CN102841244B - 电网电压骤变的快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了分布式发电监测技术领域中的电网电压骤变的快速检测方法。包括：对被测电网电压信号进行隔离变换，得到幅值为5V的电压信号；将被测电压信号分为两路，一路被测电压信号经过调理电路后作为被测采样信号；另一路被测电压信号先采用前级电路进行处理，再经过倍频锁相电路，得到第一输入信号和第二输入信号;通过第一输入信号确定被测信号及其对应标准信号的周期起始点；当第二输入信号由低电平转换为高电平时，将该时刻被测采样信号值转换为数字量，并与标准信号对应时刻的数字值比较，确定电网电压是否发生骤变。本发明能够无延时地检测到电压的骤变，实时性好,且检测的准确性不受电网频率变化和电压骤变幅度的影响。

Description

电网电压骤变的快速检测方法

技术领域

本发明属于分布式发电监测技术领域，尤其涉及一种电网电压骤变的快速检测方法。

背景技术

随着风电装机容量在系统中所占比例增加，风电场的运行对系统稳定性的影响将不容忽视。同时电网发生电压跌落也会给风电机组带来一系列暂态影响，如出现过电压、过电流或转速上升等问题，严重危害风机本身及其控制系统的安全运行。旧的并网规程允许风电机组在电网电压暂降低于80％的标称电压时退出运行。近年来，随着风力发电机组数量不断增加，风电场直接接入电网，在电网电压深度跌落时，大量风力发电机组退出运行可能导致电网电压崩溃，从安全稳定角度考虑，大量的风电机组再从电网解列已经是不可接受的了。如图1所示为国家电网公司试行的低电压穿越的技术要求示意图，A区域内不允许风力发电机从电网解列，B区域内则允许风力发电机从电网解列。自2004年以来，德国，美国及欧洲其它国家和中国等国家相继提出了并网风电机组的低电压穿越要求。为此，电网电压故障的快速准确检测，可为风电机组实现低电压穿越提供更及时、准确的检测判断条件。

微电网（Micro-Grid）也译为微网，是一种新型网络结构，是一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元。微电网是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。在正常情况下微电网并网运行，由大电网提供刚性的电压和频率支撑，微电网内部为分布式电源，简称微源MS（Micro-Grid Power Source）工作在电压源(VoltageSource，VS)或电流源(Current Source，CS)状态，在能量管理系统或本地的控制下，调整各自功率输出。当大电网出现电压骤升、骤降、不平衡和谐波等电能质量问题或有计划检修时，微电网转入孤岛运行模式，此时的电压和频率由微网内部微源（MS）负责调节，电网故障消失后，微电网重新并入电网。为此，电网电压故障的快速准确检测，也可为微电网及时脱、并网运行提供准确的判断条件。

目前关于电网电压跌落检测的方法很多，但这些方法都不是很理想。文献（Naidoo R,Pillay P.A New Method of Voltage Sag and Swell Detection[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2007,22(2):1056-1063.）指出有效值计算的实时性差，同时它不能很明确地给出凹陷起止时刻,更不能反映凹陷电压可能出现的相位跳变。文献（C.Hui-Yung,J.Hurng-Liahng,andH.Ching-Lien,Transient response of a peak voltage detector forsinusoidal signals,IEEE Transactions on Industrial Electronics,1992,39(1):74-79.）提出了峰值电压法，但是它存在半个周期的延时，且文献（Kai D,Cheng K W E,Xue X D,et al.A Novel Detection Method for VoltageSags[C].2006 2th Intemational Conference on Power Electronics Systemsand Applications,ICPESA,2006:251-256.）指出该方法容易受干扰。文献（Montero Hernanadez O C,Enjeti P N.A Fast Detection Algorithm Suitablefor Mitigationof Numerous Power Quality Disturbances [J].IEEETransactions on Industry Applications,2005,41(6):1684-1690.）提出了基波分量法，要求电压对称，否则会使计算结果产生误差。文献（N.S.Tunaboylu,E.R.Collins,Jr,and P.R.Chaney.Voltage disturbance evaluation usingthe missing voltage technique[J].Proceedings of the IEEE ICHGQP VIII,Athens,Greece,1998:577-582.）提出了“缺失电压法”，将期望的瞬时电压和实际的瞬时电压之间的差值作为凹陷补偿装置应补偿的电压，可解决凹陷的实时补偿问题。凹陷电压的幅值和相位的瞬时确定仍是需要解决的问题，不可能作到补偿容量的动态控制。

