CN110596455B - 一种工频电参数提取方法、***及计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种工频电参数提取方法、***及计算机可读存储介质，包括如下步骤：获取换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路自然坐标系上的三相电压信号、三相电流信号以及三相电压的相位信息；基于同步旋转坐标变化的方法将自然坐标系上三相电压信号、三相电流信号转换至dq0坐标系得到每相对应在d轴、q轴的电压分量、电流分量；再得到每相对应在d轴、q轴的直流分量并利用每相对应在d轴、q轴的直流分量计算出每相对应的视在功率、有功功率、无功功率。该方法便于换相失败时快速提取工频分量。
Description
技术领域
本发明属于电网数据处理技术领域，具体涉及一种适用于特高压直流换相失败的工频电参数提取方法、***及计算机可读存储介质。
背景技术
我国大型能源基地与东中部负荷中心之间的距离达到1000-3000km，超过传统超高压输电线路的经济输送距离。因此，我国大力发展适用于远距离、大容量输电的特高压交直流混合电网。然而，伴随特高压交直流的迅猛发展，特别是特高压直流输电规模的快速增长，电网运行特性发生了深刻变化。一方面，“强直弱交”矛盾突出，交流线路故障、重合闸、主变空充等常见扰动或常规操作均可能造成近区直流换相失败，引发交直流***连锁性故障，导致巨大暂态能量冲击。
同时，交直流混联电网相互影响特征明显，直流控制***在故障期间的动态响应过程具有离散性、非线性，这又将进一步增加故障暂态过程的复杂性和多变性，从而呈现出简单故障全局化趋势对传统电力***继电保护装置和安全稳定控制装置的正确动作造成严重影响。传统电网继电保护装置和各种安全稳定控制装置的工频量提取普遍采用的是全波或半波FFT(快速傅里叶变换)技术，该方法的至少需要10mS或以上时间才能获取的正确的工频电参数。
发明内容
本发明的目的是提供适用于特高压直流换相失败的一种工频电参数提取方法、***以及可读存储介质，用于提高工频点参数的提取速度，其基于同步旋转坐标变换(abc-dq0)的方法将自然坐标系下的abc三相采样值数据实时变换至dq0坐标系，再得到换相失败时刻反映abc坐标系下工频分量的旋转坐标系下的各相的直流分量，再利用直流分量计算出视在功率、有功功率、无功功率。
本发明提供的一种适用于特高压直流换相失败的工频电参数提取方法，包括如下步骤：
S1：获取换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路在自然坐标系上的三相电压信号、三相电流信号以及三相电压的相位信息；
S2：利用所述三相电压的相位信息将自然坐标系上所述三相电压信号、三相电流信号转换至dq0坐标系得到每相对应在d轴、q轴的电压分量、电流分量；
S3：利用步骤S2中每相对应在d轴、q轴的电压分量、电流分量中的直流分量计算出每相对应的视在功率、有功功率、无功功率中的任意一个或多个；
其中，d轴的直流分量表示工频电流、电压中的有功分量，q轴的直流分量表示工频电流、电压中的无功分量。
进一步优选，步骤S3中按照如下公式计算出每相对应的视在功率、有功功率、无功功率：
式中，S、P、Q分别λ相对应的视在功率、有功功率、无功功率，
分别λ相对应在d轴的直流分量中工频电流、电压中的有功分量，
分别表示λ相对应在q轴的直流分量中工频电流、电压中的无功分量，j为复数符号，λ相为a相或b相或c相。
进一步优选，步骤S2中三相电压信号、三相电流信号均按照如下公式进行坐标转换得到对应d轴、q轴的电压分量、电流分量：
式中，iλp(t)、iλq(t)分别表示λ相的电流iλ(t)变换至dq0坐标系后d轴的电流分量、q轴的电流分量；uλp(t)、uλq(t)分别表示λ相的电压uλ(t)变换至dq0坐标系后d轴的电压分量、q轴的电压分量，Tabc-dq为自然坐标系与dq0坐标系之间的变化坐标，θλ表示λ相电压的相位信息，λ相为a相或b相或c相。
进一步优选，换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路三相电压信号、三相电流信号表示为如下：
