CN101650391A - 电气系统振荡检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电气系统振荡检测方法，用于三相电电气系统的振荡检测，该方法包括以下步骤：从三相电中检出三相电流信号；将所述三相电流信号分别转换为电压信号并进行半波整流；叠加整流后的三相电压信号；以及依据叠加后的信号的频率和幅值判断电气系统是否出现振荡，其中当叠加后的信号具有不同的第一幅值及第二幅值且第二幅值与第一幅值之比低于一预设比例，并且叠加后的信号频率介于一预设频率范围时，判定电气系统出现振荡。

Description

电气系统振荡检测方法和装置

技术领域

本发明涉及一种电气系统的振荡检测和保护技术，尤其涉及一种电气系统振荡检测方法及其装置。

背景技术

对电气系统，目前一般都设置了过流、过载、过压、欠压等保护措施。但是目前没有专门针对电气系统振荡进行保护的器件及措施。

由于电气系统发生振荡时尽管瞬时电流有可能较大，但其大小又往往正好不能使过流继电器动作。由于大电流是间歇性的，也往往不能使过载继电器动作。但巨大的、反复的冲击电流及浪涌电压可引发烧毁电气设备、冲击供电系统、冲击相邻用电设备等电气事故，冲击电流产生的冲击力矩又可引发诸如马达断轴、变速箱齿轮断齿、行车吊钩坠落、大梁变形断裂等一系列机械事故。冲击电流产生的强大的高次谐波又可严重干扰周边的控制设备，使其发生误动作、跳电等故障。

由于电气系统发生振荡时，上述过流、过载、过压、欠压等方法并无法对设备进行保护。因此只能依赖维护人员巡视时发现问题后，再采取措施，这往往会导致解决问题不及时而造成严重后果。

随着现代科学技术的发展，电气传动可调速自动控制系统，广泛被应用在冶金、机械、石油、化工、运输、国防等部门中的各种生产机械上，因此，及时开发振荡保护装置支持促进新技术应用有特别重要意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电气系统振荡检测方法和装置。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种电气系统振荡检测方法，用于三相电电气系统的振荡检测，该方法包括以下步骤：从三相电中检出三相电流信号；将所述三相电流信号分别转换为电压信号并进行半波整流；叠加整流后的三相电压信号；以及依据叠加后的信号的频率和幅值判断电气系统是否出现振荡，其中当叠加后的信号具有不同的第一幅值及第二幅值且第二幅值与第一幅值之比低于一预设比例，并且叠加后的信号频率介于一预设频率范围时，判定电气系统出现振荡。

在本发明的一实施例中，所述预设比例介于30％-60％之间。

在本发明的一实施例中，，所述预设频率范围介于15-25Hz之间。

在本发明的一实施例中，判断所述第二幅值与第一幅值之比低于一预设比例的方法是：使叠加后的信号与一基准电压比较，分别产生幅值为正的第一信号和幅值为负的第二信号；以及比较第一信号的平均值与第二信号的平均值，并判断二者之比是否低于该预设比例。

在本发明的一实施例中，判断所述叠加后的信号频率介于一预设频率范围的方法是：依据叠加后的信号获得一选频信号，其中该叠加后的信号越接近一基准频率，该选频信号越强；以及比较该选频信号的平均值与一设定值，若该平均值大于该设定值，则所述叠加后的信号频率介于该预设频率范围。

本发明另提供一种电气系统振荡检测装置，用于三相电电气系统的振荡检测，该装置包括：检测元件，从三相电中检出三相电流信号；信号转换电路，将所述三相电流信号分别转换为电压信号；整流电流，对所述各电压信号进行半波整流；叠加电路，叠加整流后的三相电压信号；以及检测电路，依据叠加后的信号的频率和幅值判断电气系统是否出现振荡，其中当叠加后的信号具有不同的第一幅值及第二幅值且第二幅值与第一幅值之比低于一预设比例，并且叠加后的信号频率介于一预设频率范围时，判定电气系统出现振荡。

