基于电力系统频率实时测量对策

基于电力系统频率实时测量对策

程森

四川电力设计咨询有限责任公司四川成都610000

摘要：本文主要介绍了电力系统频率实时测量的基本概念、测量技术、基本要求、测量方法以及一些相关基本标准，比较全面的叙述了电力系统频率测量的重要意义，并说明了一些国内外的研究成果。结合一些数学模型，说明了各种电力系统频率的相同点和不同点，对于频率测量主要目的，以测量频率算法为基本线索，系统阐述了主要分类以及一些方法，对各种算法的计算精度、抗干扰性以及能够实现难易程度进行了仿真测试，并对电力系统频率实时测量提出了几点意见和建议。

关键词：电力系统；频率实时测量；对策

引言

随着电力系统不断发展，一些配电设备和辅助系统逐步统一发展起来。目前，造成国内外电力系统发生事故的原因很多，其中包括一些自然因素，还包括一些人为因素。比如电力系统规划设计不全面，从而造成引发一些安全隐患；电力系统设备元件存在安全隐患，从而导致设备不能尽快投入运行；继电保护方面不健全，很多性能指标不健全，可靠性差，很容易造成安全事故发生；一些运行管理方面存在问题等。为了保证电力系统能够安全稳定运行，保证电压和频率处于正常水平，要采取正确方式，采用合理电网结构，一旦电网系统发生故障，采取有力措施，缩小事故发生范围。电力系统频率在整个电网系统中具有很重要的地位，是电能生产以及消费的一个重要性指标，电力系统频率一旦发生崩溃，就会带来严重后果，导致整个电力系统崩溃瓦解，甚至导致整个电力系统崩溃。目前在电力系统中，一般采取低频率满载装置，如果系统功率缺额，就需要断开部门次要负荷，从而保证系统功率恢复正常。如果电力系统采取高频率运行，就会处于负荷状况，主要是由于旋转机组超速运行造成的。如果频率发生偏移，就会对继电保护产生很大影响，所以需要采取一些频率测量装置，对系统频率进行实时测量，并采取一些频率测量算法，并采取一些电压和电流瞬时数值，经过数学推导以后，得到相关频率变化曲线。目前应用比较多的测量装置很多，根据使用场合和要求不同，目前主要使用数字信号处理装置，这些装置主要是通过算法理论设计、仿真测试、程序固化以及实验等一些过程。

1电力系统频率实时测量基本要求

对电力系统频率进行测量主要是利用信号的动态参数辨识，使用真实系统中的物理信号，进行输入后通过一系列信号处理和数值分析过程，从而实现对模型参数估计过程。由于频率测量在很多方面存在偏差，所以需要实现的测量也不一样，其测量基本要求主要包括以下几个方面：能够反映电力系统的真实性，能够实现有效控制，不会因为算法和模型不同导致和整个电力系统脱离，并且其控制过程整个真实有效；为了减少测量误差，基于数值算法、硬件和信号符合度等多方面因素，不断提高测量精度，以谐波、衰减直流等一些非特征信号来进行测量；必须具备很快的动态跟踪力，降低滞后作用；在保证整个电力系统能够顺利进行前提下，一定要保证比较高的性价比。

2电力系统频率测量算法

电力系统频率实时测量算法很多，主要包括以下几种：

(1)周期法。周期法即零交法，主要是通过一些测量信号波形连续通过零点间时间宽度来实现对频率测量。这种方法虽然比较容易实现，并且概念也比较清楚，但是它的精度相对来说比较低，并且很容易受到噪声、谐波等一些因素影响，实时性比较差。这种算法比较原始，主要是通过提高它的测量精度和实时性实现测量，目前这种算法已经不具备原始零交算法的简洁性。

(2)解析法。解析法主要是通过信号观测模型来实现数学变换，并把需要测量的数据转化为样本值显函数来实现估计。解析法进行测频时，涉及到的数学式比较复杂，为了便于计算和分析，一般采取比较简单信号对模型进行观测，很难考虑噪声影响。对于比较简单算法，由于计算量不大，相对传统算法而言，虽然有所改进，但是在对非稳态频率进行测量时，必须要有严格的前置滤波环节，并且算法近似程度比较高，精度却很差。解析法主要是对精度和速度不高并且信号不具有非特征分量的频率进行测量。

(3)信号去调制法。信号去调制法主要是把采集到的信号乘以一个指数函数，然后在新的函数基础上再对信号频率进行测量。由于新的函数包括噪声和谐波分量，所以需要比较精细的滤波技术。采用信号去调制法，具有比较好的动态跟踪效果，并且通过滤波技术，可以采用谐波进行干扰，使用高频噪音，但是对于工频噪音却无能为力。对于固定频率，如果不采取附加措施，很难达到相应精度要求。