针对三相电压跌落故障，文献（周晖，齐智平，动态电压恢复器检测方法和补偿策略综述[J].电网技术，2006,30（6）：23-29.）提出了基于瞬时无功功率理论的d-q变换方法,这种方法只适用于三相对称扰动，而且没有考虑电压暂降时可能随之出现的相位跳变问题。文献（Hilmy Award,JanSvensson.Compensation of u-nbalanced voltage dips usingvector-controlled static series compensator with LC-filter[C],IEEEIndustry Application Society 37th Annual Meeting,Pennsylvania,USA,2002:904-9）提出了基于双矢量(正序、负序)的控制算法，比前一种方法考虑了负序分量的影响,但仍未考虑零序分量的影响。

针对单相电压跌落故障，文献（杨亚飞，颜湘武，娄尧林，一种新的电压骤降特征量检测方法[J].电力系统自动化，2004,28（4）：41-44.）利用单相电压设为α轴分量，并虚构出β轴电压分量，再进行d-q变换，该方法可以克服三相电压不对称所带来的检测误差，唯一的不足是需要引入1/4个周期的延时。文献（赵国亮，刘宝志，肖湘宁，一种无时延的改进d-q变换在动态电压扰动识别中的应用[J]，电网技术，2004,28（7）：53-57.）提出了无时延的改进d-q变换法，在发生单相故障时，采用扰动发生相电压的差分来构造其余两相电压，从而保证实时性和数据同时性。不足是用差分代替导数，要求采样率足够高，抗扰动能力差。文献（张庆超，肖玉龙，一种改进的电压暂降检测方法[J],电工技术学报，2006,21:（1）：123-126.）指出改进的αβ变换检测法，有检测的延迟，数据不具有同时性，使得该方法检测时间比较长，实时性不够好，而且检测波形出现短时扰动，影响检测精度。

此外，还有基于信号处理的方法，文献（Hamid EY,Kawasaki Z I.Waveletbased data compression for power disturbances using minimum descriptionlength data[J].IEEE Trans.on Power Delivery,2002,17(2):460-466.）提出了小波变换法，小波母函数的选择多是依据前人的经验或成果，目前还没有成熟的选择小波母函数的理论依据，这方面有待于进一步研究。文献（冯小明，杨仁刚,动态电压恢复器的形态学d-q变换综合检测算法[J],中国电机工程学报，2004,24（11）：193-198.）提出了采用数学形态学滤波器来替代传统的巴特沃斯滤波器的方法，试验结果表明它具有很好的动态特性。而小波基的选择和特征量的提取是其中的难点，有待进一步研究。这些方法计算量比较大，对信号采样率的要求较高，数据不能直观表现，实现也相对复杂。

文献（刘海春，徐立智，谢少军，基于周期相位的电压跌落检测方法[J]，电工技术学报，2009,24（9）：186-190.）提出了一种基于周期相位的检测方法，每个时刻的电压相位由采样数来确定，由每个时刻的采样电压值u(k)推导出电压幅值，即

$U_m=\frac{u\left(k\right)}{\sin (k\·2\mathrm{\π}/N)}---\left(1\right)$

式中，u(k)表示第k个采样点电压值，N表示一个周期内采样点个数，1/sin(k·2π/N)预先存放在一个数据表中。由|U₀-U_m|与ΔU的关系来判断电压状况，其中U₀是参考电压幅值，ΔU是最大的电压幅值误差。此方法中采样点电压值u(k)本身存在误差，又进行了一次乘法运算，使误差变大，还加大了运算量。

