（电气工程专业论文）电力系统相角与功角测量技术的研究与应用.pdf

摘要 电力系统相角与功角测量技术的研究与应用 作者：韩敬东 指导老师：蒋平、王荣兴 ( 东南大学电气工程系、南京河海南自科技有限公司) 摘要 由于电力系统安全稳定控制对于量测量在时间上同步以及监控范围在空间上广域的 需求，广域测量系统( w a m s ) 越来越受到人们的重视。而作为w a m s 底层测量单元的 新型相量测量装置( p m u ) 及新型相量和功角测量方法也正成为研究的热点。本文的研 究内容来源于河南省电力公司与河海大学电气工程学院联合开发的、覆盖河南全网的系统 级的w a m s 建设项目。本文主要从事了以下三方面的工作： 1 研究了当前在电力系统相量测量和功角测量上的不同方法，从原理上和测量精度 上对比了它们的优劣。确定了能适应当前w a m s 发展需要的新一代p m u 装置的相量及 功角测量技术。 2 研制开发了基于g p s 的新型功角与相量测量单元，提出了稳态设置与动态追踪相 结合的功角测量新技术，其具有以下特点：( 1 ) 直接测量发电机的功角而非通过电气计算， 所以对于电力系统暂态和稳态过程都是有效的，具有较高的暂态测量精度；( 2 ) 直接利用 现有的转速信号测量，不需要在现有的机组上加装设备，而且通用于鉴相信号和转速信号； ( 3 ) 不需要停机安装，应用方便；( 4 ) 抗干扰能力强，能够在较为复杂的测量环境下正 常工作。 3 研制的p m u 装置，全面安装于河南电网内的统调发电厂和关键的5 0 0 k v 枢纽变 电站，构建了省级电网的广域功角与相量测量系统并投入了实际应用。 关键词：电力系统相量测量单元功角测量广域测量系统 a b s t r a c t r e s e a r c h e sa n d a p p l i c a t i o n s o fp o w e r s y s t e m p h a s o ra n dr o t o r a n g l e m e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y h a nj i n g - d o n g s u p e r v i s e db yj i a n gp i n ，w a n gr o n g - x i n g ( e l e c t r i ce n g i n e e r i n gd e p a r t m e n t ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n ji n g ，c h i n a ；h o h a in a n z i s c i e n c e a n dt e c h n o l o g yc o ，l t d ，n a n j i n g ，c h i n a ) a b s t r a c t i ft h et i m e r so fa l lt h em e a s u r e m e n tu n i t si nt h ep o w e rg r i d sa r es y n c h r o n i z e d ，t h ec o n t r o l p e r f o r m a n c eo ft h ep o w e rs y s t e ms t a b i l i t yc o n t r o lc a nb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d t oa c h i e v e t h i so n e c t i v e t h ep h a s em e a s u r e m e n tu n i t e ( p m u ) b a s e dw i d ea r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ( w a m s ) w a sp r o p o s e da n da t t r a c t sm o r ea n dm o r ei n t e r e s t sf r o m 也ef i e l do fr e s e a r c ha n d e n g i n e e r i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ep r i n c i p l eo ft h ep m ue q u i p m e n ta n dt h em e t h o d o l o g yo f t h em e a s u r e m e n to ft h ep h a s o ra n dr o t o rp o s i t i o no ft h eg e n e r a t o ra r es t u d i e d u s i n gt h ep m u d e v e l o p e d a 後m sw a sb