(4)数字滤波法。离散傅里叶变法是一种比较流行的数字滤波技术，如果采样率和数据窗选择合适，滤波算法就能正确求出模型参数。为了测量结果准确，一般采用前后窗DFT结果实现对整个系统基频的估计。这种算法对谐波分量具有很大的不敏感性，但是对于信号周期容易引发频率混叠，所以应该进行合理设计。在这种算法基础上，一般采用自适应调整间隔或者调整数据窗长度方法，从而实现高精度测量。如果频率变化比较大，这种方法很难进行动态监测过程。

(5)小波变换法。采用小波变换法，由于受到频域和时域限制，可以在随机噪声、高次谐波以及某些不确定的信号中对基波信号进行捕捉。和DFT算法相比，DFT算法只考虑频域间和时域的对应映射，其信号是以单个变量函数表示的，而小波变换法对非平稳信号是以联合时间-尺度函数进行分析的，克服了DFT算法的缺点。小波变换继承和发展了DFT的一些思想，解决了窗口大小不随频率变化的缺点。对于一个小波基函数，相当于一个窗函数，它的平移相当于窗口的平移，随频率变化能够进行自适应，并且具有比较离散化的规范正交基，所以，这是一种比较理想的时频分析工具，在电力系统频率实时测量中具有很明显的优势。

(6)频率函数逼近法。频率函数逼近法主要包括最小二乘法、最小绝对值近似法、牛顿算法以及其它一些方法。这种方法能够很好的抑制一些干扰信号，比如白噪声动态干扰，这种算法以最小化误差的一种范数为基本目标，主要是将测量转化为比较标准的格式，并在一定程度上减少计算量。由于这种算法比较复杂，所以一般通过软件编程来实现。在实际应用过程中，常常由于运算量很大，从而导致实时性不佳。随着硬件系统的不断发展，这种算法逐渐占据一定控制领域。

(7)人工神经网络法。由于神经网络系统具有一定的记忆功能，所以可以实现频率实时测量。然而由于网络的隐含层单元数在选取过程中比较复杂，所以它的数目对计算精度和学习时间的影响很大，所以在局部存在一定的优点，所以，适当的选择网络结构尤其对于隐含单元具有非常重要的意义。选择BP网络结构，进行自整定算法，并选取隐含单元，可以有效改善学习效率，提高网络适应功能。

(8)频率偏移法。频率偏移法主要采用泰勒公式，其编程相对来说比较简单，响应速度比较快，但是准确度并不高，在进行使用过程中，需要结合数字滤波技术，并根据自身状况适当调整其间隔，从而提高结果准确程度。在适当时候可以使用修正公式进行修正，这种算法主要适用于偏移量小并且直流谐波成分比较少的状况，另外，如果噪音干扰比较小的情况也同样可以使用这种算法。

(9)递推付氏法。这种算法是以傅里叶变换为基础，其测量结果准确程度相对来说比较高，但是在运算的过程中比较复杂，并且运算量也比较麻烦，需要响应的时间也比较长，这种算法还使用了一些自适应调整采样间隔技术，可以进一步提高整个结果的准确程度。

3.结语

本文主要讲述了电力系统频率实时测量的一些方法和对策，并对其进行了全面分析了解，并以泰勒级数和波形拟合级数为基本测量方法，针对一些电压信号谐波分量，分析了对测量频率的影响。利用信号的动态参数辨识，使用真实系统中的物理信号，进行输入后通过一系列信号处理和数值分析过程，从而实现对模型参数估计过程。相关研究人员根据测量结果设计了数字滤波器，并使用相应的采集电压信号对数字滤波技术进行了处理，从而可以减少谐波，从而在一定程度上提高了对频率测量的精度。另外，使用仿真实验也可以对算法实现有效验证，对抑制谐波具有很好的效果，主要适用于电力系统继电保护和测量相关要求。所以在保证整个电力系统能够顺利进行前提下，一定要保证比较高的性价比。

参考文献

[1]陈朝晖,黄少锋,杨奇逊.基于综合相量的电力系统振荡频率实时测量[J].电力系统自动化,2004,28(4):32-35.

[2]王金玲.一种电力系统频率实时测量的新方法[J].数字技术与应用,2011(6):41-41.

[3]郭彦东,张占江,GUOYan-dong,等.一种新的电力系统频率实时测量方法[J].自动化技术与应用,2006,25(12):62-64.

作者简介：

程森（1987-）男，汉族，大学本科，助理工程师，主要从事电力测量设计工作。