同步相量测量单元的相量测量精度评估方法及评估装置转让专利
申请号 : CN201610921720.0
文献号 : CN106526317B
文献日 : 2019-08-09
发明人 : 汪芙平 , 郭雷 , 刘志君 , 王春华 , 姜旭 , 史坤鹏
申请人 : 国家电网公司 , 国网吉林省电力有限公司 , 清华大学
摘要 :
本发明公开了一种同步相量测量单元的相量测量精度评估方法及评估装置，其中，方法包括以下步骤：根据同步录波数据和同步相量测量数据获取基波重构波形，以得到残差波形；获取残差波形的带内信噪比和带外信噪比；通过带内信噪比和带外信噪比分别获取同步相量测量不确定度和电网采样信号的信噪比；根据输入的标准信号源设置和带内信噪比和带外信噪比得到基波和干扰引起的相量测量误差；获取系统测量精度综合评估结果。该评估方法可以在PMU正常运行时，实现同步相量测量不确定度在线估计，在PMU性能检验时，结合中等精度标准测试信号源，实现PMU精度校验，提高了评估的可靠性和准确性。
权利要求 :
1.一种同步相量测量单元的相量测量精度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：获取同步录波数据和同步相量测量数据；
根据所述同步录波数据和同步相量测量数据获取基波重构波形，以得到残差波形；
获取所述残差波形的带内信噪比和带外信噪比；
如果处理正常运行的在线测量数据，则通过所述带内信噪比和带外信噪比分别获取同步相量测量不确定度和电网采样信号的信噪比；
如果处理离线校验测量数据，则根据输入的标准测试信号源设置和所述带内信噪比和带外信噪比得到基波和干扰引起的相量测量误差；以及获取系统测量精度综合评估结果。
2.根据权利要求1所述的同步相量测量单元的相量测量精度评估方法，其特征在于，通过数据窗长度和基波带宽选取得到所述残差波形的带内信噪比和带外信噪比。
3.根据权利要求1所述的同步相量测量单元的相量测量精度评估方法，其特征在于，在针对不同所述标准测试信号源时，根据所述带内信噪比和带外信噪比进行测量误差表征和使用精度校验的准则进行精度校验。
4.根据权利要求1所述的同步相量测量单元的相量测量精度评估方法，其特征在于，基波重构序列 和残差序列ε[n]的计算公式为：其中，s[n]为电网采样序列， 为经插值后所得电网采样序列的同步相量测量值，tn为时标。
5.根据权利要求4所述的同步相量测量单元的相量测量精度评估方法，其特征在于，对以所述时标为中心，长度为Tw＝L/fs的数据窗，所述带内信噪比和带外信噪比的计算公式为：其中，Δf＝fs/(L+1)，L+1为数据窗内采样点个数，fs为序列 和ε[n]的采样频率，B为基波带宽，E[n,m]为ε[n]的短时傅里叶变换。
6.一种同步相量测量单元的相量测量精度评估装置，其特征在于，包括：数据获取模块，用于获取同步录波数据和同步相量测量数据；
波形获取模块，用于根据所述同步录波数据和同步相量测量数据获取基波重构波形，以得到残差波形；
信噪比获取模块，用于获取所述残差波形的带内信噪比和带外信噪比；
评估模块，当处理正常运行的在线测量数据时，通过所述带内信噪比和带外信噪比分别获取同步相量测量不确定度和电网采样信号的信噪比，当处理离线校验测量数据时，根据输入的标准测试信号源设置和所述带内信噪比和带外信噪比得到基波和干扰引起的相量测量误差，从而获取系统测量精度综合评估结果。
7.根据权利要求6所述的同步相量测量单元的相量测量精度评估装置，其特征在于，所述信噪比获取模块具体用于通过数据窗长度和基波带宽选取得到所述残差波形的带内信噪比和带外信噪比。
8.根据权利要求6所述的同步相量测量单元的相量测量精度评估装置，其特征在于，在针对不同所述标准测试信号源时，根据所述带内信噪比和带外信噪比进行测量误差表征和使用精度校验的准则进行精度校验。
9.根据权利要求6所述的同步相量测量单元的相量测量精度评估装置，其特征在于，基波重构序列 和残差序列ε[n]的计算公式为：其中，s[n]为电网采样序列， 为经插值后所得电网采样序列的同步相量测量值，tn为时标。
10.根据权利要求9所述的同步相量测量单元的相量测量精度评估装置，其特征在于，对以所述时标为中心，长度为Tw＝L/fs的数据窗，所述带内信噪比和带外信噪比的计算公式为：其中，Δf＝fs/(L+1)，L+1为数据窗内采样点个数，fs为序列 和ε[n]的采样频率，B为基波带宽，E[n,m]为ε[n]的短时傅里叶变换。
说明书 :
同步相量测量单元的相量测量精度评估方法及评估装置
技术领域
[0001] 本发明涉及电磁测量仪器技术领域，特别涉及一种同步相量测量单元的相量测量精度评估方法及评估装置。
背景技术
[0002] PMU(Phasor Measurement Unit，同步相量测量单元)被称为智能电网的基础设施，基于PMU的WAMS(Wide Area Measurement System，广域测量系统)在电网的监测、控制
和保护等应用中发挥越来越重要的作用。PMU提供持续可靠的数据是WAMS开展各类应用的
前提。为保证PMU测量数据的可靠性，一方面，PMU在部署前必须进行校准，在使用中也需定
