CN102375085B - 电压骤升或骤降监测方法及使用该方法的监测装置 - Google Patents

Abstract

电压骤升或电压骤降的监测方法，它包括：获取原始信号电压，处理原始信号电压，通过计算原始信号电压的均方根值判断出现的是电压骤升事件或电压骤降事件，同时输出经过判断的事件的开始时间点估计值和结束时间点估计值，对原始信号电压进行小波分解，得到小波系数；对小波系数进行收缩变换；将经过收缩变换的小波系数进行重构；得到原始信号电压的事件开始时间点准确值和事件结束时间点准确值。本发明还提供了一种使用电压骤升或电压骤降的监测方法的监测装置。本发明的方法和装置具有较高的准确性且易于操作。

Description

电压骤升或骤降监测方法及使用该方法的监测装置

技术领域

本发明涉及电压骤升或骤降监测方法及使用该方法的监测装置，尤其是适用于三相交流电路的电压骤升或骤降监测方法及使用该方法的电力监测装置。

背景技术

电力市场环境下，电能质量问题越来越受到人们的重视。作为现代电能质量主要问题的电压骤升/骤降已被认为是影响许多用电设备正常、安全运行的最主要的电能质量问题之一。电压骤升/骤降带来的巨大经济损失已经在全球尤其是发达国家受到广泛的关注。要最大程度降低电压骤升/骤降的危害，首要的问题是要有快速、精确、有效的方法对电压骤升/骤降信号进行特征量监测。

现有的特征量监测方法包括均方根法、傅立叶变换法和峰值电压监测法。以上的方法都使用了滑动平均值进行计算，但由于需要使用历史数据，使得这些方法在判断电压骤升/骤降事件的起止点时出现延时。缺损电压法通过实时比较，克服了滑动平均值计算的延时缺陷，同时比均方根法具有更好的分辨率，但当输入信号被干扰时，缺损电压法会受到影响。通过同步倒置dq参考坐标系的方式出现了一种实时比较的方法，该方法通过插入低通滤波器克服了噪音对被测信号的干扰，但该方法在确定电压骤降深度时存在困难。

风力发电机组使用了一种电压骤降监测方法，该方法使用了非线性自适应滤波器，该滤波器可以实时追踪电压骤降。陷波频率过滤技术通过构造电压骤降的微分模型来提取输入信号的骤降分量。该方法可以实现在最长4毫秒的时间内对电压骤降响应。由于该方法监测的执行很大程度上依赖于数学分析模型，且该方法的执行和/或算法收敛速度的控制参数需要依据操作人员的工程经验来判断，实现起来非常复杂。

发明内容

本发明的目的是提供电压骤升或骤降事件的监测方法，该方法可以准确判断电压骤升或骤降事件的起始事件，降低噪音对电压信号的干扰，同时易于实施。

本发明的另一个目的是提供使用本发明电压骤升或骤降事件的监测方法的监测装置，该装置可以准确判断电压骤升或骤降事件的起始事件，降低噪音对电压信号的干扰，同时控制方法和电路结构简单，易于实施。

本发明提供了电压骤升或电压骤降监测方法，它包括：

(a).获取原始信号电压；

(b).处理原始信号电压，通过计算原始信号电压的均方根值判断出现的是电压骤升事件或电压骤降事件，同时输出经过判断的电压骤升事件或电压骤降时间的开始时间点估计值和结束时间点估计值，如果无法判断，返回步骤(a)；

(c).对原始信号电压进行小波分解，得到小波系数；

(d).对小波系数进行收缩变换；

(e).将经过收缩变换降低噪音的小波系数重构得到第二信号电压和用于得到电压骤升事件或所述电压骤降事件开始时间点准确值和结束时间点准确值的第一信号电压；

(f).通过第一信号电压、开始时间点估计值和结束时间点估计值得到原始信号电压的开始时间点准确值和结束时间点准确值；

(g).通过步骤(f)中得到的所述原始信号电压的开始时间点准确值和结束时间点准确值，计算并输出第二信号电压的均方根，或输出电压骤升事件或电压骤降事件的开始时间准确值和结束时间准确值。

