CN103149494A - 三相电网电压短路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相电网电压短路故障诊断方法，其中：短路故障类别判断单元，用于根据相电压幅值，判断属于三相对地短路、两相故障、单相对地短路等三大类故障中的哪一类；k值计算单元，用于计算实时线电压幅值与线电压额定值的比值；两相故障类型诊断单元，用于根据校验线电压幅值的理论值与实际检测值是否相等，来诊断两相故障类型属于对地短路、还是相间短路。本发明方法通过使用两个电压传感器，在半个电网电压周期内即可诊断短路故障类型，硬件成本低，诊断速度快，实用性强，其应用价值具有广泛的市场化前景。

Description

三相电网电压短路故障诊断方法

技术领域

本发明属于三相电网控制技术领域，涉及一种三相电网电压短路故障诊断方法。

背景技术

近年来，伴随着太阳能、风能等新能源并网发电装机容量的逐年上升，穿透率越来越高，因此三相电网的稳定性及可靠性受到一定程度的影响。对于三相并网逆变器，当短路故障发生时，由于新能源发电功率与逆变器输出功率瞬间相等，公用电网短路故障引起的电压跌落，会导致并网逆变器输出电流过大，出现过流保护，从而使三相并网逆变器脱离电网；对于三相公用电网，当短路故障发生时，高穿透率的大中型并网发电系统或发电站一旦由于电网异常脱网，将可能引起电力系统潮流变化，同时出现电网频率异常，导致电网事故进一步恶化。因此，当电网发生短路故障导致电压跌落时，如何在降低成本的同时又能保证准确、快速地诊断出短路故障类型，以采取相应的控制技术，保证并网发电装置在电压跌落过程中的允许时间内持续并网，从而避免电网故障的进一步恶化。

目前三相电网电压故障检测方法有：①采用基波分量法，通过对三相电网相电压采样值进行基波分量的傅里叶变换来获得基波电压的快速变化；②dq变换法，通过采集三相相电压，并变换到两相旋转坐标系下的直流分量来获得基波相电压幅值；③基于单相短路故障的改进型dq变换法，通过采集三相相电压瞬时值，根据发生单相短路故障导致电压跌落的相电压，构造出新的对称三相电压，再变换到两相旋转坐标系得到直流分量，来获得发生故障相的基波相电压幅值；④正负序分离法，通过检测三相相电压，经过正序与负序旋转变换，分离出正序与负序分量来获得三相各自的基波电压幅值。以上四种方法，均需要同时检测电网三个相电压；方法①与②只能检测三相平衡电网电压幅值，实际中电网发生短路故障时，多为单相、两相、相间等不平衡故障，此时无法检测出电网电压幅值，也不能诊断具体短路故障类型；方法③适用于单相短路故障的相电压幅值检测及诊断；方法④适用于各类故障情况的检测与诊断，但其计算量大，对信号采样率的要求比较高，实现相对复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种三相电网电压短路故障诊断方法，解决了现有技术在三相电网出现电压故障时，检测方法硬件成本高、诊断速度慢、工作效率低的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种三相电网电压短路故障诊断方法，流程模块包括线电压采样单元、线电压实际幅值计算单元、相电压实际幅值计算单元、短路故障类别判断单元、k值计算单元、线电压理论幅值计算单元、两相故障类型诊断单元，

其中，线电压采样单元的输出端分别与线电压实际幅值计算单元、相电压实际幅值计算单元连接；线电压实际幅值计算单元的输出端分别与k值计算单元、两相故障类型诊断单元连接；相电压实际幅值计算单元通过短路故障类别判断单元与k值计算单元连接；k值计算单元通过线电压理论幅值计算单元与两相故障类型诊断单元连接；k值计算单元的输入端还接受线电压额定幅值给定，线电压理论幅值计算单元的输入端还接受相电压额定幅值给定，其中：

所述线电压采样单元，用于采样获取三相电网电压的两个线电压瞬时值；

所述线电压实际幅值计算单元，用于根据采样得到的两个线电压瞬时值，对其分别在半个基波周期内的积分值取平均后，再乘以相应比例系数，分别得到三个线电压幅值；

所述相电压实际幅值计算单元，用于根据采样得到的两个线电压瞬时值，结合三相平衡系统下三相电压瞬时值之和为零的特点，计算得到三个相电压瞬时值，然后对相电压瞬时值在半个基波周期内的积分值取平均后，再乘以相应比例系数，分别得到三个相电压幅值；

