CN102621382B - 一种检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法，属于电力信号检测技术领域。首先，采集电力系统的电压信号或电流信号，采集的信号经过适当的处理后，利用派克变换和平均值滤波，得到信号v_d、v_q；然后，得到信号幅值、初相位和频率的测量值V、

和f₁，对2πf₁积分得到θ₁；最后，

和θ₁相加得到输入信号相位的测量值θ₂。本发明方法的优点是：能够在信号频率、相位和幅值发生变化后迅速、准确地检测出变化后的值，能够在信号受到干扰和污染时准确的获得信号的频率、相位和幅值；有利于电力系统的控制和稳定；能够保证电力系统中电力电子装置安全可靠地运行；有利于分布式发电或微型电力系统的功率和频率控制。

Description

一种检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法

技术领域

本发明涉及一种检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法，属于电力信号检测技术领域。

背景技术

获取周期信号的相位和频率在电气工程中具有非常重要的实际应用价值。

在电气工程中，电力系统关键节点和断面上电压频率和相互之间的相位差控制在一定范围之内，是保证电网正常运行的必要条件。在电力系统发生静态、动态失稳的过程中，关键节点的相位变化是分析其失稳过程发展和失稳机理的重要信息。这就要求，无论电力系统运行于稳定状态还是处于动态调整过程，都能够准确、快速地获得系统的频率和相位。此外，准确、快速地获得系统电压的频率和相位对于改善配电网的供电质量也有重要应用价值。在配电网中，存在无功、谐波、负序、闪变和电压跌落等众多电能质量问题。大功率电力电子装置是改善这些问题的最佳手段，诸如静止无功发生器(STATCOM)、电力有源滤波器(APF)、不间断电源(UPS)、动态电压恢复器(DVR)等等。它们要完成改善电能质量的任务，必须实现其补偿电压/电流与系统电压/电流同步的问题。在电力系统因远方短路等故障导致系统电压和相位突变时，同步问题尤为重要。此时正确的同步不仅是改善电能质量的基础，更是控制补偿装置不过流、过压，使其安全可靠运行的重要保证。风力发电、太阳能发电等新能源往往是通过分布式发电、微型电网的形式与电力系统相连的，这时，也需要维持这些小系统与电力系统接入点频率和相位上的同步。

现在常用的电压信号或电流信号相位检测方法包括：过零检测、反三角函数计算和锁相环。过零检测是把电压信号或电流信号的正向过零时刻作为电压信号或电流信号相位的零点，之后，根据系统的额定频率计算电压信号或电流信号的相位，直到电压信号或电流信号的下一个正向过零时刻。该方法在两个过零点之间无法获得准确的相位信息，系统频率发生偏移时会产生检测误差，而且极易受到谐波和噪声的干扰，导致检测错误。反三角函数计算是指利用反三角函数，直接计算正弦信号的相位。该方法同样容易遭受谐波和噪声的干扰，产生较大的检测误差。锁相环是通过闭环控制，通过计算电压信号或电流信号的检测值与实际值的误差，时时修正检测值，以得到准确的检测值。该方法的响应速度比较慢，而且谐波和噪声依然会导致输出误差。由于现在已有的这些检测方法存在上述缺点，使得在实际应用中，不能准确、迅速地检测电力系统的相位，不利于电力系统的控制和稳定；会影响静止无功发生器、电力有源滤波器、不间断电源、动态电压恢复器等正常工作，甚至会导致它们过流、过压，严重时会损坏设备；不利于分布式发电或微型电网的功率和频率控制。

本申请人曾在专利申请201110347668.X中公开过一种检测电力系统中电压信号或电流型号频率和相位的方法，但是该方法中的频率控制滤波器比较复杂，而且在采样频率较低时，其滤波效果会变差。

发明内容

本发明目的是提出一种检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法，以克服已有技术的缺点，避免谐波和噪声的干扰，快速准确地检测电力系统电压信号或电流信号的频率和相位。

本发明提出的检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法，包括以下各步骤：

(1)设电力系统中电气信号基波频率的最小值为f_r，每隔Ts秒采集一次电力系统中的电气信号，设定两个容量各为K的存储空间D和Q，K为大于1.1/(Ts×f_r)的整数，存储空间中的存储单元分别为D(1)～D(K)和Q(1)～Q(K)，存储单元的初始值为零；当检测电力系统中的第h次谐波信号时，设电气信号频率检测值f₁的初始值为电网额定频率的h倍，当检测电力系统中的基波信号时，设电气信号频率检测值f₁的初始值为电网额定频率；

(2)采集电力系统的电压信号或电流信号，若电力系统为三相系统，则采集的电压信号或电流信号均记为v_a、v_b、v_c，并利用克拉克变换将v_a、v_b、v_c变换为两路信号v_α、v_β；若电力系统为单相系统，则采集的电压信号或电流信号均记为v_in并将v_in作为信号v_α，利用希尔伯特变换得到信号v_β；