在电压骤升或电压骤降监测方法的再一种示意性的实施方式中，步骤(b)中，对所述原始信号电压的处理包括：输入原始信号电压；计算原始信号电压第一个周波的均方根值；顺序滑动计算所述原始信号电压各周波的均方根值(例如滑动1/2个周波)；记录电压骤降事件或电压骤升事件发生的开始时间点和结束时间点；根据各周波的均方根值判断信号电压发生的事件是电压骤降事件或电压骤升事件；输出经过判断的电压骤降事件或电压骤升事件的开始时间点估计值和结束时间点估计值。

在电压骤升或电压骤降监测方法的另一种示意性的实施方式中，步骤(d)包括：输入步骤(c)中原始信号电压经过小波分解得到的述小波系数及小波分解的分解层数；计算调整系数；根据调整系数得到调节小波系数；计算限值；使用限值对分解后的各层小波系数进行收缩变换；输出经过收缩变换的小波系数。

在电压骤升或电压骤降监测方法的又一种示意性的实施方式中，调整系数的计算公式为：

scale＝median(|d_j｜)/中值绝对系数

式中scale代表调整系数，d_j为第j层的小波系数，中值绝对系数是(0，1)分布的一个中值数绝对偏差，median取中值函数。。其中，中值绝对系数取0.6745。

在电压骤升或电压骤降监测方法的又一种示意性的实施方式中，根据调整系数得到调节小波系数的公式为：

y＝d_j/scale

式中y为调节小波系数，scale代表调整系数，d_j为第j层的小波系数。

在电压骤升或电压骤降监测方法的又一种示意性的实施方式中，限值的计算公式为：

r＝(｜y｜-(2ln(2^j)))^0.5

式中r代表限值，y为调节小波系数，j为小波分解层数的序号。

在电压骤升或电压骤降监测方法的又一种示意性的实施方式中，对分解后的各层小波系数进行收缩变换的公式为：

$d_j^s=\mathrm{scale}*\mathrm{sign}\left(y\right)*(r+|r\left|\right)/2$

式中为收缩变换后的小波系数，scale为调整系数，y为调节小波系数，r为限值，sign为符号函数。

在电压骤升或电压骤降监测方法的又一种示意性的实施方式中，步骤(e)包括：输入经过收缩变换的小波系数；将经过收缩变换的小波系数重构为第一信号电压，和第二信号电压。

在电压骤升或电压骤降监测方法的又一种示意性的实施方式中，步骤(f)包括：输入第一信号电压，开始时间点估计值和结束时间点估计值；查找电压骤升事件或电压骤降事件开始时间点的准确值；查找电压骤升事件或电压骤降时间结束时间点的准确值。

本发明还提供了使用电压骤升或电压骤降监测方法的电压监测装置。

使用本发明的电压骤升或电压骤降监测方法及使用该方法的电压监测装置得到的监测结果具有较高的准确性。

使用本发明的电压骤升或电压骤降监测方法及使用该方法的电压监测装置通过合理的流程设计，避免了冗繁的计算，提高了系统的运行速度。

使用本发明的电压骤升或电压骤降监测方法及使用该方法的电压监测装置能够降低噪音和/或背景谐波对监测的影响。

使用本发明的电压骤升或电压骤降监测方法及使用该方法的电压监测装置能够有效的扩展到其他电能监测的场合，例如电压中断，过电压或欠电压的监测。

本发明的电压骤升或电压骤降监测方法能够在普通含有嵌入式DSP系统的监测装置中应用，具有很好的移植性且易于实施。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1是电压骤降或电压骤升监测方法一种示意性实施方式的流程示意图。