在本发明的一实施例中，所述预设比例介于30％-60％之间。

在本发明的一实施例中，所述预设频率范围介于15-25Hz之间。

在本发明的一实施例中，所述检测电路包括用以判断所述第二幅值与第一幅值之比低于一预设比例的幅值检测单元，其包括：比较电路，使叠加后的信号与一基准电压比较，分别产生幅值为正的第一信号和幅值为负的第二信号；积分电路，对第一信号和第二信号进行积分，以产生第一信号的平均值与第二信号的平均值；以及运算电路，比较第一信号的平均值与第二信号的平均值，并判断二者之比是否低于该预设比例。

在本发明的一实施例中，所述检测电路包括用以判断所述叠加后的信号频率介于一预设频率范围的频率检测单元，其包括：选频电路，依据叠加后的信号获得一选频信号，其中该叠加后的信号越接近一基准频率，该选频信号越强；积分电路，对选频信号进行积分，以产生选频信号的平均值；以及运算电路，比较该选频信号的平均值与一设定值，若该平均值大于该设定值，则所述叠加后的信号频率介于该预设频率范围。

采用本发明的振荡保护方法和装置，可判别电气系统是否发生振荡。由此可以及时处理、消除故障，避免只靠维护人员巡视不能及时发现故障，事故进一步扩大，造成严重的损失。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是设备发生振荡时的电流波形。

图2是设备发生振荡时的各相电流波形。

图3是设备系统消除振荡故障后的电流波形。

图4是根据本发明实施例的振荡检测装置示意图。

图5是三相电流平衡时信号叠加电路输出U信号波形。

图6是三相电流不平衡时信号叠加电路输出U信号波形。

图7是三相电流存在振荡时信号叠加电路输出U信号波形。

图8是根据本发明实施例的检测电路示意图。

图9是根据本发明实施例的振荡检测方法流程图。

具体实施方式

本发明所涉及的电气系统包含但不限于各种可调速的电气系统，如可控硅调压系统、VVVF系统、VS调速系统等。此外，绕线式电动机在很多情况下也使用了测速发电机实现速度反馈控制系统。以上系统在某些情况下，有可能发生振荡。

图1是设备发生振荡时的电流波形。图2是设备发生振荡时的各相电流波形。用录波仪记录某可调速系统发生振荡时的三相工作电流，如图1和图2所示，可发现电流在两个不同的幅值间发生高频率大幅度跳动，其低幅值约为高幅值的30％，其振荡频率约为20Hz。

图3是设备系统消除振荡故障后的电流波形。在振荡消除后，电流波形恢复平稳的单一幅值。

经过更多的系统振荡分析发现：不同的电气系统，尽管其振荡时的频率以及两个幅值之间的比例稍有不同，但是这些系统发生振荡时电流两个幅值间发生高频率大幅度跳动，其低幅值一般为高幅值的30％～60％，其振荡频率在一般15-25Hz左右。

根据电气系统的振荡特性，本发明提出一种利用了幅值与频率变动判别方法的振荡检测方法和装置如下。

首先参照图4所示，本发明的振荡检测装置的一实施例包括一组检测元件CT1-CT3，一组信号转换电路101-103，一组整流电路111-113，信号叠加电路120、检测电路130。振荡检测装置可选地包括作为检测结果输出驱动的放大电路140。另外的整流电路104和稳压电路105为上述电路提供电力。

各检测元件CT1-CT3例如是变流器，用以从三相电中检出三相电流信号。变流器三相穿心式，其一次侧电流即为电机主回路侧电流互感器的二次电流。

变流器CT1-CT3检测出三相电流信号后，由信号转换电路101-103分别将其变换成电压信号，并在整流电路111-113进行半波整流，然后由信号叠加电路120将整流过的电压信号叠加，叠加后的信号送往检测电路140，进行幅值检测和频率检测。

图5-7示出整流且叠加后的信号波形。

图5是三相电流平衡时信号叠加电路输出U信号波形。如图5所示，当设备一次回路三相电流平衡时，每相电流的幅值相等，U信号将近似为条直线。

图6是三相电流不平衡时信号叠加电路输出U信号波形。如图6所示，当设备一次回路三相电流不平衡时，每相电流的幅值不相等，振荡保护装置的信号叠加电路输出U信号每周期将产生一个缺口，如缺口较深，即可作为缺相的判断依据。该信号的频率与工频相同，为50Hz。

