（电力电子与电力传动专业论文）基于gps的相位检测技术的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t 、w i t ht h el a r g e s c a l ei n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e md e v e l o p m e n t ，t h e r ew i l lb d n gm o r ei m p a c t a n ds p r e a dt oal a r g e re x t e n tw h e ni nt r o u b l e t h e r e f o r e ，i ti st h ei n c r e a s i n gn e e dt ok n o wt h e d y n a m i cr u n n i n gi n f o r m a t i o no ft h es y s t e mf o rr e a l - t i m e f o ral o n gt i m e ，t h e r e i ss om a n y t e c h n o l o g yf o rt h em e a s u r e m e n to fa m p l i t u d ea n df r e q u e n c y ，b u tp h a s ed e t e c t i o nt e c h n o l o g y d e v e l o p ss l o w l yb e c a u s ei ti sd i f f i c u l tt oa c h i e v ew i d e a r e ap r e c i s i o ns y n c h r o n o u sc l o c k i nr e c e n t y e a r s ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to fg p sh a sp r o v i d e da ne f f e c t i v et i m es y n c h r o n i z a t i o nr e f e r e n c e f o r t h ep o w e rs y s t e m t h i sr e s e a r c hw o r kh e r ei ss t a r t e du n d e rt h i sb a c k g r o u n d i ti sf i r s ti n t r o d u c e dt h a tt h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo fp h a s ed e t e c t i o n ，a n da l s ot h er e s e a r c h p r o g r e s sa th o m ea n da b r o a d t h e nd e s c r i b e st h eg p ss y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o ni np o w e rs y s t e m ， a n da l s om e n t i o nt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o np r o s p e c t so fp h a s ed e t e c t i o nu n i t ( p m u ) t e c h n o l o g yb a s e do ng p s s e c o n d ，a f t e ri n t r o d u c et h o s ec o m m o nu s e da l g o r i t h m so fs y n c h r o n i z e dp h a s em e a s u r e m e n t t e c h n i q u e s ，t h e ya r ec o m p a r e da n da n a l y z e d ，a n dl a s td e c i d e dt ou s ef o u r i e rt r a n s f o r ma st h em a i n m e t h o do ft h i sp h a s ed e t e c t i n g f r o mt h ea n a l y s i se x i s t e de r r o ro ft h ec u r r e n tf o u r i e rt r a n s f o r m a l g o d t h m ，t h ei m p r o v e da l g o r i t h mi sg i v e n t h i r d ，t h ed e s i g ns t r u c t u r ea n db l o c kd i a g r a mo fp m ui sg i v e n 。