u i l ta n di n s t a l l e di nt h eh e n a np o w e rn e t w o r ku n d e r t h ec o o p e r a t i o n o fh e n a ne l e c t r i c a lc o m p a n ya n ds c h o o lo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n gi nh o h a iu n i v e r s i t y t h e m a i nc o n t r i b u t i o n so ft h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 t h em e t h o d so ft h em e a s u r e m e n to ft h ep h a s o ra n dt h er o t o rp o s i t i o no ft h eg e n e r a t o r a r ec o m p a r e di nt e r mo ft h ep r i n c i p l ea n dt h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n t b a s e do nt h e c o m p a r i s o n t h em e a s u r e m e n tm e t h o ds u i t a b l ef o rt h en e wp m u i sc h o s e n 2 an e wm e t h o df o rt h em e a s u r e m e n to ft h er o t o rp o s i t i o no ft h eg e n e r a t o ru s i n gt h ei n i t i a l p o s i t i o no ft h er o t o ra n dt h ed y n a m i c so ft h er o t o ri sp r o p o s e d b a s e do nw h i c h ，t h ea n g l ea n d p h a s em e a s u r e m e n tu n i t ( a p m u ) i sd e v e l o p e d c o m p a r e dw i t ht h ep m u sd e v e l o p e d p r e v i o u s l y , t h ea d v a n t a g e so f t h ea p 町a r e ( 1 ) 1 1 1 er o t o rp o s i t i o no ft h eg e n e r a t o r si sm e a s u r e dd i r e c t l yw i t ht h ep o s i t i o ns i g n a lo ft h e r o t o r h e n c e ，t h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o ni si m p r o v e d ，e s p e c i a l l yd u r i n gt h et r a n s i e n ts t a t e ； ( 2 ) s i n c et h er o t o rs p e e ds i g n a li sa v a i l a b l ei ne v e r yg e n e r a t o r , i ti su n n e c e s s a r yt oi n s t a l l a n ya d d i t i o n a ld e v i c eo nt h er o t o ro ft h eg e n e r a t o rf o rt h em e a s u r e m e n t ； ( 3 ) t h ei n s t a l l a t i o no f t h ea p m ud o e sn o ti n t e r r u p tt h en o r m a lo p e r a t i o no f t h eg e n e r a t o r ； ( 4 ) t h ed e v i c eh a sas t r o n gc a p a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g 3 a na p m ub a s e dw i d ea r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ( w a m s ) h a sb e e nb u i l ti nt h eh e n a n p o w e rg r i d