另外，当设备一次回路三相电流发生波动，振荡保护装置的信号叠加电路输出U信号也将发生波动。这种波动一般与缺相可明显区分：频率低、不规则，输出继电器不动作。

图7是三相电流存在振荡时整流回路输出U信号波形。如图7所示，当设备一次回路三相电流存在振荡现象时，情况有所不同：振荡保护装置的信号叠加电路输出U信号变得规则起来，且频率有可能比较高。该信号也类似于一个方波，其频率与振荡频率相同。振荡电流两个幅值间发生高频率大幅度跳动，其低幅值可为高幅值的30％～60％，其振荡频率约为15-25Hz。

检测电路130，依据叠加后的信号的频率和幅值判断电气系统是否出现振荡。参照图4所示，检测电路130进一步包括幅值检测单元130a及频率检测单元130b。幅值检测单元130a用以检测叠加后的信号所具有的不同的第一幅值(即低幅值)及第二幅值(即高幅值)之比是否低于一预设比例。而频率检测单元130b用以检测叠加后的信号频率是否介于一预设频率范围。检测电路根据这2个条件来判断系统是否出现振荡。在本发明的实施例中，预设比例一般地根据个别电气系统的特性而在30％-60％之间进行调整，而预设频率范围一般地在15-25Hz内进行调整。但是本领域技术人员大可根据实践而在上述范围之外选择预设比例和预设频率范围。

图8进一步示出检测电路130的一个实施例。参照图8所示，由比较电路131a、积分电路132a、隔离变送电路133a以及中央处理器134组成幅值检测单元130a。由选频电路131b、积分电路132b、隔离变送电路133b以及中央处理器134组成频率检测单元130b。

叠加后的信号通过比较电路131a，分成幅值为正和幅值为负的第一、第二信号s1，s2。其中比较电路130a的基准电压可调，例如为信号峰值电压的50％。然后在积分电路132a对两个信号分别进行积分，以获得两个信号的平均值，再经隔离变送进入中央处理器134。中央处理器134作为幅值检测单元130a的运算单元对两个信号进行滤波、模数转换，然后储存到内部存储器。对两个信号值进行比较，并判断二者之比是否低于上述的预设比例，若超出预设比例，证明系统有可能发生了震荡。

叠加后的信号通过选频电路131b，输出一个与叠加后的信号频率相关的选频信号，输入的信号频率越接近基准频率，该信号越强；反之，输入的信号频率越远离基准频率，该信号越弱。其中选频电路131b的基准频率可调，其例如为20Hz。该信号s3经过积分电路132b产生平均值，经隔离变送后进入中央处理器134。中央处理器134作为频率检测单元130b的运算单元，对信号进行滤波、模数转换，然后储存到内部存储器。将该选频信号的平均值与设定值进行比较，该设定值反应了叠加后信号的频率与基准频率的偏差(如±1Hz)，若选频信号的平均值超出设定值，证明系统的频率接近20Hz(如介于19-21Hz之间)，有可能发生了震荡。

当叠加后的信号同时满足上述两个条件时，检测电路130就判断系统发生了震荡。在一格实施例中，由中央处理器134输出信号，继电器X动作跳闸，以起到保护作用。

从一方面看，根据上述的电气系统振荡检测装幌子可概括一种电气系统振荡检测方法，参照图9所示，该方法包括：

步骤201，从三相电中检出三相电流信号；

步骤202，将三相电流信号分别转换为电压信号并进行半波整流；

步骤203，叠加整流后的三相电压信号；

步骤204，依据叠加后的信号的频率和幅值判断电气系统是否出现振荡，其中当叠加后的信号具有不同的第一幅值(即低幅值)及第二幅值(即高幅值)且第二幅值与第一幅值之比低于一预设比例，并且叠加后的信号频率介于一预设频率范围时，判定电气系统出现振荡。