为此，本文提出了一种电压骤变瞬时值检测方法。采用锁相环（PLL，PhaseLocked Loop）技术，生成与被测信号同频同相的标准信号；利用模数转换技术得到一个周期中某一时刻的被测信号瞬时值u′(k)；然后对当前被测信号瞬时值u'(k)与其对应的“标准正弦数字信号”瞬时值u(k)求差，通过差值的大小反映被测信号的实时状况。这种瞬时值检测法能够准确无延时地检测到电压的骤变（骤降或骤升），运算量小。通过对PLL信号输入电路的改进，可以保证检测的准确性既不受电网频率变化的影响，也不受电压跌落深度的影响。可为风电机组实现低电压穿越或微电网及时脱、并网运行提供更及时、准确的检测判断条件。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种电网电压骤变的快速检测方法，用以解决现有的电网电压检测方法存在的问题。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种电网电压骤变的快速检测方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：对被测电网电压信号进行隔离变换，得到幅值为5V的正弦电压信号；

步骤2：将所述被测电压信号分为两路，一路电压信号经过调理电路将电压值调理到0-3V，作为被测电压采样信号；另一路电压信号先采用前级电路进行处理，将检测范围扩大到10%至150%的标称电压，当信号骤降到10%以下时利用锁相环的失锁信号直接判断骤变事件，从而保证电压骤变的检测不受电压跌落幅度的影响。再经过由锁相环和分频器构成的倍频锁相电路，进而得到0～2.5V的工频信号和64倍频信号，分别作为第一输入信号和第二输入信号；

步骤3：捕获第一输入信号由低电平转换为高电平的上跳沿，获得被测信号每个周期的起始点，同时对应设置标准信号的周期起始点，保证检测方法具有频率的自适用性，检测结果不受被测信号频率变化的影响；

步骤4：当第二输入信号由低电平转换为高电平时，启动模数转换器将k时刻的被测信号转换为数字量u'(k)，并与标准信号对应时刻的数字值u(k)进行比较，

步骤5：判断骤变事件，具体是：

1）设定一个周期内的等间隔采样点个数N，并根据公式计算每个采样点的标准正弦数字信号瞬时值；其中，u(k)为第k个采样点的标准正弦数字信号瞬时值，U_m为标称电压幅值，k=1,2,..,N-1；

2）被测信号采样值u'(k)与标准信号数字值u(k)的差值即为当前时刻被测信号的瞬时变化量，当|u(k)-u'(k)|≤ΔU时，电网电压信号正常；当|u(k)-u'(k)|＞ΔU时，电网电压信号发生了骤变；其中，u′(k)为被测电网电压信号且u'(k)=6-5u_i(k)，u_i(k)为第k个采样点的采样信号，ΔU为电网电压最大允许波动阈值。

当电网电压信号发生的骤变为单相电压暂降时，所述方法还包括利用电压暂降剩余值计算电压骤变滞后的最长持续时间。

所述使前置处理电压信号经过由锁相环和分频器构成的锁相电路，进而得到0～2.5V的工频信号和64倍频信号具体是：先将前置处理电压信号经过由锁相环和分频器构成的锁相电路，对前置处理电压信号跟踪并倍频128倍；倍频信号经过分频器的128分频后，得到0～5V的工频信号，倍频信号经过分频器的2分频后，得到工频信号的64倍倍频信号；将0～5V的工频信号和64倍频信号经过分压分别得到0～2.5V的工频信号和64倍频信号，分别作为第一输入信号和第二输入信号。

本发明能够准确无延时地检测到电压的骤变（骤降或骤升）且保证电压骤变的检测不受电压跌落深度和电网频率的影响，可为风电机组实现低电压穿越或微电网及时脱、并网运行提供更及时、准确的检测判断条件。

