一种基于数字锁相环的同步相量计算方法及系统与流程

本发明涉及同步相量计算，特别是一种基于数字锁相环的同步相量计算方法及系统。

背景技术：

1、如今社会生活和生产以电力为主要能源，电力系统作为电力的主要载体，它将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能输送到各用户。为保证社会经济安全可靠发展，电力系统的正常运行至关重要。当电力系统的电气设备如变压器、输电线等或系统存在故障时，继电保护装置必须能按照既定参数把故障设备从电力系统切除，避免故障扩大，甚至造成大范围停电。根据动作原理分类，如过流保护、差动保护等继电保护功能，重合闸检同期等电力系统常规操作对电力系统相位、频率和幅值(以下称为电力系统相量)计算精度和实时性均有较高的要求。

2、当前电力系统相位、频率和幅值计算方法可分为两大类：一是为保护功能设计，二是为测控功能设计。其中，为保护功能设计的电力系统相量计算方法主要有过零点算法或90度相角差算法与傅立叶变换配合等。为满足继电保护快速性的要求，上述算法以精度、适用范围和高采样要求为代价换取计算速度的提升。如过零点算法每周波计算一次(约20ms)，实时性相较于傅立叶算法等每个采样点均可计算的算法而言更差，且无法计算幅值，仍需依靠其他算法；傅立叶算法要求周期完整采样，否则频率偏移较大时易产生频谱泄露；90度相角差算法用于计算频率，但依赖相位和幅值计算精度，相位和幅值通常由傅立叶算法计算，因此同样对周波完整采样要求较高。除此之外，上述算法由于计算时间窗口窄，因此其无法适用于如波形畸变、频率偏差大、频率斜坡以及低频振荡等复杂应用场合，且精度较低。为测控功能设计的电力系统同步相量计算方法采用傅立叶分解算法，虽然可以适用多种应用场合，但计算所需时间窗长，实时性差。

3、随着社会经济发展进步，电力系统对测控功能要求必然逐渐增加，届时现有计算方法可能将难以满足需求。

技术实现思路

1、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明所要解决的问题是：如何解决当前电力系统同步相量计算方法需要较长的时间窗口，实时性较差的问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于数字锁相环的同步相量计算方法，包括，电力系统三相信号物理低通滤波后采样，获取原始abc三相数据；进行数字锁相环关键参数设计；原始abc三相数据分别进行正负序park变换，获取dq轴分量；dq轴分量进行解耦计算，更新中间变量；中间变量用于滤波、pi调节并最终输出相位、频率和幅值信号，储存中间变量，供下一时序解耦计算。

4、作为本发明所述一种基于数字锁相环的同步相量计算方法的一种优选方案，其中：所述数字锁相环关键参数包括锁相环控制器比例系数、积分系数和低通滤波器截止频率，依据经典控制理论进行设计。

5、作为本发明所述一种基于数字锁相环的同步相量计算方法的一种优选方案，其中：所述低通滤波后采样包括经物理低通滤波后采集电力系统出线间隔的三相电压、电流信号，获取原始abc三相数据。

6、作为本发明所述一种基于数字锁相环的同步相量计算方法的一种优选方案，其中：所述正负序park变换包括三相电压和三相电流分别进行正负序park变换，三相电压经正负序park变换后得到正序d轴电压分量ud+1、正序q轴电压分量uq+1、负序d轴电压分量ud-1、负序q轴电压分量uq-1的dq轴分量，三相电流经正负序park变换后得到正序d轴电流分量id+1、正序q轴电流分量iq+1、负序d轴电流分量id-1、负序q轴电流分量iq-1的dq轴分量。

7、作为本发明所述一种基于数字锁相环的同步相量计算方法的一种优选方案，其中：所述解耦计算包括根据得到的ud+1、uq+1、ud-1和uq-1，再结合上一时序计算得到的相角和上一时序中间变量经低通滤波后的计算结果和计算中间变量ud*+1、uq*+1、ud*-1和uq*-1，表示为：

8、

9、其中，为正序d轴电压分量的中间变量，为正序q轴电压分量的中间变量，为负序d轴电压分量的中间变量，为负序q轴电压分量的中间变量，θ'为上一时序的相角，为上一时序中间变量经低通滤波后的计算结果。

10、作为本发明所述一种基于数字锁相环的同步相量计算方法的一种优选方案，其中：所述最终输出相位、频率和幅值信号包括中间变量ud*+1、uq*+1、ud*-1、uq*-1经滤波、pi调节得到角频率w表示为：

11、w＝2π*f

12、其中，w为角频率，f为频率；角频率w积分后输出相位θ和幅值信号amp表示为：

13、

14、其中，amp为幅值信号，为正序直轴分量，为正序交轴分量。

15、作为本发明所述一种基于数字锁相环的同步相量计算方法的一种优选方案，其中：所述供下一时序解耦计算包括储存中间变量供下一时序解耦计算，从低通滤波后采样重新开始计算。

