CN103353558A

CN103353558A - 一种电能质量监测方法

Info

Publication number: CN103353558A
Application number: CN2013102232812A
Authority: CN
Inventors: 丁建义; 林峰平; 陈宜彬; 张孝山; 梁启权; 李秀芳; 杨德勇; 晏文龙
Original assignee: SHENZHEN CITY KANGBIDA CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN CITY KANGBIDA CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2033-05-31
Also published as: CN103353558B

Abstract

本发明公开了一种电能质量监测方法，该方法采用FPGA实现过零检测功能，较传统的压控振荡器有更好的实时性和跟随性。在频率测量和采样控制上，引入三相电压信号作为采样控制和频率测量的基准，较以一相电压信号为基准更可靠和灵活。软件控制采样间隔作为硬件采样控制的补充，提高采样的准确性。算法输入点数上，平衡了算法的准确性要求和其计算量，在保证准确度的前提下尽量减小计算量，提高了实际装置的性价比。

Description

一种电能质量监测方法

技术领域

本发明涉及智能电网领域，具体涉及电网中电能质量监测方法。

背景技术

随着经济发展和高科技设备的广泛应用，用户对供电质量要求的提高，使电能质量问题日益突出，引起了广大电力工作者的重视。

电能质量的首要问题是电压骤降，应该作为研究解决的重点。在用户电能质量问题投诉中，90％以上是电压骤降引起的。

电能质量问题已提到了一些经济发达国家(或地区)电力公司的议事日程。相比较而言，在我国，在电能质量问题认识上和措施实践方面存在差距，还顾不上开展细致的电能质量管理工作。日常工作上，对电能质量问题的把握也不够全面，主要集中在电压合格率及谐波方面，对电压骤降以及供电瞬时中断引起的电能质量问题、危害认识不足。在电力体制深化改革的同时，应当加强电能质量问题(特别电压骤降问题)的研究与管理工作。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种精度高、效率好的电能质量监测方法。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案来实现：一种电能质量监测方法，其特征在于：监测的量包含以下项目，电压偏差，频率偏差，谐波，间谐波，闪变，电压波动，电压暂升暂降，电压瞬态捕捉，以上各个指标监测包括以下步骤。

a)采样信号处理，模拟信号处理要有频率跟踪和抗混叠低通滤波，以减小(间)谐波计算的混叠误差和频谱泄露，计算2～63次谐波，谐波计算以电网基波单周期512采样点为基准，所以低通滤波器要求衰减0.3db的通带截止频率大于64*50＝3.2kHz，衰减50db的阻带截止频率小于512*50/2＝12.8kHz，考虑基波频率在42.5～57.5Hz范围内变化，需留有一定余量；

b)各指标计算输入点数处理，基波单周期采样1024个点，但并不是每个指标的计算都是以1024个点为基准，采用2到3级的抽取，取单周期64或128个点计算有效值，闪变计算是以基波单周期64采样点为基准，处理方法为：

1)在定义不同数组分别存放，如从单周波1024点采样数据抽取一周波64个点的数据，先定义一个64个数的数组A[64]，并循环执行A[i]＝sample_B[16*K]，得到均匀抽样的结果；

2)不做抽取处理，在处理的时候直接等间隔取数计算，如采样数组为sample_B[1024]，采用128个点计算有效值，则均方根值

c)采样控制处理，采样使用锁相环加软件频率跟踪的方法，过零检测环节将正弦信号转换为同相位的方波信号，该信号用于测频和触发锁相倍频环节；锁相功能由FPGA完成，FPGA引入三相与电网基波同相位的方波信号，通过逻辑或输出方波用于测频，并将方波进行2的n次方倍频(1024倍)进行采样控制，保证只要有一相电压信号就可以进行锁相倍频；此频率跟踪实时性高，但抗干扰能力较差，特别是在电压波形畸变时，可能引起过零检测环节的多次触发，所以需要软件触发的配合，即每毫秒判断采样点数实现，正常采样时，单周期1024个点，1毫秒大概采样51点，如果采样点数不在(51±15)点范围，则通过软件控制采样间隔。

进一步的，所述算法平衡计算量和准确度，闪变采用单周期64点计算、(间) 谐波为512点，有效值计算为128点，瞬态捕捉为1024点；暂降/升时间分辨率为0.5周波，采用1个周波数据窗1/4周波滑差计算，以提高暂降分辨率，总的计算时间间隔为10个电网周波，设备记录周期3s，除10个电网周波值直接计算外之外，根据IEC-61000-30要求，通过平方和开方综合出3s、10minute、2hour的值。