期检测，以确认其处于正常状态；另一方面，若能对测量数据质量进行在线评估，标识测量
结果中的坏数据，及时发现PMU工作异常，则是更为积极的技术手段。
和保护等应用中发挥越来越重要的作用。PMU提供持续可靠的数据是WAMS开展各类应用的
前提。为保证PMU测量数据的可靠性，一方面，PMU在部署前必须进行校准，在使用中也需定
期检测，以确认其处于正常状态；另一方面，若能对测量数据质量进行在线评估，标识测量
结果中的坏数据，及时发现PMU工作异常，则是更为积极的技术手段。
[0003] 随着智能电网技术的发展和PMU技术的广泛应用，PMU的测量标准经历不断修改，并还将持续更新。当前PMU最新国际测量标准为IEEE C37.118.1-2011及其修订版IEEE
C37.118.1a-2014，系统校验标准为IEEE C37.242—2013。与IEEEC37.118-2005相比，新标
准最大变化是引入了动态相量概念，新增了PMU动态测试的内容。由于被测量动态变化，动
态测试对PMU校准造成很大的挑战。例如，基于高精度信号源的PMU测试系统是美国国家标
准与技术局(NIST)同步量测实验室和我国相关高校致力研制的技术方案，在静态测试中技
术非常成熟，但在动态测试时明显存在缺陷。在动态测试中，由于高精度信号源硬件系统的
功率放大等环节会引入不可完全补偿的时间延迟，导致高精度信号源的实际发出信号相对
于理论信号存在一定时标误差，最终造成校准系统中相量比较环节存在误差。为消除时标
误差对PMU动态测试的影响，需要研制PMU高精度校准器。
C37.118.1a-2014，系统校验标准为IEEE C37.242—2013。与IEEEC37.118-2005相比，新标
准最大变化是引入了动态相量概念，新增了PMU动态测试的内容。由于被测量动态变化，动
态测试对PMU校准造成很大的挑战。例如，基于高精度信号源的PMU测试系统是美国国家标
准与技术局(NIST)同步量测实验室和我国相关高校致力研制的技术方案，在静态测试中技
术非常成熟，但在动态测试时明显存在缺陷。在动态测试中，由于高精度信号源硬件系统的
功率放大等环节会引入不可完全补偿的时间延迟，导致高精度信号源的实际发出信号相对
于理论信号存在一定时标误差，最终造成校准系统中相量比较环节存在误差。为消除时标
误差对PMU动态测试的影响，需要研制PMU高精度校准器。
[0004] 针对PMU最新国际标准，目前国内外在工业生产中尚未出现符合该标准的PMU校准系统。即便高精度校准器开始广泛用于PMU动态测试，由于这类传统的PMU校准系统设备结
构复杂、体积庞大、价格昂贵，一个完整的校准流程耗时长，并且需要专业测试人员调试，并
不适合PMU装置的现场检测。
构复杂、体积庞大、价格昂贵，一个完整的校准流程耗时长，并且需要专业测试人员调试，并
不适合PMU装置的现场检测。
[0005] 相关技术中，公开了一种基于相量估计中原信号与残差信号功率比(称为残差信噪比)评估相量测量的精度的思路。由于该做法不要求预知被测量真实值，不依赖于测试信
号精确形式，可用于相量测量质量的在线评估；若用于PMU系统的校验，则可大大缓解对测
试信号源的要求。但该思路存在明显缺陷，当观测信号中包含谐波和噪声等干扰时，残差信
噪比取值主要由干扰决定，无法反映误差大小。为了基于该思路有效实现相量测量的在线
评估，并进一步成功用于PMU校准，一方面需要完善基于残差实现在噪声和干扰等条件下进
行测量误差评估的算法，另一方面需要通过理论研究和试验验证，制定完整的测试和评估
方案，使得测试结果符合PMU测量标准要求。
号精确形式，可用于相量测量质量的在线评估；若用于PMU系统的校验，则可大大缓解对测
试信号源的要求。但该思路存在明显缺陷，当观测信号中包含谐波和噪声等干扰时，残差信
噪比取值主要由干扰决定，无法反映误差大小。为了基于该思路有效实现相量测量的在线
评估，并进一步成功用于PMU校准，一方面需要完善基于残差实现在噪声和干扰等条件下进
行测量误差评估的算法，另一方面需要通过理论研究和试验验证，制定完整的测试和评估
方案，使得测试结果符合PMU测量标准要求。
发明内容
[0006] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0007] 为此，本发明的一个目的在于提出一种同步相量测量单元的相量测量精度评估方法，该方法可以提高评估的可靠性和准确性，简单便捷。
[0008] 本发明的另一个目的在于提出一种同步相量测量单元的相量测量精度评估装置。
[0009] 为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种同步相量测量单元的相量测量精度评估方法，包括以下步骤：获取同步录波数据和同步相量测量数据；根据所述同步录波
数据和同步相量测量数据获取基波重构波形，以得到残差波形；获取所述残差波形的带内
信噪比和带外信噪比；如果处理正常运行的在线测量数据，则通过所述带内信噪比和带外
信噪比分别获取同步相量测量不确定度和电网采样信号的信噪比；如果处理离线校验测量
