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电力系统动态频率和相量测量算法及其应用研究

袁石良  
【摘要】:快速、准确地测量频率、相量及相关电气量是嵌入式自动装置正确、稳定工作的前提条件。现有的频率和相量算法在系统频率恒定且偏移较小的条件下具有较高的精度,而在系统频率动态变化及频率偏移较大时,计算精度会显著降低。因此,在系统频率动态变化、频率发生较大偏移的条件下,提高嵌入式装置频率及相量的测量精度和实时性具有重要意义。本论文针对系统频率动态变化、频率偏移较大条件下频率和相量测量精度不高的问题,对相关测量方法进行了深入研究,取得了如下创新性研究进展:(1)频率动态变化条件下的瞬时频率、频率变化率及信号周期的算法研究首先,将频率变化率引入到系统信号模型中,提出了动态条件下的电压信号模型,推导出任意时刻的瞬时频率、频率变化率与周期之间相互关系的精确表达式;其次,综合运用牛顿插值法、秦九韶算法、牛顿迭代法等数学工具精确求解插值多项式函数过零点时间,进而计算得到精确的信号周期值;最后,利用前述计算与推导结果,求出动态条件下的频率及频率变化率,提高了频率及频率变化率的测量精度和响应速度。仿真结果表明,在纯正弦信号、信号中含有高次谐波及噪声、频率线性变化、频率非线性变化等多种工况条件下,本算法都具有较高的频率及频率变化率测量精度。本算法具有计算量小、响应速度快、测量精度高的优点,可适用于电力系统频率偏移较大(30Hz~70Hz)、频率快速变化及非线性波动等情况下的装置应用。(2)频率偏移时的离散傅里叶(DFT)修正算法研究在系统频率偏移较大时,非同步采样会使DFT算法的误差变大,难以满足测量和计算精度要求。通过对傅里叶变换公式的分析,利用傅里叶变换后的一个恒等式(相量的实部和虚部与电气量幅值和频率满足一种确定的关系),提出了基于频率测量值的DFT的相量及其他电气量的修正算法。该算法在现有的DFT算法基础上进行修正计算,采用固定的采样周期,算法不需要调整采样频率和进行迭代运算以及增加数据窗,因此计算量小、响应速度快。仿真结果表明,该算法适用于45Hz~55Hz频率范围内的DFT算法修正,具有较高的相量及电气量的测量精度;同时,算法对频率的测量误差不敏感,对采样频率要求低。(3)数字滤波器的设计本文针对自动装置在谐波、噪声特别严重的情况下算法误差增大的问题进行研究,设计了两种前置数字滤波器作为算法的补充,以保证自动装置在有严重干扰的情况下能稳定可靠运行。基于装置输入三相电压的条件设计了一种正序分量的三相综合滤波器,用于抑制高次谐波、噪声和固有直流分量,解决单相电压测频易受PT断线、不对称故障影响的问题;基于装置单相电压输入的条件,通过Butterworth二阶滤波器与差分滤波器相结合,设计了一种综合数字滤波器,可以滤除直流分量并抑制高次谐波。仿真实验和装置验证表明,本文设计的两种数字滤波器均具有良好的滤波效果,符合装置测量要求。(4)自动装置的研发与应用在本文前述理论研究与算法实现的基础上,将研究成果成功应用到安全自动解列、自动准同期装置上,并提出了一种适用于水电站并网系统的同期合闸控制策略。本文针对目前中、小型水电站中配置的安全自动解列装置存在的孤网检测判据不够全面、准确,装置存在拒动误动等问题,设计了一套更为全面的动作判据。该判据综合运用频率、频率变化率、电压、阻抗等电气量,解决因判据不全面、检测盲区大、系统扰动时检测手段不全面等问题而引起的装置误动、拒动的问题。本文利用所提出的高精度测频和相量算法以及所设计的数字滤波器,用于提高装置的正确动作率。并在此基础上完成了安全自动解列装置的软、硬件开发和样机的试制工作。样机实验验证结果表明,本装置测量精度高,工作稳定可靠,能够及时准确识别出孤网运行状态,确保水电站系统安全可靠运行。本文在前述频率和相量的精确算法及数字滤波器研究的基础上,完成了自动准同期装置的软、硬件开发工作,试制了样机,并对样机进行了实验验证。通过分析发电机同期并网合闸的各种影响因素,提出了一种发电机同期合闸的系统控制策略,有效解决了自动准同期装置与发电机励磁系统、调速系统、调度指挥系统等各相关部分的协调配合问题,能够更好地实现系统无冲击、平稳并网。本文将提出的同期合闸系统控制策略与研制的自动准同期装置结合后成功应用于水电站。通过现场应用结果表明,本文所设计的自动准同期装置与发电机各个控制系统配合良好,与电力系统并网平稳、快速准确、无冲击。装置运行稳定、可靠。


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