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        配電網(wǎng)μPMU相量和頻率動態(tài)測量算法的研究

        2021-09-05 10:40:36魏文震
        山東電力技術(shù) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:相角諧波幅值

        魏文震,王 欣,李 垚,呂 健,孫 磊

        (國網(wǎng)山東省電力公司淄博供電公司,山東 淄博 255032)

        0 引言

        配電網(wǎng)三相不平衡現(xiàn)象嚴(yán)重,重載負(fù)荷情況時有發(fā)生,非線性負(fù)荷使得配電網(wǎng)諧波存在情況加重。因此,面對結(jié)構(gòu)復(fù)雜,情況多變的配電網(wǎng),應(yīng)用于輸電網(wǎng)的傳統(tǒng)同步相量測量單元(Phasor Measurement Unit,PMU)技術(shù)已無法滿足相量測量精度的要求。針對配電網(wǎng)的特點,研制了一種適用于配電網(wǎng)的微型同步相量測量單元(Micro Phasor Measurement Unit,μPMU)與故障錄波裝置,該裝置相對PMU 來說體積小、成本低、安裝方便,能滿足智能電網(wǎng)大面積配置的需求[1-3]。由于該裝置采用的相量測量算法的動態(tài)監(jiān)測性能和測量精度有限,急需要一種適合配電網(wǎng)的同步相量測量算法[4-8]。

        傳統(tǒng)的PMU 測量算法通常采用靜態(tài)相量模型。配電網(wǎng)由于非線性負(fù)載和分布式電源的接入,使得電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜,頻率波動和諧波干擾等更明顯,為了更好地對幅值、相角、功率波形和頻率的動態(tài)變化進(jìn)行精確測量和跟蹤,需要在傳統(tǒng)的相量測量算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),研究適合配電網(wǎng)的同步相量測量算法[9-10]。文獻(xiàn)[11]利用泰勒級數(shù)對時變相量進(jìn)行建模,通過相量導(dǎo)數(shù)來修正系統(tǒng)動態(tài)特性對相量測量精度的影響,但計算量大,實用性不高。文獻(xiàn)[12]提出一種利用時域和頻域信息的動態(tài)同步相量測量算法,在低頻振蕩等動態(tài)條件下,該算法能有效降低信號動態(tài)特性對測量精度的影響。文獻(xiàn)[13]在相量動態(tài)模型的基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)的離散傅里葉變化法(Discrete Fourier Transform,DFT)進(jìn)行改進(jìn),提出了一種插值離散傅里葉變化法(Interpolation Discrete Fourier Transform Method,IpDFT)。文獻(xiàn)[14]中按照使用性能將PMU 分為P 類和M 類,前者的測量速度快,精度較差,致力于電網(wǎng)的保護(hù)操作;后者測量速度慢,需要擁有更高的穩(wěn)態(tài)測量精度,適合測量應(yīng)用。文獻(xiàn)[15]提出了一種同時適用于P 類和M 類的相量和頻率測量算法。該算法在對相量波動進(jìn)行跟蹤時,要求測量不確定性要小,其測量結(jié)果很難滿足IEEE c37.118.1—2011 標(biāo)準(zhǔn)的要求。綜上所述,現(xiàn)有的同步相量測量算法是無法直接應(yīng)用于配電網(wǎng)的。

        在所研制的配電網(wǎng)μPMU 與故障錄波裝置的基礎(chǔ)上[2],提出了一種適合配電網(wǎng)動態(tài)監(jiān)測的同步測量算法。首先,建立動態(tài)電力信號模型,利用漢寧窗對信號模型進(jìn)行加窗處理,通過IpDFT 計算出加窗信號的頻率值及二次諧波的幅值和相角,從加窗信號中去除二次諧波;然后利用所提的泰勒加權(quán)最小二乘算法(Taylor Weighted Least Square Algorithm,TWLS)對處理后的動態(tài)信號進(jìn)行相量和頻率的估計,最后通過MATLAB 仿真分析驗證所提算法的動態(tài)測量性能。

        1 理論分析

        1.1 信號的建模

        對于含噪聲干擾的動態(tài)電力信號波形模型可以表示為:

        式中:?(t)為初相角;a(t)和φ(t)分別為相量的幅值和相位;Re{·}為實部的求?。籦(t)為均值為0、方差為δ2的高斯白噪聲;p(t)為動態(tài)相量;f0為參考頻率。其中,φ(t)為

        式中:F為瞬時頻率f和參考頻率f0間的差值,即F=(f-f0)。

        在動態(tài)條件下,相量是個時變量。由于泰勒級數(shù)是表征信號動態(tài)特性的有力工具,可以將其引入到電力信號動態(tài)相量的表示中。通常情況下,信號的基波分量變化相對緩慢,對于tn時刻的動態(tài)相量p(tn)可以通過K階泰勒級數(shù)展開式來近似求解。

