林 彬

（國網(wǎng)山西省電力公司長治供電公司，山西 長治 046000）

同步相量測量技術(shù)研究

林 彬

（國網(wǎng)山西省電力公司長治供電公司，山西 長治 046000）

同步相量測量技術(shù)是指在全網(wǎng)統(tǒng)一的時(shí)標(biāo)下，對電力系統(tǒng)的不同節(jié)點(diǎn)的電壓和電流進(jìn)行同步采樣，生成各節(jié)點(diǎn)電壓和電流相量的正序相量，然后將這些信息以一定格式的數(shù)據(jù)包上傳到控制中心。文章在統(tǒng)一的時(shí)間坐標(biāo)系上，對電力系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行了分析。

同步相量；測量原理；測量方法；研究

隨著電力系統(tǒng)對其監(jiān)測要求的不斷提高，在全網(wǎng)范圍內(nèi)建立動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)顯得越來越重要。以同步相量測量技術(shù)為基礎(chǔ)形成的廣域測量系統(tǒng)(WAMS)，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測，為電力系統(tǒng)的安全分析和穩(wěn)定控制提供了新的方法和手段。

1 同步相量測量原理

隨著電力系統(tǒng)中電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的逐年擴(kuò)大，相量分析在電力系統(tǒng)也將成為重要的工具，電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)中相量的實(shí)時(shí)測量也顯得尤為重要。在系統(tǒng)的運(yùn)行中，母線的電壓相角差決定了有功潮流的變化。同步相量測量時(shí)，利用GPS信號對母線的電流電壓進(jìn)行測量，通過比較分析，測算出相角、幅角和頻率對電網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)控和測量，也是后續(xù)進(jìn)一步應(yīng)用的關(guān)鍵前提，其采用的算法必須滿足高可靠性、高精確度、強(qiáng)實(shí)時(shí)性的要求。計(jì)算相量、頻率的典型算法，有周期法、遞歸DFT變換算法。

2 同步相量測量技術(shù)方法

2.1 過零檢測法

過零檢測法是通過測量工頻信號在零點(diǎn)時(shí)刻和某一特定的時(shí)候相比較，是一種較為直觀的方法。

如公式（1），在過零比較器能將正弦波變?yōu)榉讲ㄖ?，輸入三相交流及測量CPU信號，利用方波上升時(shí)檢測正弦波的過零時(shí)刻。標(biāo)準(zhǔn)50Hz信號的相位是由計(jì)時(shí)器通過相鄰的標(biāo)準(zhǔn)50Hz信號的過零點(diǎn)時(shí)差轉(zhuǎn)化而來。此信號全網(wǎng)統(tǒng)一。

圖1 過零檢測原理

過零測量方法的優(yōu)點(diǎn)是在硬件上較為容易實(shí)現(xiàn)且方法簡單，缺點(diǎn)是系統(tǒng)電壓頻率在實(shí)際中是波動(dòng)運(yùn)行的，而此方法是假定不變的。而且過零檢測法在電壓發(fā)生畸變的情況下，會造成誤差。

2.2 遞歸DFT算法

首先選定采樣間隔 ，采樣時(shí)間滿足t＝k ，k是自然數(shù)。則我們可以得到。

相量X可表示為：

其中：

一般在運(yùn)算中會采用改進(jìn)的遞歸DFT算法，在（3）式中，能夠得到兩個(gè)實(shí)時(shí)采用值：

則根據(jù)（3）可以得到：

需要明確的一點(diǎn)是我們需要的是正序相量，因?yàn)榉€(wěn)定問題的研究對象——系統(tǒng)母線電壓和頻率測量的基礎(chǔ)是正序相量，所以我們通過遞歸DFT算法計(jì)算出每一相電壓（電流）的相量后，還要合成為正序相量。由電力系統(tǒng)相關(guān)知識可知，由三相求正序的關(guān)系為：

相量在復(fù)數(shù)空間內(nèi)逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)為正方向，相角沿逆時(shí)針方向增大。同時(shí)還要考慮的一點(diǎn)是，非標(biāo)準(zhǔn)頻率的信號利用此方法會產(chǎn)生周期性變化，幅值和角度需在（8）式中進(jìn)行平滑。

在采用序列兩相鄰的過零點(diǎn)還可以利用線性插值法來獲得頻率。假設(shè)采樣序列為x(i)，采樣間隔為，Ts，Ts=T／N，其中T為工頻信號周期，N為數(shù)窗口大小。如果有x(k1)?x(k1+1)＜0，說明在x(k1)與x(k1+1)之間存在一個(gè)過零點(diǎn)，利用線性插值有：