数据，则根据输入的标准信号源设置和所述带内信噪比和带外信噪比得到基波和干扰引起
的相量测量误差；获取系统测量精度综合评估结果。
数据和同步相量测量数据获取基波重构波形，以得到残差波形；获取所述残差波形的带内
信噪比和带外信噪比；如果处理正常运行的在线测量数据，则通过所述带内信噪比和带外
信噪比分别获取同步相量测量不确定度和电网采样信号的信噪比；如果处理离线校验测量
数据，则根据输入的标准信号源设置和所述带内信噪比和带外信噪比得到基波和干扰引起
的相量测量误差；获取系统测量精度综合评估结果。
[0010] 本发明实施例的同步相量测量单元的相量测量精度评估方法，由同步录波数据和同步相量数据获得基波重构波形和残差波形，计算残差波形的带内信噪比和带外信噪比，
从而对正常运行数据，带内和带外信噪比分别估计同步相量测量不确定度和电网信号信噪
比，实时反馈测量环境和PMU工作状态，并且对离线校验测量数据，针对一系列测试信号源，
计算出各种情况下基波和干扰引起的相量测量误差，实现系统测量精度综合评估，即在PMU
正常运行时，实现同步相量测量不确定度在线估计，在PMU性能检验时，结合中等精度标准
测试信号源，实现PMU精度校验，提高了评估的可靠性和准确性。
从而对正常运行数据，带内和带外信噪比分别估计同步相量测量不确定度和电网信号信噪
比，实时反馈测量环境和PMU工作状态，并且对离线校验测量数据，针对一系列测试信号源，
计算出各种情况下基波和干扰引起的相量测量误差，实现系统测量精度综合评估，即在PMU
正常运行时，实现同步相量测量不确定度在线估计，在PMU性能检验时，结合中等精度标准
测试信号源，实现PMU精度校验，提高了评估的可靠性和准确性。
[0011] 另外，根据本发明上述实施例的同步相量测量单元的相量测量精度评估方法还可以具有以下附加的技术特征：
[0012] 进一步地，在本发明的一个实施例中，通过时窗长度和基波带宽选取得到所述残差波形的带内信噪比和带外信噪比。
[0013] 进一步地，在本发明的一个实施例中，在针对不同标准测试信号源时，根据所述带内信噪比和带外信噪比进行测量误差表征和精度校验的准则进行精度校验。
[0014] 进一步地，在本发明的一个实施例中，基波重构序列 和残差序列ε[n]的计算公式为：
[0015]
[0016]
[0017] 其中，s[n]为电网采样序列， 为经插值后所得电网采样序列的同步相量测量值，fs为采样频率，tn为时标。
[0018] 进一步地，在本发明的一个实施例中，以所述时标为中心，长度为Tw＝L/fs的数据窗，所述带内信噪比和带外残差信噪比的计算公式为：
[0019]
[0020]
[0021] 其中，Δf＝fs/(L+1)，L+1为时窗内采样点个数，B为基波带宽，E[n,m]为ε[n]的短时傅里叶变换。
[0022] 为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种同步相量测量单元的相量测量精度评估装置，包括：数据获取模块，用于获取同步录波数据和同步相量测量数据；波形
获取模块，用于根据所述同步录波数据和同步相量测量数据获取基波重构波形，以得到残
差波形；信噪比获取模块，用于获取所述残差波形的带内信噪比和带外信噪比；评估模块，
当处理正常运行的在线测量数据时，通过所述带内信噪比和带外信噪比分别获取同步相量
测量不确定度和电网采样信号的信噪比，当处理离线校验测量数据时，根据输入的标准信
号源设置和所述带内信噪比和带外信噪比得到基波和干扰引起的相量测量误差，从而获取
系统测量精度综合评估结果。
获取模块，用于根据所述同步录波数据和同步相量测量数据获取基波重构波形，以得到残
差波形；信噪比获取模块，用于获取所述残差波形的带内信噪比和带外信噪比；评估模块，
当处理正常运行的在线测量数据时，通过所述带内信噪比和带外信噪比分别获取同步相量
测量不确定度和电网采样信号的信噪比，当处理离线校验测量数据时，根据输入的标准信
号源设置和所述带内信噪比和带外信噪比得到基波和干扰引起的相量测量误差，从而获取
系统测量精度综合评估结果。
[0023] 本发明实施例的同步相量测量单元的相量测量精度评估装置，由同步录波数据和同步相量数据获得基波重构波形和残差波形，计算残差波形的带内信噪比和带外信噪比，
从而对正常运行数据，带内和带外信噪比分别估计同步相量测量不确定度和电网信号信噪
比，实时反馈测量环境和PMU工作状态，并且对离线校验测量数据，针对一系列测试信号源，
计算出各种情况下基波和干扰引起的相量测量误差，实现系统测量精度综合评估，即在PMU
正常运行时，实现同步相量测量不确定度在线估计，在PMU性能检验时，结合中等精度标准
测试信号源，实现PMU精度校验，提高了评估的可靠性和准确性。
从而对正常运行数据，带内和带外信噪比分别估计同步相量测量不确定度和电网信号信噪
比，实时反馈测量环境和PMU工作状态，并且对离线校验测量数据，针对一系列测试信号源，
计算出各种情况下基波和干扰引起的相量测量误差，实现系统测量精度综合评估，即在PMU
