和频率调制量对应的正序旋转矢量的αβ轴分量；
9.(4)将幅值调制量中对应的正序旋转矢量的αβ轴分量乘以2后，再通过锁幅锁相提取出幅值振荡的幅值频率aa和wa，同时将频率调制量中对应的正序旋转矢量的αβ轴分量乘以2后，再通过锁幅锁相提取出频率振荡的幅值频率aw和ww，所述稳态幅值a0、稳态频率w0、幅值振荡的幅值频率aa和wa、频率振荡的幅值频率aw和ww构成该电力系统动态过程中的信号特征。
10.本发明提供的用于电力系统动态过程中信号特征的提取方法，通过对电力系统动
态过程中交流电压电流的形成演化过程分析，认识到系统动态过程中信号的幅频调制机制，通过锁幅锁相获取瞬时幅值a(t)和瞬时频率w(t)，并通过低通、高通以及数字滤波得到幅频调制信号的所有特征，可准确地反映系统动态过程中交流电气量特征变化情况及规律，有利于对系统振荡进行监测和预警，并有效指导控制器参数设计以及附加阻尼控制实施等系统优化措施的开展。
11.在其中一个实施例中，步骤(2)中，所述将所述αβ轴电压分量u
α
和u
β
经过锁幅锁相，提取出瞬时幅值a(t)和瞬时频率w(t)的步骤，具体为：
12.将所述αβ轴电压分量u
α
和u
β
通过park变换得到dq旋转坐标轴电压分量ud和uq；
13.以uq＝0为控制目标，引入负反馈，将电压分量uq通过pi控制器调节，将调节量与初始频率ws叠加，得到瞬时频率w
pll
(t)；
14.将瞬时频率w
pll
(t)通过积分器得到瞬时相位θ
pll
，通过瞬时相位θ
pll
对park变换中的dp旋转坐标系的相位进行调整，当调整到uq＝0时，ud为瞬时幅值a(t)，w
pll
(t)为瞬时频率w(t)。
15.在其中一个实施例中，步骤(2)中，利用标准二阶锁相环将所述αβ轴电压分量u
α
和u
β
经过锁幅锁相，提取出瞬时幅值a(t)和瞬时频率w(t)。
16.在其中一个实施例中，步骤(2)中，所述瞬时幅值a(t)和瞬时频率w(t)分别通过低通滤波器进行低通滤波后，得到稳态幅值a0和频率w0；所述瞬时幅值a(t)和瞬时频率w(t)分别通过高通滤波器进行高通滤波后，得到幅值调制量和频率调制量
17.在其中一个实施例中，步骤(3)具体为：
18.将所述幅值调制量与初始正序旋转矢量的α轴分量和初始负序旋转矢量的α轴分量作差，同时将零与初始正序旋转矢量的β轴分量和初始负序旋转矢量的β轴分量作差；然后将两个差值通过第一正序旋转矢量幅值积分器，并经过一个增益，得到幅值调制量对应的正序旋转矢量的αβ轴分量；其中，所述第一正序旋转矢量幅值积分器中的传递函数
[0019][0020]
同时将所述频率调制量与初始正序旋转矢量的α轴分量和初始负序旋转矢量的α轴分量作差，同时将零与初始正序旋转矢量的β轴分量和初始负序旋转矢量的β轴分量作差；然后将两个差值通过第二正序旋转矢量幅值积分器，并经过一个增益，得到频率调制量对应的正序旋转矢量的αβ轴分量；所述第二正序旋转矢量幅值积分器中的传递函数为
[0021][0022]
在其中一个实施例中，步骤(3)中，利用正序分量滤波器将所述幅值调制量和频
率调制量分别经过数字滤波，得到幅值调制量和频率调制量对应的正序旋转矢量的αβ轴分量。
[0023]
在其中一个实施例中，步骤(4)中，利用标准二阶锁相环，将幅值调制量和频率调制量对应的正序旋转矢量的αβ轴分量分别通过锁幅锁相，提取得到幅值振荡的幅值频率aa和wa及频率振荡的幅值频率aw和ww。
附图说明
[0024]
图1是本发明一实施例提供的用于电力系统动态过程中信号特征的提取方法的流程图；
[0025]
图2是图1中用于电力系统动态过程中信号特征的提取方法的原理框图；
[0026]
图3是图1中用于电力系统动态过程中信号特征的提取方法的控制策略图；
[0027]
图4是本发明一实施例提供的锁幅锁相的控制模型图；
[0028]
图5是本发明提供的各个量与旋转矢量之间的关系图；
[0029]
图6是本发明一实施例提供的数字滤波的控制模型图；
[0030]
图7是本发明一具体实施例提供的变换器并网系统的结构示意图；
[0031]
图8是图7中变换器并网系统通过本发明提供的提取方法提取得到的信号特征的波形示意图。
具体实施方式
[0032]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0033]
