基于PMU的相量测量算法及其管理监测系统的研究

摘要

随着我国经济的不断发展和区域电网互联的加强，电网的运行环境变得越来越复杂，其安全稳定运行成为了人们关注的焦点。电力系统广域测量系统(Wide Area Measurement System，WAMS)是以同步相量测量技术为基础的，它的诞生以及迅速发展为人们有效的监测、控制和分析电网的运行状态提供了新的途径和方向。同步相量测量技术的核心是同步相量测量算法，算法的精度和实时性对WAMS的状态估计、故障分析和自适应失步保护等各种高级应用的成功实施具有非常直接的影响。本文在第一章中简要叙述了同步相量测量技术当前在国内外的研究状况，对几种应用比较普遍的相量测量算法进行了理论阐述和分析。在后续章节中针对电力系统不同的应用提出了新的相量测量算法和功率算法，并基于客户端/服务器(Client/Server，C/S)模式开发了相量测量管理监测系统软件，本文的主要研究内容分为以下几点：
　　(1)简明扼要的阐述了同步相量测量技术的发展历史，以及它在国内外目前的研究现状。在众多的相量测量算法中，选取了目前比较常用的几种相量测量算法进行了介绍性的研究分析，并对其优点和缺点进行了对比分析和总结。
　　(2)由于易受噪声和信号基波频率偏移的影响，产生的非同步采样严重影响了传统的离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transformation，DFT)频率计算的性能；对此本文提出了对电压原始采样信号进行带通滤波，并对滤波后的信号进行电压过零检测和最小二乘非线性曲线拟合，之后对拟合成的正弦曲线进行重采样的DFT频率算法。文中进行了算法理论和公式的详细叙述和推导。
　　(3)针对复数扩展卡尔曼滤波算法的性能在滤波迭代过程中易受到模型误差协方差矩阵Qk和量测误差协方差矩阵Rk的影响，本文提出了改进的量子粒子群优化算法，并利用其在复数扩展卡尔曼滤波计算信号幅值、频率和相角中对Qk和Rk进行优化。详细的分析了离散傅里叶变换算法在信号基波频率发生偏移时的误差因素，搭建了幅值、相角与频率偏移量之间的误差数学模型；本文提出了改进的扩展卡尔曼滤波频率算法，并在此基础上提出对DFT得到的信号幅值、相角误差进行修正的相量和功率算法。通过仿真验证了算法的有效性。
　　(4)开发了基于DotNET架构和Visual Studio2010运行环境下以及C/S模式的相量测量管理监测系统。系统软件以SQL Server2008为数据库，采用C＃ Winform编写系统程序，利用串口通信技术、Socket网络通信技术、ADO技术和线程技术实现数据通信和数据库的访问操作。通过C#语言对相关算法进行编程来实现系统对数据的分析，并利用Zedgraph控件对相关数据曲线进行直观的显示。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2同步相量测量技术国内外研究概况

1.3相量测量的主要算法

1.4同步相量测量技术在电力系统中的应用前景

1.5 本文主要内容

第二章 基于过零检测和曲线拟合的DFT电力系统频率算法

2.1算法基本原理

2.2 频率计算原理

2.3 算法仿真结果及分析

2.4 本章小结

第三章 改进量子粒子群优化和扩展卡尔曼滤波的相量测量算法

3.1算法简介

3.2 改进量子粒子群优化算法原理

3.3 算法仿真结果及分析

3.4 本章小结

第四章 改进扩展卡尔曼滤波测频修正DFT的相量及功率算法

4.1 算法基本原理

4.2 功率误差分析

4.3 算法仿真结果及分析

4.4 本章小结

第五章 相量测量管理监测系统的设计与实现

5.1相量测量管理监测系统原理

5.2 数据串口通信和存储处理

5.3 相量测量管理监测系统功能的实现

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文主要成果

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文