所述短路故障类别判断单元，用于根据三个相电压幅值大小关系，判断当前故障属于三相对地短路故障、两相故障、单相对地短路故障中的哪一类；

所述k值计算单元，用于计算发生故障的两相线电压实际幅值与线电压额定幅值之间的比值；

所述线电压理论幅值计算单元，用于计算发生短路故障的一相与未发生短路故障的一相之间的线电压幅值，该线电压理论幅值通过其与相电压额定幅值与k值的函数关系计算得到；

所述两相故障类型诊断单元，用于校验线电压实际幅值与理论计算幅值是否相等，且该线电压仅指发生短路故障的一相与未发生短路故障的一相之间的线电压，若实际幅值与理论计算幅值相等，则表明发生了两相对地短路故障，若不相等则表明发生了两相之间短路故障。

本发明的有益效果是：采用两个电压传感器对电网两个线电压瞬时值进行检测，再根据相应公式计算三个相电压幅值，通过比较三个相电压幅值大小关系，来诊断短路故障类型，在半个电网电压周期内即可诊断出短路故障类型，硬件成本低，诊断速度快，实用性强。

附图说明

图1是本发明三相电网电压短路故障诊断方法的应用环境示意图；

图2是本发明三相电网电压短路故障诊断方法实施例的诊断框图。

图中，1.线电压采样单元，2.线电压实际幅值计算单元，3.相电压实际幅值计算单元，4.短路故障类别判断单元，5.k值计算单元，6.线电压理论幅值计算单元，7.两相故障类型诊断单元。

具体实施方式

如图1所示，是本发明的三相电网电压短路故障诊断方法的应用环境示意图。能量变换系统G将太阳能、风能等可再生能源变换为与三相公用电网电压同频率、同相位的三相交流电，G的三个输出端分别与三相电网的a相、b相、c相对应连接；电压传感器T1（或称电压互感器）的两个输入端分别与a相电网、b相电网连接，用来测量电网a相与b相之间的线电压，T1的输出端为采样系统提供采样信号；电压传感器T2的两个输入端分别与b相电网、c相电网连接，用来测量电网b相与c相之间的线电压，T2的输出端为采样系统提供采样信号。

如图2所示，是本发明三相电网电压短路故障诊断方法实施例的示意图。本发明方法的流程模块包括线电压采样单元1、线电压实际幅值计算单元2、相电压实际幅值计算单元3、短路故障类别判断单元4、k值计算单元5、线电压理论幅值计算单元6、两相故障类型诊断单元7，

其中的线电压采样单元1的输出端分别与线电压实际幅值计算单元2、相电压实际幅值计算单元3连接；线电压实际幅值计算单元2的输出端分别与k值计算单元5、两相故障类型诊断单元7连接；相电压实际幅值计算单元3通过短路故障类别判断单元4与k值计算单元5连接；k值计算单元5通过线电压理论幅值计算单元6与两相故障类型诊断单元7连接；k值计算单元5的输入端还接受线电压额定幅值给定，线电压理论幅值计算单元6的输入端还接受相电压额定幅值给定。

所述线电压采样单元1，用于采样获取三相电网电压的两个线电压瞬时值；

所述线电压实际幅值计算单元2，用于根据采样得到的两个线电压瞬时值，对其分别在半个基波周期内的积分值取平均后，再乘以相应比例系数，分别得到三个线电压幅值；

所述相电压实际幅值计算单元3，用于根据采样得到的两个线电压瞬时值，结合三相平衡系统下三相电压瞬时值之和为零的特点，计算得到三个相电压瞬时值，然后对相电压瞬时值在半个基波周期内的积分值取平均后，再乘以相应比例系数，分别得到三个相电压幅值；

所述短路故障类别判断单元4，用于根据三个相电压幅值大小关系，判断当前故障属于三相对地短路故障、两相故障、单相对地短路故障等三大类故障中的哪一类；

所述k值计算单元5，用于计算发生故障的两相线电压实际幅值与线电压额定幅值之间的比值；

所述线电压理论幅值计算单元6，用于计算发生短路故障的一相与未发生短路故障的一相之间的线电压幅值，该线电压理论幅值通过其与相电压额定幅值与k值的函数关系计算得到；

所述两相故障类型诊断单元7，用于校验线电压实际幅值与理论计算幅值是否相等，且该线电压仅指发生短路故障的一相与未发生短路故障的一相之间的线电压，若实际幅值与理论计算幅值相等，则表明发生了两相对地短路故障，若不相等则表明发生了两相之间短路故障。