16、本发明的另外一个目的是提供一种基于数字锁相环的同步相量计算方法的系统，其能通过构建同步相量计算系统，解决了一种基于数字锁相环的同步相量计算问题。

17、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于数字锁相环的同步相量计算系统，包括，关键参数设计模块、数据采集模块、正负序park变换模块、解耦计算模块及输出模块；所述关键参数设计模块用于进行数字锁相环关键参数设计；所述数据采集模块用于电力系统三相信号物理低通滤波后采样，获取原始abc三相数据；所述正负序park变换模块用于原始abc三相数据分别进行正负序park变换，获取dq轴分量；所述解耦计算模块用于dq轴分量进行解耦计算，更新中间变量；所述输出模块用于中间变量用于滤波、pi调节并最终输出相位、频率和幅值信号，储存中间变量，供下一时序解耦计算。

18、一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述一种基于数字锁相环的同步相量计算方法的步骤。

19、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述一种基于数字锁相环的同步相量计算方法的步骤。

20、本发明有益效果为：本发明提供的一种基于数字锁相环的同步相量计算方法相较于当前测控装置普遍采用的傅立叶算法，本发明所述方法适用于各种电力系统工况、满足计算精度的同时，还拥有更好的计算实时性和更小的计算量，且本发明所述方法可同时计算得到幅值、相位和频率，无需依赖其他方法。

技术特征：

1.一种基于数字锁相环的同步相量计算方法，其特征在于：包括，

2.如权利要求1所述的一种基于数字锁相环的同步相量计算方法，其特征在于：所述数字锁相环关键参数包括锁相环控制器比例系数、积分系数和低通滤波器截止频率，依据经典控制理论进行设计。

3.如权利要求2所述的一种基于数字锁相环的同步相量计算方法，其特征在于：所述低通滤波后采样包括经物理低通滤波后采集电力系统出线间隔的三相电压、电流信号，获取原始abc三相数据。

4.如权利要求3所述的一种基于数字锁相环的同步相量计算方法，其特征在于：所述正负序park变换包括三相电压和三相电流分别进行正负序park变换，三相电压经正负序park变换后得到正序d轴电压分量ud+1、正序q轴电压分量uq+1、负序d轴电压分量ud-1、负序q轴电压分量uq-1的dq轴分量，三相电流经正负序park变换后得到正序d轴电流分量id+1、正序q轴电流分量iq+1、负序d轴电流分量id-1、负序q轴电流分量iq-1的dq轴分量。

5.如权利要求4所述的一种基于数字锁相环的同步相量计算方法，其特征在于：所述解耦计算包括根据得到的ud+1、uq+1、ud-1和uq-1，再结合上一时序计算得到的相角和上一时序中间变量经低通滤波后的计算结果和计算中间变量ud*+1、uq*+1、ud*-1和uq*-1，表示为，

6.如权利要求5所述的一种基于数字锁相环的同步相量计算方法，其特征在于：所述最终输出相位、频率和幅值信号包括中间变量ud*+1、uq*+1、ud*-1、uq*-1经滤波、pi调节得到角频率w表示为，

7.如权利要求6所述的一种基于数字锁相环的同步相量计算方法，其特征在于：所述供下一时序解耦计算包括储存中间变量供下一时序解耦计算，从低通滤波后采样重新开始计算。

8.一种采用如权利要求1～7任一所述的一种基于数字锁相环的同步相量计算方法的系统，其特征在于：包括，关键参数设计模块(100)、数据采集模块(200)、正负序park变换模块(300)、解耦计算模块(400)及输出模块(500)；

9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于：所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～7中任一项所述的一种基于数字锁相环的同步相量计算方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～7中任一项所述的一种基于数字锁相环的同步相量计算方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种基于数字锁相环的同步相量计算方法及系统，涉及同步相量计算技术领域，包括电力系统三相信号物理低通滤波后采样，获取原始ABC三相数据；进行数字锁相环关键参数设计；原始ABC三相数据分别进行正负序Park变换，获取dq轴分量；dq轴分量进行解耦计算，更新中间变量；中间变量用于滤波、PI调节并最终输出相位、频率和幅值信号，储存中间变量，供下一时序解耦计算。本发明相较于当前测控装置普遍采用的傅立叶算法，本发明所述方法适用于各种电力系统工况、满足计算精度的同时，还拥有更好的计算实时性和更小的计算量，且本发明所述方法可同时计算得到幅值、相位和频率，无需依赖其他方法。

技术研发人员：刘璇,赵万云,王勇博,陈洪利,高亮,王德,戴红娟
受保护的技术使用者：江苏金智科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/2/5