正常运行时，实现同步相量测量不确定度在线估计，在PMU性能检验时，结合中等精度标准
测试信号源，实现PMU精度校验，提高了评估的可靠性和准确性。
[0024] 另外，根据本发明上述实施例的同步相量测量单元的相量测量精度评估装置还可以具有以下附加的技术特征：
[0025] 进一步地，在本发明的一个实施例中，所述信噪比获取模块具体用于通过时窗长度和基波带宽得到所述残差波形的带内信噪比和带外信噪比。
[0026] 进一步地，在本发明的一个实施例中，在针对不同标准测试信号源时，根据所述带内信噪比和带外信噪比进行测量误差表征和精度校验的准则进行精度校验。
[0027] 进一步地，在本发明的一个实施例中，基波重构序列 和残差序列ε[n]的计算公式为：
[0028]
[0029]
[0030] 其中，s[n]为电网采样序列， 为经插值后所得电网采样序列的同步相量测量值，fs为采样频率，tn为时标。
[0031] 进一步地，在本发明的一个实施例中，以所述时标为中心，长度为Tw＝L/fs的数据窗，所述带内信噪比和带外残差信噪比的计算公式为：
[0032]
[0033]
[0034] 其中，Δf＝fs/(L+1)，L+1为时窗内采样点个数，B为基波带宽，E[n,m]为ε[n]的短时傅里叶变换。
[0035] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0036] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0037] 图1为根据本发明一个实施例的同步相量测量单元的相量测量精度评估方法的流程图；
[0038] 图2为根据本发明一个实施例的PMU实测的一段同步相量幅值波形示意图；
[0039] 图3为根据本发明一个实施例的PMU实测的一段同步相量相位波形示意图；
[0040] 图4为根据本发明一个实施例的PMU记录的一段电流信号录波波形示意图；
[0041] 图5为根据本发明一个实施例的基波重构所得残差波形示意图；
[0042] 图6为根据本发明一个实施例的特征参数i计算结果示意图；
[0043] 图7为根据本发明另一个实施例的特征参数o计算结果示意图；
[0044] 图8为根据本发明一个实施例的基波频偏测试试验所得TVE最大值(TVEmax)、TVE均方根值(TVErms)和i关于频偏f变化曲线示意图；
[0045] 图9为根据本发明一个实施例的基波正弦幅度调制测试试验所得TVE最大值(TVEmax)、TVE均方根值(TVErms)和ri关于调制频率fm变化曲线示意图；
[0046] 图10为根据本发明一个实施例的基波正弦相位调制测试试验所得TVE最大值(TVEmax)、TVE均方根值(TVErms)和ri关于调制频率fm变化曲线；
[0047] 图11为根据本发明一个实施例的同步相量测量单元的相量测量精度评估装置的结构示意图。
具体实施方式
[0048] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0049] 下面参照附图描述根据本发明实施例提出的同步相量测量单元的相量测量精度评估方法及评估装置，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的同步相量测量单元的
相量测量精度评估方法。
相量测量精度评估方法。
[0050] 图1是本发明一个实施例的同步相量测量单元的相量测量精度评估方法的流程图。
[0051] 如图1所示，该同步相量测量单元的相量测量精度评估方法包括以下步骤：
[0052] 在步骤S101中，获取同步录波数据和同步相量测量数据。
[0053] 在步骤S102中，根据同步录波数据和同步相量测量数据获取基波重构波形，以得到残差波形。
[0054] 进一步地，在本发明的一个实施例中，基波重构序列 和残差序列ε[n]的计算公式为：
[0055]
[0056]
[0057] 其中，s[n]为电网采样序列， 为经插值后所得电网采样序列的同步相量测量值，fs为采样频率，tn为时标。
[0058] 举例而言，对同步相量测量序列进行插值，使得插值序列与同步录波数据时标对齐，由插值序列重构基波，基波与同步录波数据之差为残差波形。
[0059] 在步骤S103中，获取残差波形的带内信噪比和带外信噪比。
[0060] 在本发明的一个实施例中，可以通过时窗长度和基波带宽合理选取得到残差波形的带内信噪比和带外信噪比。
[0061] 可以理解的是，以某测量时刻为中心，根据不同用途选取时窗长度和基波带宽，根据该时窗内基波和残差波形，由FFT计算出残差在基波频带内和频带外的功率，并与该时窗
内基波平均功率做比，得到残差带内信噪比和带外信噪比。
内基波平均功率做比，得到残差带内信噪比和带外信噪比。
[0062] 进一步地，在本发明的一个实施例中，以时标为中心，长度为Tw＝L/fs的数据窗，带内信噪比和带外残差信噪比的计算公式为：
[0063]
[0064]
[0065] 其中，Δf＝fs/(L+1)，L+1为时窗内采样点个数，B为基波带宽，E[n,m]为ε[n]的短时傅里叶变换。