式中，iλ(t)为换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路λ相的电流，Iλ0为λ相对应的非周期直流分量的幅值，Iλp和Iλq分别为λ相对应的工频余弦坐标轴、工频正弦坐标轴分量的幅值；Iλn为λ相对应的第n个高次谐波分量的幅值；ua(t)为换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路λ相的电压，Uλ0表示λ相对应的线路电压中的非周期直流分量，Uλp表示λ相对应的线路电压中与基波有功参考轴重合的分量(与锁相环输出的相位时刻保持一致，在本专利中称为有功分量)，Uλq表示线路电压中与基波有功参考正交的分量(与锁相环输出的相位时刻保持正交，在本专利中称为无功分量)，Uλn表示λ相对应的线路电压中第n个高次谐波分量的幅值；
n表示谐波数，ω表示角频率，t表示时间，
表示第n个谐波分量的初始相位。
进一步优选，a相或b相或c相对应的d轴、q轴的电压分量、电流分量均如下所示：
进一步优选，所述直流分量的获取过程为：
滤除步骤S2中d轴、q轴的电压分量、电流分量中的交流分量、高次谐波分量得到每相对应在d轴、q轴的直流分量。
进一步优选，使用低通滤波器滤除步骤S2中d轴、q轴的电压分量、电流分量中的交流分量、高次谐波分量。
另一方面，本发明提供一种基于上述方法的***，包括：信号获取模块、转换模块以及功率计算模块；
其中，所述信号获取模块，用于获取换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路在自然坐标系上的三相电压信号、三相电流信号以及三相电压的相位信息；
所述转换模块，用于利用所述三相电压的相位信息将自然坐标系上所述三相电压信号、三相电流信号转换至dq0坐标系得到每相对应在d轴、q轴的电压分量、电流分量；
所述功率计算模块，用于利用每相对应在d轴、q轴的电压分量、电流分量中的直流分量计算出每相对应的视在功率、有功功率、无功功率中的任意一个或多个。
进一步优选，所述***还包括滤波模块，所述滤波模块用于滤除所述d轴、q轴的电压分量、电流分量中的交流分量、高次谐波分量滤除得到每相对应在d轴、q轴的直流分量。
进一步优选，所述滤波模块为低通滤波器。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，包括计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理终端执行时使所述处理终端执行上述方法。
有益效果
在特高压直流接入后，受端一旦发生换相失败或者连续换相失败，在一个工频周期内其有功、无功的波动极为迅速，本专利所提出的测量方法可以有效地在该场景中实现有功功率、无功功率以及视在功率，提高特高压直流受端换流站中各种继电保护装置与安全稳定控制装置的工作性能。
本发明利用同步旋转坐标变换与数字低通滤波相结合，首次针对单相***实现直流分量的快速提取，尤其是还提供了基于直流分量快速计算功率的方法，实现了基波信号的有功功率和无功功率的瞬时检测，克服了现有FFT(全波/半波)变换得到电参数工频分量耗时较长的局限，便于换相失败的快速提取工频分量。
附图说明
图1是本发明所述方法在单相工频电流分量的实现过程示意图；
图2是本发明所述方法在单相工频电压分量的实现过程示意图；
图3是本专利所述的引申为瞬时值电参数提取方法与传统方法的对比图，1、2、3曲线分别对应A、B、C三相。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明做进一步的说明。
当特高压交直流***发生严重故障时，直流***进入非正常运行状态。从谐波分量角度来看，此时直流***对于交流***而言可等效为时变谐波电流源，向邻近交流线路注入大量谐波和间谐波；从工频分量角度来看，直流***注入交流电网的等值工频电流超前于电压，使得受端交流电网感受到的等值工频变化量阻抗呈容性；从非周期分量角度来看，直流***发生严重故障及故障恢复期间，非周期分量急剧增加且特高压***电网衰减时间常数较大，某些故障下非周期分量衰减缓慢。传统基于周波信号的电参数采集计算方法至少需通过1～2个周波才能稳定，不利于特高压直流受端换流站站内的保护、安稳控制装置的快速动作。而本发明提供的一种适用于特高压直流换相失败的工频电参数提取方法实现了功率的瞬时检测，适用于特高压直流逆变端换相失败时刻对各种电参数检测速度的要求。