为解决传统电力系统信号分析方法提取到的信号特征无法准确反映电力系统动态过程中交流电气量(三相振荡信号)的变化情况及规律的问题，通过对电力系统三相振荡信号ea、eb和ec的形成演化过程进行分析得到以下振荡信号表达式：
[0034][0035]
由式(1)可知，通过提取电力系统中的稳态幅值频率a0和w0、及信号调制模态的幅值频率，可准确反映系统动态过程中交流电气量特征变化情况及规律。其中，调制模态的幅值频率包括幅值振荡的幅值aa、幅值振荡的频率wa、频率振荡的幅值aw和频率振荡的频率ww
。
[0036]
图1是本发明一实施例提供的用于电力系统动态过程中信号特征的提取方法的流程图，如图1所示，该提取方法包括步骤s10～s40，详述如下：
[0037]
s10，采集电力系统公共连接点(pcc点)处的三相电压瞬时信号ua、ub和uc，并将三相电压瞬时信号ua、ub和uc进行两相静止坐标系变换(clark变换)为αβ轴电压分量u
α
和u
β
。
[0038]
可以理解的是，对于电力系统三相电压，三相电压瞬时值及其对应的内电势旋转矢量e可表示为：
[0039][0040]
本实施例提供的clark变换的计算公式为：
[0041][0042]
s20，如图2和3所示，将αβ轴电压分量u
α
和u
β
经过锁幅锁相，提取出三相电压信号对应的内电势旋转矢量e的瞬时幅值a(t)和瞬时频率w(t)，然后将瞬时幅值a(t)通过低通滤波提取出其中的稳态幅值a0及扰动对应的幅值调制量并将瞬时频率w(t)分别经过高通滤波提取出其中的稳态频率w0及扰动对应的频率调制量
[0043]
在本实施例中，如图4所示，将αβ轴电压分量u
α
和u
β
经过锁幅锁相提取出瞬时幅值a(t)和瞬时频率w(t)的步骤，具体可以为：
[0044]
步骤1：将αβ轴电压分量u
α
和u
β
通过park变换得到dq旋转坐标轴电压分量ud和uq。
[0045]
步骤2：以uq＝0为控制目标，引入负反馈，将电压分量uq通过pi控制器调节，将调节量与初始频率ws叠加，得到瞬时频率w
pll
(t)；
[0046]
步骤3：将瞬时频率w
pll
(t)通过积分器得到瞬时相位θ
pll
，通过瞬时相位θ
pll
对park变换中的dp旋转坐标系的相位进行调整，如图5所示，当调整到uq＝0时，ud为瞬时幅值a(t)，w
pll
(t)为瞬时频率w(t)。
[0047]
进一步地，可利用标准二阶锁相环采用上述步骤1～步骤3的控制策略，将αβ轴电压分量u
α
和u
β
经过锁幅锁相，提取出三相振荡信号对应的内电势旋转矢量e的瞬时幅值a(t)和瞬时频率w(t)。
[0048]
进一步地，瞬时幅值a(t)和瞬时频率w(t)可分别通过低通滤波器进行低通滤波后，得到稳态幅值a0和频率w0；瞬时幅值a(t)和瞬时频率w(t)可分别通过高通滤波器进行高通滤波后，得到幅值调制量和频率调制量
[0049]
s30，将幅值调制量和频率调制量分别经过数字滤波，得到幅值调制量和频率调制量对应的正序旋转矢量的αβ轴分量。
[0050]
在步骤s30中，如图6所示，将幅值调制量经过数字滤波，得到正序旋转矢量的αβ轴分量的步骤可具体为：
[0051]
将幅值调制量与初始正序旋转矢量的α轴分量和初始负序旋转矢量的α轴分量作差，同时将零与初始正序旋转矢量的β轴分量和初始负序旋转矢量的β轴分量作差；然后将两个差值通过一正序旋转矢量幅值积分器，并经过一个增益，得到该幅值调制量对应的正序旋转矢量的αβ轴分量。其中，本实施例提供的正序旋转矢量幅值积分器中的传递函数
[0052][0053]
可以理解的是，对于幅值调制量有以下表达式：
[0054][0055]
将该幅值调制量与初始正序旋转矢量的α轴分量和初始负序旋转矢量的α轴分量作差，同时将零与初始正序旋转矢量的β轴分量和初始负序旋转矢量的β轴分量作差；然后将两个差值通过一正序旋转矢量幅值积分器，并经过一个增益，得到幅值调制量对应的正序旋转矢量的αβ轴分量。同时将两个差值通过一负序旋转矢量幅值积分器，并经过一个增益，得到幅值调制量对应的负序旋转矢量的αβ轴分量。其中，本实施例通过的正序旋转矢量幅值积分器中的传递函数负序旋转矢量幅值积分器中的传递函数为：
[0056]