附图说明

图1是国家电网公司试行的低电压穿越的技术要求示意图；

图2是电网电压骤变的快速检测方法流程图；

图3是检测电路电源设计图；其中，(a)是检测电路±12V工作电源电路图，(b)是检测电路±5V工作电源电路图；

图4是信号处理电路图；

图5是不含谐波分量的电压信号的频谱图；其中，(a)是被测电压信号采样图，(b)是被测电压信号频谱图；

图6是含有谐波分量的电压信号的频谱图；其中，(a)是被测电压信号采样图，(b)是被测电压信号频谱图；

图7是调理电路中电平TS1电路图；

图8是钳位电压电路图；

图9是0～2.5V的工频信号和64倍频信号；其中，(a)是工频信号图，(b)是倍频的2^N信号图；

图10是电压暂降典型类型的相量图；其中，(a)是四种类型电压暂降的相量图，(b)是两相接地故障引起的三相不平衡电压暂降类型及相量图；

图11是工频(50Hz)电压暂降剩余不同值时的电压骤变表现为滞后特征的最长持续时间示意图；其中，(a)电压暂降剩余0.25时滞后特征的最长持续时间示意图，(b)电压暂降剩余值为0.4时滞后特征的最长持续时间示意图，(c)电压暂降剩余值为0.5时滞后特征的最长持续时间示意图，(d)电压暂降剩余值为0.6时滞后特征的最长持续时间示意图，(e)电压暂降剩余值为0.75时滞后特征的最长持续时间示意图；

图12是工频(48Hz)电压暂降剩余不同值时的电压骤变特征表现为滞后特征的最长持续时间示意图；其中，(a)电压暂降剩余0.25时滞后特征的最长持续时间示意图，(b)电压暂降剩余值为0.4时滞后特征的最长持续时间示意图，(c)电压暂降剩余值为0.5时滞后特征的最长持续时间示意图，(d)电压暂降剩余值为0.6时滞后特征的最长持续时间示意图，(e)电压暂降剩余值为0.75时滞后特征的最长持续时间示意图；

图13是工频(52Hz)电压暂降剩余不同值时的电压骤变特征表现为滞后特征的最长持续时间示意图；其中，(a)电压暂降剩余0.25时滞后特征的最长持续时间示意图，(b)电压暂降剩余值为0.4时滞后特征的最长持续时间示意图，(c)电压暂降剩余值为0.5时滞后特征的最长持续时间示意图，(d)电压暂降剩余值为0.6时滞后特征的最长持续时间示意图，(e)电压暂降剩余值为0.75时滞后特征的最长持续时间示意图；

图14是含有基波(50Hz)，5%的3次谐波(150Hz)和10%的5次谐波(250Hz)时的被测电压暂降剩余不同值时的电压骤变特征表现为滞后特征的最长持续时间示意图；其中，(a)电压暂降剩余0.25时滞后特征的最长持续时间示意图，(b)电压暂降剩余值为0.4时滞后特征的最长持续时间示意图，(c)电压暂降剩余值为0.5时滞后特征的最长持续时间示意图，(d)电压暂降剩余值为0.6时滞后特征的最长持续时间示意图，(e)电压暂降剩余值为0.75时滞后特征的最长持续时间示意图；

图15是含有基波(48Hz)，5%的3次谐波(144Hz)和10%的5次谐波(240Hz)时的被测电压暂降剩余不同值时的电压骤变特征表现为滞后特征的最长持续时间示意图；其中，(a)电压暂降剩余0.25时滞后特征的最长持续时间示意图，(b)电压暂降剩余值为0.4时滞后特征的最长持续时间示意图，(c)电压暂降剩余值为0.5时滞后特征的最长持续时间示意图，(d)电压暂降剩余值为0.6时滞后特征的最长持续时间示意图，(e)电压暂降剩余值为0.75时滞后特征的最长持续时间示意图；

图16是含有基波(52Hz)，5%的3次谐波(156Hz)和10%的5次谐波(260Hz)时的被测电压暂降剩余不同值时的电压骤变特征表现为滞后特征的最长持续时间示意图；其中，(a)电压暂降剩余0.25时滞后特征的最长持续时间示意图，(b)电压暂降剩余值为0.4时滞后特征的最长持续时间示意图，(c)电压暂降剩余值为0.5时滞后特征的最长持续时间示意图，(d)电压暂降剩余值为0.6时滞后特征的最长持续时间示意图，(e)电压暂降剩余值为0.75时滞后特征的最长持续时间示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图2是电网电压骤变的快速检测方法流程图。如图2所示，本发明提供的电网电压骤变的快速检测方法包括：

