一种应用软件和硬件测频相结合技术的新型准同期装置

哈尔滨电气集团阿城继电器有限责任公司 林恩民

1.概述

同期并网是电力系统中频繁而又重要的操作，为保证供电系统安全、稳定运行，要求同期装置控制并网必须具备安全可靠、快速的特点。相角差和频率差的准确计算是保证可靠并网的关键因素。

硬件测频、测相角具有程序简单、在电网中没有干扰情况下测量精度高的优点，但在干扰较大情况下测量误差较大，会直接影响并网质量。

软件测频相对于硬件测频而言，程序工作量较大，在电网中没有干扰情况下测量精度不如硬件高，但是在有干扰情况下测量精度优于硬件，而且干扰越强优势表现越明显。

目前在微机自动准同期装置中普遍只采用硬件测量频率和相角差的方法。当今电力系统污染日益严重，如何在谐波、噪声干扰条件下保证高质量并网是同期装置开发过程中首先要解决的问题。

同期装置在并网过程中若能够利用软、硬件测量的优点，在电网中没有干扰或干扰较小情况下采用硬件测量结果计算导前时间控制并网；在干扰较强条件下采用软件测量结果计算导前时间控制并网可有效提高并网质量有利于电网的稳定运行。

2.软件测频、测相角差原理

2.1 软件测频原理

长期以来，人们研究出了许多测频算法，有最小二乘算法[1]、递推富氏算法[2]、全波富氏算法[3]、卡尔曼滤波算法[4]等。最小二乘法算法受谐波影响大，卡尔曼滤波的计算量偏大，影响实际应用。基于富氏滤波的测频算法具有较强的滤波能力，并且其计算数据还可用于电压幅值测量，因而具有较好的实用性。文献[2][3]分别讨论了递推富氏滤波及全周富氏滤波测频算法。相比之下，后者的滤波性能好于前者。同时，由于后者的计算量在一个周波内与前者相差不大，因此本文基于全周富氏滤波频率跟踪算法进行讨论。

首先假设系统电压可表示为：

设当前待测系统频率为f， 每周波采样N点，采样频率为NfV。将式(1)离散化为

其离散富立叶变换为：

当Δf=f-fv=0时，可以证明：

uc=umsinθ，us=umcosθ。

即：电压向量的相角与其富氏滤波相量的相角大小相等。设相邻N点相量间的相角为δ，此角同时也表示电压向量变化的角度。

可推出频率表达式：

采用全周富氏 滤波算法均通过式(5)计算系统频率与采样频率之差，同时调整采样频率达到频率跟踪的目的。

2.2 软件测相角差原理

从输入信号中抽取基波分量，求出基波分量的虚部和实部，再利用其比值的反正切求出相位角。同理计算另一侧相位角，进而求出两侧电压的相位差。

2.3 保证软件测频、相角差存在的问题

在软件测频的计算中假定采样频率是信号频率的整数倍，否则计算出的频率和相角差存在因采样不同步导致的误差。

本实用新型所要解决的问题包括：

(1)软件测量频率精度，软件测量相角精度；

(2)并网过程中两侧频率值相差较大时如何保证两侧频率、角度的计算精度；

(3)依据硬件测量频率、相角计算导前时间还是依据软件测量频率、相角计算导前时间控制合闸的判别，从而有效保证并网质量和并网速度。

3.具体实施方法

3.1 软件测量频率

图1 启动并网后程序流程

基于富氏滤波的测频算法具有较强的滤波能力，并且其计算数据还可用于电压幅值测量，因而具有较好的实用性。

实现中针对电压信号中谐波分量对测频精度的影响，设计了数字带通滤波器，对实时采集电压信号进行数字滤波处理以减小谐波成分，进而提高了测频精度。采用全周傅氏变换计算输入信号的实部和虚部，计算相邻N点的相角，计算相角的过程中为采用查表加线性插值方法来提高角度计算速度和精度。仿真试验表明算法实现相对简单、准确，对谐波有较好的抑制能力，适合于电力系统继电保护和测量的要求。

3.2 软件测量相角

采用傅立叶变换计算相位差的方法，从输入信号中抽取基波分量，求出基波分量的虚部和实部，再利用其比值的反正切求出相位角。设断路器一侧为系统电压Ua，其基波频率为fa。假定装置采样频率为基频的N倍，即Nfa，取时间窗为一个基波周期T(T=1/fa)，对Ua进行傅立叶变换，计算出基波的实部和虚部分别为Uar=Ucosθ，Uai=Usinθ。由此得电压ua的基波相位角θ=arctg(Uai/ Uar)，同理计算另一侧相位角，进而求出两侧电压的相位差。

3.3 并网过程中两侧频率值相差较大时如何保证两侧频率、角度的计算精度

在软件测频的计算中假定采样频率是信号频率的整数倍，否则计算出的频率存在采样不同步误差，势必影响频率和相位差计算准确度，因此必须进行频率跟踪采样。但是，同期点两侧存在着不同步的两个电压信号，而同期装置一般只有一个采样频率，若装置只能对其中一个信号进行频率跟踪采样。这样当断路器两侧电压的频差较大时，频率差的计算误差也较大。开发过程中曾采用多种修正方法，但效果不是特别理想。从根本上解决此问题，保证软件计算频率差和相角差的准确性，最有效的解决方法便是对两侧信号分别进行频率跟踪采样。

3.4 保证两侧采样的适时性

两侧电压信号采样时刻的准确性是保证频率和相角计算精度关键，因此将“采样中断优先级”在CPU优先级的分配中设定为最高，它可打断任何正在执行的其它“中断”和“任务”。但是同一时刻CPU只能处理一侧采样，此时如果另一侧也有采样要求则只能等待，必然会影响另一侧采样的适时性，等待时间过 长则必然影响另一侧的电压有效值、软件测频、相角等各项计算结果。因此必须尽可能的减少两侧采样中断用时从而缩短采样中断的等待时间，为此采样中断再执行完采样后立即退出，以后的电压有效值等各种计算放在随后启动的“任务”中进行。经以上措施后两侧频率和相位计算误差达到精度要求。

3.5 依据硬件测量频率、相角计算导前时间还是依据软件测量频率、相角计算导前时间控制合闸的判别

装置不断监视两侧电压信号的干扰，在噪声和谐波较小情况下，采用硬件测量频率、相角差计算导前时间，控制发出合闸脉冲；当噪声和谐波超过一定强度，装置自动采用软件测量频率、相角差计算导前时间控制合闸。具体完成程序流程如图1所示。

4.结论

本文针对目前准同期普遍存在的测频不足，利用全周富氏滤波算法解决了测频不准问题，同时已经应用现场运行，取得比较好的效果，具有较高的使用价值。

[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.