t h ea p m u sw e r ei n s t a l l e di nf o u rk e y5 0 0 k vs u b s t a t i o n sa n da 1 1t h eg e n e r a t o r s w i t ht h ec a p a c i t yo fm o r et h a n12 5m w t h e r a m sh a sr u ni nt h ep r a c t i c a lp o w e rs y s t e m m o n i t o ra n dc o n t r o lf o rt w oy e a r s k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m ， p h a s o rm e a s u r e m e n t ， r o t o rp o s i t i o nm e a s u r e m e n t ， p m u ， ，a m s i i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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了 谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 近年来，相量测量单元和广域测量系统的研究开发工作在国内外方兴未艾n 1 。这主要源自电力系 统的两个发展需求：( 1 ) 时间上同步。目前的各种电力系统故障录波仪，由于不同安装地点之间缺乏 准确的共同时间标记，记录的数据只是局部有效，难以用于全系统动态特性的分析。为此，2 0 0 1 年7 月颁布实施的新版电力系统安全稳定导则中第5 7 条要求：电力系统应配备连续的动态安全稳定 监视与事故录波装置，并能按要求将时间上同步的数据送到电网调度中心故障信息数据库，实现故障 信息的自动传输和集中处理，以确定事故的起因和扰动特性，并为电力系统事故仿真分析提供依据。 ( 2 ) 空间上广域。随着电力系统的空间范围不断扩大，形成广域电力系统。广域电力系统的运行分析 与控制，都是以状态测量为基础的。传统的s c a d a 系统侧重于系统稳态运行情况的监测，以s c a d a e 粥 及有关的应用软件为代表的调度监测系统实际上是在潮流水平上的电力系统稳态行为监测系统。 根据电力系统的发展需求，人们开始研究相量测量单元和广域测量系统。所谓相量测量单元( p h a s e m e a s u r e m e n tu n i t p 删) 就是利用g p s 的授时功能，给以相量形式测量到的各节点或者线路的各种 状态量打上时间标志的一种测量装置幢1 。与传统r t u 测量所不同的是：各个p m u 的测量值可以根据其 时标统一到同一个时间坐标上，这样不仅可以获得各种状态量的有效值，还可以直观地了解各个状态 量之间的相位关系；利用发电机表征转子转速的相关信号，还可以准确地测量出发电机的功角。所谓 广域测量系统( w i d ea r e am e a s u r e m e n ts y s t e m w a m s ) 是以相量测量装置( p 姗) 为低层测量单元， 经通讯系统将测量值实时传送到数据采集器，经过一定的数据处理后实现对电力系统运行进行动态监 测及其他高级应用功能的系统。 以p m u 为基础的w a m s 为电力系统安全监视和控制创造了良好条件。电网调度人员能够可视化地了 解系统的状态和安全程度，必要时采取预防控制；在故障条件下有可能通过测量到的角度信息进行动 态安全的实时分析，使调度人员能够及时了解系统的动态安全程度，需要时采取紧急控制，以防止系 统失稳，这可以有效提高电网的安全水平，从而产生很大的经济和社会效益；发电机的功角信息还可 以用于电网事件分析以及暂态稳定计算中模型的校核，对电网分析十分有用。w a m s 的应用前景非常广 泛。 东南大学工程硕士学位论文 1 2 研究现状 1 2 1 统一时标的选择 过去由于缺乏技术手段，电网中各测量点的时标不能精确地统一，测量值只是局部有效，在很大 程度上限制了许多安全稳定监控方案在实际电网中的应用，如何统一全电网的时标一直是困扰电力工 作者的一大问题。全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e 一g p s ) 的出现，为我们提供了一个很好 的统一系统时标的工具。g p s 是美国于1 9 9 3 年全面建成并运行的新一代卫星导航、定位和授时系统。 它由空间卫星、地面测控站和用户设备三大部分组成，空间卫星共计2 4 颗，平均分布在距离地球2 0 2 0 0 公里高度的6 个轨道面上。g p s 的工作频率大约为1 5 g h z ，以载码的形式向地面发射信号。它能覆盖 全球，全天候工作，全天2 4 小时连续实时地向用户提供高精度的位置、速度和时间信息。