本发明流程中的各个单元的工作配合过程如下：

线电压采样单元1，用于对图1中两个电压传感器T1与T2的输出信号分别进行采样，从而获取a相与b相之间的线电压瞬时值v_ab(n)、b相与c相之间的线电压瞬时值v_bc(n)，并通过公式(1)计算c相与a相之间的线电压瞬时值v_ca(n)，其中，n表示第n次采样，且0≤n≤(N_c-1)，N_c为半个电网电压周期内的采样次数，

v_ca(n)=-v_ab(n)-v_bc(n)；(1)

线电压实际幅值计算单元2，用于根据三个线电压瞬时值v_ab(n)、v_bc(n)、v_ca(n)，通过公式(2)计算a相与b相之间的线电压幅值v_abm、b相与c相之间的线电压幅值v_bcm、c相与a相之间的线电压幅值v_cam。

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{abm}}=\frac{\mathrm{\π}}{{2N}_c}\·\underset{0}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{\mathrm{ab}}\left(n\right)\\ v_{\mathrm{bcm}}=\frac{\mathrm{\π}}{{2N}_c}\·\underset{0}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{\mathrm{bc}}\left(n\right)\\ v_{\mathrm{cam}}=\frac{\mathrm{\π}}{{2N}_c}\·\underset{0}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{\mathrm{ca}}\left(n\right)\end{array}\right.;---\left(2\right)$

相电压实际幅值计算单元3，用于根据三个线电压瞬时值v_ab(n)、v_bc(n)、v_ca(n)，来计算a相电压幅值v_am、b相电压幅值v_bm、c相电压幅值v_cm，

该相电压实际幅值计算单元3首先根据三个线电压瞬时值v_ab(n)、v_bc(n)、v_ca(n)，通过公式(3)计算a相电压瞬时值v_a(n)、b相电压瞬时值v_b(n)、c相电压瞬时值v_c(n)；然后根据三个相电压瞬时值v_a(n)、v_b(n)、v_c(n)，通过公式(4)计算a相电压幅值v_am、b相电压幅值v_bm、c相电压幅值v_cm。

$\left\{\begin{array}{c}{v}_a\left(n\right)=[v_{\mathrm{ab}}\left(n\right)-v_{\mathrm{ca}}\left(n\right)]/3\\ v_b\left(n\right)=[v_{\mathrm{bc}}\left(n\right)-v_{\mathrm{ab}}\left(n\right)]/3\\ v_c\left(n\right)=[v_{\mathrm{ca}}\left(n\right)-v_{\mathrm{bc}}\left(n\right)]/3\end{array}\right.,---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{am}}=\frac{\mathrm{\π}}{{2N}_c}\·\underset{0}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_a\left(n\right)\\ v_{\mathrm{bm}}=\frac{\mathrm{\π}}{{2N}_c}\·\underset{0}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_b\left(n\right)\\ v_{\mathrm{cm}}=\frac{\mathrm{\π}}{{2N}_c}\·\underset{0}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{v}_c\left(n\right)\end{array}\right..---\left(4\right)$

短路故障类别判断单元4，用于根据三个相电压幅值v_am、v_bm、v_cm之间的大小关系，将短路故障类别划分为三相故障、单相故障、两相故障共三种类别，并进一步确定是哪一个单相发生对地短路故障，或三相同时发生对地短路故障，包括以下步骤：

步骤a）若三个相电压幅值v_am、v_bm、v_cm相等，且小于相电压额定幅值v_pm，则诊断为发生三相对地短路故障；

步骤b）若三个相电压幅值v_am、v_bm、v_cm中某两相的幅值相等，且大于另外一相的幅值，则确定诊断幅值相等的两相电压正常，而剩余的另外一相发生单相对地短路故障，具体地，若v_am=v_bm>v_cm，则a相与b相电压正常，c相发生对地短路故障；若v_bm=v_cm>v_am，则b相与c相电压正常，a相发生对地短路故障；若v_cm=v_am>v_bm，则c相与a相电压正常，b相发生对地短路故障；