        式中:n為不同采樣點;Nh為最后一次采樣;T為泰勒時間間隔;Δ為泰勒級數(shù)誤差;K為動態(tài)信號用泰勒級數(shù)表示的最高階次,K取值越大,p(tn)越接近于真實值。但K越大,運(yùn)算量越大,算法所需時間越長,會加大噪聲對算法的影響。

        將式(4)代入式(1),借助歐拉公式可以得到泰勒級數(shù)展開后的電力系統(tǒng)動態(tài)信號模型為

        式中:(·)*為共軛。

        1.2 基于動態(tài)模型的同步相量測量算法

        考慮到計算速度和存儲容量等方面的限制,對于連續(xù)信號只能從中截取有限時長的樣本加以處理。信號截短由于不能完全反映原信號的頻率特性必然會對數(shù)據(jù)處理結(jié)果造成影響。因此窗函數(shù)的選取對于改善頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)對離散頻譜分析的影響非常重要。

        假設(shè)信號在采樣周期T0=1/f0內(nèi)的采樣數(shù)為N0,則在泰勒時間間隔T內(nèi)的采樣數(shù)N=[(T/T0)N0],[·]表示就近取奇。如果t=0 時也進(jìn)行采樣,則N=2Nh+1。令第l 次采樣窗的中心位置作為參考時刻,以采樣頻率(fs=Nf0)對式(4)進(jìn)行離散化處理,可得信號的離散序列為

        式中:ω0=2π/T0為參考角頻率;p為動態(tài)偏差因子;pk與動態(tài)相量的導(dǎo)數(shù)有關(guān),為

        此時,信號誤差和相量估計值誤差分別為

        式中:σ為信號誤差為相量的估計偏差;y為y(n)構(gòu)成的列矩陣,為

        由于式(8)得到的誤差較大,考慮到泰勒誤差與Δt的取值有關(guān),Δt越小,泰勒誤差越小。因此,可以通過對采樣區(qū)間進(jìn)行加窗處理來有效減小測量誤差,則式(9)可以寫為:

        式中:w(n)為所加窗的時域表示形式;W為時域窗的連續(xù)頻譜。選取的窗函數(shù)為漢寧窗,漢寧窗的時域函數(shù)表達(dá)式為

        加窗后的信號為

        經(jīng)加窗處理后,利用TWLS法得到tn時刻的動態(tài)相量估計值為

        通過上述方法可以進(jìn)一步計算出與相量相關(guān)的參數(shù),如頻偏(Frequency Deviation,F(xiàn)D)FD和頻率變化率(Rate of Change of Frequency,ROCOF)ROCOF,性能評價指標(biāo):相量總誤差(Total Vector Error,TVE)TVE、頻率誤差(Frequency Error,F(xiàn)E)FE和頻率變化率誤差(Rate of Change of Frequency Error,RFE)RFE。

        1.3 動態(tài)算法的實現(xiàn)

        在IpDFT 的基礎(chǔ)上提出一種TWLS 動態(tài)相量測量算法,提高了動態(tài)測量精度,并結(jié)合同步相量測量標(biāo)準(zhǔn)分析了算法的性能,TWLS 算法的流程如圖1所示。

        圖1 TWLS算法的實現(xiàn)流程

        利用TWLS 進(jìn)行相量的動態(tài)估計可分為兩步:首先,通過IpDFT 對信號頻率進(jìn)行初始估計,其值作為TWLS 中的參考頻率;最后,利用TWLS 法消除動態(tài)信號和相量中的干擾,達(dá)到提高測量精度的目的。對頻率估計時,對頻率進(jìn)行四舍五入取整。以上算法稱為TWLS-IpDFT法。

        1.4 算法的具體步驟

        TWLS-IpDFT算法的具體步驟為:

        1)對信號y(n)的J個波形周期進(jìn)行N次采樣,n=0,1,…,N-1,其中N=Jfs/50+1。

        2)對信號進(jìn)行加窗處理yw(n)=y(n)w(n),其中w(n)為漢寧窗。

        4)去除二次諧波后,確定新的信號y1(n)。

        采用漢寧采樣時,數(shù)據(jù)窗J至少等于3 才能保證IpDFT 對頻率的估計足夠精確。此條件在實際工程中并不影響估計性能,因為該算法頻率變化的魯棒性要比相量變化的魯棒性差。

        2 仿真分析

        2.1 窗函數(shù)的選取

        頻譜泄漏現(xiàn)象與窗函數(shù)譜的旁瓣有關(guān),如果旁瓣的幅度趨于零,使能量相對集中在主瓣,就能得到與真實值較為接近的頻譜。工程中常用的窗函數(shù)有:矩形窗、海明窗、布萊克窗和漢寧窗等[19-20]。窗函數(shù)為100時,漢寧窗的頻域仿真分析如圖2所示。

