信号与系统第二次大作业指导书
电力系统同步相量计算
电机工程与应用电子技术系
二〇二二年春季学期
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2022 年春信号与系统大作业——电力系统同步相量计算
1.背景介绍
随着经济的发展和技术应用的成熟，目前我国正在大力建设区域电网互联工程，这对于
合理利用资源，节省投资，提高供电可靠性具有重要意义。过去，电力系统监视手段主要包
括侧重于监视系统的稳态操作的数据采集和监视控制系统（Supervisory Control And Data
Acquisition，SCADA），以及侧重于记录电磁暂态过程的各种故障录波装置。由于不同位置
的监测结果之间缺乏准确可靠的通用时间标准，所记录的数据仅部分有效，并且难以对整个
系统进行整体动态分析。
随着卫星授时、电力通信网络和数字信号处理技术的快速发展，以同步相量测量技术为
基础的广域测量系统（Wide Area Measurement System，WAMS）成为新一代电网动态监测和
控制系统。同步相量测量提供电力系统电气量的实时测量。这些测量数据可用于验证系统模
型，测量稳定边界和系统稳定负荷的最大化。同步相量测量信息包含每个测量量值的幅值和
相角以及相应的时间标签。而同步相量测量技术的核心是相量估计算法的设计,即算法的估
计精度将直接影响到的应用效果。
为加深学生对信号处理的理解，更好地了解电力系统量测技术，同时加深专业志趣，设
计信号与系统课程大作业。本次大作业通过了解，学习，实现并探究电力系统同步量测技术，
重点考核学生数字信号处理相关的文献阅读，完成实现，问题分析与解决，报告撰写与最终
展示等能力，提高学生综合素质。
2.作业内容
本次大作业将会给出指定的一段时域信号，该信号模拟电力系统实际情况，除基波外含
有一定谐波、间谐波、噪声、频率与幅值波动。学生针对给定的时域信号，准确计算出基波
相量，给出基波相量实时变化曲线。并尽可能准确分析其谐波，间谐波种类与含量。完成同
步相量计算大作业报告一份，其中需要分析同步相量计算过程中遇到的难点，阐述解决问题
的方法。最终会择优进行大作业结果展示。
为有效激发专业学习志趣，提高课程挑战度，共设置三种难度梯度。第一梯度为必做内
容，其余梯度为加分内容。
【必做内容】
给定的一段时域信号文件 Signal_1.csv。已知该信号基波频率在 50Hz 附近，且频率不
变。采样率 10kHz。除基波信号外，该信号可能含有 2~29 次谐波与小于 300Hz 的间谐波。
该信号发生过一次幅值阶跃。需要完成的内容如下：
1. 需要计算出该信号的基波相量，并给出幅值、相角随时间变化曲线。
2
2. 分析给出谐波、间谐波种类与含量。
3. 尽可能降低由信号幅值阶跃产生的误差，并给出阶跃发生时刻。
思考：1.电力系统中同步相量的相角随时间变化曲线具有什么特点，为什么？
2.如何降低谐波、间谐波对相量计算精度的影响？
3.对于同步相量算法，如何设计使其能够更快跟踪信号幅值的阶跃变化？
图 1 必做内容信号示例图
【加分内容 1】
给定的一段时域信号文件 Signal_2.csv。已知该信号基波频率在 50Hz 附近，采样率 10kHz。
除基波信号外，该信号可能含有 2~29 次谐波与小于 300Hz 的间谐波，并 含有一定的白噪声。
该信号发生过一次幅值阶跃与频率阶跃。需要完成的内容如下：
1. 需要计算出该信号的基波相量，并给出幅值、相角随时间变化曲线。
2. 分析给出谐波、间谐波种类与含量（只考虑频率阶跃前）。
3. 尽可能降低由信号幅值与频率阶跃产生的影响，并 分别给出幅值、频率阶跃发生时刻。
思考：1.基波信号的频率变化，对于相量计算精度有什么影响？
图 2 加分内容 1 信号示例图
【加分内容 2】
给定的一段时域信号文件 Signal_3.csv。已知该信号基波频率在 50Hz 附近，采样率 10kHz。
除基波信号外，该信号可能含有 2~29 次谐波与小于 300Hz 的间谐波。该信号在全时段进行
了幅值调制。需要完成的内容如下：
1. 需要计算出该信号的基波相量，并给出幅值、相角随时间变化曲线。