步骤c）若三个相电压幅值v_am、v_bm、v_cm中某两相的幅值相等，且小于另外一相的幅值，则确定诊断幅值较大的一相电压正常，而幅值相等的两相发生故障，具体地，若v_am=v_bm<v_cm，则a相与b相发生故障，c相电压正常；若v_bm=v_cm<v_am，则b相与c相发生故障，a相电压正常；若v_cm=v_am<v_bm，则c相与a相发生故障，b相电压正常。

k值计算单元5，用于通过公式(5)计算上述步骤c中发生故障的两相线电压实际幅值与线电压额定值的比值：

k=v_{lm_flt}/v_lm      (5)

其中，v_{lm_flt}为上述步骤c中发生故障的两相之间线电压实际幅值，v_lm为线电压额定幅值；

线电压理论幅值计算单元6，所述的理论幅值指上述步骤c中，发生短路故障的一相与未发生短路故障的一相之间的线电压幅值v_{lm_fltn}，由公式(6)计算：

$v_{\mathrm{lm}\_\mathrm{fltn}}=v_{\mathrm{pm}}\sqrt{k^2+k+1},---\left(6\right)$

其中，v_pm为相电压额定幅值。

两相故障类型诊断单元7，用于校验线电压实际幅值与理论计算幅值v_{lm_fltn}是否相等，且该线电压幅值仅指发生短路故障的一相与未发生短路故障的一相之间的线电压幅值，若实际幅值与理论计算幅值相等，则表明发生了两相对地短路故障，若不相等则表明发生了两相之间短路故障。

Claims (8)

1.一种三相电网电压短路故障诊断方法，其特征在于：流程模块包括线电压采样单元（1）、线电压实际幅值计算单元（2）、相电压实际幅值计算单元（3）、短路故障类别判断单元（4）、k值计算单元（5）、线电压理论幅值计算单元（6）、两相故障类型诊断单元（7），

其中的线电压采样单元（1）的输出端分别与线电压实际幅值计算单元（2）、相电压实际幅值计算单元（3）连接；线电压实际幅值计算单元（2）的输出端分别与k值计算单元（5）、两相故障类型诊断单元（7）连接；相电压实际幅值计算单元（3）通过短路故障类别判断单元（4）与k值计算单元（5）连接；k值计算单元（5）通过线电压理论幅值计算单元（6）与两相故障类型诊断单元（7）连接；k值计算单元（5）的输入端还接受线电压额定幅值给定，线电压理论幅值计算单元（6）的输入端还接受相电压额定幅值给定，其中：

所述线电压采样单元（1），用于采样获取三相电网电压的两个线电压瞬时值；

所述线电压实际幅值计算单元（2），用于根据采样得到的两个线电压瞬时值，对其分别在半个基波周期内的积分值取平均后，再乘以相应比例系数，分别得到三个线电压幅值；

所述相电压实际幅值计算单元（3），用于根据采样得到的两个线电压瞬时值，结合三相平衡系统下三相电压瞬时值之和为零的特点，计算得到三个相电压瞬时值，然后对相电压瞬时值在半个基波周期内的积分值取平均后，再乘以相应比例系数，分别得到三个相电压幅值；

所述短路故障类别判断单元（4），用于根据三个相电压幅值大小关系，判断当前故障属于三相对地短路故障、两相故障、单相对地短路故障中的哪一类；

所述k值计算单元（5），用于计算发生故障的两相线电压实际幅值与线电压额定幅值之间的比值；

所述线电压理论幅值计算单元（6），用于计算发生短路故障的一相与未发生短路故障的一相之间的线电压幅值，该线电压理论幅值通过其与相电压额定幅值与k值的函数关系计算得到；

所述两相故障类型诊断单元（7），用于校验线电压实际幅值与理论计算幅值是否相等，且该线电压仅指发生短路故障的一相与未发生短路故障的一相之间的线电压，若实际幅值与理论计算幅值相等，则表明发生了两相对地短路故障，若不相等则表明发生了两相之间短路故障。