进一步的，电压偏差计算，获得电压有效值的基本测量时间窗口为10周波，且不重叠连续测量并计算电压有效值的平均值，最终计算得到电压偏差。

进一步的，所述频率偏差监测，算法，1s、3s、10s(±20ms)间隔分别给出一个系统频率值，时间间隔不允许重叠，累计相应时间间隔内整周波的个数及其时间，使用整周波个数除时间计算出系统频率；

监测方法，将与电压信号同步的方波信号引入GPIO，其上升沿或下降沿触发中断，同时通过计数器进行计数，相应时间间隔计算频率，频率计算

其中：f为计算频率，M为计算间隔周波数，N为计数器的累积计数值，T为计数器计数时间间隔，K为校表系数。

进一步的，所述谐波、间谐波监测，每周波采样512/1024点，以10个周波为时间窗口做基于素因子算法的5120点FFT，频率分辨率为5Hz(基波50Hz)，准确测量1到63次各次(间)谐波分量、相角、总谐波畸变率、偶次谐波畸变率、奇次谐波畸变率。进一步的，

所述闪变监测，输入，每半个周波的32点电压采样值，严格按照IEC-61000-4-15的要求计算，得出以半个周波为时间间隔的瞬时闪变值，每10分分钟得出一个短时闪变值，每两个小时得出一个闪变值。

进一步的，所述电压波动为一系列电压变动或连续的电压偏差，电压波动值为电压均方根值的两个极值Umax和Umin之差ΔU，以额定电压Unom的百分数表示其相对百分值，即

输入量：滑窗0.5(0.25)周波的RMS，输出量：波动最大值、最小值、平均值；统计方法：单位时间内的波动次数根据以上算法得出的波动最小值、最大值，进行相应的统计，得出各个时间段的最大值和最小值。

进一步的所述电压的暂升暂降监测实时监测Va、Vb、Vc半周波真有效值，判断是否发生了电压骤升、骤降，并给出骤升、骤降电压的特征幅值和持续时间，计算滑窗为0.5周波的RMS值，只要有其中任何一相的RMS值小于(大于)定值，则认为暂升/降开始，所有相的RMS值大于等于(小于等于)定值+延迟电压(延迟电压取额定电压的2％)，则认为暂升/降结束，由于在判断电压暂升降、中断中，额定电压不足以表征系统当前的电压状态，引入一个参比电压来表征系统的实时状态，参比电压定义如下：U_sr(n)＝0.9967*U_sr(n-1)+0.0033*U_(10)rm，其中：U_sr(n)是当前参电压；U_(10)rms为最近计算的RMS；U_sr(n)为前一个参比电压值，计算开始时取

每10circle按上式更新一次参比电压，当发生暂态事件时，不更新参比电压，保持原值。

进一步的，所述电压暂态捕捉，输入三相基波单周期采样1024点的采样值，判断是否发生了小于0.5-cycle的电压瞬变，并给出电压瞬变的幅值和持续时间，其监测时间分辨率达20us；监测方法，预先设置一个标准波形，将采样数据与标准波形进行比较，得出各相瞬变的幅值和持续时间。每次比较之前根据采样数据对标准波形进行基波频率、幅值和初始相位的调整。

本发明有如下优点：

(1)采用FPGA实现过零检测功能，较传统的压控振荡器有更好的实时性和跟随性。

(2)在频率测量和采样控制上，引入三相电压信号作为采样控制和频率测量的基准，较以一相电压信号为基准更可靠和灵活。

(3)软件控制采样间隔作为硬件采样控制的补充，提高采样的准确性。

(4)算法输入点数上，平衡了算法的准确性要求和其计算量，在保证准确度的前提下尽量减小计算量，提高了实际装置的性价比。

附图说明

图1为锁项同步原理框图；

图2为各算法采样输入及执行时间间隔关系图；

具体实施方式

采样信号处理：模拟信号处理有频率跟踪和抗混叠低通滤波，以减小(间)谐波计算的混叠误差和频谱泄露，计算2～63次谐波，谐波计算以电网基波单周期512采样点为基准，所以低通滤波器要求衰减0.3db的通带截止频率大于64*50＝3.2kHz，衰减50db的阻带截止频率小于512*50/2＝12.8kHz，考虑基波频率在42.5～57.5Hz范围内变化，需留有一定余量。