[0066] 在步骤S104中，如果处理正常运行的在线测量数据，则通过带内信噪比和带外信噪比分别获取同步相量测量不确定度和电网采样信号的信噪比。
[0067] 例如，对于PMU在线测量数据，时窗选取为5个基波周期(0.1秒)，带内信噪比倒数的平方根为相量测量不确定度(总相量误差方均根)估计，带外信噪比为电网采样信号当前
时刻信噪比(干扰和噪声相对基波的功率比)估计值。
时刻信噪比(干扰和噪声相对基波的功率比)估计值。
[0068] 在步骤S105中，如果处理离线校验测量数据，则根据输入的标准信号源设置和带内信噪比和带外信噪比得到基波和干扰引起的相量测量误差。
[0069] 其中，在本发明的一个实施例中，在针对不同标准测试信号源时，根据带内信噪比和带外信噪比进行测量误差表征和精度校验的准则进行精度校验。
[0070] 例如，对于离线检测数据，基波带宽对P类测量为固定值75Hz，对M类测量基波带宽折为数据上报率(单位时间测量数据上报次数)，时窗为5秒(标准信号源长度)，带内信噪比
倒数的平方根为基波引起的总向量误差(TVE)，带外信噪比倒数的平方根与谐波功率之差
的绝对值为应谐波引起的TVE。
倒数的平方根为基波引起的总向量误差(TVE)，带外信噪比倒数的平方根与谐波功率之差
的绝对值为应谐波引起的TVE。
[0071] 在步骤S106中，获取系统测量精度综合评估结果。
[0072] 本发明实施例的评估方法为PMU数据质量的在线评估、PMU工作状态的在线监测和PMU测量精度的定期校验提供了便捷、有效和经济的技术手段，对提高PMU的应用水平具有
积极意义。
积极意义。
[0073] 具体而言，本发明实施例由同步录波数据和同步相量测量数据获得基波重构波形和残差波形，计算出残差波形的带内信噪比和带外信噪比；对正常运行的在线测量数据，带
内和带外信噪比分别用于估计同步相量测量不确定度和电网采样信号的信噪比；对离线校
验测量数据，根据输入的标准信号源设置，由带内和带外信噪比分别计算出基波和干扰引
起的相量测量误差，综合各种标准信号源测试结果，得到系统测量精度综合评估。
内和带外信噪比分别用于估计同步相量测量不确定度和电网采样信号的信噪比；对离线校
验测量数据，根据输入的标准信号源设置，由带内和带外信噪比分别计算出基波和干扰引
起的相量测量误差，综合各种标准信号源测试结果，得到系统测量精度综合评估。
[0074] 在本发明的实施例中，本发明实施例的评估方法可以基于PMU同步录波和相量测量数据，对同步相量测量精度进行评估的计算方法。在PMU正常运行情况下，该算法可实现
同步相量测量不确定度在线估计；在PMU性能检验时，结合标准测试信号源(不要求高精
度)，尤其是可用于对PMU装置同步相量测量精度实现一种符合最新PMU测量标准(IEEE
C37.118.1-2011及其修订版IEEE C37.118.1a-2014)的现场校验。
同步相量测量不确定度在线估计；在PMU性能检验时，结合标准测试信号源(不要求高精
度)，尤其是可用于对PMU装置同步相量测量精度实现一种符合最新PMU测量标准(IEEE
C37.118.1-2011及其修订版IEEE C37.118.1a-2014)的现场校验。
[0075] 下面以一个具体实施例对本发明实施例的评估方法进行详细描述。
[0076] 步骤S1，残差信号带内和带外信噪比计算：
[0077] 以单相电压或电流数据为例。记s[n]电网采样序列，采样频率为fs， 是经插值后所得s[n]的同步相量测量值，二者对应协调世界时(UTC)时标为tn。基波重构序列 和
残差序列ε[n]分别为：
残差序列ε[n]分别为：
[0078]
[0079]
[0080] 对以tn为中心，长度为Tw＝L/fs的数据窗，定义这段数据带内和带外残差信噪比分别为：
[0081]
[0082]
[0083] 其中，Δf＝fs/(L+1)，L+1为时窗内采样点个数，B是基波带宽，E[n,m]是ε[n]的短时傅里叶变换：
[0084]
[0085] 进一步记 和 这两个参数直接用于测量误差表征。
[0086] i和o在PMU正常工作状态下用于相量测量质量在线评估，和PMU定期检测时用于系统测量精度校验两种应用场合下，式(3)和(4)中参数Tw和B有所不同。用于在线评估时，Tw＝
0.1秒(5个基波周期)，B的取值使得i与TVE的均方根(即同步相量测量不确定度)尽可能接
近。记h(t)为实现同步相量估计的等效线性滤波器，即：
0.1秒(5个基波周期)，B的取值使得i与TVE的均方根(即同步相量测量不确定度)尽可能接
近。记h(t)为实现同步相量估计的等效线性滤波器，即：
[0087]
[0088] 则要求B的取值尽可能满足：
[0089]
[0090] 其中H(f)为h(t)频响特性。用于精度评估时，Tw＝5秒(单个标准测试信号样本长度)，对P类测量B＝75Hz，对M类测量B选取为数据上报率。
[0091] 步骤S2，基于PMU实测数据进行相量测量不确定度估计：
[0092] 举例而言，图2～图4给出了吉林省某60万机组故障时主变压器A相电流的一段5秒(2015/8/6日0:35:58～0:35:03)实测同步相量(数据上报率100Hz)数据和同步录波波形，