(3)利用派克变换相角θ₁对上述步骤(2)中的两路信号v_α、v_β做派克变换，得到信号v_d1、v_q1；

(4)将存储单元D(n-1)中的数据存入D(n)，其中n为K、K-1、…、3、2，并将上述步骤(3)中的v_d1存入D(1)，将Q(n-1)中的数据存入Q(n)，其中n为K、K-1、…、3、2，，并将述步骤(3)中的v_q1存入Q(1)；

(5)将h/(Ts×f₁)四舍五入后得到一个中间变量k，将中间变量k与K进行比较，若k小于或等于K，则保持k不变，并计算存储单元D(1)～D(k)中共k个数据的平均值，得到信号v_d，计算存储单元Q(1)～Q(k)中k个数据的平均值，得到信号v_q；若k大于K，则使k等于K，并计算存储单元D(1)～D(k)中共k个数据的平均值，得到信号v_d，计算存储单元Q(1)～Q(k)中k个数据的平均值，得到信号v_q；

(6)计算上述步骤(5)中v_d、v_q的平方和，并将该平方和记为中间变量x₁，计算x₁的平方根，得到电力系统中电气信号幅值的测量值V；

(7)将电气信号初相位测量值

的余弦值与上述步骤(5)中的v_d相乘，得到中间变量x₂，将电气信号初相位测量值

的正弦值与上述步骤(5)中的v_q相乘，得到中间变量x₃，对x₂与x₃求和，得到误差e；

(8)对上述步骤(7)中的误差e进行积分控制，得到电力系统中电气信号初相位的测量值

(9)设定一个误差屏蔽时间T_b，设定一个误差阈值v_th，使误差阈值v_th等于上述步骤(6)中的x₁的0.03倍，使上述步骤(3)中的v_q1与v_d1的前一个测量值相乘，得到一个中间变量x₄，使上述步骤(3)中的v_d1与v_q1的前一个测量值相乘，得到一个中间变量x₅，相减得到中间变量x₆，将x₆与其前一个测量值相减后求绝对值，若该绝对值小于阈值v_th，则使电力系统中电气信号的频率测量误差e_f等于e，若该绝对值等于或大于阈值v_th，则在此后的误差屏蔽时间T_b时刻内使电力系统中电气信号频率测量的误差e_f等于0；

(10)对上述步骤(9)中的频率测量误差e_f进行比例积分控制，得到电气信号频率的测量值f₁，f₁乘以2π后积分，得到派克变换相角θ₁，并使该派克变换相角θ₁替代上述步骤(3)中的派克变换相角θ₁；

(11)对上述步骤(8)中的与上述步骤(10)中的θ₁求和，得到电力系统中电气信号相位的测量值；

(12)重复步骤(2)～步骤(11)，实现对电力系统中电压信号或电流信号频率、相位和幅值的检测。

本发明提出的检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法，其优点是：

1、本发明方法具有快速的响应速度和良好的滤波效果，能够在信号频率、相位和幅值发生变化后迅速跟踪新的频率、相位和幅值，能够在信号受到干扰和污染时准确的获得信号的频率、相位和幅值。

2、本发明方法能够准确、迅速地检测电力系统的相位，有利于电力系统的控制和稳定。

3、本发明方法能够保证电力系统中静止无功发生器、电力有源滤波器、不间断电源、动态电压恢复器等设备的正常工作，保证它们在系统中存在大扰动时，不过流、不过压，保证它们安全可靠地运行。

4、本发明方法有利于分布式发电或微型电网的功率和频率控制。

附图说明：

图1是当电力系统为三相时，本发明方法的流程框图。

图2是当电力系统为单相时，本发明方法中，利用希尔伯特(Hilbert)变换处理单相系统采集信号的示意图。

图3是平均值滤波的流程图。

图4是误差重构的流程图。

图5是输入三相电压幅值为310V、频率为50Hz、对称且不含谐波时，本发明获得基波正序电压的幅值、频率和相位。

图6是输入三相电压含有谐波时，本发明获得基波正序电压的幅值、频率和相位。

图7是输入a相电压在20ms时刻幅值变为155伏、相角跳变20度，本发明获得基波正序电压的幅值、频率和相位。

图8是输入三相电压在20ms时刻幅值变为155伏、相位跳变20度，本发明获得基波正序电压的幅值、频率和相位。

图9是输入三相电压频率在20ms时刻由50Hz突变为51赫兹时，本发明获得基波正序电压的幅值、频率和相位。

具体实施方式

本发明提出的检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法，其流程框图如图1所示，包括以下各步骤：