g p s 传递的 时间在地面测控站的监控下能与国际标准时间保持高度同步，理论上g p s 的授时精度可达到o 5 微秒。 这一特点使它成为目前世界上覆盖范围最广，精度最高的时间发布系统。此外，它的优点还有：不需 要架设通讯通道、不受地理和气候条件限制、接收设备成本低廉等o j 。川。 表卜1 和表卜2 列出了电力系统中不同应用场合对数据同时性的要求和各种提供同步时钟的方 法所能达到的时间精度。可以看出，采用g p s 时钟可以满足电力系统中绝大部分应用场合下对同时l 生 的要求，是电网时间统一的理想方法。 表i - i 电力系统中不同应用领域对数据同时性的要求 角度精度位置精度时间精度 应用范围 ( 。)( m ) ( , u s ) 状态估计( 静态)o 5 2 5 状态估计( 动态)1 55 0 2 5 0 稳定监测和控制15 0 相角测量0 15 故障定位3 0 4 80 5 自适应继电保护o 15 2 第一章绪论 表卜2 各种同步时钟信号源误差比较 信号源误差( m s ) 聊5 聊n ，b2 o m e g a 1 0 m s f d c f1 0 l o r a n c0 0 2 g o e s 1 g p s0 0 0 0 5 模拟微波传输系统 1 数字微波传输系统 0 0 0 7 光线传输系统0 5 近十几年来，国内外电力系统在g p s 应用方面已经进行了不少研究工作，如利用这种高精度、高 可靠性的时间信号进行继电保护、故障录波的设计。同时它还被用在状态估计、故障定位、线路参数 的带电测量以及稳定控制方面，以解决以前难以解决或无法解决的问题。所取得的成果表明g p s 在继 电保护、故障录波和测距等方面的应用正在逐步走向实用化。 1 2 2p m u 装置的研究现状 由于电气相角与发电机功角在测量原理和应用上都有差别，可以将单纯的相量测量单元称为p m u ， 单纯的功角测量单元称为a m u ( a n g l em e a s u r e m e n tu n i t ) ，集功角和相量测量子一体的单元称为a p m u ( a n g l e p h a s em e a s u r e m e n tu n i t ) 。但为了和以往习惯名称一致并且简单起见，本文中依然将集功 角和相量测量于一体的单元称为p b i u 。 p m u 装置的研究起步于上世纪8 0 年代的美国，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 年处于系统中试运行阶段。1 9 9 2 年以后工业化产品问世，当时 的采样达到2 8 8 0 h z ，a d 为1 6 位。标准化工作，在1 9 9 5 年诞生了i e e e1 3 4 4 ，2 0 0 1 年修订为c 3 7 1 1 8 。 目前，美国西部w e c c 系统安装了近5 0 个p m u ，主要用于动态记录和模型修正。北美w s c c 系统( 包括 b p a 、s c e 、i s o ) 安装了4 7 台p i u ，监视大约1 2 0 0 个信号，主要用于动态记录、分析和建模。t v a 经 过优化设计，在6 0 0 条线路中的6 9 条主干线上安装了p m u ，可以观测到整个系统。美国的其它许多电 3 东南大学工程硕士学位论文 力公司都安装了数量不等的p m u ，少则2 台、多则1 0 多刮 1 0 3 。 在欧洲，西班牙的c s e 首次将p m u 信息用于状态估计，法国东南部系统、北欧系统、英国电网也 都部分安装了p m u 1 。 我国有关工作起步于1 9 9 5 年，目前有中国电力科学研究院、清华大学、华北电力大学、华中科技 大学、山东工业大学、西安交通大学、河海大学等单位从事研究开发工作，设备生产厂家有北京四方 公司、上海南瑞公司、电科院能盛公司、河海大学等。我国电网中安装情况大体如下，国家电网调度 中心( 以下简称“国调中心”) 在阳城、全国联网工程、三峡工程中部分安装了p m u ，拟进一步全面安 装构成系统；省级电网调度中心( 以下简称“省调中心”) 安装p m u 的有河南、广东、黑龙江、辽宁、 河北、江苏、福建、四川等n 2 删。 总之，目前基于g p s 的p m u 的研制和应用不少，但欧美国家的大多数装置只测量电气量的相角，不 测量发电机的功角。我国研制的一些装置能够直接测量发电机功角，但仍然存在一定不足，比如有的只 能应用于汽轮机，有的暂态精度不够，有的需要停机安装等。更重要的是应用范围小、应用功能窄，还 未见在某一电网中全面安装功角和相角测量装置并组成w a m s 的报道。 1 3 论文的主要工作 本文根据上述研究热点和现状，结合河海大学与河南省电力公司合作进行的河南省w a m s 项目，开 展的研究工作主要包含以下几个方面： ( 1 ) 研究了当前在电力系统相量测量和功角测量上的不同方法，从原理上和测量精度上对比了它 们的优劣，确定了能适应当前w a m s 发展需要的新一代p m u 装置的相量及功角测量技术。 ( 2 ) 研制开发了基于g p s 的新型功角与相量测量单元，提出了稳态设置与动态追踪相结合的功角 测量新技术，并具有以下特点：直接测量发电机的功角而非通过电气计算，所以对于电力系统暂态 和稳态过程都是有效的，具有较高的暂态测量精度；直接利用现有的转速信号测量，不需要在现有 的机组上加装设备，而且通用于鉴相信号和转速信号；不需要停机安装，应用方便；抗干扰能力 强，能够在较为复杂的测量环境下正常工作。 ( 3 ) 研制开发的新型p m u 装置，全面安装于河南省电网内容量在1 2 5 m w 以上的统调发电机和关键 的5 0 0 k v 枢纽变电站，配合项目课题组其它方面的研究开发工作，构建了省级电网的广域功角与相量 测量系统( w a m s ) 并投入了实际应用。 4 第二章相角测量技术研究 2 1 引言 第二章相角测量技术研究 i e e es t d l 3 4 4 1 9 9 5 ( r 2 0 0 1 ) 标准给出了额定频率情况下相量的定义。对于信号 x ( f ) = 扼- x c o s ( c o o t + 矽) ，对应相量为x e 坤。其中c o o 为额定频率，x 为信号有效值，伊为初相角。 上述基于额定频率的定义，不能反映信号频率偏离额定频率时相量相角随频率变化的情况。采用如下定 义方式可将频率偏差的影响统一到相量定义中。 设原信号为： x ( f ) = 4 2 xc o s 2 7 r ( f o + a f ( t ) ) t + 伊】 对应的相量为： - x ( t ) ：x e j ( 2 1 r l o 可矽+ 矿 ( 2 1 ) 式中兀为额定频率，a f ( t ) 为信号频率与额定频率的偏差。 其物理意义是：以额定频率构造旋转坐标系，定义的相量即是在复平面上的一个以角频率2 7 r a f ( t ) 旋转的矢量。相量相对坐标轴旋转的快慢表征了信号频率偏离额定频率的程度。按照这种定义方式，可 以通过相量圆图方便地表示各个同步相量的相角变化情况和相对位置阻1 。 对于p m u 装置而言，测量的相量一般是母线或线路的电压、电流。相量幅值的测量技术现在已经非 常成熟，并且精度也很高。而对于相角的测量，则方法较多，精度也不尽相同。 相角测量的原理主要有两类：一类是采用过零检测法；另一类是傅立叶变换法。过零检测法方法简 单，但抗干扰能力较差。傅立叶变换法方法相对复杂，但测量精度高。在国外安装的p m u 中，美国的安 大略电力局、太平洋公司使用过零检测相角测量装置；而a g p h a d k e 博士开发的相角测量装置是傅立 叶变换法，法国电力公司开发的相角测量装置也是傅立叶变换法。 本章将详细研究这两种方法，在原理上和精度上对它们进行比较，并从中选定研制p m u 装置采用的 测量方法。 2 2 相角测量的过零检测方法 p m u 装置中使用过零检测法的原理是n ：首先利用g p s 提供的秒脉冲信号，对测量装置中的本机 5 东南大学工程硕士学位论文 晶振信号进行同步，建立标准的5 0 h z 信号。然后由硬件过零检测电路检测出信号的过零点，并根据标 准5 0 h z 信号给其打上时间标签，然后就可以求出其相对于标准5 0 h z 信号的角度。 在图2 一l 中，第个测量点过零时刻分别为、f j + l ，u 宅e t , 时刻，相对于标准5 0 h z 信号过零时 刻2 0 i m s 的角度为： = 嚣( 2 0 0 0 0 - t ，) ( 2 _ 2 ) 相对于参考站的角度为： 6 毛= 6 ；一6 两 ( 2 - 3 ) 式中，j 表示第个测量点；谚。表示时刻参考站测点相对于2 0 i r e s 的角度，t 的单位为胪。 在硬件上，过零检测法中a d 转换器必须有较高的分辨率，理想目标是2 。2 。过零检测法的实质 是每周波采样一次，所以数据采集周期为0 0 2 秒，下发命令周期应为毫秒级。该方法的关键点就在于 硬件过零检测的准确度和精度。 一l 2 0i r e s ， ，t t7 图2 - 1 过零检测法测量电压相角原理图 2 3 相角测量的傅立叶变换方法 p m u 装置中使用傅立叶变换法基本原理是：相量测量装置利用g p s 同步时钟的授时信号作为数据采 样的基准时钟源。数据采样脉冲由同步时钟的秒脉冲信号锁定，每秒第一次相量测量的采样时刻和秒 6 第二章相角测量技术研究 脉冲的上升沿同步，同步误差小于l o o n s 。同步采样频率为4 8 0 0 ，信号为5 0 h z 时每周波对应采样9 6 点。 测量装置每秒钟上传5 0 组同步相量数据，相量对应的时标在一秒内均匀分布n 。 我国电力系统的额定频率为5 0 h z ，采用上述方法，交流采样所得的数据满足采样定理的条件，经 过傅立叶运算就可得出相应的电压、电流量及相位。然而在实际情况中，即使是在系统正常运行时，系 统频率也不是固定不变的，而是在额定频率附近波动。如果不经修正，实际测量在频率偏差0 15 h z 时所 测的相位会有几十度的偏差n 捌。