步骤1：对被测电网电压信号进行隔离变换，得到幅值为5V的电压信号。

电源设计对系统能否可靠工作有重要的影响，图3是检测电路电源设计图，三相交流电经过变压器将电网电压变换成全波桥式整流器电路要求的电压，整流后再经过电容滤波电路，采用LM7812和LM7912的三端集成稳压器得12V的额定输出电压VDD和-12V的额定输出电压VEE，作为信号处理电路的电源电压，如图3(a)所示。通过7805和7905的三端集成稳压器得到5V的额定输出电压和-5V的额定输出电压，作为信号调理电路的电源电压，如图3(b)所示。

图4是信号处理电路图，对电网电压被测信号隔离变换，形成幅值为5V的电压信号，图5是不含谐波分量的电压信号的频谱图,其中(a)是被测电压信号采样图，(b)是被测电压信号频谱图；图6是含有谐波分量的电压信号的频谱图，其中(a)是被测电压信号采样图，(b)是被测电压信号频谱图。

步骤2：将所述被测电压信号分为两路，一路被测电压信号经过调理电路将电压值调理到0-3V，作为待测采样信号；另一路被测电压信号先采用前级电路进行处理，以使其检测范围扩大到10%至150%的标称电压，并且当信号骤降到10%以下时利用锁相环的失锁信号直接判断骤变事件，前置处理电压信号输入锁相环电路，再经过由锁相环和分频器构成的倍频锁相电路，进而得到0～2.5V的工频信号及其64倍频信号，分别作为第一输入信号和第二输入信号。

首先，将幅值为5V的电压信号分为两路，一路经过调理电路，将电压值调理到0～3V的范围内，作为采样信号接到DSP2812的模数转换器输入引脚ADCINA0，用作被检测的对象。其中TS1为0～1.8V范围内可调电平，如图7所示。0.5V和2.5V是钳位电压，由分压得到，电路图如图8所示。

之后，另一路信号为所跟踪的对象信号，也即是被测的信号，先采用比较器进行前级处理，使其检测范围扩大到10%至150%的标称电压（称为前置处理电压信号），当信号骤降到10%以下时，利用PLL的失锁信号直接判断骤变事件，从而保证电压骤变的检测不受电压跌落深度的影响。

接下来，将前置处理电压信号经过由锁相环CD4046和分频器4040构成的锁相电路对电压信号跟踪并倍频128倍。倍频信号经过分频器4040的128分频后，在4脚得到0～5V的工频信号，同时，倍频信号经过分频器4040的2分频后，在9脚得到0～5V的工频信号的64倍频信号。由于DSP2812的输入电压信号要求在0～3.3V范围内，故将0～5V的工频信号及其64倍频信号经过分压分别得到0～2.5V的工频信号及其64倍频信号，如图9所示。

步骤3：经过捕获第一输入信号获得被测信号在每个周期的起始点，同时确定标准信号的周期起始点，保证检测方法具有频率的自适用性，检测结果不受被测信号频率变化的影响。

将0～2.5V的工频信号作为DSP2812的捕获单元引脚CAP1_QEP1输入信号（第一输入信号），利用捕获单元来寻找每周期被测信号以及标准信号的起始点，开启AD中断。

步骤4：当第二输入信号由低电平转换为高电平时，启动模数转换器将该时刻的被测采样信号值转换为数字量。

64倍频信号作为外部中断申请输入引脚XINT2_ADCSOC的输入信号（第二输入信号），当XINT2_ADCSOC从低电平转为高电平时，启动ADC模数转换器。ADC模数转换器将模拟量采样信号转换为数字量，DSP读入后用于后续进一步运算、比较。

步骤5：判断骤变事件，具体是：

1）设定一个周期内的等间隔采样点个数N，则每个采样间隔对应的角度为2π/N，则在一个周期中第k个采样点的标准正弦数字信号瞬时值为

$u\left(k\right)=U_m\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}k\right)---\left(2\right)$

其中，U_m为标称电压幅值，k=1,2,...,N-1。将u(k)(k=0,1,2……N-1)预先计算好，并存放在程序存储器中，在检测时直接调用并与被测信号瞬时值进行比较，减小了运算量。

