CN103018532A - 高速电压跌落检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速电压跌落检测方法及系统，所述方法包括：S1、采样三相电压瞬时值；S2、同时预判和检测电压是否跌落；S3、根据检测结果判断预判结果是否准确。本发明采用的高速电压跌落检测方法及系统是在传统电压跌落检测法的基础上增加瞬时预判功能。通过快速预判，可给予装置预动作时间，提升了系统速度；当预判发生错误时，可通过合理的控制流程使系统快速恢复正常工作状态，不对负载正常工作带来损害性影响。

Description

高速电压跌落检测方法及系统

技术领域

本发明涉及电力电子控制技术领域，尤其涉及一种高速电压跌落检测方法及系统。

背景技术

电压跌落以及电压短时中断的出现占所有电能质量问题的90%左右。Siemens公司研究了电压跌落(sag)对现代社会应用较广泛的电子类设备的影响，研究结表明电压跌落超过一个工频周期，即会对某些敏感负载带来重大影响。为解决电压跌落问题，研究人员设计了各种相关电能质量设备，如UPS、固态开关、动态电压补偿装置等。电压跌落检测算法的快速性对相关电能质量的设备的性能至关重要。

IEEE相关标准对电压跌落的定义为幅值标幺值在0.1～0.9之间，持续时间为半个周期至1分钟。电压跌落的幅值是针对工频分量的。常规的电压跌落检测算法由于检测工频分量的需要，必须使用滤波器，且截至频率较低(工频一般为50HZ)，从而导致检测输出延迟，检测速度受到影响。例如在工程中常用的三相改进派克变换电压跌落检测法对某些单相小幅跌落检测时间可达7ms。这对电能质量设备实现快速电压补偿是不利的。为了保证能在一个工频周波内识别并补偿电压跌落，要求系统的检测速度必须尽可能快。有鉴于此，有必要提出一种高速电压跌落检测方法及系统以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速电压跌落检测方法及系统。

本发明的一种高速电压跌落检测方法，所述方法包括：

S1、在T1时刻采样三相电压瞬时值U_x；

S2、同时预判和检测电压是否跌落，预判的时间小于检测的时间，其中预判电压是否跌落具体为：

S21、计算T1时刻相位为

其中，T_s为系统工频周期，当前采样时刻T1与电压正向过零时刻T0时间间隔Δt为Δt=T1-T0；

S22、计算T1时刻电压瞬时值为

其中，U_m为系统额定电压峰值；

S23、判断是否满足

P_k为跌落预警阈值，若是，则预判为电压跌落，发出预警信号，若否，则预判为电压未跌落；

S3、根据检测结果判断预判结果是否准确，若预判为电压跌落，检测为电压跌落，则判定为预判准确；若预判为电压跌落，检测为电压未跌落，则判定为预判错误；若预判为电压未跌落，检测为电压跌落，则判定为预判错误；若预判为电压未跌落，检测为电压未跌落，则判定为预判准确。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中检测电压是否跌落采用的检测算法为基于单相电压检测法的三相电压跌落检测算法、或三相改进dq电压跌落检测算法、或小波变换电压跌落检测算法、或有效值检测法。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中设有电压跌落检测阈值，所述跌落预警阈值P_k小于电压跌落检测阈值。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S1还包括：

对电压瞬时值U_x进行平滑处理，记录系统连续采样到的电压瞬时值为U_x1、U_x2…U_xi，i为平滑窗长度，从U_x1、U_x2…U_xi去掉最大值和最小值，并将其余瞬时值求和取平均得到U_x。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S22中电压正向过零时刻T0计算方法为：

设定负过零比较阈值-U₀，以及正过零比较阈值+U₀，负过零交点P的判断原则为：设当前采样值x_i与-U₀差为正，而上一个采样值x_i-1与-U₀差为负，记录负过零交点P的下标i，并开始寻找正过零交点Q；

寻找正过零交点Q的方法为以i为起点，向后考察N个瞬时采样值x_i+1、x_i+2…x_i+N，从中寻找正过零交点Q_j，设x_j∈[x_i+1,x_i+N]，若x_j与+U₀差为正，而上一个采样值x_j-1与+U₀差为负，则x_j为正过零交点Q_j；

若在[x_i+1，x_i+N]中寻找到多个Q_j，则记录最大的j，若没有找到Q_j，则j=i+N，Q_j为所求的正向过零交点Q，之后计算P、Q时刻的中点下标k=round((i+j)/2)，则k为最新的电压正向过零点T0的下标。

