一種應(yīng)用軟件和硬件測頻相結(jié)合技術(shù)的新型準(zhǔn)同期裝置

哈爾濱電氣集團阿城繼電器有限責(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。相角差和頻率差的準(zhǔn)確計算是保證可靠并網(wǎng)的關(guān)鍵因素。

硬件測頻、測相角具有程序簡單、在電網(wǎng)中沒有干擾情況下測量精度高的優(yōu)點，但在干擾較大情況下測量誤差較大，會直接影響并網(wǎng)質(zhì)量。

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

目前在微機自動準(zhǔn)同期裝置中普遍只采用硬件測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、硬件測量的優(yōu)點，在電網(wǎng)中沒有干擾或干擾較小情況下采用硬件測量結(jié)果計算導(dǎo)前時間控制并網(wǎng)；在干擾較強條件下采用軟件測量結(jié)果計算導(dǎo)前時間控制并網(wǎng)可有效提高并網(wǎng)質(zhì)量有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

2.軟件測頻、測相角差原理

2.1 軟件測頻原理

長期以來，人們研究出了許多測頻算法，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，卡爾曼濾波的計算量偏大，影響實際應(yīng)用。基于富氏濾波的測頻算法具有較強的濾波能力，并且其計算數(shù)據(jù)還可用于電壓幅值測量，因而具有較好的實用性。文獻[2][3]分別討論了遞推富氏濾波及全周富氏濾波測頻算法。相比之下，后者的濾波性能好于前者。同時，由于后者的計算量在一個周波內(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行討論。

首先假設(shè)系統(tǒng)電壓可表示為：

設(shè)當(dāng)前待測系統(tǒng)頻率為f， 每周波采樣N點，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，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點相量間的相角為δ，此角同時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)計算系統(tǒng)頻率與采樣頻率之差，同時調(diào)整采樣頻率達(dá)到頻率跟蹤的目的。

2.2 軟件測相角差原理

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

2.3 保證軟件測頻、相角差存在的問題

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

本實用新型所要解決的問題包括：

(1)軟件測量頻率精度，軟件測量相角精度；

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

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

3.具體實施方法

3.1 軟件測量頻率

圖1 啟動并網(wǎng)后程序流程

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

實現(xiàn)中針對電壓信號中諧波分量對測頻精度的影響，設(shè)計了數(shù)字帶通濾波器，對實時采集電壓信號進行數(shù)字濾波處理以減小諧波成分，進而提高了測頻精度。采用全周傅氏變換計算輸入信號的實部和虛部，計算相鄰N點的相角，計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算速度和精度。仿真試驗表明算法實現(xiàn)相對簡單、準(zhǔn)確，對諧波有較好的抑制能力，適合于電力系統(tǒng)繼電保護和測量的要求。

3.2 軟件測量相角

采用傅立葉變換計算相位差的方法，從輸入信號中抽取基波分量，求出基波分量的虛部和實部，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，取時間窗為一個基波周期T(T=1/fa)，對Ua進行傅立葉變換，計算出基波的實部和虛部分別為Uar=Ucosθ，Uai=Usinθ。由此得電壓ua的基波相位角θ=arctg(Uai/ Uar)，同理計算另一側(cè)相位角，進而求出兩側(cè)電壓的相位差。

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

在軟件測頻的計算中假定采樣頻率是信號頻率的整數(shù)倍，否則計算出的頻率存在采樣不同步誤差，勢必影響頻率和相位差計算準(zhǔn)確度，因此必須進行頻率跟蹤采樣。但是，同期點兩側(cè)存在著不同步的兩個電壓信號，而同期裝置一般只有一個采樣頻率，若裝置只能對其中一個信號進行頻率跟蹤采樣。這樣當(dāng)斷路器兩側(cè)電壓的頻差較大時，頻率差的計算誤差也較大。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，保證軟件計算頻率差和相角差的準(zhǔn)確性，最有效的解決方法便是對兩側(cè)信號分別進行頻率跟蹤采樣。

3.4 保證兩側(cè)采樣的適時性

兩側(cè)電壓信號采樣時刻的準(zhǔn)確性是保證頻率和相角計算精度關(guān)鍵，因此將“采樣中斷優(yōu)先級”在CPU優(yōu)先級的分配中設(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)”。但是同一時刻CPU只能處理一側(cè)采樣，此時如果另一側(cè)也有采樣要求則只能等待，必然會影響另一側(cè)采樣的適時性，等待時間過 長則必然影響另一側(cè)的電壓有效值、軟件測頻、相角等各項計算結(jié)果。因此必須盡可能的減少兩側(cè)采樣中斷用時從而縮短采樣中斷的等待時間，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算放在隨后啟動的“任務(wù)”中進行。經(jīng)以上措施后兩側(cè)頻率和相位計算誤差達(dá)到精度要求。

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

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

4.結(jié)論

本文針對目前準(zhǔn)同期普遍存在的測頻不足，利用全周富氏濾波算法解決了測頻不準(zhǔn)問題，同時已經(jīng)應(yīng)用現(xiàn)場運行，取得比較好的效果，具有較高的使用價值。

[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.