图2是电压骤升或电压骤降监测方法中判断发生的是电压骤降事件或电压骤升事件一种示意性实施方式的流程示意图。

图3是电压骤升或电压骤降监测方法中对经过判断的电压骤升事件或电压骤降事件的小波系数进行收缩变换的一种示意性实施方式的流程示意图。

图4是电压骤升或电压骤降监测方法一种示意性实施方式中电压骤降事件的原始信号电压sig0的波形示意图。

图5是图4中的信号电压由第四层的小波系数经过收缩变换重构得到的第二信号电压sig2的波形示意图。

图6是图4总的信号电压由第十二层的小波系数经过收缩变换重构得到的第一信号电压sig1的波形示意图。

图7是电压骤升或电压骤降监测方法中对经过判断的电压骤升事件或电压骤降事件的开始时间准确值和结束事件准确值进行计算的一种示意性实施方式的流程示意图。

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

图1是电压骤降或电压骤升监测方法一种示意性实施方式的流程示意图，其中显示了电压骤升或电压骤降监测方法的处理步骤。

步骤S10：采集原始信号电压Sig0。在本发明的一种示意性实施方式中，将采集的50Hz的原始信号电压Sig0通过数模转换器(例如AD73360)转换，使用51.2KHz(可选的还有25.6KHz或12.8KHz)的频率对原始信号电压采样，将原始信号电压的时间窗单位设置为0.32s，由此得到对应于51.2KHz的16384个采样点(对应25.6KHz的为8192个采样点或对应12.8KHz的为4096个采样点)。

步骤S20：对原始信号电压Sig0处理，通过计算信号电压Sig0的均方根值，并判断其是否出现电压骤升事件或电压骤降事件，同时输出电压骤升事件或电压骤降事件的开始时间点估计值和结束时间点估计值。如果在步骤S20没有出现电压骤升事件或电压骤降事件，则程序返回步骤S10。

步骤S30：根据步骤S20中判断得到的电压骤升事件或电压骤降事件，对原始信号电压Sig0进行小波分解，得到相应的小波系数。

步骤S40：对步骤S30得到的小波系数进行收缩变换。

步骤S50：将经过步骤S40收缩变换的小波系数重构得到降低噪音的第二信号电压Sig2和用于确定电压骤升事件或电压骤降事件开始时间点准确值和结束时间点准确值的第一信号电压Sig1。

步骤S60：通过步骤S50得到的第一信号电压Sig1、步骤S20输出的开始时间点估计值和结束时间点估计值，得到原始信号电压Sig0出现电压骤升事件或电压骤降事件的开始时间点准确值和结束时间点准确值。

步骤S70：计算并输出第二信号电压Sig2的均方根，或者输出电压骤降事件或电压骤升事件的开始时间准确值和结束时间准确值，或者一并输出第二信号电压Sig2的均方根以及电压骤降事件或电压骤升事件的开始时间准确值和结束时间准确值。

图2示意性地显示了图1中步骤S20所示的判断出现电压骤降事件或电压骤升事件流程。

步骤S21：输入原始信号电压Sig0。

步骤S22：计算原始信号电压Sig0第一个周波的均方根值RMS^1/2[1]。

步骤S23：控制迭代次数i，其中i为从2到N的整数，表示第i次滑动计算得到的一个周波的均方根值(以下简称为第i个周波的均方根值)。在本发明的一种示意性实施方式中，如果在原始信号电压的时间窗单位内有n个完整周波，并且每顺序滑动1/2周波计算一次周波的均方根值，则N＝2n-1。

步骤S24：用于计算第i个周波的均方根值RMS^1/2[i]。

步骤S25：若在前次循环中未监测到电压骤降，则比较第i个周波的均方根值RMS^1/2[i]与电压骤降门槛值。在本发明的一种示意性实施方式中，电压骤降门槛值为0.9p.u。

步骤S251：当第i个周波的均方根值RMS^1/2[i]小于设定的电压骤降门槛值时，记录本次循环的时间点，即j1＝i，将电压骤降标记Flag1赋值为“0”。

步骤S26：若步骤S25未监测到电压骤升，则比较第i个周波的均方根值RMS^1/2[i]与电压骤升门槛值。在本发明的一种示意性实施方式中，电压骤升门槛值为1.1p.u。

