哈爾濱電氣集團(tuán)阿城繼電器有限責(zé)任公司 林恩民

1.概述

同期并網(wǎng)是電力系統(tǒng)中頻繁而又重要的操作，為保證供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，要求同期裝置控制并網(wǎng)必須具備安全可靠、快速的特點(diǎn)。相角差和頻率差的準(zhǔn)確計(jì)算是保證可靠并網(wǎng)的關(guān)鍵因素。

硬件測(cè)頻、測(cè)相角具有程序簡(jiǎn)單、在電網(wǎng)中沒有干擾情況下測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，但在干擾較大情況下測(cè)量誤差較大，會(huì)直接影響并網(wǎng)質(zhì)量。

軟件測(cè)頻相對(duì)于硬件測(cè)頻而言，程序工作量較大，在電網(wǎng)中沒有干擾情況下測(cè)量精度不如硬件高，但是在有干擾情況下測(cè)量精度優(yōu)于硬件，而且干擾越強(qiáng)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)越明顯。

目前在微機(jī)自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置中普遍只采用硬件測(cè)量頻率和相角差的方法。當(dāng)今電力系統(tǒng)污染日益嚴(yán)重，如何在諧波、噪聲干擾條件下保證高質(zhì)量并網(wǎng)是同期裝置開發(fā)過程中首先要解決的問題。

同期裝置在并網(wǎng)過程中若能夠利用軟、硬件測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)中沒有干擾或干擾較小情況下采用硬件測(cè)量結(jié)果計(jì)算導(dǎo)前時(shí)間控制并網(wǎng)；在干擾較強(qiáng)條件下采用軟件測(cè)量結(jié)果計(jì)算導(dǎo)前時(shí)間控制并網(wǎng)可有效提高并網(wǎng)質(zhì)量有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.軟件測(cè)頻、測(cè)相角差原理

2.1 軟件測(cè)頻原理

長(zhǎng)期以來，人們研究出了許多測(cè)頻算法，有最小二乘算法[1]、遞推富氏算法[2]、全波富氏算法[3]、卡爾曼濾波算法[4]等。最小二乘法算法受諧波影響大，卡爾曼濾波的計(jì)算量偏大，影響實(shí)際應(yīng)用?；诟皇蠟V波的測(cè)頻算法具有較強(qiáng)的濾波能力，并且其計(jì)算數(shù)據(jù)還可用于電壓幅值測(cè)量，因而具有較好的實(shí)用性。文獻(xiàn)[2][3]分別討論了遞推富氏濾波及全周富氏濾波測(cè)頻算法。相比之下，后者的濾波性能好于前者。同時(shí)，由于后者的計(jì)算量在一個(gè)周波內(nèi)與前者相差不大，因此本文基于全周富氏濾波頻率跟蹤算法進(jìn)行討論。

首先假設(shè)系統(tǒng)電壓可表示為：

設(shè)當(dāng)前待測(cè)系統(tǒng)頻率為f， 每周波采樣N點(diǎn)，采樣頻率為NfV。將式(1)離散化為

其離散富立葉變換為：

當(dāng)Δf=f-fv=0時(shí)，可以證明：

uc=umsinθ，us=umcosθ。

即：電壓向量的相角與其富氏濾波相量的相角大小相等。設(shè)相鄰N點(diǎn)相量間的相角為δ，此角同時(shí)也表示電壓向量變化的角度。

可推出頻率表達(dá)式：

采用全周富氏 濾波算法均通過式(5)計(jì)算系統(tǒng)頻率與采樣頻率之差，同時(shí)調(diào)整采樣頻率達(dá)到頻率跟蹤的目的。

2.2 軟件測(cè)相角差原理

從輸入信號(hào)中抽取基波分量，求出基波分量的虛部和實(shí)部，再利用其比值的反正切求出相位角。同理計(jì)算另一側(cè)相位角，進(jìn)而求出兩側(cè)電壓的相位差。

2.3 保證軟件測(cè)頻、相角差存在的問題

在軟件測(cè)頻的計(jì)算中假定采樣頻率是信號(hào)頻率的整數(shù)倍，否則計(jì)算出的頻率和相角差存在因采樣不同步導(dǎo)致的誤差。

本實(shí)用新型所要解決的問題包括：

(1)軟件測(cè)量頻率精度，軟件測(cè)量相角精度；

(2)并網(wǎng)過程中兩側(cè)頻率值相差較大時(shí)如何保證兩側(cè)頻率、角度的計(jì)算精度；

(3)依據(jù)硬件測(cè)量頻率、相角計(jì)算導(dǎo)前時(shí)間還是依據(jù)軟件測(cè)量頻率、相角計(jì)算導(dǎo)前時(shí)間控制合閘的判別，從而有效保證并網(wǎng)質(zhì)量和并網(wǎng)速度。

3.具體實(shí)施方法

3.1 軟件測(cè)量頻率

圖1 啟動(dòng)并網(wǎng)后程序流程

基于富氏濾波的測(cè)頻算法具有較強(qiáng)的濾波能力，并且其計(jì)算數(shù)據(jù)還可用于電壓幅值測(cè)量，因而具有較好的實(shí)用性。