图5给出了基于录波和相量数据由式(2)计算得到基波重构残差波形，采样频率为4.8kHz。
图6和图7给出了基于图5残差波形分别由式(3)和式(4)计算得到的i和-20log10(o)曲线，二
者分别作为同步相量测量不确定度和电网采样信号信噪比的估计值，其中B＝90Hz，L＝
480。可以看出，在59秒到59.1秒之间，i和o数据出现异常，可确定为坏数据，这是由于系统
振荡，电网信号畸变所致。而在此区间之外，i值也都达到2％，明显超出了正常误差允许水
平(<1％)，表明测量系统存在问题。离线分析残差波形，发现其中包含显著的基波成分，据
此推断录波数据和测量数据可能存在同步偏差。将录波数据与重构数据做延迟相关估计得
同步偏差为0.06ms。同步校正前后i和o分别如图6和图7所示，校正后i在振荡前后分别约为
0.15％和0.25％，回归正常水平。o值基本不受同步误差影响，可知振荡前后信噪比约为
43.5dB。
图5给出了基于录波和相量数据由式(2)计算得到基波重构残差波形，采样频率为4.8kHz。
图6和图7给出了基于图5残差波形分别由式(3)和式(4)计算得到的i和-20log10(o)曲线，二
者分别作为同步相量测量不确定度和电网采样信号信噪比的估计值，其中B＝90Hz，L＝
480。可以看出，在59秒到59.1秒之间，i和o数据出现异常，可确定为坏数据，这是由于系统
振荡，电网信号畸变所致。而在此区间之外，i值也都达到2％，明显超出了正常误差允许水
平(<1％)，表明测量系统存在问题。离线分析残差波形，发现其中包含显著的基波成分，据
此推断录波数据和测量数据可能存在同步偏差。将录波数据与重构数据做延迟相关估计得
同步偏差为0.06ms。同步校正前后i和o分别如图6和图7所示，校正后i在振荡前后分别约为
0.15％和0.25％，回归正常水平。o值基本不受同步误差影响，可知振荡前后信噪比约为
43.5dB。
[0093] 在本发明的实施例中，充分展示了本发明在测量数据质量在线评估和PMU工作状态监测应用中的效能和积极作用。
[0094] 步骤S3，结合标准测试信号源进行PMU精度校验：
[0095] PMU测量标准规定了多组标准测试信号，基于对这些标准测试信号的测量结果总体评估PMU的相量测量精度。这些标准测试信号为稳态时存在频偏的基波信号、基波+谐波
信号，和动态时遭受正弦幅度调制、正弦相位调制和线性调频的基波信号，各类测试信号单
相表达式如下
信号，和动态时遭受正弦幅度调制、正弦相位调制和线性调频的基波信号，各类测试信号单
相表达式如下
[0096]
[0097]
[0098]
[0099]
[0100]
[0101] 根据标准中规定的P类和M类两种测量性能，以上公式中的参数Δf，km，kx，ka和Rf在不同范围内取值。PMU标准中以TVE的最大值表征相量测量精度，但统计该数值需要已知
同步相量的真实值，在动态测试中几乎无法实现。本发明基于理论分析和实验验证表明，在
PMU测试条件下(无随机噪声)，i近似等于TVE的均方根值，o与谐波有效值之差等于谐波引
起的TVE，为此以i和o作为技术指标，表征PMU总体的相量测量精度。
同步相量的真实值，在动态测试中几乎无法实现。本发明基于理论分析和实验验证表明，在
PMU测试条件下(无随机噪声)，i近似等于TVE的均方根值，o与谐波有效值之差等于谐波引
起的TVE，为此以i和o作为技术指标，表征PMU总体的相量测量精度。
[0102] 对各类标准测试信号，本发明实施例以i和o作为技术指标进行PMU相量测量误差校验的具体规定如下：
[0103] (1)测试信号为式(8)含频偏的稳态基波信号，P类测试要求基波频偏|Δf|≤5Hz，M类测试要求|Δf|≤5Hz，校验准则为ρi<Γi，ρo<Γo，门限参考值i＝1％，o＝0.05％；
[0104] (2)测试信号为式(9)含谐波信号干扰的稳态基波信号，要求分别考察2次到50次谐波，即m＝2，3，…，50，P类测试要求|Δf|≤2Hz，km＝0.01，M类测试要求|Δf|≤5Hz，km＝
0.1，校验准则为ρi<Γi，|ρo-km|<Γo，门限参考值i＝1％，o＝0.5％；
0.1，校验准则为ρi<Γi，|ρo-km|<Γo，门限参考值i＝1％，o＝0.5％；
[0105] (3)测试信号为式(10)正弦幅度调制动态基波信号，P类测试要求调制频率fm≤2Hz，kx＝0.1,M类测试要求fm≤5Hz，kx＝0.1，校验准则为ρi<Γi,ρo<Γo，门限参考值i＝
1％，o＝0.05％；
1％，o＝0.05％；
[0106] (4)测试信号为式(11)正弦相位调制动态基波信号，P类测试要求调制频率fm≤2Hz，kx＝0.1，M类测试要求fm≤5Hz，kx＝0.1，校验准则为ρi<Γi，ρo<Γo，门限参考值i＝
1％，o＝0.05％；
1％，o＝0.05％；
[0107] (5)测试信号为式(12)线性调频基波信号，Rf＝1Hz/s，P类测试要求频率偏移范围为从48Hz增长至52Hz和从52Hz下降至48Hz，M类测试要求频率偏移范围为从45Hz增长至