步骤S261：当第i个周波的均方根值RMS^1/2[i]大于设定的电压骤升门槛值时，记录本次循环的时间点，即j1＝i，将电压骤升标记Flag2赋值为“0”。

步骤27：若之前的循环监测到电压骤降，比较第i个周波的均方根值RMS^1/2[i]与电压骤降门槛值。在本发明的一种示意性实施方式中，电压骤降门槛值为0.9p.u。

步骤271：当第i个周波的均方根值RMS^1/2[i]大于设定的电压骤降门槛值时，记录本次循环的时间点，即j2＝i。说明此时电压骤降事件结束，并重新赋值电压骤降标记Flag1为“1”。

步骤28：若之前的循环监测到电压骤升，比较第i个周波的均方根值RMS^1/2[i]与电压骤升门槛值。在本发明的一种示意性实施方式中，电压骤升门槛值为1.1p.u。若本次循环没有监测到电压骤升或电压骤降则返回步骤S23。

步骤281：当第i个周波的均方根值RMS^1/2[i]小于设定的电压骤升门槛值时，记录本次循环的时间点，即j2＝i。说明此时电压骤升事件结束，并重新赋值电压骤升标记Flag1为“1”。

步骤S29：输出电压骤升事件或电压骤降事件的开始时间点估计值ns_temp＝Ns/2+j1和结束时间点估计值ne_temp＝Ns/2+j2。

通过计算各个周波的均方根值，以及电压骤降标记Flag1和电压骤升标记Flag2的状态，步骤S25、步骤S26和步骤S27可以判断信号电压Sig0所发生的事件是电压骤升事件或电压骤降事件。步骤S251和步骤S271用于记录电压骤降的事件发生点和事件结束点，步骤S261和步骤S281用于记录电压骤升的事件发生点和事件结束点。

图3示意性地显示了图1中步骤S40所示的小波系数进行收缩变换的流程。

步骤S41：输入步骤S30中原始信号电压Sig0经过小波分解的各层小波系数(d₁，d₂，…，d_L-1，d_L)和小波分解层数L。

步骤S42：用于控制迭代的次数j，在本发明的一种示意性实施方式中，j为从1到L的整数，L为小波分解层数。

步骤S43：计算小波系数的调整系数scale，在本发明的一种示意性实施方式中，scale的计算公式为：

scale＝median(|d_j｜)/中值绝对系数。

其中，中值绝对系数(median absolute coefficient)是(0，1)分布的一个中值数绝对偏差。例如，可为0.6745。

步骤S44：用于分别重新调节小波系数，分别得到调节后的各小波系数y，在本发明的一种示意性实施方式中，y的计算公式为：y＝d_j/scale。

步骤S45：计算限值r，在本发明的一种示意性实施方式中，r的计算公式为：r＝(｜y｜-(2ln(2^j)))^0.5。

步骤S46：使用计算得到的限值对重新调整的小波系数进行收缩变换，得到调整后的小波系数(d₁ ^s，d₂ ^s，...，d_L-1 ^s，d_L ^s)，在本发明的一种示意性实施方式中，其计算公式为

在步骤S47中，输出经过收缩变换的小波系数(d₁ ^s，d₂ ^s，...，d_L-1 ^s，d_L ^s)。

在电压骤升或电压骤降监测方法的一种示意性实施方式中，针对不同的用途选取了两个不同的截止频率。其中一个截止频率设置在小波分解的第4层频率段的尾部，在计算电压骤降事件或电压骤升事件的均方根值时，此截止频率用于降低背景谐波和噪音对信号电压的干扰。另一个截止频率设置在小波分解的第1或2层频率段的尾部，此截止频率用于准确判断电压骤升事件或电压骤降事件开始时间点和结束事件点的准确值。

步骤S50中，使用经过收缩变换的小波系数重新构造第一信号电压Sig1和第二信号电压Sig2。其中的第一信号电压Sig1用于准确判断电压骤升事件或电压骤降事件开始时间点和结束时间点的准确值，第二信号电压Sig2为去除了背景谐波和噪音干扰的信号电压。