作为本发明的进一步改进，所述N为过零考察窗长度，且满足

其中M为一个工频周期内系统平均采样点数。

相应地，一种高速电压跌落检测系统，所述系统包括：

电压跌落预判模块，用于预判电压是否跌落；

电压跌落检测模块，用于检测电压是否跌落；

其中，电压跌落预判模块包括

用于计算T1时刻相位为

的单元，其中，T_s为系统工频周期，当前采样时刻T1与电压正向过零时刻T0时间间隔Δt为Δt=T1-T0；

用于计算T1时刻电压瞬时值为

的单元，其中，U_m为系统额定电压峰值；

用于判断是否满足

P_k为跌落预警阈值，若是，则预判为电压跌落，发出预警信号，若否，则预判为电压未跌落的单元。

本发明的有益效果是：本发明采用的高速电压跌落检测方法及系统是在传统电压跌落检测法的基础上增加瞬时预判功能。通过快速预判，可给予装置预动作时间，提升了系统速度；当预判发生错误时，可通过合理的控制流程使系统快速恢复正常工作状态，不对负载正常工作带来损害性影响。

附图说明

图1是本发明高速电压跌落检测方法的流程示意图；

图2是本发明高速电压跌落检测系统的模块示意图；

图3是本发明高速电压跌落检测方法中电压跌落预判原理的示意图；

图4是本发明高速电压跌落检测方法中电压过零检测方法示意图；

图5是本发明一实施方式中UPS控制器的示意图；

图6是本发明高速电压跌落检测方法中单相电压基波幅值算法示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1所示，本发明的一种高速电压跌落检测方法，具体包括：

S1、在T1时刻采样三相电压瞬时值U_x，参图2所示x为A、B或C相；

S2、同时预判和检测电压是否跌落，预判的时间小于检测的时间。检测电压是否跌落采用的检测算法为基于单相电压检测法的三相电压跌落检测算法、或三相改进dq电压跌落检测算法、或小波变换电压跌落检测算法、或有效值检测法。

其中预判电压是否跌落具体为：

S21、计算T1时刻相位为

其中，T_s为系统工频周期，当前采样时刻T1与电压正向过零时刻T0时间间隔Δt为Δt=T1-T0；

S22、计算T1时刻电压瞬时值为

其中，U_m为系统额定电压峰值；

S23、判断是否满足

P_k为跌落预警阈值，若是，则预判为电压跌落，发出预警信号，若否，则预判为电压未跌落；系统设有电压跌落检测阈值，其中跌落预警阈值P_k小于电压跌落检测阈值，这是因为系统电压跌落阈值是针对基波分量的，而瞬时跌落值里面还包含有其他频率分量。优选的，若电压跌落检测阈值设为0.9，跌落预警阈值P_k设为0.8。

S3、根据检测结果判断预判结果是否准确，若预判为电压跌落，检测为电压跌落，则判定为预判准确；若预判为电压跌落，检测为电压未跌落，则判定为预判错误；若预判为电压未跌落，检测为电压跌落，则判定为预判错误；若预判为电压未跌落，检测为电压未跌落，则判定为预判准确。

进一步地，为提高系统抗干扰能力，步骤S1还包括：

对电压瞬时值U_x进行平滑处理，记录系统连续采样到的电压瞬时值为U_x1、U_x2…U_xi，i为平滑窗长度，一般可取为5～9，从U_x1、U_x2…U_xi去掉最大值和最小值，并将其余瞬时值求和取平均得到U_x，并带入计算得到

为避免瞬时值在过零阈值附近震荡导致输出抖动。除对瞬时采样值做平滑以外，还要采用时间平均法。参图4所示，在步骤S21中电压正向过零时刻T0计算方法为：

设定负过零比较阈值-U₀，以及正过零比较阈值+U₀，负过零交点P的判断原则为：设当前采样值x_i与-U₀差为正，而上一个采样值x_i-1与-U₀差为负，记录负过零交点P的下标i，并开始寻找正过零交点Q；

寻找正过零交点Q的方法为以i为起点，向后考察N个瞬时采样值x_i+1、x_i+2…x_i+N，从中寻找正过零交点Q_j，设x_j∈[x_i+1，x_i+N]，若x_j与+U₀差为正，而上一个采样值x_j-1与+U₀差为负，则x_j为正过零交点Q_j；

若在[x_i+1，x_i+N]中寻找到多个Q_j，则记录最大的j，若没有找到Q_j，则j=i+N，Q_j为所求的正向过零交点Q，之后计算P、Q时刻的中点下标k=round((i+j)/2)，则k为最新的电压正向过零点T0的下标。