经过以上变换，该数字滤波输出的正序旋转矢量的αβ轴分量和从0开始增加直至等于正序旋转矢量在αβ轴上分量的瞬时值，同时，输出的负序旋转矢量的αβ轴分量和从0开始增加直至等于负序旋转矢量在αβ轴上分量
的瞬时值。此时幅值调制量与初始正序旋转矢量的α轴分量和初始负序旋转矢量的α轴分量的差值为0，零与初始正序旋转矢量的β轴分量和初始负序旋转矢量的β轴分量的差值也为0，从而提取出旋转矢量
[0057]
同理，将频率调制量经过数字滤波，得到正序旋转矢量的αβ轴分量的步骤为：
[0058]
将频率调制量与初始正序旋转矢量的α轴分量和初始负序旋转矢量的α轴分量作差，同时将零与初始正序旋转矢量的β轴分量和初始负序旋转矢量的β轴分量作差；然后将两个差值通过另一正序旋转矢量幅值积分器，并经过一个增益，得到该频率调制量对应的正序旋转矢量的αβ轴分量。其中，本实施例提供的正序旋转矢量幅值积分器中的传递函数为
[0059][0060]
s40，由于调制量的幅值是调制量对应旋转矢量幅值的两倍，所以需将步骤30得到的正序旋转矢量的αβ轴分量均乘以2后，再对应通过锁幅锁相提取出幅值振荡的幅值aa、幅值振荡的频率wa及频率振荡的幅值aw和频率振荡的频率ww。提取到的稳态幅值a0、稳态频率w0、幅值振荡的幅值aa、幅值振荡的频率wa、频率振荡的幅值aw和频率振荡的频率ww构成该电力系统动态过程中的信号特征，然后通过上述式(1)即可确定该电力系统动态过程中交流电气量特征变化情况及规律。
[0061]
在步骤s40中，通过锁幅锁相提取出幅值振荡的幅值aa、幅值振荡的频率wa及频率振荡的幅值aw和频率振荡的频率ww的原理可参见前述步骤s20中的锁幅锁相原理，本实施例不再赘述。
[0062]
本实施例提供的用于电力系统动态过程中信号特征的提取方法，通过电力系统动态过程中交流电压电流的形成演化过程分析，认识到系统动态过程中信号的幅频调制机制，通过锁幅锁相获取瞬时幅值a(t)和瞬时频率w(t)，并通过低通、高通以及数字滤波得到幅频调制信号的所有特征，可准确地反映系统动态过程中交流电气量特征变化情况及规律，有利于对系统振荡进行监测和预警，并有效指导控制器参数设计以及附加阻尼控制实施等系统优化措施的开展。
[0063]
以下结合具体实施例，对本发明的原理进行详细说明：
[0064]
现在matlab/simulink中构建变换器并网系统如图7所示。为简化分析，该变换器控制部分仅考虑忽略了电压交叉解耦和端电压前馈的交流电流控制(acc)及锁相环(pll)。系统在3s之前处于稳态运行，在3s设置锁相频率偏离稳态运行点0.5rad/s，系统则在3s之后从扰动后的初值开始自由振荡发散。
[0065]
本发明提供的电力系统动态过程中信号特征的提取方法，步骤如下：
[0066]
步骤1：采集pcc点原始三相瞬时信号，如图8(a)所示，然后将三相瞬时信号进行clark变换为αβ轴电压分量u
α
和u
β
。
[0067]
步骤2：利用标准二阶锁相环锁出三相瞬时信号对应的内电势旋转矢量的瞬时幅
值/瞬时频率，如图8(b)中曲线所示。
[0068]
步骤3：利用低通/高通滤波器分离信号瞬时幅值/瞬时频率中的直流量及扰动对应的调制量，该直流量如图8(b)中直线所示，即为信号稳态特征，调制量如图8(b)中曲线与直线差值所示。
[0069]
步骤4：正序分量滤波器(pscf)将调制信号中的正负序旋转矢量分离，并只保留其中的正序旋转矢量。
[0070]
步骤5：将调制信号对应的旋转矢量幅值变为原来的两倍，再经过二阶锁相环，提取出该调制信号的调制特征，如图8(c)所示，至此，幅频调制信号的所有特征全部获得。
[0071]
以上各步骤中，信号瞬时值与其幅值/频率的对应关系如图中箭头所示。由于系统小扰动动态过程中，状态呈现发散振荡形态，故信号幅值/频率调制量的幅值呈增长形态。
[0072]
最后将以上信号解调出的各特征代入上述式(1)，分别计算信号幅值频率调制量及原始信号，拟合出的信号如图8(d)和(e)中虚线所示，信号特征与拟合信号的对应关系如图中箭头所示。将原始信号与拟合信号对比，可以看出，拟合信号与原始信号基本重合，证明本发明提供的信号提取方法效果很好。
[0073]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。