图4是电压骤升或电压骤降监测方法一种示意性实施方式中电压骤降事件的原始信号电压sig0的波形示意图，图中的原始信号电压sig0中含有背景谐波和噪音干扰。

图5是图4中的信号电压由第4层的小波系数经过收缩变换重构得到的第二信号电压sig2的波形示意图。如图所示，经过小波分解和小波系数收缩变换的小波因子重构得到的第二信号电压sig2中，背景谐波和噪音干扰大大降低。

图6是图4中的信号电压由第2层的小波系数经过收缩变换重构得到的第一信号电压sig1的波形示意图。在该图中，经过小波分解和小波系数收缩变换的小波因子重构得到的第一信号电压sig1中的尖峰可以清晰地显示图4中电压骤降事件的开始时间点准确值和结束时间点准确值。

图7显示了图1中步骤S60所示的计算电压骤升事件或电压骤降事件的开始时间点准确值和结束时间点准确值的一种示意性实施方式的流程图。

步骤S61：输入重构第一信号电压Sig1，以及由步骤S29输出的开始时间点估计值ns_temp和结束时间点估计值ne_temp。

步骤S62：控制开始时间点的搜索方向。

步骤S63用于记录变量值Vs[j]，其中Vs[j]定义为：

V_s[j]＝|Sig1[j]-Sig1[j-1]|+|Sig1[j]-Sig1[j+1]|+|Sig1[j-1]-Sig1[j-2]|+|Sig1[j+1]-Sig1[j+2]|

其中：Sig1[j]为重构第一信号电压sig1不同时间点对应的电压值，

Lns为沿搜索的方向上距离开始时间点ns_temp的距离，

参数j的取值范围是ns_temp-Lns至ns_temp。

步骤S64：通过对比不同时间点的Vs[j]，找到Vs[j]的最大值，此时Vs[j]最大值的对应时间点即为开始时间点准确值ns，在本发明的一种示意性实施方式中，

ns＝arg max(Vs[j])计算得到。

步骤S65至步骤S67：用于定位结束时间准确值ne，除了开始时间点设置为ne_temp，其他的处理过程与步骤S62至步骤S65相同，在此不再赘述。

步骤S68：输出开始时间点的准确值ns和结束时间点的准确值ne。

根据开始时间点的准确值ns和结束时间点的准确值ne，在图1所示的步骤S70中，即可输出经过计算的开始时间准确值cal_ts、结束时间准确值cal_te和经过计算的电压骤升事件或电压骤降事件的均方根值cal_RMS_1/2。其中，cal_ts＝ns/fs、cal_te＝ne/fs、cal_RMS^1/2＝min(RMS^1/2[j])且j的取值范围是ns至ne，式中fs为信号电压采样频率，ns、ne分别为开始时间点准确值和结束时间点准确值。

本发明还提供了使用电压骤升或电压骤降监测方法的监测装置。

使用本发明的电压骤升或电压骤降监测方法及使用该方法的电压监测装置具有较高的准确性。其表现在：

标准IEC61000-4-30中规定了对与开始时间和结束时间的准确度需小于1/2个周波(对于50Hz的信号为10ms)，而本发明的方案能够达到1ms；

电压骤降事件或电压骤升事件均方根值的准确度小于标称电压的0.5％；

能够监测到持续半周波(对于50Hz的信号电压能够监测到持续时间为10ms的事件)的电压骤升事件或电压骤降事件。

使用本发明的电压骤升或电压骤降监测方法及使用该方法的电压监测装置通过合理的流程设计，避免了冗繁的计算，提高了系统的运行速度。

使用本发明的电压骤升或电压骤降监测方法及使用该方法的电压监测装置能够降低噪音和/或背景谐波对监测的影响。

使用本发明的电压骤升或电压骤降监测方法及使用该方法的电压监测装置能够有效的扩展到其他电能监测的场合，例如电压中断，过电压或欠电压的监测。

本发明的电压骤升或电压骤降监测方法能够在普通含有嵌入式DSP系统的监测装置中应用，具有很好的移植性且易于实施。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.电压骤升或电压骤降的监测方法，其特征在于该监测方法包括：