        圖2 窗函數(shù)為100時漢寧窗的頻域分析

        窗函數(shù)的選取原則是:窗譜主瓣要窄而高,從而提高分辨率;旁瓣幅度要小,從而減小頻譜的泄露。

        考慮到旁瓣的衰減程度越大能量泄露越小,且主瓣和旁瓣、旁瓣與旁瓣間的干涉影響越小,再結(jié)合電力信號帶寬窄、干擾強(qiáng)的特點,選用旁瓣幅度較小、衰減程度較大的漢寧窗采樣較為合適。

        2.2 性能評價標(biāo)準(zhǔn)

        IEEE C37.118.1—2011 中規(guī)定了同步相量測量的測試標(biāo)準(zhǔn):TVE、FE、RFE。通過以上標(biāo)準(zhǔn)檢查相量測量算法的時間同步性和相量計算誤差[14]。TVE、FE、RFE的定義分別為

        式中:Xr(n)、Xi(n)分別為相量真實值的實部和虛部;Xr和Xi分別為相量測量值的實部和虛部;ftrue為頻率真實值;fmeasured為測量值;Δfmeasured為頻偏的測量值;Δftrue為頻偏的真實值。

        2.3 仿真條件

        利用MATLAB 對算法的性能進(jìn)行全面測試分析,通過仿真數(shù)據(jù)對上述算法進(jìn)行驗證,并利用相量測量裝置驗證算法在實際系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。與傳統(tǒng)DFT 法進(jìn)行比較,分別對幅值調(diào)制、諧波影響、信號突變3 個重要指標(biāo)下的穩(wěn)態(tài)性能和階躍響應(yīng)下的動態(tài)性能作重點分析。仿真中,采樣頻率為10 kHz,漢寧采樣數(shù)據(jù)窗為兩個波形周期(在工頻下每個數(shù)據(jù)窗的采樣數(shù)為400)。

        通過選取合適的泰勒級數(shù)展開項K,在保證測量速度的同時增加了測量精度,由表1 仿真結(jié)果可見,當(dāng)K=8時,測量結(jié)果的精度可滿足要求。

        表1 K=8時,TWLS-IpDFT法的同步相量測量精度

        2.4 TWLS-IpDFT算法的性能分析

        2.4.1 突變等動態(tài)過程的仿真分析

        為測試TWLS-IpDFT 算法對突變等動態(tài)過程的響應(yīng)性能,在t=20 ms時對輸入信號施加90°的相角階躍信號,并與傳統(tǒng)的DFT 法進(jìn)行比較,各算法的階躍相應(yīng)仿真曲線如圖3 所示。測試信號為

        圖3 動態(tài)響應(yīng)曲線

        信號的初始相角?(t)為π6,參考頻率f0取IpDFT 中計算得到的加窗信號頻率值。由圖3可知,TWLS-IpDFT 算法的動態(tài)響應(yīng)效果較好,比傳統(tǒng)的DFT 算法有著更好的相角測量精度,且跟蹤效果較好。這是由于傳統(tǒng)的算法把工頻作為參考頻率對相量進(jìn)行測量,其動態(tài)測量效果不佳;TWLS-IpDFT 法通過IpDFT 對信號頻率進(jìn)行初始估計,將估計值作為參考頻率,并選取漢寧窗作為窗函數(shù),使得該算法動態(tài)測量效果較好。

        2.4.2 幅值和相位調(diào)制對算法精度的影響

        1)幅值調(diào)制。

        系統(tǒng)正常運(yùn)行時頻偏為0.1~0.2 Hz,且規(guī)定系統(tǒng)故障時頻偏應(yīng)盡快恢復(fù)到±0.5 Hz 以內(nèi)。因此,信號的參考頻率f0分別取49.5 Hz、50.5 Hz。調(diào)制頻率ft在0.1~3 Hz 內(nèi)連續(xù)變化,調(diào)制幅值為10%的基波幅值。對頻率振蕩時波峰、波谷時刻的基波幅值誤差和全時段的最大相角誤差進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖4所示。被測信號為

        圖4 幅值調(diào)制下TWLS-IpDFT法的幅值和相角誤差

        由圖4 可知,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)IEEE StdC37.118.1—2011:波峰幅值誤差<0.2%,波谷幅值誤差<0.2%,最大相角誤差<0.5°,最大TVE<1%[14],當(dāng)信號發(fā)生低頻振蕩時,TWLS-IpDFT法對同步相量仍能進(jìn)行精確的計算,當(dāng)調(diào)制頻率增加時,測量誤差有所增加,但仍保持在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍以內(nèi)。表2 為TWLS-IpDFT 法在信號幅值調(diào)制下的最大測量誤差。