s o m ep a r to fh a r d w a r ei s d e s i g n e di np r i n c i p l ea n ds o m ec o m p o n e n t sa r eg i v e nt h ec h o i c em e t h o do rt y p em o d e l t h e nt h e s o f t w a r ep a r ti sd e s i g n e da n ds i m u l a t e d t h el a s t , t h em a i nr e s e a r c hw o r k si n t h i st h e s i sa r es u m m a r i z e da n df u t h e rs t u d i e sa r e s u g g e s t e d k e yw o r d s ：p h a s ed e t e c t i o n ，g p ss y s t e m ，s y n c h r o n i z a t i o nc l o c k ，f o u r i e rt r a n s f o r m ， f r e q u e n c yd e v i a t i o n i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得南昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：谢么美签字日期：例沙年月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直邑太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：谢放岛导师签名：丧卜嗄、 签字日期：砌年月l e t 签字日期： 唧0 年1 月s - 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的提出和研究意义 1 1 1电力系统大规模联网运行的趋势与现状 随着电力工业的迅速发展，现代电力系统已经逐步步入了大机组、高电压 和大电网的时代。由于大电网运行具有明显的优越性，如可以合理开发利用资 源、节省投资和运行费用、提高供电可靠性等，因此大电网互联已成为世界各 国电力工业发展的趋势。在国外，北美联合电网覆盖美国、加拿大和墨西哥， 装机容量超过8 0 0 g w ，是世界上最大的电网。而在欧洲，西欧1 4 个国家和中 欧4 国同步联网，与英国和北欧直流联网，装机容量在4 8 0 g w 以上。现在我 国正在大力推进“西电东送”、“南北互供”、全国联网工程。目前，已实现 了东北华北、华北华中、华中华东及华中南方电网等大区联网，网架结构都 已经明显加强【l 巧j 。 这样大规模互联电力系统就可能出现一些影响运行安全性的现象，如阻尼 减少而发生持续的区域性低频振荡以及暂态稳定裕度的降低，特别是初发故障 后果的扩散，导致连锁性故障和大面积停电【5 j 。所以需要尽可能实时地动态了 解系统的运行状况，以便在系统发生故障初期，及时采取相关措旋，将事故影 响控制在小范围内。 在电力系统中，相位是交变信号的三要素之一，而对于系统检测来说，两 个信号的相位差就是研究两个相同频率交流信号之l 日j 关系的重要参数。相位差 的测量是电气测量的一项基本内容，其含义为测量两个同频率周期信号的相位 差值。电力系统中正弦波形相量是反映系统稳定性的最主要的状态量，一个交 变信号相量包含幅值、频率和相位三个量。长期以来对于幅值和相位的测量技 术已经成熟，但对相位的测量却相对落后，如果能够实时测量到其相位，就可 以通过计算机实时监视系统的动态变化。所以实时测量系统的信号波形相位， 是电力系统稳定监控的关键基础性问题【6 】。 1 1 2同步相位检测课题的研究意义【7 9 】 相位检测技术可以运用于电气行业的各个方面，如它可以解决电气、电子 第1 章绪论 及其它非电量检测的许多问题。而在电力系统中，相位的检测也具有很多重要 的作用，其表现如下： ( 1 ) 通过测得电流与电压之间的相位口，通过求取c o s 0 而得出功率因数，进 而能够计算出有用功功率。 ( 2 ) 在电力系统中，有时候需要检测电压及电流之间的相位差，甚至是需要 检测三相电压或三相电流之间的相位。 ( 3 ) 电力系统对于电子互感器的性能均有对相位检测精度的要求。这就必须 利用相位检测装置来测定电子互感器的性能。 ( 4 ) 电力系统中在并网合闸时，需要两电网的电信号之间的相位相同，这时 需要先精确检测两列工频信号的相位差以便进行调整。 1 1 3 相位检测装置( p m u ) 在电力系统中的应用前景 长期以来，系统人员只能对幅值和频率进行非同步测量，而对信号相位的 检测却很难实时或者同步，就是由于缺乏精确有效的广域同步时钟。通常都是 通过潮流和对一系列非线性方程组的求解计算【1 0 】。白上个世纪九十年代全球定 位系统( g p s ) 的出现，可以研究电力系统同步监测技术提供同步参考时钟， 使相位乃至相量的实时检测成为了可能i l 。 