（a）.获取原始信号电压；

（b）.处理所述原始信号电压，通过计算所述原始信号电压的均方根值判断出现的是电压骤升事件或电压骤降事件，同时输出经过判断的所述电压骤升事件或所述电压骤降事件的开始时间点估计值和结束时间点估计值，如果无法判断，返回所述步骤（a）；

（c）.对所述原始信号电压进行小波分解，得到小波系数；

（d）.对所述小波系数进行收缩变换；

（e）.将经过收缩降低噪音变换的所述小波系数重构得到第二信号电压和用于得到所述电压骤升事件或所述电压骤降事件开始时间点准确值和结束时间点准确值的第一信号电压；

（f）.输入所述第一信号电压，所述开始时间点估计值和所述结束时间点估计值；

查找所述电压骤升事件或所述电压骤降事件开始时间点的准确值；和

查找所述电压骤升事件或所述电压骤降时间结束时间点的准确值

和

（g）.通过步骤（f）中得到的所述原始信号电压的开始时间点准确值和结束时间点准确值，计算并输出所述第二信号电压的均方根，或输出所述电压骤升事件或所述电压骤降事件的开始时间准确值和结束时间准确值。

2.如权利要求1所述的监测方法，其中所述步骤（b）中，对所述原始信号电压的处理包括：

输入所述原始信号电压；

计算所述原始信号电压第一个周波的均方根值；

顺序计算所述原始信号电压各周波的均方根值；

记录所述电压骤降事件或所述电压骤升事件发生的开始时间点和结束时间点；

根据所述各周波的均方根值判断所述信号电压发生的事件是所述电压骤降事件或所述电压骤升事件；和

输出经过判断的所述电压骤降事件或所述电压骤升事件的开始时间点估计值和结束时间点估计值。

3.如权利要求1所述的监测方法，其中所述步骤（d）包括：

输入所述步骤（c）中所述原始信号电压经过所述小波分解得到的所述小波系数及所述小波分解的分解层数；

计算调整系数；

根据所述调整系数得到调节小波系数；

计算限值；

使用所述限值对分解后的各层所述小波系数进行收缩变换；和

输出经过所述收缩变换的所述小波系数。

4.如权利要求3所述的监测方法，其中所述调整系数的计算公式为：

scale=median(|d_j|)/中值绝对系数

式中scale代表所述调整系数，dj为第j层的所述小波系数，所述中值绝对系数是（0，1）分布的一个中值数绝对偏差，median取中值函数。

5.如权利要求4所述的监测方法，其中所述中值绝对系数取0.6745。

6.如权利要求3所述的监测方法，其中根据所述调整系数得到所述调节小波系数的公

式为：

y=d_j/scale

式中y为所述调节小波系数，scale代表所述调整系数，d_j为第j层的所述小波系数。

7.如权利要求3所述的监测方法，其中所述限值的计算公式为：

r=(|y|-(2ln(2^j)))^0.5

式中r代表所述限值，y为所述调节小波系数，j为所述小波分解层数的序号。

8.如权利要求3所述的监测方法，其中对分解后的各层所述小波系数进行收缩变换的公式为：

$d_j^s=\mathrm{scale}*\mathrm{sign}\left(y\right)*(r+|r\left|\right)/2$

式中d_j ^s为收缩变换后的所述小波系数，scale为所述调整系数，y为所述调节小波系数，r为所述限值，sign为符号函数。

9.如权利要求1所述的监测方法，其中所述步骤（e）包括：

输入经过所述收缩变换的所述小波系数；

将经过所述收缩变换的所述小波系数重构为所述第一信号电压，和所述第二信号电压。

10.使用如权利要求1至5任意一项所述监测方法的监测装置。