各指标计算输入点数处理：基波单周期采样1024个点，但并不是每个指标的计算都是以1024个点为基准，采用2到3级的抽取，取单周期64或128个点计算有效值，闪变计算是以基波单周期64采样点为基准，处理方法为。

处理方法建议：

2)不做抽取处理，在处理的时候直接等间隔取数计算，如采样数组为 sample_B[1024]，采用128个点计算有效值，则均方根值

采样方法：

采样位数为电压16位，电流建议采用20位的AD，采样可以考虑使用锁相环加软件频率跟踪的方法：如图1，过零检测环节将A相的电压正弦信号转换为同相位的方波信号，该信号用于测频和触发锁相倍频环节；锁相功能由FPGA完成，FPGA引入三相与电网基波同相位的方波信号，通过逻辑或输出方波用于测频，并将方波进行2的n次方倍频(1024倍)进行采样控制，保证只要有一相电压信号就可以进行锁相倍频，实现等间隔的同步采样。此频率跟踪实时性高，但抗干扰能力较差，特别是在电压波形畸变时，可能引起过零检测环节的多次触发，所以需要软件触发的配合，即每毫秒判断采样点数实现，正常采样时，单周期1024个点，1毫秒大概采样51点，如果采样点数不在(51±15)点范围，则通过软件控制采样间隔。

算法输入点数和执行间隔关系：如图2所示，RMS：RMS(root mean square)计算采用单周期128/64(1024/4or/8)点计算。暂降/升、中断要求分辨0.5周波。采用1个周波数据窗1/4周波滑差计算，以提高暂降分辨率。总的计算时间间隔10circle，设备记录周期3s。除10circle之外，还有3s、10minute、2hour。

不同时间间隔的处理：

计算时间间隔3-s interval(150cycles)10-min interval绝对时间2-hinterval绝对时间时钟误差在有对时的条件下＜±20ms，无对时的条件下＜1-s/24-h。

各时间间隔计算方法：(电压偏差、不平衡、(间)谐波)3s：计算是取15个10circle测量值进行均方根计算得到。10minute：10-cycle测量值的计算严格以10-min的头边界开始；若最后一个10-cycle测量值与10-min的尾边界重叠则10-min aggregation value应当包含该10-cycle测量值；在每一个10-min的头边界都需要对10-cycle的测量计算进行再同步。时间标识以10分钟的结束时刻为准。10-min再同步问题IEC61000-4-30方法是在每个10分钟时标处进行一次再同步。

采样点数要求：装置单周期采样1024个点，但是(间)谐波要求测量到63次谐波。根据采样定理，采样频率必须大于模拟量所含最高次有效谐波的二倍，才能保证采样信号反映被采样的模拟信号。即f_s≥2*f_max，其中，fs是采样频率，fmax是最高有效谐波的频率，实际计算时一般使fs＞8*fmax，以保证采样信号能够准确地代表被采样的模拟信号。为了监测高达63次的谐波，(间)谐波处理的数据至少为单个电网周波采样512个点的采样结果，即采样率为25.6KHz。基波单周期512点采样，那么第63次谐波中，每个谐波周期包含有8个采样点。装置的1024点采样，主要用于暂态捕捉和故障录波。

实施例一，依据GB/T12325-2008和IEC_61000-4-30_2003，获得电压有效值的基本测量时间窗口为10周波，且不重叠连续测量并计算电压有效值的平均值，最终计算得到电压偏差。监测范围：10～150％Udin(declared input voltage，)监测精度：±0.1％输出量：实际电压值、电压偏差、电压合格率电压有效值计算，由于实时计算了半个周波的有效值。或者根据GB/T12325-2008的要求计算，采用求10circle内的20个半周波滑窗的有效值的RMS的方法。计算周期：10circle 3s

实施例二，监测范围：42.5～57.5Hz(装置实际范围42～58Hz，留一定余量)；监测精度：±0.01Hz(0.005Hz)；输出量：实际频率、频率偏差、频率合格率；算法：GB/T_15945-2008推荐方法：取1s、3s或者10s间隔内计到的整数周期与整数周期累计时间之比。IEC_61000-4-30_2003：10s(±20ms)间隔给出一个系统频率值，时间间隔不允许重叠；累计10s之内整周波的个数及其时间，使用整周波个数/时间计算出系统频率。测量方法：将与电压信号同步的方波信号引入GPIO，其上升沿或下降沿触发中断，同时通过计数器进行计数，相应时间间隔计算频率，频率计算