如图1和图2所示，本发明实施例提供适用于特高压直流换相失败的一种工频电参数提取方法的具体实施步骤为：
步骤1：获取换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路三相电压信号、三相电流信号以及三相电压的相位信息。
其中，本发明实施例可以实时在特高压直流逆变端采集交流线路三相电压ua，ub，uc，三相电流信号ia，ib，ic，并使用单相锁相环分别对三相电压ua，ub，uc信号进行相位跟踪，实时获得各相电压的相位信息θa、θb、和θc。一旦出现换相失败，则获取相应的相电压ua，ub，uc，三相电流信号ia，ib，ic，以及三相电压的相位信息θa、θb、和θc。
此外，本发明还对三相电压的相位信息θa、θb、和θc分别计算其正、余弦函数，表示为：[cosθa sinθa]T，[cosθb sinθb]T和[cosθc sinθc]T。
由于换相失败时刻，线路电流包含大量的非周期直流分量、交流工频分量和交流高次谐波分量，同理，线路电压也是，因此，换相失败时刻的三相电流和三相电压可以表示为如下(由于a、b、c三相相似，因此本发明实施例用λ表示a、b、c三相)：
式中，iλ(t)为换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路λ相的电流，Iλ0为λ相对应的非周期直流分量的幅值，Iλp和Iλq分别为λ相对应的工频余弦坐标轴、工频正弦坐标轴分量的幅值；Iλn为λ相对应的第n个高次谐波分量的幅值；ua(t)为换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路λ相的电压，Uλ0表示λ相对应的线路电压中的非周期直流分量，Uλp表示λ相对应的线路电压中与基波有功参考轴重合的分量(与锁相环输出的相位时刻保持一致，在本专利中称为有功分量)，Uλq表示线路电压中与基波有功参考正交的分量(与锁相环输出的相位时刻保持正交，在本专利中称为无功分量)，Uλn表示λ相对应的线路电压中第n个高次谐波分量的幅值；n表示谐波数，ω表示角频率，t表示时间，
表示第n个谐波分量的初始相位。
基于公式1可知，本发明实施例假设以a相为例，其换相失败时刻的a相电流和电压表示为：
步骤2：基于同步旋转坐标变化的方法将自然坐标系上步骤1中的三相电压信号、三相电流信号转换至dq0坐标系得到每相对应在d轴、q轴的电压分量、电流分量；其中，d轴、q轴的电压分量、电流分量均包括直流分量、交流分量以及高次谐波分量。
其中，各相按照如下公式进行坐标转换得到对应d轴、q轴的电压分量、电流分量：
式中，iλp(t)、iλq(t)分别表示λ相的电流iλ(t)变换至dq0坐标系后d轴的电流分量、q轴的电流分量；uλp(t)、uλq(t)分别表示λ相的电压uλ(t)变换至dq0坐标系后d轴的电压分量、q轴的电压分量，Tabc-dq为自然坐标系与dq0坐标系之间的变化坐标，θλ表示λ相电压的相位信息，λ相为a相或b相或c相。
同理，以a相为例时，其对应d轴、q轴的电压分量、电流分量为：
其中，以d轴为例，iap(t)变换过程如下：
由公式(11)进一步变换得到：
同理，针对a相iaq(t)、uap(t)、uaq(t)进行变化存在：
从上述公式可知，坐标变换后d轴上的分量iap(t)含有，直流分量、交流分量和高次谐波分量，其中，直流分量的幅值为abc坐标系下工频余弦坐标轴上分量的幅值Iap，交流分量由abc坐标系下非周期直流分量幅值Ia0和二次谐波分量的幅值Ia2构成，高次谐波分量的幅值由所有abc坐标系下交流分量的幅值构成。同理，q轴上的分量iaq(t)含有，直流分量、交流分量和高次谐波分量，其中，直流分量的幅值为abc坐标系下工频正弦坐标轴上分量的幅值Iaq，交流分量由abc坐标系下非周期直流分量幅值Ia0和二次谐波分量的幅值Ia2构成，高次谐波分量的幅值由所有abc坐标系下交流分量的幅值构成。
同理，由a相推理到b、c相，分别采用相同的方法进行变化可得：
同理，从上述公式可知，坐标变换后d轴、q轴上的分量均含有，直流分量、交流分量和高次谐波分量。