基于g p s 的相位检测的研究和应用是当前电力系统的前沿课题之一。相位 检测装置( p h a s em e a s u r e m e n tu n i t ，简称p m u ) j 下是这一课题的产物，目前世 界各国电力行业都积极研发相量检测装置，并将p m u 结合具体情况进行应用。 同步相位检测装置可望在电力系统中发挥诸多作用【1 2 】。应用前景如图1 1 所示， 具体如下： ( 1 ) 电网动态实时监控 如果将p m u 装置安装在在电力系统节点上，就可以直接观察系统的动态运 行，广域检测系统( w a m s ) 将电力系统中的扰动数据以同步采样的方式采集 之后通过快速通信网送到调度中心的动态数据库中。以便及时进行参数调整和 采取措施。 ( 2 ) 状态估计 传统的方法是通过求解非线性方程以得到电力系统状态量，耗时长，实时 性差，所以难以应用在暂态过程中。如果在系统节点安装p m u ，则它对电压相 位以致相量的状态是一个线性估计，就可提高精度。 2 第1 章绪论 图1 1p m u 可能应用的领域 ( 3 ) 潮流计算 p m u 装置的检测精度比较高，大多数时候可将其检测结果直接作为系统的 状态解，此时系统中参与状态估计的状态变量个数减少，这样在很大程度上简 化了雅可比矩阵的规模减小，从而提高了迭代潮流的计算速度。 ( 4 ) 输电线路故障定位 目前国际上已经形成用阻抗法、人工智能、阻抗行波解析等算法对高压输 电线路故障的快速、精确、可靠定位。p m u 装置出现后，基于相量检测的双端 测距算法的研究很实际应用，显著提高了检测精度。 ( 5 ) 发电机非线性励磁控制 电力系统中的发电机励磁控制属于非线性控制系统，实现非线性励磁控制 时总存在很多问题，效果不理想。将p m u 装置运用于此的基本思想是在全系统 建立一个以g p s 同步时钟为基准的同步旋转参考系，使系统中所有的发电机都 相对于这一参考系进行控制。 1 2 相位检测的发展和现状 相位检测技术最早的研究和应用是在数学的矢量分析和物理学的圆周运动 以及振动学方面，随着大量的数学的处理方法被应用到在电气及电力方面，电 网波形信号的相位检测技术也相应得到重视和发展。近年来电子技术和计算机 技术的迅速发展，相位检测技术已较完善，检测方法及理论也较成熟。 3 第1 章绪论 1 2 1国外相位检测的发展概况 在相位检测技术方面，美国一直处于领先地位，主要的研究机构及公司有 n b s 、h p 、a 阻y u 公司及d r a n e t z 实验室。俄罗斯在此领域也具有较高的 水平【l 引。通用相位计的高频可达1 0 0g h z ，相位分辨率可达o 0 0 1 0 ，相位检测范 围为0 - 3 6 0 0 ，一18 0 0 - 18 0 0 ，少数可达7 2 0 0 。在相位准确度方面，低频为士0 0 0 2 0 ， 高频为士o 2 0 ，微波为士0 5 0 。国外从6 0 年代后期开始设计和制造用于工频相位的 检测的低频相位计。 2 0 0 3 年起北美开始实施东部互联网相位检测系统项目( e i p p ) ，当时就有2 5 个电力公司参与了该项目，安装了加个兼容型相位检测装置( p m u ) 【1 4 】。田纳西流 域管理局的5 0 多条线路上安装了p m u ，向最高数据中心提供信息，并进行实时 更新。使运行人员和规划人员及时了解系统状态，以进行动态评估和控制。 目前国外提出了改进相位检测精确度的方法，包括有【1 5 , 1 6 】： ( 1 ) 采用专用的数字处理芯片，利用正余弦表格及傅立叶变换方法来计算相 位差，以此提高检测精度【 】。 ( 2 ) 采用新器件及设计方法来提高相位检测精度及展宽工作频率范围。 ( 3 ) 采用新的算法来进行相位检测【1 8 。2 0 】。 ( 4 ) 采用高精度相位检测设备，通过相位输出信号，利用桥路与输入信号相 位进行比较，从而测出相位差。 1 2 2 国内相位检测的发展概况 在国内，上世纪6 0 和7 0 年代丌始，就有很多的研究所以及其它行业相关 部门进行了相位检测技术的研究并取得了一定的成果，如国家计量科学院、国 防科工委、电子部十、十四、十七研究所、天津无线电一厂、南京电讯仪器厂 等单位，此时研制了一批专用、通用的相位计产品。8 0 年代开始，微处理器慢 慢广泛地用于各个技术领域，多种型号的电子相位计投入市场，取代了以往的 相位计，使相位计量应用于各个领域。目前，我国的相位检测技术与国外仍有 较大的差距，主要体现在产品种类较少；配套产品少；产品测试功能单一；仪 器精度、数字化和自动化程度不高；相位计量标准不完备【2 1 1 。 4 第1 章绪论 1 3g p s 概况 1 3 1 当前的三种卫星定位系统【2 2 】 目前在世界上用于全球定位的卫星系统主要有3 种，即俄罗斯的g l o n a s s 、 国际民航组织正在发展的g n s s 和美国的g p s 。 g l o n a s s 是前苏联1 9 7 8 年开始研究建立并与美国抗衡的全球卫星定位系 统，于1 9 9 6 年初投入运行使用。这个系统有2 4 + 1 颗卫星，采用频分多星制，用粗码、 精码2 种伪码测距，并以铯钟作为标准时钟，其精度为水平误差2 0 m 、垂直误差 3 6 m ，不限制民用。 