(1)设电力系统中电气信号基波频率的最小值为f_r，每隔Ts秒采集一次电力系统中的电气信号，设定两个容量各为K的存储空间D和Q，K为大于1.1/(Ts×f_r)的整数，存储空间中的存储单元分别为D(1)～D(K)和Q(1)～Q(K)，存储单元的初始值为零；当检测电力系统中的第h次谐波信号时，设电气信号频率检测值f₁的初始值为电网额定频率的h倍，当检测电力系统中的基波信号时，设电气信号频率检测值f₁的初始值为电网额定频率。

(2)采集电力系统的电压信号或电流信号，若电力系统为三相系统，则采集的电压信号或电流信号均记为v_a、v_b、v_c，并利用克拉克变换将v_a、v_b、v_c变换为两路信号v_α、v_β。

克拉克变换矩阵为：

$C=\frac{2}{3}\left(\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right)---\left(1\right)$

若电力系统为单相系统，采集的信号记为v_in，并将v_in作为信号v_α，利用希尔伯特变换得到信号v_β，如图2所示。

(3)利用派克变换相角θ₁对上述步骤(2)中的两路信号v_α、v_β做派克变换，得到信号v_d1、v_q1，派克变换矩阵为

$T\left({\mathrm{\θ}}_1\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ -\sin {\mathrm{\θ}}_1& \cos {\mathrm{\θ}}_1\end{array}\right)---\left(2\right)$

式(2)中，θ₁＝2πf₁t，可以利用2πf₁通过积分获得，应先将f₁设为电力系统的额频率对应的信号频率，然后通过闭环不断修正，以得到信号频率的准确值；

(4)将存储单元D(n-1)中的数据存入D(n)，其中n为K、K-1、…、3、2，并将上述步骤(3)中的v_d1存入D(1)，将Q(n-1)中的数据存入Q(n)，其中n为K、K-1、…、3、2，，并将述步骤(3)中的v_q1存入Q(1)，如图3所示。

(5)将h/(Ts×f₁)四舍五入后得到一个中间变量k，将中间变量k与K进行比较，若k小于或等于K，则保持k不变，并计算存储单元D(1)～D(k)中共k个数据的平均值，得到信号v_d，计算存储单元Q(1)～Q(k)中k个数据的平均值，得到信号v_q；若k大于K，则使k等于K，并计算存储单元D(1)～D(k)中共k个数据的平均值，得到信号v_d，计算存储单元Q(1)～Q(k)中k个数据的平均值，得到信号v_q，如图3所示。

(6)计算上述步骤(5)中v_d、v_q的平方和，并将该平方和记为中间变量x₁，计算x₁的平方根，得到电力系统中电气信号幅值的测量值V；

(7)将电气信号初相位测量值

的余弦值与上述步骤(5)中的v_d相乘，得到中间变量x₂，将电气信号初相位测量值

的正弦值与上述步骤(5)中的v_q相乘，得到中间变量x₃，对x₂与x₃求和，得到误差e；如图4所示。

(8)对上述步骤(7)中的e进行积分控制得到电气信号初相位的测量值

(9)在电气信号的相角、幅值或谐波发生突变时，控制环的调整过程中，上述步骤(7)中的误差e为非零值，若将该值赋给e_f，将会产生频率测量误差，因此，要利用稳态时的误差e构造出误差e_f，防止把暂态过程中的误差e赋值给e_f，利用v_d1与v_q1的特性便可以辨别相角、赋值和谐波的突变，具体实现方法是：设定一个误差屏蔽时间T_b，设定一个误差阈值v_th，使误差阈值v_th等于上述步骤(6)中的x₁的0.03倍，使上述步骤(3)中的v_q1与v_d1的前一个测量值相乘，得到一个中间变量x₄，使上述步骤(3)中的v_d1与v_q1的前一个测量值相乘，得到一个中间变量x₅，相减得到中间变量x₆，将x₆与其前一个测量值相减后求绝对值，若该绝对值小于阈值v_th，则使电力系统中电气信号的频率测量误差e_f等于e，若该绝对值等于或大于阈值v_th，则在此后的误差屏蔽时间T_b时刻内使电力系统中电气信号频率测量的误差e_f等于0。

(10)对上述步骤(9)中的频率测量误差e_f进行比例积分控制，得到电气信号频率的测量值f₁，f₁乘以2π后积分，得到派克变换相角θ₁，并使该派克变换相角θ₁替代上述步骤(3)中的派克变换相角θ₁。