步骤3：利用低通滤波器(LPF)处理快速滤除步骤2中d轴、q轴的电压分量、电流分量中的交流分量、高次谐波分量滤除得到每相对应在d轴、q轴的直流分量。由于d轴、q轴的电压分量、电流分量交流分量的为50Hz，因此使用的低通滤波器的截止频率的选择不低于50Hz。
譬如针对a相，由于采用的参考相位为a相电压的实时相位，故d轴的直流分量代表工频电流中的有功分量、q轴代表的是工频电流中的无功分量，故，滤波之后的d轴、q轴的直流分量利用矩阵的形式可以表示为：
同理，由a相延伸至b相和c相得到
分别表示步骤3滤波之后λ相对应在d轴的直流分量中工频电流、电压中的有功分量的幅值，
分别表示步骤3滤波之后λ相对应在q轴的直流分量中工频电流、电压中的无功分量的幅值。
步骤4：利用步骤3中每相对应在d轴、q轴的直流分量计算出每相对应的视在功率、有功功率、无功功率。
其中，按照如下公式计算出每相对应的视在功率、有功功率、无功功率：
式中，S、P、Q分别λ相对应的视在功率、有功功率、无功功率，j为复数符号，譬如a相，根据视在功率计算的基本公式可知，其采样点处任意时刻，其实在功率的计算公式为：
基于同步旋转坐标变换线路有功功率P和无功功率Q的描述分别为：
基于上述方法，本发明提供一种工频电参数提取***，包括：信号获取模块、转换模块、滤波模块以及功率计算模块；
其中，所述信号获取模块，用于获取换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路在自然坐标系上的三相电压信号、三相电流信号以及三相电压的相位信息；
所述转换模块，用于利用所述三相电压的相位信息将自然坐标系上所述三相电压信号、三相电流信号转换至dq0坐标系得到每相对应在d轴、q轴的电压分量、电流分量；
所述滤波模块，用于滤除所述d轴、q轴的电压分量、电流分量中的交流分量、高次谐波分量滤除得到每相对应在d轴、q轴的直流分量。本实施例中，滤波模块选择低通滤波器。
所述功率计算模块，用于利用每相对应在d轴、q轴的直流分量计算出每相对应的视在功率、有功功率、无功功率中的任意一个或多个。
应当理解，本发明各个实施例中的功能单元模块可以集中在一个处理单元中，也可以是各个单元模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上的单元模块集成在一个单元模块中，可以采用硬件或软件的形式来实现。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，包括计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理终端执行时使所述处理终端执行所述工频电参数提取方法。其有益效果参见方法部分的有益效果，在此不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
根据上述说明，本发明所提供的基于多同步旋转坐标变换与数字低通滤波的工频分量快速提取的方法，适用于将特高压直流逆变端换相失败时刻工频电参数(电压、电流、有功功率和无功功率)快速解耦提取。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种工频电参数提取方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1：获取换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路在自然坐标系上的三相电压信号、三相电流信号以及三相电压的相位信息；
S2：利用所述三相电压的相位信息将自然坐标系上所述三相电压信号、三相电流信号转换至dq0坐标系得到每相对应在d轴、q轴的电压分量、电流分量；
S3：利用步骤S2中每相对应在d轴、q轴的电压分量、电流分量中的直流分量计算出每相对应的视在功率、有功功率、无功功率中的任意一个或多个；
其中，d轴的直流分量表示工频电流、电压中的有功分量，q轴的直流分量表示工频电流、电压中的无功分量；
其中，换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路三相电压信号、三相电流信号表示为如下：