2）将采样得到的被测电压信号值u_i(k)存放在一个数组里，对这个数组按照调理电路公式（3）

u'(k)=6-5u_i(k)    （3）

推算回去，得到了的电网被测电压信号值u′(k)。

u'(k)为一个周期中某一时刻的被测信号瞬时值，u(k)为与被测信号瞬时值对应的标准正弦数字信号瞬时值，ΔU为电网电压最大允许波动阈值。被测信号采样值u'(k)与标准信号数字值u(k)的差值即为当前时刻被测信号的瞬时变化量，当|u(k)-u'(k)|＜ΔU时，电网电压信号正常；当|u(k)-u'(k)|＞ΔU时，电网电压信号发生了骤变，实现了对电网电压骤变无延迟的检测。将|u(k)-u′(k)|与ΔU比较的结果由DSP的一个I/O口输出，若|u(k)-u′(k)|＞ΔU，则该I/O口输出低电平，若|u(k)-u'(k)|＜ΔU，则该I/O口输出高电平。

对于单相电压暂降的特征，当电压故障发生在过零点附近时，由于电压不高，电压骤变表现为滞后特征，有可能出现|u(k)-u'(k)|≤ΔU。此时电压幅值并不高，即使发生电压骤变，也不会对设备造成危害，但是，这种滞后的电压暂降特征是正弦周期信号本身固有的。本发明下面对电压暂降的这种滞后特征进行定量的分析，并通过实验验证了这种特征的客观存在性。

通过计算对电压暂降的这种滞后特征做定量分析，当电压故障发生在过零点附近时，电压跌落后剩余值为u'(k)，有可能|u(k)-u′(k)|≤ΔU。其中 p为电压暂降剩余值，电网电压最大允许波动量取ΔU=10%U_m。通过计算得到k的范围，k取整数，则k所取的整数值为电压骤变表现为滞后特征时的采样点，这些采样点持续的时间即为电压骤变表现为滞后特性的最长持续时间。

例如取u'(k)=0.8u(k)，N=64，U_m=5V，ΔU＝10%U_m，则有

$|u\left(k\right)-u^{\&prime;}\left(k\right)|=|0.2\&times;5\cos \frac{2\mathrm{\&pi;}}{64}k|<10\%\&times;5---\left(4\right)$

得

10.67＜k＜21.33                       (5)

所以

k=11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21    (6)

最长持续时间为：

t=11×0.3125=3.4375ms                 (7)

则t为电网电压暂降剩余0.8U_N时，电压骤变表现为滞后特征的最长持续时间。

按照上面的计算方法得到电压暂降剩余不同值时，电压骤变表现为滞后特征的最长持续时间，列举见表1：

表1：电压暂降剩余不同值时电压骤变表现为滞后特征的最长持续时间表

其中，第一行是电压暂降剩余值p用u'(k)/u(k)表示，第二行是电压骤变表现为滞后的最长持续时间，用t表示。由表可知，电压暂降剩余值越小，电压骤变表现为滞后特征的最长持续时间越短。

对于三相电压暂降的特征，电网电压故障可分为对称短路故障（三相接地短路故障）和非对称短路故障（单相接地短路故障，两相接地短路故障和相间短路）。这四种类型电压暂降的向量图如图10所示。

表2：故障类型、电压暂降类型与负荷连接的关系表

应将相应电压暂降表达式中的U用1/3+2U/3代替。U为PCC故障相（或故障相之间）的电压。

表3：电压暂降类型向低电压等级的变换表

*应将相应电压暂降表达式中的U用1/3+2U/3代替。U为PCC故障相（或故障相之间）的电压。

图10中点划线为故障前电压向量，实线对应于50%电压暂降。对类型A，三相电压降低的幅值相同；对类型B，只有一相电压幅值降低；对类型C，两相电压幅值降低并且相角发生变化，第三相电压不发生变化；对类型D，两相电压幅值降低并且相角发生变化，第三相电压仅是幅值降低了。对类型E是由两相接地故障引起的，两相电压幅值降低，第三相电压不变；对于类型F，两相电压幅值降低并且相角发生变化，第三相电压幅值也降低；对于类型G，两相电压幅值降低并且相角发生变化，第三相电压不发生变化。