(11)对上述步骤(8)中的

与上述步骤(10)中的θ₁求和，得到电力系统中电气信号相位的测量值。

(12)重复步骤(2)～步骤(11)，实现对电力系统中电压信号或电流信号频率、相位和幅值的检测。

图5～图9为本发明方法检测输入信号基波正序成分时，利用计算机仿真得到的效果图，从仿真效果图可以看出，无论是电压中含有谐波，还是因电网故障造成的电压信号不对称，本发明都能准确地检测输入信号基波正序的频率、相位和幅值。图5所示为输入三相电压信号对称且不含谐波时，使用本发明方法检测得到的结果。图6所示为输入三相电压含有谐波时，使用本发明方法检测得到的结果。从图6可知，在输入信号含有大量谐波时，本发明依然能够准确地检测出输入信号中基波正序信号的幅值、频率和相位。图7和图8所示为输入信号的幅值、相位发生突变时，利用本发明方法检测得到的结果，突变发生20ms后，本发明方法便可以正确地检测出输入信号的幅值和相位，而且期间可以保持频率信号测量值不受干扰。图9所示说明，当输入信号的频率发生突变时，仅需20ms就可以准确地检测出变化后的频率。

Claims (1)

1.一种检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法，采集电力系统的电压信号或电流信号，其特征在于该方法包括以下各步骤：

（1）设电力系统中电气信号基波频率的最小值为f_r，每隔Ts秒采集一次电力系统中的电气信号，设定两个容量各为K的存储空间D和Q，K为大于1.1/(Ts×f_r)的整数，存储空间中的存储单元分别为D（1）～D（K）和Q（1）～Q（K），存储单元的初始值为零；当检测电力系统中的第h次谐波信号时，设电气信号频率检测值f₁的初始值为电网额定频率的h倍，当检测电力系统中的基波信号时，设电气信号频率检测值f₁的初始值为电网额定频率；

（2）若电力系统为三相系统，则采集的电压信号或电流信号均记为v_a、v_b、v_c，并利用克拉克变换将v_a、v_b、v_c变换为两路信号v_α、v_β；若电力系统为单相系统，则采集的电压信号或电流信号均记为v_in，并将v_in作为信号v_α，利用希尔伯特变换得到信号v_β；

（3）利用派克变换相角θ₁对上述步骤（2）中的两路信号v_α、v_β进行派克变换，得到信号v_d1、v_q1；

（4）将存储单元D（n-1）中的数据存入D（n），其中n为K、K-1、…、3、2，并将上述步骤（3）中的v_d1存入D（1），将Q（n-1）中的数据存入Q（n），其中n为K、K-1、…、3、2，并将述步骤（3）中的v_q1存入Q（1）；

（5）将h/(Ts×f₁)四舍五入后得到一个中间变量k，将中间变量k与K进行比较，若k小于或等于K，则保持k不变，并计算存储单元D（1）～D（k）中共k个数据的平均值，得到信号v_d，计算存储单元Q（1）～Q（k）中k个数据的平均值，得到信号v_q；若k大于K，则使k等于K，则计算存储单元D（1）～D（k）中共k个数据的平均值，得到信号v_d，计算存储单元Q（1）～Q（k）中k个数据的平均值，得到信号v_q；

（6）计算上述步骤（5）中v_d、v_q的平方和，并将该平方和记为中间变量x₁，计算x₁的平方根，得到电力系统中电气信号幅值的测量值V；

（7）将电气信号初相位测量值

的余弦值与上述步骤（5）中的v_d相乘，得到中间变量x₂，将电气信号初相位测量值

的正弦值与上述步骤（5）中的v_q相乘，得到中间变量x₃，对x₂与x₃求和，得到误差e；

（8）对上述步骤（7）中的误差e进行积分控制，得到电力系统中电气信号初相位的测量值

（9）设定一个误差屏蔽时间T_b，一个误差阈值v_th，使误差阈值v_th等于上述步骤（6）中的x₁的0.03倍，使上述步骤（3）中的v_q1与v_d1的前一个测量值相乘，得到一个中间变量x₄，使上述步骤（3）中的v_d1与v_q1的前一个测量值相乘，得到一个中间变量x₅，相减得到中间变量x₆，将x₆与其前一个测量值相减后求绝对值，若该绝对值小于阈值v_th，则使电力系统中电气信号的频率测量误差e_f等于e，若该绝对值等于或大于阈值v_th，则在此后的误差屏蔽时间T_b时刻内使电力系统中电气信号频率测量的误差e_f等于0；

（10）对上述步骤（9）中的频率测量误差e_f进行比例积分控制，得到电气信号频率的测量值f₁，f₁乘以2π后积分，得到派克变换相角θ₁，并使该派克变换相角θ₁替代上述步骤（3）中的派克变换相角θ₁；

（11）对上述步骤（8）中的

与上述步骤（10）中的θ₁求和，得到电力系统中电气信号相位的测量值；

（12）重复步骤（2）～步骤（11），实现对电力系统中电压信号或电流信号频率、相位和幅值的检测。

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