举例来说，预设比例取介于30％-60％之间的值。预设频率范围在15-25Hz之间选取。

其中判断第二幅值与第一幅值之比是否低于上述预设比例的方法可以是：使叠加后的信号与一基准电压比较，分别产生幅值为正的第一信号和幅值为负的第二信号，然后比较第一信号的平均值与第二信号的平均值，并判断二者之比是否低于上述的预设比例。其中基准电压可调，例如为信号峰值电压的50％。

此外，判断叠加后的信号频率是否介于上述预设频率范围的方法可以是：依据叠加后的信号获得一选频信号，其中该叠加后的信号越接近一基准频率，该选频信号越强；比较该选频信号的平均值与一设定值，若该平均值大于该设定值，则所述叠加后的信号频率介于该预设频率范围。其中基准频率例如是20Hz，该设定值所对应与基准频率的偏差例如是±1Hz，当选频信号的平均值大于该设定值时，说明叠加后的信号频率在19-21Hz范围内。

由此可见，电气传动可调速自动控制系统，如采用本发明的振荡保护方法和装置，可判别电气系统是否发生振荡。及时处理、消除故障，避免只靠维护人员巡视不能及时发现故障，事故进一步扩大，造成严重的损失。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种电气系统振荡检测方法，用于三相电电气系统的振荡检测，该方法包括：

从三相电中检出三相电流信号；

将所述三相电流信号分别转换为电压信号并进行半波整流；

叠加整流后的三相电压信号；

依据叠加后的信号的频率和幅值判断电气系统是否出现振荡，其中当叠加后的信号具有不同的第一幅值及第二幅值且第二幅值与第一幅值之比低于一预设比例，并且叠加后的信号频率介于一预设频率范围时，判定电气系统出现振荡。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设比例介于30％-60％之间。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设频率范围介于15-25Hz之间。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，判断所述第二幅值与第一幅值之比低于一预设比例的方法是：

使叠加后的信号与一基准电压比较，分别产生幅值为正的第一信号和幅值为负的第二信号；

比较第一信号的平均值与第二信号的平均值，并判断二者之比是否低于该预设比例。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，判断所述叠加后的信号频率介于一预设频率范围的方法是：

依据叠加后的信号获得一选频信号，其中该叠加后的信号越接近一基准频率，该选频信号越强；

比较该选频信号的平均值与一设定值，若该平均值大于该设定值，则所述叠加后的信号频率介于该预设频率范围。

6.一种电气系统振荡检测装置，用于三相电电气系统的振荡检测，该装置包括：

检测元件，从三相电中检出三相电流信号；

信号转换电路，将所述三相电流信号分别转换为电压信号；

整流电流，对所述各电压信号进行半波整流；

叠加电路，叠加整流后的三相电压信号；

检测电路，依据叠加后的信号的频率和幅值判断电气系统是否出现振荡，其中当叠加后的信号具有不同的第一幅值及第二幅值且第二幅值与第一幅值之比低于一预设比例，并且叠加后的信号频率介于一预设频率范围时，判定电气系统出现振荡。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预设比例介于30％-60％之间。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预设频率范围介于15-25Hz之间。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述检测电路包括用以判断所述第二幅值与第一幅值之比低于一预设比例的幅值检测单元，其包括：

比较电路，使叠加后的信号与一基准电压比较，分别产生幅值为正的第一信号和幅值为负的第二信号；

积分电路，对第一信号和第二信号进行积分，以产生第一信号的平均值与第二信号的平均值；以及

运算电路，比较第一信号的平均值与第二信号的平均值，并判断二者之比是否低于该预设比例。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述检测电路包括用以判断所述叠加后的信号频率介于一预设频率范围的频率检测单元，其包括：

选频电路，依据叠加后的信号获得一选频信号，其中该叠加后的信号越接近一基准频率，该选频信号越强；

积分电路，对选频信号进行积分，以产生选频信号的平均值；以及

运算电路，比较该选频信号的平均值与一设定值，若该平均值大于该设定值，则所述叠加后的信号频率介于该预设频率范围。

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