针对三相电压故障，对每相电压都进行检测。由图9分析可以看出，仅类型B中只有一相电压幅值降低，另外两相电压不变，因此也存在和单相电压一样的电压骤变滞后特性。而对于类型A，C，D，E，F，G，在其中一相过零点附近发生了电压骤变时，其电压骤变表现出滞后特性，而另外两相不是过零点，这两相电压此时没有表现电压骤变的滞后特性，因此，除B类外的其它三相电压骤变典型类型均可以准确无延时地被检测到。

具体分析可知：一般各类型并网风力发电机组的接线方式为三相中性点不接地方式，并且变压器通过Y/△（或△/Y）联接组方式接入电网，故各类型风力发电机组并网点不会出现B类电压暂降类型。因此，推论得出：用来检测三相中性点不接地或并网变压器通过Y/△（或△/Y）联接组方式接入电网的终端设备端口处的电压骤变事件时，采用电压骤变瞬时值检测方法可以实现准确无延时检测。

经试验验证得到电网电压暂降剩余不同值，电压骤变特征表现不明显的最长持续时间。图11为工频(50Hz)电压暂降剩余不同值时的电压骤变表现为滞后特征的最长持续时间。图12为工频(48Hz)电压暂降剩余不同值时的电压骤变特征表现为滞后特征的最长持续时间。图13为工频(52Hz)电压暂降剩余不同值时的电压骤变特征表现为滞后特征的最长持续时间。图14为含有基波(50Hz)，5%的3次谐波(150Hz)和10%的5次谐波(250Hz)时的被测电压暂降剩余不同值时的电压骤变特征表现为滞后特征的最长持续时间。图15为含有基波(48Hz)，5%的3次谐波(144Hz)和10%的5次谐波(240Hz)时的被测电压暂降剩余不同值时的电压骤变特征表现为滞后特征的最长持续时间。图16为含有基波(52Hz)，5%的3次谐波(156Hz)和10%的5次谐波(260Hz)时的被测电压暂降剩余不同值时的电压骤变特征表现为滞后特征的最长持续时间。

表4：电压不含谐波在不同频率时，电压跌落剩余不同值的电压骤变表现为滞后特征的最长持续时间

由表4可以看出，电网电压频率的变化对检测结果影响很小。

表5：电压不含谐波在不同频率时，电压跌落剩余不同值的电压骤变表现为滞后特征的最长持续时间

由表5可以看出，电网电压频率的变化对检测结果影响很小。由表4和表5对比可以看出，在频率相同时，电网电压含有谐波时，电压骤变特征表现为滞后特征的最长持续时间较短，尤其在电网电压剩余较多时，表现的更加明显。

风电机组大规模的接入电网，新的电力系统运行规程要求风电机组具有低电压穿越的能力；微电网的普遍应用，微电网的脱、并网运行是因应电网运行条件的两种典型运行模式，在电网正常情况下微电网并网运行，由大电网提供刚性的电压和频率支撑，当大电网出现电压骤升、骤降、不平衡和谐波等电能质量问题或有计划检修时，微电网转入孤岛运行模式，此时的电压和频率由微网内部微源（MS）负责调节，电网故障消失后，微电网重新并入电网。因此，电网电压故障的快速准确检测，也可为微电网及时脱、并网运行提供准确的判断条件。为此，本发明公开了一种电压骤变瞬时值检测方法。这种瞬时值检测法能够准确无延时地检测到电压的骤变（骤降或骤升），运算量较小，通过对PLL信号输入电路的改进，可以保证检测的准确性既不受电网频率变化的影响，也不受电压跌落深度的影响。可为风电机组实现低电压穿越、微电网脱、并网运行模式切换等提供及时、准确的检测判断条件。

通过上述描述，可以看出本发明提供的方法所具有的显著特征是：

1）PLL输入信号即为所跟踪的对象信号，也即是被测的信号，采用比较器进行前级处理，有效提高了跟踪弱小信号的灵敏度，检测范围扩大到10%至150%的标称电压，当信号骤降到10%以下时利用PLL的失锁信号直接判断骤变事件，从而保证电压骤变的检测不受电压跌落深度的影响。

2）采用虚拟的“标准正弦数字信号”瞬时值产生方法。避免了采用模拟信号方式生成“标准正弦模拟信号”时，因被测信号频率的变化导致模拟链路中滤波电路等环节相频特性变化，使“标准正弦模拟信号”发生相移，影响检测结果的问题。从而，使“标准正弦数字信号”瞬时值的产生以及电压骤变瞬时值检测方法，具有频率的自适用性，检测结果不受被测信号频率变化的影响。