實(shí)現(xiàn)中針對(duì)電壓信號(hào)中諧波分量對(duì)測(cè)頻精度的影響，設(shè)計(jì)了數(shù)字帶通濾波器，對(duì)實(shí)時(shí)采集電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理以減小諧波成分，進(jìn)而提高了測(cè)頻精度。采用全周傅氏變換計(jì)算輸入信號(hào)的實(shí)部和虛部，計(jì)算相鄰N點(diǎn)的相角，計(jì)算相角的過程中為采用查表加線性插值方法來提高角度計(jì)算速度和精度。仿真試驗(yàn)表明算法實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確，對(duì)諧波有較好的抑制能力，適合于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和測(cè)量的要求。

3.2 軟件測(cè)量相角

采用傅立葉變換計(jì)算相位差的方法，從輸入信號(hào)中抽取基波分量，求出基波分量的虛部和實(shí)部，再利用其比值的反正切求出相位角。設(shè)斷路器一側(cè)為系統(tǒng)電壓Ua，其基波頻率為fa。假定裝置采樣頻率為基頻的N倍，即Nfa，取時(shí)間窗為一個(gè)基波周期T(T=1/fa)，對(duì)Ua進(jìn)行傅立葉變換，計(jì)算出基波的實(shí)部和虛部分別為Uar=Ucosθ，Uai=Usinθ。由此得電壓ua的基波相位角θ=arctg(Uai/ Uar)，同理計(jì)算另一側(cè)相位角，進(jìn)而求出兩側(cè)電壓的相位差。

3.3 并網(wǎng)過程中兩側(cè)頻率值相差較大時(shí)如何保證兩側(cè)頻率、角度的計(jì)算精度

在軟件測(cè)頻的計(jì)算中假定采樣頻率是信號(hào)頻率的整數(shù)倍，否則計(jì)算出的頻率存在采樣不同步誤差，勢(shì)必影響頻率和相位差計(jì)算準(zhǔn)確度，因此必須進(jìn)行頻率跟蹤采樣。但是，同期點(diǎn)兩側(cè)存在著不同步的兩個(gè)電壓信號(hào)，而同期裝置一般只有一個(gè)采樣頻率，若裝置只能對(duì)其中一個(gè)信號(hào)進(jìn)行頻率跟蹤采樣。這樣當(dāng)斷路器兩側(cè)電壓的頻差較大時(shí)，頻率差的計(jì)算誤差也較大。開發(fā)過程中曾采用多種修正方法，但效果不是特別理想。從根本上解決此問題，保證軟件計(jì)算頻率差和相角差的準(zhǔn)確性，最有效的解決方法便是對(duì)兩側(cè)信號(hào)分別進(jìn)行頻率跟蹤采樣。

3.4 保證兩側(cè)采樣的適時(shí)性

兩側(cè)電壓信號(hào)采樣時(shí)刻的準(zhǔn)確性是保證頻率和相角計(jì)算精度關(guān)鍵，因此將“采樣中斷優(yōu)先級(jí)”在CPU優(yōu)先級(jí)的分配中設(shè)定為最高，它可打斷任何正在執(zhí)行的其它“中斷”和“任務(wù)”。但是同一時(shí)刻CPU只能處理一側(cè)采樣，此時(shí)如果另一側(cè)也有采樣要求則只能等待，必然會(huì)影響另一側(cè)采樣的適時(shí)性，等待時(shí)間過 長(zhǎng)則必然影響另一側(cè)的電壓有效值、軟件測(cè)頻、相角等各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果。因此必須盡可能的減少兩側(cè)采樣中斷用時(shí)從而縮短采樣中斷的等待時(shí)間，為此采樣中斷再執(zhí)行完采樣后立即退出，以后的電壓有效值等各種計(jì)算放在隨后啟動(dòng)的“任務(wù)”中進(jìn)行。經(jīng)以上措施后兩側(cè)頻率和相位計(jì)算誤差達(dá)到精度要求。

3.5 依據(jù)硬件測(cè)量頻率、相角計(jì)算導(dǎo)前時(shí)間還是依據(jù)軟件測(cè)量頻率、相角計(jì)算導(dǎo)前時(shí)間控制合閘的判別

裝置不斷監(jiān)視兩側(cè)電壓信號(hào)的干擾，在噪聲和諧波較小情況下，采用硬件測(cè)量頻率、相角差計(jì)算導(dǎo)前時(shí)間，控制發(fā)出合閘脈沖；當(dāng)噪聲和諧波超過一定強(qiáng)度，裝置自動(dòng)采用軟件測(cè)量頻率、相角差計(jì)算導(dǎo)前時(shí)間控制合閘。具體完成程序流程如圖1所示。

4.結(jié)論

本文針對(duì)目前準(zhǔn)同期普遍存在的測(cè)頻不足，利用全周富氏濾波算法解決了測(cè)頻不準(zhǔn)問題，同時(shí)已經(jīng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，取得比較好的效果，具有較高的使用價(jià)值。

[1]SachdevM S,GirayM M.A least error squares technique for determ ining power system frequency.IEEE Trans on PA S,1985,104(2).

[2]Phadk A G et al.A new measurement technique for tracking voltage phase,local system frequency,and rate of change of frequency.IEEE Trans on PA S,1983,102(5).

[3]Benmouyal G.An adaptive sampling2interval generator for digital relaying.IEEE Trans on PWRD,1989,4(3).

[4]Girgis A A et al.Adaptive estimation of power system frequency deviation and its rate of change for calculating sudden power system.