        表2 TWLS-IpDFT法在幅值調(diào)制下的最大誤差

        2)相位調(diào)制。

        相位調(diào)制情況下的被測信號設(shè)為

        式中:ω為角速度;h為同步采樣數(shù);φ為初相位。

        相位調(diào)制幅值為0.1 rad,調(diào)制頻率為0.1~3 Hz,采樣頻率為5 400 Hz,初始相位設(shè)為π/3,h取1 024。對參考頻率分別為49.5 Hz,50 Hz,50.5 Hz 的3 種信號進(jìn)行仿真測試,測量誤差如圖5 所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的TVE應(yīng)在1%以內(nèi),最大FE為0.3 Hz,最大RFE為10 Hz/s,結(jié)合圖5 可知,TWLS-IpDFT 的測量誤差隨調(diào)制頻率的增加而顯著增加,但誤差比較小,能夠滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的要求。

        圖5 相位調(diào)制下TWLS-IpDFT 法的最大TVE、FE、RFE

        2.4.3 諧波和噪聲抑制分析

        1)諧波分析。

        對電壓、電流信號注入諧波,被測信號為

        對信號的相量幅值、相角誤差和頻率誤差進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖6所示。

        圖6 諧波干擾下TWLS-IpDFT法的幅值、相角和頻率誤差仿真

        由圖6 可知,TWLS-IpDFT 法和DFT 法都受諧波的影響較大,且DFT 法不能很好地滿足TVE誤差要求,而TWLS-IpDFT 法測量精度更高,在保持跟蹤速度的同時對信號的跟蹤精度也比較高。通過對比可知,所提方法在諧波影響方面要優(yōu)于傳統(tǒng)方法。表3為諧波影響下的最大誤差分析。

        表3 諧波影響下的最大誤差

        2)噪聲分析。

        考慮白噪聲對TWLS-IpDFT 法的影響。當(dāng)式(27)中的信號加入白噪聲b(t)時,其分布特性為N(0,0.0012),同樣使用上述兩種算法對信號進(jìn)行測量,得到的TVE值如圖7所示。

        圖7 噪聲干擾下的TVE誤差

        2.4.4 頻率偏移仿真分析

        在動態(tài)模型(1)中取幅值為1,參考頻率f0=50 Hz 的信號進(jìn)行頻偏對算法測量精度的仿真分析,頻偏的范圍為-3~3Hz,信號表達(dá)式為

        式中:p(t)為待測相量。頻偏(f-f0)分別取不同值時,對DFT 法和TWLS-IpDFT 法的相量測量結(jié)果進(jìn)行比較,包括幅值、相角誤差及TVE值,仿真結(jié)果如圖8所示。

        圖8 頻率偏移下的幅值、相角誤差及TVE值

        由圖8 可知,隨頻偏的增加,兩種算法的測量誤差也隨之增大,但TWLS-IpDFT法的測量誤差相對較小,而DFT法的誤差增加較明顯。TWLS-IpDFT法幅值、相角及TVE誤差的波動性及總量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于DFT法,雖然隨著頻率偏移的增大,算法的測量精度有所降低,但仍在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。

        3 結(jié)語

        提出了一種配電網(wǎng)μPMU 相量和頻率測量的動態(tài)測量方法,利用漢寧窗對動態(tài)信號進(jìn)行加窗處理,并對J個波形周期進(jìn)行采樣,提高了算法的動態(tài)特性,減少了運(yùn)算量。

        將IpDFT 法計算出加窗信號的頻率值作為算法的參考頻率,計算出二次諧波的幅值和相角,得到去除二次諧波后的加窗信號,從而提高相量和頻率的測量精度。

        利用TWLS-IpDFT 法對相量的幅值、相位,相量總誤差、頻率誤差和頻率變化率誤差進(jìn)行估計,通過對突變狀態(tài)、調(diào)制、頻率偏移、諧波影響方面的仿真分析,結(jié)合同步測量標(biāo)準(zhǔn),并與傳統(tǒng)的DFT 法進(jìn)行對比,表明該算法對相量、頻率的測量精度和計算速度有一定的提高,能滿足在線計算的要求,具有一定的實用性。

        綜合以上分析,所提出的TWLS-IpDFT法能夠基本滿足配電網(wǎng)動態(tài)同步相量測量的要求。該算法的測量精度高,運(yùn)算量小,對之前μPMU 裝置的改進(jìn)具有指導(dǎo)作用,對配電網(wǎng)的實時動態(tài)監(jiān)測具有重要意義。后續(xù)將對原有裝置進(jìn)行改進(jìn),研制一種成熟的適合配電網(wǎng)的高精度μPMU。

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