3）当故障发生在电压过零点附近时，单相电压暂降表现出滞后特性。而对于三相中性点不接地或并网变压器通过Y/△（或△/Y）联接组方式接入电网的终端设备来说，即使在其中一相过零点附近发生了电压暂降时，其电压骤降表现出滞后特性，而其它两相电压不在过零点附件，不受电压骤变滞后特性的影响，因此，采用三相电压骤变瞬时值检测方法可以实现准确无延时检测。

4）“标准正弦数字信号”瞬时值只与采样点数k的数值有关，可以预先计算好一个完整信号周期内N个正弦或余弦函数值，存入程序存储器常数表区间。在实际检测时，直接根据采样点k值查表得到当前信号周期中第k点的“标准正弦数字信号”瞬时值，并与被测信号瞬时值比较，这种方式运算量小，实现了准确无延时的电压骤变检测。

Claims (4)

1.一种电网电压骤变的快速检测方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：对被测电网电压信号进行隔离变换，得到幅值为5V的电压信号；

步骤2：将所述被测电压信号分为两路，一路被测电压信号经过调理电路将信号调理到0-3V范围，作为采样信号；另一路被测电压信号先采用前级电路进行处理，以提高跟踪弱小信号的灵敏度，检测范围扩大到10％至150％的标称电压，当信号骤降到10％以下时利用PLL的失锁信号直接判断骤变事件，从而保证电压骤变的检测不受电压跌落深度的影响，前置处理电压信号再经过由锁相环和分频器构成的锁相电路，进而得到0～2.5V的工频信号及其64倍频信号，分别作为第一输入信号和第二输入信号；

步骤3：经过捕获第一输入信号获得被测信号在每个周期的起始点，同时确定标准信号的周期起始点，保证检测方法具有频率的自适用性，检测结果不受被测信号频率变化的影响；

步骤4：当第二输入信号由低电平转换为高电平时，启动模数转换器将该时刻的被测采样信号值转换为数字量，DSP读入后用于后续进一步运算、比较；

步骤5：判断骤变事件，具体是：

1)设定一个周期内的等间隔采样点个数N，并根据公式计算每个采样点的标准正弦数字信号瞬时值；其中，u(k)为第k个采样点的标准正弦数字信号瞬时值，U_m为标称电压幅值，k＝1,2,...,N-1；

2)被测信号采样值u'(k)与标准信号数字值u(k)的差值即为当前时刻被测信号的瞬时变化量，当|u(k)-u'(k)|≤ΔU时，电网电压信号正常；当|u(k)-u'(k)|>ΔU时，电网电压信号发生了骤变；其中，u'(k)为被测电网电压信号且u'(k)＝6-5u_i(k)，u_i(k)为第k个采样点的采样信号，ΔU为电网电压最大允许波动阈值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述使前置处理电压信号经过由锁相环和分频器构成的锁相电路，进而得到0～2.5V的工频信号及其64倍频信号，具体是：先将前置处理电压信号经过由锁相环和分频器构成的锁相电路，对前置处理电压信号跟踪并倍频128倍；倍频信号经过分频器的128分频后，得到0～5V的工频信号，同时，倍频信号经过分频器的2分频后，得到0～5V的工频信号的64倍频信号；将0～5V的工频信号及其64倍频信号经过分压分别得到0～2.5V的工频信号及其64倍频信号，分别作为第一输入信号和第二输入信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是当电网电压信号发生的骤变为单相电压暂降时，所述方法还包括利用电压暂降剩余值计算电压骤变滞后的最长持续时间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是当故障发生在电压过零点附近时，单相电压暂降表现出滞后特性；而对于三相中性点不接地或并网变压器通过Y/△或△/Y联接组方式接入电网的终端设备来说，即使在其中一相过零点附近发生了电压暂降时，其电压骤降表现出滞后特性，而其它两相电压不在过零点附近，不受电压骤变滞后特性的影响，因此，采用三相电压骤变瞬时值检测方法可以实现准确无延时检测。