55Hz和从55Hz下降至45Hz,校验准则为ρi<Γi，ρo<Γo，门限参考值i＝1％，o＝0.05％。
55Hz和从55Hz下降至45Hz,校验准则为ρi<Γi，ρo<Γo，门限参考值i＝1％，o＝0.05％。
[0108] 以IEEE C37.118.1-2011附录C中P类参考算法和一种M类参考算法(上报率Fs＝50Hz)分别作为M类和P类测试对象，作为具体实施例，给出具体计算机仿真测试结果，除i和
o外，还将给出TVE最大值(TVEmax)和TVE均方根(TVErms)统计结果，将i与这两个数值进行对
比：
o外，还将给出TVE最大值(TVEmax)和TVE均方根(TVErms)统计结果，将i与这两个数值进行对
比：
[0109] (1)含频偏的稳态基波信号，P类算法测试结果为TVEmax＝0.63％，TVErms＝0.59％，i＝0.56％，ro＝8.1e-5；M类测试结果为TVEmax＝0.72％，TVErms＝0.66％，i＝0.66％，ro＝
1.9e-4；
1.9e-4；
[0110] (2)含谐波信号干扰的稳态基波信号，P类算法测试结果为：TVEmax＝0.63％/0.63％/0.63％/0.63％(m＝2/3/4/5)，TVErms＝0.59％/0.59％/0.59％/0.59％(m＝2/3/4/
5)，i＝0.56％/0.56％/0.56％/0.56％(m＝2/3/4/5)，ro＝3.7e-5/1.3e-5/1.7e-5/2.1e-5
(m＝2/3/4/5)；M类测试结果为TVEmax＝0.73％/0.71％/0.72％/0.72％(m＝2/3/4/5)，
TVErms＝0.66％/0.66％/0.66％/0.66％(m＝2/3/4/5)，i＝0.69％/0.67％/0.66％/0.66％
(m＝2/3/4/5)，o＝2.0e-4/1.4e-4/1.3e-4/1.4e-4(m＝2/3/4/5)；
5)，i＝0.56％/0.56％/0.56％/0.56％(m＝2/3/4/5)，ro＝3.7e-5/1.3e-5/1.7e-5/2.1e-5
(m＝2/3/4/5)；M类测试结果为TVEmax＝0.73％/0.71％/0.72％/0.72％(m＝2/3/4/5)，
TVErms＝0.66％/0.66％/0.66％/0.66％(m＝2/3/4/5)，i＝0.69％/0.67％/0.66％/0.66％
(m＝2/3/4/5)，o＝2.0e-4/1.4e-4/1.3e-4/1.4e-4(m＝2/3/4/5)；
[0111] (3)正弦幅度调制动态基波信号，P类算法测试结果为TVEmax＝0.07％，TVErms＝0.04％，i＝0.04％,o＝0.11e-5；M类测试结果为TVEmax＝0.12％,TVErms＝0.07％，i＝
0.07％，o＝0.7e-5；
0.07％，o＝0.7e-5；
[0112] (4)正弦相位调制动态基波信号，P类算法测试结果为TVEmax＝0.06％，TVErms＝0.04％，i＝0.04％，o＝0.34e-5；M类测试结果为TVEmax＝0.12％，TVErms＝0.07％，i＝
0.07％，o＝0.5e-5；
0.07％，o＝0.5e-5；
[0113] (5)线性调频基波信号，P类算法测试结果为TVEmax＝0.61％，TVErms＝0.27％，i＝0.26％，o＝8.6e-5；M类测试结果为TVEmax＝0.71％，TVErms＝0.37％，i＝0.37％，o＝5.6e-
5。
5。
[0114] 从以上测试结果可以看出，在各种情况下i与TVE均方根取值都非常接近，o也处于理论预估的范围内，验证了本发明实施例的有效性。
[0115] 另外，图8、图9和图10具体给出了M类参考算法测试试验中基波频偏、正弦幅度调制和正弦相位调制中TVE最大值、TVE均方根和i随测试参数的变化曲线。结果进一步证实，
在各种情况下i与TVE均方根取值都非常接近。
在各种情况下i与TVE均方根取值都非常接近。
[0116] 根据本发明实施例的同步相量测量单元的相量测量精度评估方法，由同步录波数据和同步相量数据获得基波重构波形和残差波形，计算残差波形的带内信噪比和带外信噪
比，从而对正常运行数据，带内和带外信噪比分别估计同步相量测量不确定度和电网信号
信噪比，实时反馈测量环境和PMU工作状态，并且对离线校验测量数据，针对一系列测试信
号源，计算出各种情况下基波和干扰引起的相量测量误差，实现系统测量精度综合评估，即
在PMU正常运行时，实现同步相量测量不确定度在线估计，在PMU性能检验时，结合中等精度
标准测试信号源，实现PMU精度校验，提高了评估的可靠性和准确性。
比，从而对正常运行数据，带内和带外信噪比分别估计同步相量测量不确定度和电网信号
信噪比，实时反馈测量环境和PMU工作状态，并且对离线校验测量数据，针对一系列测试信
号源，计算出各种情况下基波和干扰引起的相量测量误差，实现系统测量精度综合评估，即
在PMU正常运行时，实现同步相量测量不确定度在线估计，在PMU性能检验时，结合中等精度