其中：Δk1為過零點(diǎn)與采樣點(diǎn)x(k1)之間的距離，Δk1·Ts為相距時(shí)間。

同理，可以求得另一相鄰過零點(diǎn)與采樣點(diǎn)x(k2)之間的距離：

考慮特殊情況，如果x(k)=0則對應(yīng)Δk=0，因此，輸入信號的周期及頻率可由下式獲得：

2.3 衰減直流分量對傅利葉算法造成誤差分析及改進(jìn)措施

在傅里葉采用序列中若一周的采用點(diǎn)為N，如果在采用值中U(N)≠U(0)的電壓幅值，則說明存在衰減直流分量。設(shè)輸入電壓信號為式(13)形式：

由傅里葉公式可知，基波分量實(shí)部誤差Δk1、虛部誤差Δk2分別是：

以上的分析計(jì)算結(jié)果表明，都需彌補(bǔ)衰減直流分量對傅利葉算法帶來的誤差。不論是近似濾去衰減法還是精確濾去衰減法都很復(fù)雜。

可以再進(jìn)行傅里葉變換前濾去故障信號的衰減直流分量，步驟如下：首先查看是夠存在直流分量的衰減，然后在不同的兩個(gè)t1、t2。

對電壓進(jìn)行周期T內(nèi)的積分，可以令t1=0、t2=Ts(采樣周期)，則有：

上式中：若S1、S2相減不為0，則說明直流分量存在衰減，要先濾去直流分量后在進(jìn)行傅里葉變化；若S1、S2相減為0，則說明直流分量不存在衰減，可以直接進(jìn)行傅里葉變化。由式(16)(17)解方程可得：

U’(r)是經(jīng)過采樣點(diǎn)U(r)補(bǔ)償后說得，U(r)與U’(r)間關(guān)系如式(19)所示：

然后對U’(r)進(jìn)行離散傅利葉變換，可以計(jì)算出基頻電壓幅值和相角。

3 結(jié)束語

文章對PMU裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行了細(xì)致地分析和研究。得出以下結(jié)論：

（1）PMU在算法上采用計(jì)算量小的的遞歸DFT算法，考慮到衰減直流分量對DFT算法的影響，對算法做出了相應(yīng)的改進(jìn)。

（2）采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)的同步時(shí)鐘的同時(shí)，考慮取GPS作為備用對時(shí)信息，使授時(shí)單元進(jìn)一步增強(qiáng)了其可靠性和準(zhǔn)確性。

（3）星寨站內(nèi)部利用DL/T860組建局域網(wǎng)，使網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)間通訊可靠，靈活而且實(shí)時(shí)性好。同時(shí)，可以避免數(shù)據(jù)的堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目理論上沒有限制。

（4）PMU在廣域測量系統(tǒng)中占有尤其重要的地位。

表2 磨削輥清潔持持續(xù)時(shí)間試驗(yàn)

（3）機(jī)罩清潔持續(xù)時(shí)間。其它參數(shù)不變，降低機(jī)罩清潔持續(xù)時(shí)間，統(tǒng)計(jì)閘板達(dá)不到位停機(jī)時(shí)間并與之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。經(jīng)過在線試驗(yàn)，確定機(jī)罩清潔持續(xù)時(shí)間參數(shù)設(shè)定在7s時(shí)，為最優(yōu)參數(shù)（見表3）。

表3 機(jī)罩清潔持續(xù)時(shí)間試驗(yàn)

3 結(jié)束語

按照90s、7s、7s對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行修改并進(jìn)行試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)了10月份切絲機(jī)故障停機(jī)時(shí)間，得出數(shù)據(jù)（見表4）。切絲機(jī)故障停機(jī)時(shí)間從改進(jìn)前的150min下降為改進(jìn)后的56.5min，降低了93.5min。經(jīng)過本次課題實(shí)施，建立了切絲機(jī)磨刀系統(tǒng)的保養(yǎng)細(xì)則，便于車間推廣實(shí)施。車間維修人員課題實(shí)施過程中編寫了Tobspin切絲機(jī)操作與維修培訓(xùn)教材，教材中對切絲機(jī)磨刀系統(tǒng)等部位的日保、周保、年保標(biāo)準(zhǔn)。按照每月4周時(shí)間來算的話，三條制絲線的時(shí)間效益：月×周×節(jié)約時(shí)間×生產(chǎn)線=12×4×93.5min×3=13464min=224.4h。通過對切絲機(jī)磨削裝置參數(shù)的優(yōu)化，使切絲機(jī)故障停機(jī)時(shí)間得到了明顯的降低，生產(chǎn)效率提升，過程流量穩(wěn)定性得以提高。節(jié)約的不僅僅是時(shí)間，還節(jié)約了生產(chǎn)過程中的水、電、氣、汽、人工等各項(xiàng)費(fèi)用，減少了設(shè)備的磨損，從而降低了產(chǎn)品的制造成本。

TM930.12

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1671-3818（2016）04-0057-02