测量装置利用软件测频的方法来实时跟踪频率的变化，然后利用频率 偏差经过特殊的算法对相量进行修正，具体算法介绍如下： 工频信号可表示为： x o ) = 2ixis i n ( c o t + 矽) ( 2 4 ) 用矢量表达： x 刊xe p = 义k + ，。h ( 2 5 ) 若一个周波有点采样，采样值为： m ) = 压n ( 号帆妒 ( 2 - 6 ) 对于( 2 - 5 ) 式，由离散傅立叶变换可得： 耻等善m s c 芍娴 协7 ， _ = 等善x ( 妨s 协( 号动 ( 2 - 8 ) 如果k = l 的采样值对应于g p s 的秒脉冲上升沿，频率在5 0 h z 的情况下，利用( 2 7 ) 、( 2 8 ) 即可 算出秒脉冲时刻的相量。 若需要每一个采样点都能实时地计算出电压相角，可采用如下的递归傅立叶算法。对于式( 2 4 ) 表示的正弦工频信号，在实时测量中得到两个采样集： 以ik = ，厂+ 1 ，+ ，一l ( 对应基波相量x 7 ) 以+ 1 k = ，+ 1 ，+ 2 ，n + r ( 对应基波相量x ”1 ) 式( 2 - 9 ) 、( 2 - 1 0 ) 的离散傅立叶变换可分别表示为： 7 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 东南大学工程硕士学位论文 x r ：百f 2n l + r - | x k e 一舜 鲁 x 州：百1 j 2n 己+ r - 以i + 。p 叫。 台一1 其中0 为采样角，o = 2 兀n ，则式( 2 - 1 2 ) 可变换为： ( 2 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) x h l = x r + 号( k + r _ p 。( 2 - 1 3 ) 式( 2 1 3 ) 即为电压相量d f t 递归算法的迭代计算公式。 对于纯工频的信号，上述递归算法计算出的相量在复平面上是一个固定的量。如果频率不是5 0 h z ， 则它将是一个在复平面上旋转的量。利用g p s 提供的精确时标，即能计算出不同地域同一时刻的相角差。 经过o f t 递归计算后，我们获得了所有采样时刻的电压相量值。由式( 2 1 ) 可知，利用相邻点之间 的相位变化即可求出当前的频率偏移鲈，由厂= 5 0 + a f 即可求出当前的实际频率1 ， 厂= ( n + m + e ) x f o ，则式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 变换为： ， n + m ，” 2 燕 荟m ) c o s ( 志始) + e x ( n 埘) 】 ( 2 - 1 4 ) = 熹纛著娴s m c j 高最峋 经过数学展开并化简后，变为： = 熹薯娴c 。s 等助+ 斋黑差善坂幼s t n 芍d + 删+ 蚴，c 2 一6 ， 置= 剥毛c 蓍撒脚n c 等+ 黑著雄灿s c 等， ( 2 一】6 ) 、( 2 一】7 ) 即县修诈算法。由i 比方、溃燕得的相量教椐存颛率变化4 - 5 h z 时，相位误差在1 。以内。 8 第二章相角测量技术研究 2 4 相角测量方法的比较 2 4 1 方法原理的比较 1 过零检测法 过零检测法是采用由电压比较器为核心元件组成的硬件过零检测电路来实现的测量方法，该方法 不但可以用于测量相量的相位，配合硬件定时器后还可以测量周期信号的频率。该方法的硬件电路非 常简单，工作时不需要软件干预，开发时间短、成本低。该方法在对测量精度要求不高的场合被广泛 应用。但该方法的弱点在于其测量精度基本取决于输入信号的质量。主要有以下两方面。 ( 1 ) 输入信号的陡度 过零检测法检测的就是输入信号从正变为负或者从负变为正的临界点。由于硬件电路响应阀值的 局限，陡度较小的信号由于达到阀值所需的时间较长，因此测量到的过零点就会延后。陡度越小，误 差越大。这种情况的示意图如图2 2 。图中信号1 和信号2 的过零点是一样的，但是由于信号2 的陡度较 大，因此信号2 的测量结果比信号1 的更接近真实，也就是信号2 的测量精度比信号1 的测量精度更高。 l 左曼 彳i l 。 一 | 也 阀值 图2 - 2 输入信号陡度对过零检测法的影响 ( 2 ) 谐波的影响 谐波的影响主要体现在使输入信号的波形发生畸变，特别是在过零点附近发生畸变时对使用过零 检测方法的精度有相当大的影响。在图2 2 中，我们把信号1 看作是信号2 和谐波的叠加的话，就可 以清楚的看到其对测量结果的影响。 虽然在过零检测电路中设计有滤波电路，但是受到滤波电路本身截止特性的限制，一种参数的滤 波电路其滤波效果一般只对其设计频率的谐波有效，而对其他频率的谐波效果较差。并且输入信号通 过滤波电路后也会产生时延。 因此，以上两点的存在，使得该方法在高精度应用场合受到了限制。 东南大学工程硕士学位论文 2 傅立叶变换法 从2 3 节相角测量的傅立叶变换方法的介绍就可以看出。对于过零检测方法面临的两种影响精度 的因素对傅立叶变换法都不构成影响。