式中，iλ(t)为换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路λ相的电流，Iλ0为λ相对应的非周期直流分量的幅值，Iλp和Iλq分别为λ相对应的工频余弦坐标轴、工频正弦坐标轴分量的幅值；Iλn为λ相对应的第n个高次谐波分量的幅值；ua(t)为换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路λ相的电压，Uλ0表示λ相对应的线路电压中的非周期直流分量，Uλp表示λ相对应的线路电压中与基波有功参考轴重合的分量，Uλq表示线路电压中与基波有功参考正交的分量，Uλn表示λ相对应的线路电压中第n个高次谐波分量的幅值；
n表示谐波数，ω表示角频率，t表示时间，
表示第n个谐波分量的初始相位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S3中按照如下公式计算出每相对应的视在功率、有功功率、无功功率：
式中，S、P、Q分别λ相对应的视在功率、有功功率、无功功率；
分别表示λ相对应在d轴的直流分量中工频电流、电压中的有功分量，
分别表示λ相对应在q轴的直流分量中工频电流、电压中的无功分量，j为复数符号，λ相为a相或b相或c相。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中三相电压信号、三相电流信号均按照如下公式进行坐标转换得到对应d轴、q轴的电压分量、电流分量：
式中，iλp(t)、iλq(t)分别表示λ相的电流iλ(t)变换至dq0坐标系后d轴的电流分量、q轴的电流分量；uλp(t)、uλq(t)分别表示λ相的电压uλ(t)变换至dq0坐标系后d轴的电压分量、q轴的电压分量，Tabc-dq为自然坐标系与dq0坐标系之间的变化坐标，θλ表示λ相电压的相位信息，λ相为a相或b相或c相。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：a相或b相或c相对应的d轴、q轴的电压分量、电流分量均如下所示：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述直流分量的获取过程为：
滤除步骤S2中d轴、q轴的电压分量、电流分量中的交流分量、高次谐波分量得到每相对应在d轴、q轴的直流分量。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：使用低通滤波器滤除步骤S2中d轴、q轴的电压分量、电流分量中的交流分量、高次谐波分量。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述方法的***，其特征在于：包括：信号获取模块、转换模块以及功率计算模块；
其中，所述信号获取模块，用于获取换相失败时刻特高压直流逆变端交流线路在自然坐标系上的三相电压信号、三相电流信号以及三相电压的相位信息；
所述转换模块，用于利用所述三相电压的相位信息将自然坐标系上所述三相电压信号、三相电流信号转换至dq0坐标系得到每相对应在d轴、q轴的电压分量、电流分量；
所述功率计算模块，用于利用每相对应在d轴、q轴的电压分量、电流分量中的直流分量计算出每相对应的视在功率、有功功率、无功功率中的任意一个或多个。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于：还包括滤波模块，所述滤波模块用于滤除所述d轴、q轴的电压分量、电流分量中的交流分量、高次谐波分量滤除得到每相对应在d轴、q轴的直流分量。
9.一种计算机可读存储介质，包括计算机程序指令，其特征在于：所述计算机程序指令被处理终端执行时使所述处理终端执行权利要求1至6任一项所述的方法。
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| "混合多馈入HVDC换相失败时控制与保护策略的研究";刘泽锴;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》;20160515;第18-20页 * |
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