g n s s 是国际民航组织联合世界各国推出的全球性的位置和时间测定系统。 其前身是1 9 9 2 年投入的4 颗覆盖全球的卫星组成的通讯和定位导航系统 i n m a r s a t 。此系统包括卫星星座、机载接收机和系统完好性监视系统。 g p s 是美国国防部( d o d ) 为军事目的而设计的，后开放为民用。后面会做较 细致的介绍。 1 3 2g p s 系统 g p s 全球定位系统是美国于1 9 9 3 年全面建成并投入运行的集卫星导航、 定位和授时等功能的系统。它是由空间卫星、地面监控站和用户定位设备三大 部分组成，如图1 2 所示。 图1 - 2g p s 全球定位系统的组成 该系统通过均匀分布在太空中的6 个等间隔的近圆形轨道面内的2 4 颗卫 5 第1 章绪论 星来完成的( 其中包括3 颗备用卫星) 。g p s 卫星的主要功能：接收并执行地 面监控站的导航信息和控制指令；通过星载高精度原子钟产生基准信号及提供 精确的时间标准；向用户连续发送导航定位信号。地面监控系统的主要功能： 保持精确的g p s 时间系统；跟踪观测g p s 卫星，编算卫星星历；向卫星注人 导航电文和控制指令；监控卫星的运行状况。用户设备的核心是g p s 接收机， 其主要功能是接收卫星信号，提取导航电文，经数据处理完成定时及导航定位。 g p s 的工作原理是通过测出导航信号的延迟时间来推算距离。目前在电力 系统中研究最多的是将g p s 的精确授时作为同步时钟。根据电力系统的特点， g p s 系统有以下特点： ( 1 ) 全球全天候连续接收：g p s 能为全球任何地点的任何用户提供连续的全 天候全球导航能力即标准时钟和地理位置； ( 2 ) 精度高：g p s 提供每秒一个脉冲( 1 p p s ) 、海拔经纬度及年月日时分秒的 时间信息，有与l p p s 同步的采样脉冲信号； ( 3 ) 抗干扰能力强：g p s 采用了扩频和伪码技术，因而有很强的抗干扰能 力； ( 4 ) 绝对可靠或有冗余系统：可以达到目前电力系统对统一时钟精度的要 求，而且还可以更为精确。相量实时检测的同步精度要求为5 “s 左右； ( 5 ) 接收方便；接收天线的长度可达4 0 m ，适合变电站或电厂安装； ( 6 ) 实用性强：其传输速率可在1 2 0 0 至9 6 0 0 之间进行选择，可满足不同 通信系统的要求。 1 3 3g p s 在电力系统中的应用 由于g p s 具有精确定位和精确的钟参数，已有l o 多个行业兴起应用g p s 热潮。而它在电力系统中的主要作用是能提供给电网高精度的时间统一：g p s 接收器采用的信号是以秒为单位、精度为l 微秒的国际标准信号，通常表示为 l p p s ( 秒脉冲) ，这种信号在全球任何地方皆能可靠地收到，所以，如果将该 信号设置为标准时钟源去统一和同步电网中运行的时钟，就能保证各厂站时钟 的高精度同步运行，也就统一了电网时间。图1 3 给出了这种同步时钟的原理 图，该同步时钟主要包含三个功能： ( 1 ) 将国际标准时间转换为当地时间； ( 2 ) 向用户提供不同规格的同步脉冲信号，具体为：秒脉冲、时脉冲以 6 第l 章绪论 及由分频器输出的不同频率的信号： ( 3 ) 输出不同格式的时间代码。 频率输出 图1 - 3i 司步时钟原理图 基于以上由g p s 提供的广域时间统一的系统，它主要有以下的具体应用： ( 1 ) 数字式电流纵差保护： 这是一种原理简单、选择性好、工作可靠的保护方式。此方法主要存在通 信和两个信号电流的同步采样这两大问题。通讯问题已经随着数字式微波和数 字通讯技术的发展而得到解决，而同步采样问题就需要利用基于g p s 同步采样 技术对两侧电流来采样。 ( 2 ) 故障测距和故障定位： 由g p s 系统提供精确时间源，目前故障测距技术是向行波测距方向发展， 测量故障点和测量点之间的距离，即是用行波传输到到两端测得的时间差可直 接算出测量。而对于故障定位，也是借以全网统一时间直接应用在电力系统中， 美国b p a 在1 9 8 6 年开始研制了运用行波原理结合g p s 的故障定位系统，其精 度可达3 0 0 m 2 3 】。 ( 3 ) 系统运行功角实时监测： 只要能够实时同步的得到系统两端电压之间相位差，也就是能监视二端运 行电气相角。g p s 接收机的时问误差1i t s ( 对于5 0 h z 而言电气角度为o 0 1 8 。) ， 完全可满足电力工业控制调节的要求。 ( 4 ) 自动化同步时间： 电网调度自动化要求主站端与远方终端( r t u ) 的时间同步。利用g p s 的定 时信号可克服现有对时系统的缺点，它可提供自动化中需要的精确同步时间， 7 第1 章绪论 可制作出精确的守时钟，g p s 守时钟综合精度可优于0 5 9 s 。g p s 接收机的输出 接口可根据需要选用。 ( 5 ) 故障录波器时间同步： 目前，微机故障录波器均有机内标准时间环节。g p s 的定时精度可达0 5 s ， 可以用g p s 来不断修正原来录波器中时间元件本身的误差所造成的故障时间 记录差异，可使全系统故障录波器时间同步。 ( 6 ) 雷电定位系统： 通过设置不同地理位置的探测站，测量探测站获得雷电信号的时间差。由于 每个站只能确定雷电信号源的方位，因此用3 个以上站的测量结果就可以计算 出落雷位置。这种方法需要有统一的同步时钟。 1 4 同步相位检测装置( p m u ) 的发展概况 同步相位测量单元( p m u ) 的基本功能 12 j 是利用g p s 信号对电网中信号 波形同步检测，并进行分析计算，进而结合频率和幅值信息，对电力系统全网 状态进行同步监测。研究同步相量测量算法是丌发p m u 装置的理论重点，它 包括幅值、相位角和频率的测量方法。 文献【2 4 】中介绍了一种电力系统实时相角监控系统的结构研究、研制和动模 试验，该相位检测装置由一个g p s 接收模块，个监控模块和若干个测量模块 组成，能够实现集中监控和分散就地控制。文献( 2 5 1 提出了实现g p s 同步采样的 方案，给出了基于g p s 同步采样单元的设计方案。文献【2 6 】是研究了采用g p s 时钟同步与锁相技术相结合的电网相量实时异地检测方法，采用硬件逻辑电路 产生等间隔采样脉冲序列，并由它启动a d 转换器，这种脉冲既可以自适应跟 踪电网频率变化、又能实现异地同步。文献【2 7 】介绍了基于g p s 的电网状态监测 系统，可以实现对主要节点电压相量、功角和功率等量实时测量和处理。 1 4 1国外同步相位检测装置的研究概况 p m u 的研究大约起步于上世纪8 0 年代，1 9 8 2 年至1 9 8 6 年处于概念阶段， 1 9 8 6 年至1 9 8 8 年处于试验装置阶段，1 9 8 8 年至1 9 9 1 年处于在系统中试运行 阶段。1 9 9 2 年以后工业化产品问世l z 。 19 8 0 年，加拿大人m i s s u o t 把l o n a r c 远距离低频无线电导航系统提供的 时间信号作为同步时钟，采用电压波形过零检测的方法进行电压相角测量。 8 第1 章绪论 1 9 8 1 年，p b n o n a o m i 利用低频无线电广播定时信号授时，在瑞士电网进行了同 步相位检测的试验。1 9 8 3 年，美国人a g p h d a k e 采用无线电广播授时作为同步 时钟，提出用对称分量离散傅立叶变换方法( s y m m e r t i c a lc o m p o n e n i sd i s c r e e t f u o r i e rt r a l l s o f o r m ，s c d f t ) 。 西方发达国家在九十年代开始，同步相量检测装置( p m u ) 慢慢研制并应用 2 8 - 2 9 】。1 9 9 0 年，p h a d k e 等人研制了基于g p s 时钟的同步相量测量装置( p h a s o r m e a u s e r m e n tu n i t ，p m u ) ，在m a c r o d y n e 公司将其商用化以后，p m u 开始在 各地安装。同年，法国也研制了基于g p s 的同步相量测量装置，并将电压相量 监视和基于电压相量的控制作为法国电网防止崩溃的措施1 3 。1 9 9 3 年，针对加 利福尼亚一俄勒冈输电项目进行的故障试验【3 ，试验中应用p m u 记录的数据 结果与试验结果相当吻合。 之后，p m u 更多的应用于大电网之中。美国w s c c ( 西部电力系统协调委 员会) 当时就已经基本建成了以p m u 为基础的广域检测系统( w a m s ) ，借以投 入使用的p m u ，记录了电力系统中的多次事故数据，对事故原因分析提供了可 靠的暂态过程数据。法国电力公司在1 9 9 7 年组建基于p m u 的协调防御控制系 统【3 2 。3 3 1 ，此系统通过将p m u 安装在超高压( e h v ) 网络节点上，以此检测电压相 量。加拿大魁北克水电局将p m u 应用于串补网络，并以此来分析谐振频率。 英国研制了基于g p s 的扰动录波器，当系统出现扰动时，可以准确地记录下电 网中电压和电流的幅值，频率，相位等变化信息。 1 4 2国内同步相位检测装置的研究概况 国内同步相量检测装置的研究丌始于9 0 年代，也取得了一定研究成果 3 4 - 3 6 j 。 9 5 年，电科院在引进的相位检测装置硬件基础上，自主开发应用软件，并在广 东天广线上安装了两台相位检测装置，用于监视联络线相位的摆动。同年，华 北电力大学研制出采用g p s 同步授时以及过零检测算法的相量检测装置。之后， 清华大学对相位检测装置做了动态模拟实验，并在黑龙江实现了相量检测和相 邻点问相量观测。9 8 年丌始，华中科技大学电力系就开始对功角和电压相量的 同步检测进行研究，他们与湖南省电力公司项目合作研制出了基于g p s 的湖南 电网状态监测系统( 一个中心站，两个监测子站) ，在实际运行中取得了良好 的效果。2 0 0 1 年后扩展至1 0 个厂站，装置安装完毕，运行良好。 目前我国电网中安装p m u 情况大体如下【2 7 】：全国范围看，阳城、全国联 9 第1 章绪论 网工程、三峡工程部分都已经安装了p m u ，拟进一步全面安装构成系统；省电 力调度通信中心已经安装p m u 的有河南、广东、黑龙江，辽宁，河北、扛苏、 福建、四川和湖南等。