一般认为，对傅立叶算法的精度造成明显影响的主要是输入信 号的频率不一致，但是如上面所述的，目前已经有了比较好的补偿方式，完全达n t 程实用的要求。 过去，傅立叶交化方法的使用受到限制的主要原因是，硬件计算能力十分有限，而且编程相当繁 琐，普通的单片机基本无法完成这些计算。但是，随着超大规模集成电路的发展和数字信号处理技术 的出现，大量d s p 芯片投入实用。这使得要使用傅立叶变换法变得十分方便，也使得各种采用d s p 芯 片的测量装置的性能和功能有了极大的提升。 因此，在测量相量的方式上选择傅立叶变换法是比较合适的。 2 4 2 方法精度的比较 一、由于工程开发的安排，先期制作了采用过零检测方法的测量装置。为了验证采用采用该方法 的测量精度，在动态模拟实验室采用o 0 5 级的d k 一5 1 三相程控标准测试源( 生产厂家：南京丹迪克 科技开发有限公司，编号：0 1 1 1 0 5 ) 作为测试标准源，对制作的测量装置进行了精度校验，同时比对 了国家规范的要求。下面给出了实际的校验测试结果。 1 电气量测量精度的测试 ( 1 ) 频率测量精度 表2 - 1 频率测量结果 项目序号 l2345 标准源频率( h z ) 4 5 0 0 04 9 0 0 05 0 0 0 05 i 0 0 05 5 0 0 0 p m u 测量值( h z ) 4 4 9 9 7 4 9 0 0 65 0 0 0 45 1 0 0 45 5 0 0 5 频率实测偏差( h z ) 0 0 0 30 0 0 60 0 0 40 0 0 4 0 0 0 5 规范要求 0 0 10 0 1o 0 1 o 0 10 0 1 频率测试结论合格 ( 2 ) 电压测量精度 表2 - 2 电压测量结果( = 5 0h z u n = 5 7 7 3 5 v ) o 1 u n 耋o 2 u n 量张o 5 砌耋e ，1 2 砌耋 输入电压 o 2 u n0 5 i n 1 2 砌2 u n 幅值标准源值( v ) 5 7 8 11 3 5 5 1 3 i 8 7 07 6 2 3 8 实测值( v ) 5 8 6 81 3 6 8 5 3 2 0 7 57 5 6 9 7 l o 第二章相角测量技术研究 误差1 5 1 0 0 6 4 0 7 1 规范要求 1 o 0 5 o 2 o 5 幅值测试结论不合格 表2 - 3 电压测量结果( f = 4 7 h z u n = 5 7 7 3 5 v ) o 1 u n 耋k o 2 砌主e ， 0 5 u n 耋c ， 1 2 砌主k 输入电压 o 2 u n o 5 砌1 2 砌2 砌 标准源值( v )5 7 9 11 3 5 3 93 1 8 6 87 6 2 5 5 实测值( v ) 5 9 5 31 3 6 9 73 2 0 7 87 5 8 3 9 幅值 误差2 8 1 2 0 6 6 0 5 5 规范要求 2 0 1 0 0 4 1 o 测试结论不合格 表2 4 电压测量结果( 厂= 5 3 h z u n = 5 7 7 3 5 v ) o 1 u n 兰k0 2 u n 主o 5 砌三1 2 砌三， 输入电压 0 2 砌o 5 u n1 2 砌 2 踟 标准源值( v ) 6 3 0 81 3 5 1 43 1 8 5 37 4 2 2 7 实测值( v ) 6 5 1 61 3 6 8 53 2 0 7 67 3 8 4 3 幅值误差 3 3 1 3 o 7 0 0 5 2 规范要求 2 0 1 0 0 4 1 o 测试结论不合格 ( 3 ) 电流测量精度( 测量c t ) 表2 - 5 电流测量结果( f = 5 0h z i n = 1 a ) o 1 知耋，0 2 i n 耋，0 5 i n - _ ， 输入电流 o 2 血o 5 i n1 2 砌 标准源值( a ) 0 1 0 7 8o 2 1 7 6 o 5 1 8 9 实测值( a ) 0 1 0 4 9o 2 1 3 4o 5 1 1 6 幅值误差2 7 1 9 0 7 3 规范要求 1 o 0 5 0 2 测试结论不合格 表2 - 6 电流测量结果( 厂= 4 7 h z i n = t a ) o 1 血耋，o 2 砌至，0 5 砌耋， 输入电流 0 2 如 o 5 i n1 2 勘 幅值标准源值( a ) 0 1 1 7 6 0 2 2 3 70 5 1 8 9 实测值( a ) o 1 1 3 6o 2 1 8 10 5 1 0 2 误差 3 4 2 5 1 7 东南大学工程硕士学位论文 i 规范要求 2 0 1 0 o 4 i 测试结论 不合格l 表2 7 电流测量结果( f = 5 3 h zi n = 1 a ) o 1 矗耋，0 2 知耋，o 5 白兰， 输入电流 o 2 血0 5 砌1 2 知 标准源值( a ) o 1 1 4 0o 2 1 7 70 5 1 8 9 实测值( a ) o 1 1 0 00 2 1 3 0o 5 1 0 2 幅值误差 3 5 2 2 1 7 规范要求 2 o 1 o o 4 测试结论不合格 2 测试结论 从上面的测试数据可以看出，采用过零检测方法测量，频率的测量精度满足电力系统实时动态 监测系统技术规范的要求，但是，电压和电流的幅值测量精度就不满足电力系统实时动态监测系 统技术规范的要求。 