其中，N为过零考察窗长度，且满足

其中M为一个工频周期内系统平均采样点数。

相应地，参图2所示，本发明的一种高速电压跌落检测系统，包括：

电压跌落预判模块10，用于预判电压是否跌落；

电压跌落检测模块20，用于检测电压是否跌落；

该检测系统适用于对电压跌落现象需进行预操作的控制系统。

其中，电压跌落预判模块包括

用于计算T1时刻相位为

的单元，其中，T_s为系统工频周期，当前采样时刻T1与电压正向过零时刻T0时间间隔Δt为Δt=T1-T0；

用于计算T1时刻电压瞬时值为

的单元，其中，U_m为系统额定电压峰值；

用于判断是否满足

P_k为跌落预警阈值，若是，则预判为电压跌落，发出预警信号，若否，则预判为电压未跌落的单元。

本发明的高速电压跌落检测方法及系统可用于各种对电压跌落检测敏感的设备。以使用晶闸管为电子开关的UPS为例，如图5所示，常规系统动作为首先检测电压跌落(耗时T1)，切断晶闸管并等待电流过零(耗时T2)，投入UPS储能模块(耗时T3)。因此系统最长耗时为T1+T2+T3。当使用带预判的高速电压跌落检测算法时，电压跌落预判模块10将快速给出电压跌落预警信号(微秒级速度)，之后系统切除晶闸管(耗时T2)，若给定电压跌落检测时间内(T1内)，电压跌落检测模块20输出电压跌落信号，则投入UPS储能电源(耗时T3)。此时系统最长动作时间为MAX(T1，T2)+T3，“MAX(T1，T2)”表示T1，T2中的较大值。由此可见使用本发明的高速电压跌落检测方法及系统可以提升系统速度。若预警之后，在T1时间内，电压跌落检测模块20没有给出电压跌落信号，则说明发生误判，立刻接回原来的系统电源。系统将在半个工频周期内恢复到主侧电源，基本不影响敏感负载正常工作。

以应用在UPS上为例，由于电网频率一般稳定在50HZ，设系统固定采样频率为12.8Khz，即一个周期内采样256点，采样间隔换算成相角(弧度)为

首先分别对三相电压进行采样并做平滑处理。处理方法为：设连续采样到的电压瞬时值为U_x1、U_x2…U_xi。其中i为平滑窗长度，一般可取为5～9。从U_x1、U_x2…U_xi去掉最大值和最小值，并将其余瞬时值求和取平均得到U_x。将平滑后的电压值U_x存入数组，数组长度为256，并送入电压跌落预判模块10和电压跌落检测模块20。

电压跌落预判模块10首先判断当前数值是否为电压正向过零点，若为过零点，则记录当前数据下标T0，否则记录当前数据下标为T1，计算当前相角为

设系统额定电压峰值为U_m，计算当前电压瞬时值应为计算并与系统电压跌落预警阈值P_k相比较。若系统电压跌落检测阈值为0.9，则P_k可设为0.8。为防止比较抖动，采用滞环比较的方法。即P_k小于0.8则输出报警信号，大于0.85才取消报警。

电压正向过零点处理方法如附图4所示，首先设定负过零比较阈值-U₀(与传感器精度有关)，以及正过零比较阈值+U₀。设当前采样值x_i与-U₀差为正，而上一个采样值x_i-1与-U₀差为负，则x_i为负过零交点P，记录其下标i，并开始寻找正过零交点Q。以i为起点，向后考察10(每周期为256个的情况)个瞬时采样值x_i+1、x_i+2…x_i+10，从中寻找正过零交点Q。方法为设x_j∈[x_i+1，x_i+10]，若x_j与+U₀差为正，而上一个采样值x_j-1与+U₀差为负，则x_j为正过零交点Q，若在[x_i+1，x_i+10]中寻找到多个Q，则记录下标最大的j。若没有找到Q，则j=i+10。计算P、Q时刻的中点下标k=round((i+j)/2)(取平均)，则k为最新的电压正向过零点T0的下标。

电压跌落检测模块20采用单相电压基波幅值检测法。其原理如下所述：

设所转换A相电压为：

u_a=U_msin(ωt+α)

则A相电压的平方值为：

u_a ²=U_m ²sin²(ωt+α)

换算后得：

${u_a}^2=\frac{1}{2}{U_m}^2-{U_m}^2{\cos }^2(2\mathrm{\ωt}+2\mathrm{\α})$

由此可见，瞬时值的平方包括了基波幅值的直流量以及2倍基波频率的分量。通过低通滤波滤除2倍基波频率分量即可得到基波幅值。算法流程如图6所示。之后如图2所示从三相的基波幅值求最小值并与跌落检测阈值比较，输出跌落比较信号。仍然采用滞环比较方法。小于0.9则输出跌落信号，大于0.93才取消。