其中，河南电网在所有电厂和4 个5 0 0 k v 变电站都安装 了p m u 。 1 4 3 现有的同步相位检测系统p m u 系统的构成 目前远程定相、核相系统已经得到了一定的应用，当前也有了已开发使用 的产品：法国的s f e 公司已经研制出产品f c 4 0 0 0 卫星同步相位系统；在国内， 苏州锦泰康安安全设备有限公司也已经推出了一系列的基于g p s 的定相产品。 分析这些系统的结构，可分为参考端和移动端两部分，具体构成见图1 _ 4 。 参考端通常安装于户内变电站或者调度部内，包括带有g p s 天线的g p s 适配器 和参考端主机，移动端是随身携带的，包括可移动g p s ，移动电话，移动端检 测主机，移动探头。 矿一卫星 移动单元 幽1 4g p s 数字定相系统原理幽 采用全球定位系统( g p s ) 的h 步授时技术，为阿地提供统一的时叫基准 选用移动通信网络作为数据传输通道，其丁作流程如下： 第1 章绪论 ( 1 ) 移动端通过移动电话呼叫参考端，参考端自动摘机，建立数据传输通 j 山 追； ( 2 ) 参考端主机检测g p s 秒脉冲和电力线信号，计算出以g p s 秒脉冲作 为参考的电力线的相位信息，并以数据包的形式发送给移动端； ( 3 ) 移动端检测主机接收该数据包，根据本地的g p s 秒脉冲恢复参考端的 电力线信号，并编码发送给智能单元； ( 4 ) 手持智能单元同时接收由移动探头发送的本地电网相位信号和移动端 检测主机恢复的参考端电力线相位信号，显示两者的相序关系，完成定相( 或 者核相) 。 1 5 本文主要内容和章节安排 本文在广泛阅读国内外有关相位检测系统的开发与应用的基础之上，系统地 研究了现有相位检测装置的原理、结构和功能，综合利用先进的g p s 原理、计 算机及通信技术，设计了部分p m u 装置。 论文的主要工作如下： ( 1 ) 在查阅大量参考文献的基础上，概述了国内外相位检测的发展历程和 现状，并阐述了相位检测技术在电力系统中的应用和前景，又简单介绍了g p s 全球定位系统及其应用。 ( 2 ) 查阅书籍文献，介绍了当前相位检测所采用算法的基本原理和方法， 并对各种检测的方法的应用情况和优缺点进行了分析比较；初步选定采用基于 傅立叶变换的相位检测算法进行后续的研究。 ( 3 ) 对傅立叶变换进行比较详尽的介绍，并涉及了连续傅立叶变换，傅立 叶级数直至离散傅立叶变换及其如果应用于相位检测中的做法。分析了现有的 傅立叶变换算法在实际应用中存在的一些问题，当信号频率出现偏移时对检测 结果带来的影响，文中给出了改进算法的推倒过程，并对改进后的方法进行了 仿真。 ( 4 ) 对不同类型的滤波器进行介绍和对比，针对相位分析前的波形特点， 选择数字式f i r 滤波器在运用傅立叶变换求相位之前先滤波，以消除部分的影 响，提高了装置的可靠性。 ( 5 ) 对装置的总体和局部硬件进行原理性设计，给出了接收器和通信的构 第1 章绪论 想，涉及的内容还包括信号前置处理电路，滤波放大电路及同步数据的采样部 分等，部分元器件给出了选用原理。 ( 6 ) 运用c c s 的软件仿真处理算法并得到结果，对仿真结果分析。 1 2 第2 章同步相位检测的主要方法及其原理 第2 章同步相位检测的主要方法及其原理 当前，检测相位的方法比较多，按实现途径可分为硬件法和软件法两大类。 硬件法以硬件为核心，直接用硬件检测两个信号初相位的时间差及周期，由软 件或硬件将时间差变换为相位差显示。软件法是以软件为核心，通过硬件完成信 号采样、变换，再由软件对采样数据进行处理分析，得到相位差的估计值。通常 用的比较多的方法有过零鉴相法、d f t 法和相关函数法等。随着计算机技术和 虚拟仪器技术的发展，在测试系统中，将越来越多的基于数字信号处理的软件 法检测方法取代传统的检测技术。这里基本介绍的是相对成熟的检测算法。 2 1 相位的基本概念 周期信号波形包含频率、幅度和相位三种特征，其中相位由为重要，它说 明谐波振荡在某一瞬时的状态。在数学上定义为正弦或余弦函数的幅角，其数 学模型可以表示如式( 2 1 ) ： 铭) = u 。s i n ( c o t + 日) ( 2 - 1 ) 式中目表示初相位，g o t + 口就是相位角，即是通常说的相位。从矽( f ) = 6 0 t + 秒的表 达，可以看出相位是时间f 的线性函数。用纷( ，) 、仍( ，) 来表示角频率为缈l 、国：的 两个简谐振荡的相位，带入表达式，即有： ( f ) = 识( f ) 一欢) = ( ( - 0 1 一c 0 2 ) t + ( o , 一岛) = c o t + ( o i 一岛) ( 2 2 ) 由式( 2 2 ) 可看出，求取相位差也是时间f 的线性函数。伊对彩的偏导数，罢= f p 。 0 0 3 一 如果劬= 彩，即两个同频信号，则有： 矽o ) = 办( f ) 欢 ) = q 0 2 ( 2 - 3 ) 上式说明，两个同频信号的相位差为常数，并且是由它们的初相位角之差 确定，- 即我们通常所说的静态相位差。 