标准测试信号源，实现PMU精度校验，提高了评估的可靠性和准确性。
[0117] 其次参照附图描述根据本发明实施例提出的同步相量测量单元的相量测量精度评估装置。
[0118] 图11是本发明一个实施例的同步相量测量单元的相量测量精度评估装置的结构示意图。
[0119] 如图11所示，该同步相量测量单元的相量测量精度评估10包括：数据获取模块100、波形获取模块200、信噪比获取模块300和评估模块400。
[0120] 其中，数据获取模块100用于获取同步录波数据和同步相量测量数据。波形获取模块200用于根据同步录波数据和同步相量测量数据获取基波重构波形，以得到残差波形。信
噪比获取模块300用于获取残差波形的带内信噪比和带外信噪比。当处理正常运行的在线
测量数据时，评估模块400通过带内信噪比和带外信噪比分别获取同步相量测量不确定度
和电网采样信号的信噪比，当处理离线校验测量数据时，评估模块400根据输入的标准信号
源设置和带内信噪比和带外信噪比得到基波和干扰引起的相量测量误差，从而获取系统测
量精度综合评估结果。本发明实施例的评估装置10可以在PMU正常运行时，实现同步相量测
量不确定度在线估计，在PMU性能检验时，结合中等精度标准测试信号源，实现PMU精度校
验，提高了评估的可靠性和准确性。
噪比获取模块300用于获取残差波形的带内信噪比和带外信噪比。当处理正常运行的在线
测量数据时，评估模块400通过带内信噪比和带外信噪比分别获取同步相量测量不确定度
和电网采样信号的信噪比，当处理离线校验测量数据时，评估模块400根据输入的标准信号
源设置和带内信噪比和带外信噪比得到基波和干扰引起的相量测量误差，从而获取系统测
量精度综合评估结果。本发明实施例的评估装置10可以在PMU正常运行时，实现同步相量测
量不确定度在线估计，在PMU性能检验时，结合中等精度标准测试信号源，实现PMU精度校
验，提高了评估的可靠性和准确性。
[0121] 进一步地，在本发明的一个实施例中，信噪比获取模块300具体用于通过时窗长度和基波带宽合理选取得到残差波形的带内信噪比和带外信噪比。
[0122] 进一步地，在本发明的一个实施例中，在针对不同标准测试信号源时，根据带内信噪比和带外信噪比进行测量误差表征和精度校验的准则进行精度校验。
[0123] 进一步地，在本发明的一个实施例中，基波重构序列 和残差序列ε[n]的计算公式为：
[0124]
[0125]
[0126] 其中，s[n]为电网采样序列， 为经插值后所得电网采样序列的同步相量测量值，fs为采样频率，tn为时标。
[0127] 进一步地，在本发明的一个实施例中，以时标为中心，长度为Tw＝L/fs的数据窗，带内信噪比和带外残差信噪比的计算公式为：
[0128]
[0129]
[0130] 其中，Δf＝fs/(L+1)，L+1为时窗内采样点个数，B为基波带宽，E[n,m]为ε[n]的短时傅里叶变换。
[0131] 需要说明的是，前述对同步相量测量单元的相量测量精度评估方法实施例的解释说明也适用于该实施例的同步相量测量单元的相量测量精度评估装置，此处不再赘述。
[0132] 根据本发明实施例的同步相量测量单元的相量测量精度评估装置，由同步录波数据和同步相量数据获得基波重构波形和残差波形，计算残差波形的带内信噪比和带外信噪
比，从而对正常运行数据，带内和带外信噪比分别估计同步相量测量不确定度和电网信号
信噪比，实时反馈测量环境和PMU工作状态，并且对离线校验测量数据，针对一系列测试信
号源，计算出各种情况下基波和干扰引起的相量测量误差，实现系统测量精度综合评估，即
在PMU正常运行时，实现同步相量测量不确定度在线估计，在PMU性能检验时，结合中等精度
标准测试信号源，实现PMU精度校验，提高了评估的可靠性和准确性。
比，从而对正常运行数据，带内和带外信噪比分别估计同步相量测量不确定度和电网信号
信噪比，实时反馈测量环境和PMU工作状态，并且对离线校验测量数据，针对一系列测试信
号源，计算出各种情况下基波和干扰引起的相量测量误差，实现系统测量精度综合评估，即
在PMU正常运行时，实现同步相量测量不确定度在线估计，在PMU性能检验时，结合中等精度
标准测试信号源，实现PMU精度校验，提高了评估的可靠性和准确性。
[0133] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0134] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。
[0135] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0136] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
[0137] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。
[0138] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。
实施例进行变化、修改、替换和变型。