UPS的控制流程如下，若系统得到跌落预警信号，则撤销主电源晶闸管触发信号。若之后收到电压跌落信号，说明预判正确，等待主电源电流过零，晶闸管完全断开，闭合UPS备用电源端的晶闸管。若7ms(单相电压跌落检测法一般7ms内能完成检测)内，电压跌落检测模块20仍未给出电压跌落信号，说明发生错误报警，此时无论主电源电流是否过零，均开通主电源侧晶闸管。由上述分析可知，采用带预判的电压跌落检测法，可以最多节省7ms跌落检测时间。当发生误判时，只需7ms即可重新接回原来电源。由于时间小于半个周波，对负载无损坏性影响。且由于系统电压分量以基波分量为主，因此误判可能较小。

由上述技术方案可以看出，本发明采用的高速电压跌落检测方法及系统是在传统电压跌落检测法的基础上增加瞬时预判功能。由于电网电压相对比较稳定，高频扰动较少，因此可通过瞬时值预判电压基波幅值跌落情况。通过瞬时值预判无需经过滤波器，在足够的信号采样率下，速度极快。通常可在0.1ms内完成。通过快速预判，可给予装置预动作时间，例如对于UPS，往往采用晶闸管作为切换开关。晶闸管断开需要等待电流过零，一般情况下最长需要半个周波。若系统预判到电压跌落就断开晶闸管。则系统切换过程从单线变成了多线，可以提升系统速度；当预判发生错误时，可通过合理的控制流程使系统快速恢复正常工作状态，不对负载正常工作带来损害性影响。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

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方式的具体说明，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方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高速电压跌落检测方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、在T1时刻采样三相电压瞬时值U_x；

S2、同时预判和检测电压是否跌落，预判的时间小于检测的时间，其中预判电压是否跌落具体为：

S21、计算T1时刻相位为

其中，T_s为系统工频周期，当前采样时刻T1与电压正向过零时刻T0时间间隔Δt为Δt=T1-T0；

S22、计算T1时刻电压瞬时值为

其中，U_m为系统额定电压峰值；

S23、判断是否满足P_k为跌落预警阈值，若是，则预判为电压跌落，发出预警信号，若否，则预判为电压未跌落；

S3、根据检测结果判断预判结果是否准确，若预判为电压跌落，且检测也为电压跌落，则判定为预判准确；若预判为电压跌落，检测为电压未跌落，则判定为预判错误；若预判为电压未跌落，检测为电压跌落，则判定为预判错误；若预判为电压未跌落，检测为电压未跌落，则判定为预判准确。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中检测电压是否跌落采用的检测算法为基于单相电压检测法的三相电压跌落检测算法、或三相改进dq电压跌落检测算法、或小波变换电压跌落检测算法、或有效值检测法。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中设有电压跌落检测阈值，所述跌落预警阈值P_k小于电压跌落检测阈值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1还包括：

对电压瞬时值U_x进行平滑处理，记录系统连续采样到的电压瞬时值为U_x1、U_x2…U_xi，i为平滑窗长度，从U_x1、U_x2…U_xi去掉最大值和最小值，并将其余瞬时值求和取平均得到U_x。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S22中电压正向过零时刻T0计算方法为：

设定负过零比较阈值-U₀，以及正过零比较阈值+U₀，负过零交点P的判断原则为：设当前采样值x_i与-U₀差为正，而上一个采样值x_i-1与-U₀差为负，记录负过零交点P的下标i，并开始寻找正过零交点Q；

寻找正过零交点Q的方法为以i为起点，向后考察N个瞬时采样值x_i+1、x_i+2…x_i+N，从中寻找正过零交点Q_j，设x_j∈[x_i+1，x_i+N]，若x_j与+U₀差为正，而上一个采样值x_j-1与+U₀差为负，则x_j为正过零交点Q_j；

若在[x_i+1，x_i+N]中寻找到多个Q_j，则记录最大的j，若没有找到Q_j，则j=i+N，Q_j为所求的正向过零交点Q，之后计算P、Q时刻的中点下标k=round((i+j)/2)，则k为最新的电压正向过零点T0的下标。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述N为过零考察窗长度，且满足

其中M为一个工频周期内系统平均采样点数。

7.一种如权利要求1所述的高速电压跌落检测系统，其特征在于，所述系统包括：

电压跌落预判模块，用于预判电压是否跌落；

电压跌落检测模块，用于检测电压是否跌落；

其中，电压跌落预判模块包括

用于计算T1时刻相位为

的单元，其中，T_s为系统工频周期，当前采样时刻T1与电压正向过零时刻T0时间间隔Δt为Δt=T1-T0；

用于计算T1时刻电压瞬时值为

的单元，其中，U_m为系统额定电压峰值；

用于判断是否满足

P_k为跌落预警阈值，若是，则预判为电压跌落，发出预警信号，若否，则预判为电压未跌落的单元。

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