如果选定一个信号为参考信号，设它的初相位为零，即岔= 0 ，则其表达式 为( f ) = 虬s i n ( c o t ) ，此式确定的信号叫做基准信号；再假设另外一个信号 1 3 第2 章同步相位检测的主要方法及其原理 “：( ，) = s i n ( c o t + 且2 ) ，此式确定的信号称为被测信号。则这两个信号“。( r ) 、u 2 ( ，) 之间的相位差应为：= 蜴一疙= 一岛，式中的负号表示仍滞后伊：或仍超前仍。 2 2 过零检测法相位 过零检测法，又称为相位一时问测相法或者相位一脉宽法，它是一种直观 的同步相位测量方法，它能测量信号波形的频率和相位，在实际应用中，还需 配合使用其它方法来测量幅值。 过零检测法的思路是把两路信号通过信号调理以后转变成量程范围内的正 弦波，经过过零检测将波形转变成方波，再利用方波来控制计数器的开停，通 过添加高频脉冲计数，把相位差转化成时间差来测出相位，其处理过程如图2 1 所示。 图2 1相位时间测相法原理图 过零检测法的前提是建立一个基准时钟，在精确的同步定时脉冲触发下采 样和计算所得的频率和相角才具有可比性。在实际应用中，主要是利用g p s 提供 的秒脉冲1 p p s 对测量装置中的高精度晶振信号进行同步，用以建立标准的时钟 信号【3 7 】【3 8 l ( 有的文献选择5 0 h z ，也有的是4 0 h z ) 。 1 4 第2 章同步相位检测的主要方法及其原理 同步定时信号 同步定时信号 i r ( f - i ) t ( i ) 图2 2 同步定时信号波形图 频率也是相位检测的关键。当同步定时信号到来时，需借助前一时刻信号 波形的频率来求出相角。可以通过图2 2 来说明过零检测法的具体算法原理， t ( i 1 ) 、丁( f ) 分别表示广域同步定时信号到来时刻，t ( k 一1 ) 、t ( k ) 分别表 示信号波形由负到j 下过零时刻，可得广域同步定时信号到来的丁( f ) 时刻电压频率 为： 0 t ) = 2 ：r f t ( o ( t ( f ) 一丁( 七) ) = 2 万i 踹 ( 2 - 4 ) 假设广域同步定时信号来到时刻r ( f ) 所对应计数值为坼，过零时刻r ( 七) 所对应计数值为坼( 。) ，晶振周期为瓦，则r ( f ) 一丁( 七) = 【坼( ，) 一m ( 七) 】瓦a 如果晶 振频率不够高，可能影响到计数值精确性。可见，此法在很大程度上决定于采 样和填充脉冲的频率，在实际的电路中，由于受限于实际电子元件的影响，即 使做到0 1 。都很困难；另一方面，它用于计算的频率是由前一时刻的数据得到， 在一定程度上就存在了实时误差。 2 3 一阶线性插值相位检测原理【1 2 】 阶线性插值实际上就是通过求出过零点的数值来检测出相位。可以结合 1 5 2 3 来理解。其中，k 、表示采样值的序号，x ( ，) 在第( k 一1 ) 次与第k 次采样 之间从负到正过零，y ( f ) 在第( j 一1 ) 次与第j 次采样之问从负到正过零。假定在 1 5 第2 章同步相位检测的主要方法及其原理 角度不太大时的正弦曲线近似为直线，则由图可知，竖e 孑生表示的是后、 s ( 后一1 ) 两采样点间曲线的斜率，_ 二哇- 表示x ( f ) 的瞬时值由负向正的零点至露 l 坼一x k l j 采样点的时间，此时两个零点之间的时间间隔为： ：( j 露+ 三r l 一2 l ) 疋 戈。- - x k _ 1y 厂蜘 ( 2 - 5 ) 式中坼、一l 表示在第k 次与第( 七一1 ) 次时x ( ，) 采样值；y ，、j ，表示在第七 次与第( 后一1 ) 次时y ( f ) 采样值；五表示采样周期。由此，可求出相位差： 缈= 织一吼= 等确o o 一沪尼+ 焘一焘，争确。协6 ， 1 聊趴。刃八。 钎：扒、义一一u 7 f 图2 3 一阶线性插值相位差计算图 2 4 二次插值相位检测原理【1 2 】 二次插值相位检测的原理和方法是在一阶线性插值的基础上发展起来，所 以两者的基本检测原理是一致的，只是它考虑到电力系统中电力信号含有高频 干扰，信号可能在过零点的判断上有误差，所以采用了二次插值来减少这种误 差。参考一阶线性差值的图，设两路同频率正弦信号x ( t ) 、y ( f ) ，如图2 3 所示。 设x ( f ) 、j ，( f ) 零点采样序列为m 和纷，采样周期为b ，同频率信号的周期丁， 则可以根据下式( 2 7 ) 求得两路信号的相位差矽。 缈= ( 朋一疗) 珏3 6 0 。r ( 2 7 ) 1 6 第2 章同步相位检测的主要方法及其原理 在靠近过零点最近的地方，找至t j 3 个采样点，并记录出其采样的索引值，利 用拉格朗日插值多项式，进行曲线拟合，拟合成二次插值多项式。设在过零点 采集到的数据为( x k - iy ) 、( 矗，y 。) 、( x k + ly 纠) ，得所需要的二次插值多项式： y = y , q i i 兰 三 糌+ y ti 三至端+ y t + - i i 兰 三 躺 ( 2 8 ) 利用抛物线法计算出过零点： p 2 1笋兰j主疋：l+口=y,_lp2x pi p y , p 8 2 + y k + 。