二、根据工程实际的需要，接着开发了采用了傅立叶变换方法测量相量的测量装置。同样，为了 验证采用采用该方法的测量精度，在动态模拟实验室采用0 0 5 级的d k 一5 l 三相程控标准测试源( 生 产厂家：南京丹迪克科技开发有限公司，编号：0 1 1 1 0 5 ) 作为测试标准源，对制作的测量装置进行了 精度校验，同时比对了国家规范的要求。下面给出了实际的校验测试结果。 1 电气量测量精度的测试 ( 1 ) 频率测量精度 表2 - 8 频率测量结果 项目序号 12345 标准源频率( h z ) 4 5 0 0 04 9 0 0 0 5 0 0 0 0 5 1 0 0 0 5 5 0 0 0 p m u 测量值( h z ) 4 4 9 9 1 14 9 0 0 1 95 0 0 0 0 35 0 9 9 7 95 5 0 0 8 7 频率实测偏差( h z ) - 0 0 0 0 8 90 0 0 1 90 0 0 0 30 0 0 2 10 0 0 8 7 规范要求 o 0 lo 0 10 0 1o 0 10 0 1 频率测试结论合格 ( 2 ) 电压测量精度 表2 - 9 电压测量结果( f = 5 0h z u n = 5 7 7 3 5 v ) 0 1 f i n 耋，o 2 砌兰i 0 5 砌耋i 1 2 y n 三， 输入电压 o 2 y n0 5 y n1 2 i n2 砌 幅值 标准源值( v ) 5 8 2 21 1 5 5 72 8 9 6 66 9 3 3 5 实测值( v ) 5 7 7 511 5 9 52 8 9 2 36 9 5 0 8 1 2 第二章相角测量技术研究 误差 o 8 1 0 3 3 0 1 5 0 2 5 规范要求 1 o 0 5 0 2 0 5 幅值测试结论合格 标准源值( 。) 1 2 0 0 0 。 1 2 0 0 0 。1 2 0 0 0 。1 2 0 0 0 。 实测值( 。) 1 1 9 7 4 。1 2 0 0 9 。1 2 0 0 7 。1 2 0 0 9 0 相角误差 o 2 6 。o 0 9 o 0 0 7 。o 0 9 。 规范要求 0 5 。 0 5 。0 2 0 o 5 。 相角测试结论合格 表2 1 0 电压测量结果( f = 4 7 h zu n = 5 7 7 3 5 v ) o 1 砌耋i 0 2 u n 兰0 5 砌三1 2 砌姜k 输入电压 o 2 砌o 5 u n1 2 砌2 砌 标准源值( v )5 8 9 5 1 1 6 6 72 9 0 0 46 9 3 4 1 实测值( v ) 5 7 9 6 1 1 5 5 52 8 9 0 06 9 9 7 9 幅值误差 1 - 7 0 9 6 0 3 6 o 9 2 规范要求 2 0 1 0 0 4 1 0 测试结论合格 标准源值( 。) 1 2 0 0 01 2 0 0 01 2 0 0 01 2 0 0 0 实测值( 。)1 2 1 4 4 1 2 1 1 51 2 1 1 31 2 0 8 7 相角误差1 4 4 o 1 1 5 。1 1 3 。o 8 7 。 规范要求 1 5 o 1 5 。1 2 。1 5 。 测试结论合格 表2 一1 1 电b i ,结果( f = 5 3 h zu n = 5 7 7 3 5 v ) o 1 i n 轰，0 2 砌耋状 o 5 砌三i 1 2 u n 薹 输入电压 0 2 砌o 5 砌1 2 e n2 砌 标准源值( v ) 5 7 9 6 1 1 7 0 12 8 9 6 3 6 9 3 2 2 实测值( v ) 5 8 9 8 1 1 6 1 82 9 0 6 l 6 9 7 4 5 幅值 误差1 7 6 o 7 1 0 3 4 0 6 1 规范要求 2 0 1 0 0 4 1 o 测试结论合格 标准源值( 。) 1 2 0 0 01 2 0 0 01 2 0 0 01 2 0 0 0 实测值( 。) 1 1 8 5 5 1 2 0 4 5 1 2 0 3 3 1 2 0 3 5 相角误差 1 4 5 。 0 4 5 。 0 3 3 。o 3 5 。 规范要求 1 5 。 1 - 5 。 1 2 。1 5 。 测试结论合格 ( 3 ) 电流测量精度( 测量c t ) 表2 1 2 电流测量结果( f = 5 0h z i n = 1 a ) 1 3 东南大学工程硕士学位论文 0 1 如兰，0 2 砌薹，q 5 i n 量i 1 2 i n - - - - i 输入电流 0 2 向0 5 如 1 2 i n 3 i n 标准源值( a ) o 1 0 9 5o 2 1 0 50 5 0 0 51 2 0 3 实测值( a ) 0 1 0 9 00 2 0 9 90 5 0 0 01 2 0 l 幅值 误差 0 4 6 0 2 9 9 6o 1 0 o