2.根据权利要求1所述的三相电网电压短路故障诊断方法，其特征在于：所述的线电压采样单元（1）通过两个电压传感器采样得到对应线电压瞬时值v_ab(n)、v_bc(n)，并通过以下公式计算线电压瞬时值v_ca(n)：

v_ca(n)=-v_ab(n)-v_bc(n)，

其中，n表示第n次采样，且0≤n≤(N_c-1)，N_c为半个电网电压周期内的采样次数。

3.根据权利要求1所述的三相电网电压短路故障诊断方法，其特征在于：所述线电压实际幅值计算单元（2）中，三个线电压实际幅值v_abm、v_bcm、v_cam通过以下公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{abm}}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{{2N}_c}\&CenterDot;\underset{0}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_{\mathrm{ab}}\left(n\right)\\ v_{\mathrm{bcm}}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{{2N}_c}\&CenterDot;\underset{0}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_{\mathrm{bc}}\left(n\right)\\ v_{\mathrm{cam}}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{{2N}_c}\&CenterDot;\underset{0}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_{\mathrm{ca}}\left(n\right)\end{array}\right..$

4.根据权利要求1所述的三相电网电压短路故障诊断方法，其特征在于：所述相电压实际幅值计算单元（3）中，三个相电压瞬时值v_a(n)、v_b(n)、v_c(n)通过以下公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_a\left(n\right)=[v_{\mathrm{ab}}\left(n\right)-v_{\mathrm{ca}}\left(n\right)]/3\\ v_b\left(n\right)=[v_{\mathrm{bc}}\left(n\right)-v_{\mathrm{ab}}\left(n\right)]/3\\ v_c\left(n\right)=[v_{\mathrm{ca}}\left(n\right)-v_{\mathrm{bc}}\left(n\right)]/3\end{array}\right.,$

三个相电压实际幅值v_am、v_bm、v_cm通过以下公式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{am}}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{{2N}_c}\&CenterDot;\underset{0}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_a\left(n\right)\\ v_{\mathrm{bm}}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{{2N}_c}\&CenterDot;\underset{0}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_b\left(n\right)\\ v_{\mathrm{cm}}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{{2N}_c}\&CenterDot;\underset{0}{\overset{N_c-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{v}_c\left(n\right)\end{array}\right..$

5.根据权利要求1所述的三相电网电压短路故障诊断方法，其特征在于：所述的短路故障类别判断单元（4）中，根据v_am、v_bm、v_cm之间的大小关系，将短路故障类别划分为单相故障、三相故障、两相故障共三种类别，并进一步确定是哪一个单相发生对地短路故障，或三相同时发生对地短路故障，包括以下步骤：

步骤a）若三个相电压幅值v_am、v_bm、v_cm相等，且小于相电压额定幅值v_pm，则确定诊断为发生三相对地短路故障；

步骤b）若三个相电压幅值v_am、v_bm、v_cm中某两相的幅值相等，且大于另外一相的幅值，则确定诊断幅值相等的两相电压正常，而剩余的另外一相发生单相对地短路故障；

步骤c）若三个相电压幅值v_am、v_bm、v_cm中某两相的幅值相等，且小于另外一相的幅值，则确定诊断幅值较大的一相电压正常，而幅值相等的两相发生故障。

6.根据权利要求5所述的三相电网电压短路故障诊断方法，其特征在于：所述的k值计算单元（5）中的k值通过以下公式计算：

k=v_{lm_flt}/v_lm，

其中，v_{lm_flt}为步骤c中发生故障的两相线电压实际幅值，v_lm为线电压额定幅值。

7.根据权利要求5所述的三相电网电压短路故障诊断方法，其特征在于：所述的线电压理论幅值计算单元（6）中的理论幅值指，发生短路故障的一相与未发生短路故障的一相之间的线电压幅值v_{lm_fltn}，由以下公式计算：

$v_{\mathrm{lm}\_\mathrm{fltn}}=v_{\mathrm{pm}}\sqrt{k^2+k+1}.$

8.根据权利要求2所述的三相电网电压短路故障诊断方法，其特征在于：所述的两个电压传感器的设置是，其中的电压传感器T1的两个输入端分别与a相电网、b相电网连接，用来测量电网a相与b相之间的线电压，T1的输出端为采样系统提供采样信号；电压传感器T2的两个输入端分别与b相电网、c相电网连接，用来测量电网b相与c相之间的线电压。

Images