p i x t 1 疋= l + 口 一+ + l b = y , - i p 2 一y k 8 2 2 + y t + l ( p + 岛) ；c = y i + i 以；g = _ 冬 b 、b 一4 a c 由于分母中号，是取分母中模较大的一个，于是过零点为： x 2 x k + l + g ( 一x k l j ( 2 9 ) 一阶线形插值、二次插值相位检测方法虽然可以比较精确的检测出来相位， 但是在实际应用中却具有很大的局限性。因为在电力系统中，需要检测的信号 波形一般含有很大的干扰信号，造成了过零点很难确定。 2 5 相关分析法检测相位的原理 相关法是利用两同频正弦信号的互相关函数零时刻值与其相位差的余弦值 成f 比的原理获得相位差。由于噪声信号通常与有效信号相关性很小，因而该 方法有很好的噪声抑制能力。 设有两个同频信号x ( t ) 、y ( t ) ，都被噪声污染，其表达式为： x ( ，) = a s i n ( c o o t + 死) + m ( ，) ( 2 - 1 0 ) y ( t ) = b s i n ( t + 识) + 。o ) ( 2 一l1 ) 其中，虬( f ) 、。( f ) 为噪声信号；h - 为相位。根据相关函数的定义，可以得： 又砂( f ) = ；rx ( f ) y ( + f ) d t = 吾r 【a s i n ( c o o t + ) + n ，( f ) 】【召s i n ( t o o t + 纷) + y o + f ) 】旃 ( 2 1 2 ) 由于噪声和信号几乎不相关，且噪声之间也不相关，因此，相关函数为： 1 7 第2 章同步相何检测的主要方法及其原理 ( o ) ：_ a bc 。s ( 破一唬) ( 2 1 3 ) 办一唬= 一s ( 筹) ( 2 - 式中a = 2 r 。( o ) ，b = 2 r y ( o ) 。实际处理的信号为采样后的离散点信号序列， 相应的离散计算公式为： ( o ) = x ( 纷) y ( 挖) ( 2 1 5 ) n = 0 足( o ) 2i i 白“- l 石2 ( 刀) ( 2 - 1 6 ) ”) 2 去丢k - - iy 2(刃)(2-17) 式中k 为采样点。通过信号z p ) 和少( ，) 的互相关函数的计算，可求得它们的 相位差。 相关分析对于采样转换信号中的直流偏移和噪声等干扰具有很强的抑制能 力。检测误差主要来源于交流信号的频率不稳定。相关分析法检测相位适用于 低频较低的信号，特别是对超低频信号的检测具有其它检测方法不可比拟的优 点。 2 6 数字取样算法【3 9 】 数字取样算法具有相当高的精度，它是利用同步采样技术获得两输入信号 的取样值，然后对瞬间幅值进行变换处理得到相位角。假设两个正弦信号为 ( f ) = u 卅s i n ( r o t + q ，z ) ( 2 1 8 ) u 2 ( t ) = u 2 。s i n ( a t + r p z ) ( 2 1 9 ) f f ”l ( ) 材2 ( 7 ) = u l m u 2 , s i n ( 缈+ 仍) s i n ( + 仍) ( 2 - 2 0 ) = u 二c o s ( c o , 一仍) 一c o s ( 2 e o t + 仍+ 仍) 式中，= 去u 。 公式( 2 2 0 ) 中，项c o s ( o l 一仍) 在仍、仍确定时为常数，项 1 8 第2 章同步相位检测的主要方法及其原理 虬c o s ( 2 c o t + q + 讫) 是以2 缈为频率的余弦信号，可看出u 1 ( r ) 和u 2 ( ，) 的乘积是一 个正弦信号与一常数项的迭加，对其求平均值，得结果如下式( 2 2 1 ) ： t 7 = 手r u ( f ) ( ，) a t = 亍1r 【c o s ( q , 。一仍) 一c o s ( 2 c o t + 仍+ 仍) 】出 ( 2 2 1 ) = u 。c o s ( 仍一仍) = c o s 0 开 其中，矽= ( 仍一仍) 为u l ( f ) 与材2 ( f ) 之间的相位差。可见c o s o = 导 u m 使用这种测量方法时，采样点的数量越多，对于低频的情况下，可以得到的 结果就越精确，而且软件部分简单，易于实现。但当被测信号的频率比较高时， 就需要高速a d 数据采集器件作为外部电路。且由于采样频率过高，加之两路采 样要严格同步，致使在使用上受到一定的局限。 2 7 基于数字正交变换的相位差检测方法【4 0 】 基于数字正交变换的相位检测方法，是从取样数据长度、信噪比以及a d 转 换器的量化比特数方面着手来进行分析和检测。其原理如下，假设两被测正弦 信号分别为： u i ( f ) = u ls i n ( 2 n f o f ) ( 2 2 2 ) u 2 ( f ) = u 2s i n ( 2 n f o t 一缈) ( 2 2 3 ) 这里假设为不小于3 的正整数，采样频率为兀= 1 瓦，若以采样频率兀= n f o 对( f ) 和u 2 ( f ) 进行采样，则有： u t ( 刀) = u , s i n