实施例三，谐波、间谐波的标准定义如下，谐波、间谐波监测，每周波采样512/1024点，以10个周波为时间窗口做基于素因子算法的5120点FFT，频率分辨率为5Hz(基波50Hz)，准确测量1到63次各次(间)谐波分量、相角、总谐波畸变率、偶次谐波畸变率、奇次谐波畸变率；从5Hz分辨率谐波分量到谐波间谐波的计算采用子组算法，以减小混叠误差和频谱泄露，如二次间谐波通过计算95Hz/100Hz/105Hz分量的平方和开方得到。。输入量：10/20周波的512点采样数据输出量：0～639/1279次以内的以5120/10240个数据窗对应的最小频率分辨率为基波的谐波分量/向量。测量精度，IEC_61000-4-7_2002A级定义如下：

间谐波的测量可以在3s测量基础上，综合出3min、10min或2h的测量值，综合方法是取所选时间间隔内的3s测量值的均方根，即：

实施例三，闪变，监测范围：0.2～10Pst；监测精度：±5％；输入量：AD采样值和相关的模型系数。输出量：短时闪变值Pst、长时闪变值Plt。

实施例四，电压波动为一系列电压变动或连续的电压偏差，电压波动值为电压均方根值的两个极值Umax和Umin之差ΔU，以额定电压Unom的百分数表示其相对百分值，即

输入量：滑窗0.5(0.25)周波的RMS，输出量：波动最大值、最小值、平均值；

每半周波：比较三个相邻RMS[0]/RMS[1]/RMS[2]的RMS值，如果RMS[1]＞RMS[0]&&RMS[1]＞RMS[2]，则取RMS_MAX＝RMS[1]；如果RMS[1]＜RMS[0]&&RMS[1]＜RMS[2]，则取RMS_Min＝RMS[1]；当发生上述两种情况时，计算半周波波动值，flu_half＝RMS_MAX-RMS_Min。当flu_half大于限值，则保存该值，并做累加处理。每10个周波：以半周波计算数据为基准，计算所保存的flu_half值的最大值和最小值，并保存，同时计算半周波时所累加的结果进行平均；每150周波：以10周波计算数据为基准，计算所保存的电压波动的最大值和最小值，并保存；同时计算半周波时所累加的结果进行平均。得到3s钟的波动最大值、最小值、平均值。

实施例五，电压的暂升暂降，测量精度：±0.2％Udin，±1circle(尽量采用0.25周波滑窗，以达到±0.5circle的精度)，持续时间精度等于开始时间精度+结束时间精度。

输入量：半周波滑窗电压有效值、参考电压和骤升骤降定值。(IEC要求采用半周波滑窗的一周波RMS值)。

输出量骤升骤降的起始时间、持续时间、电压最大值、电压最小值、录波触发信号等。

算法：(IEC 61000-4-30)装置实时监测Va、Vb、Vc半周波真有效值，判断是否发生了电压骤升、骤降，并给出骤升、骤降电压的特征幅值和持续时间。计算滑窗为0.5周波的RMS值，只要有其中任何一相的RMS值小于(大于)定值，则认为暂升/降开始，所有相的RMS值大于等于(小于等于)定值+延迟电压，则认为暂升/降结束由于在判断电压暂升降、中断中，额定电压不足以表征系统当前的电压状态，引入一个参比电压来表征系统的实时状态，参比电压定义如下：U_sr(n)＝0.9967*U_sr(n-1)+0.0033*U_(10)rm，其中：

是当前参电压；U_(10)rms为最近计算的RMS；U_sr(n)为前一个参比电压值，计算开始时取

＝Udin。每10circle按上式更新一次参比电压，当发生flag时，不更新参比电压，保持原值。

实施例六，暂态捕捉：20us(1024个点采样)，装置应实时监测三相电压采样值，判断是否发生了小于0.5-cycle的电压瞬变，并给出电压瞬变的幅值和持续时间。监测方法：预先设置一个标准波形，每个采样值与标准波形进行判断；需要定期相位同步和幅值刷新，包括改变标准波形的基波频率、幅值和初始相位的判断。标准波形幅值的改变方法：A_n+1＝k₁*A_n+k_z*A_new，(k₁+k₂＝1：k₂≥0，k₂≥0)，其中：A_n+1为新标准波形的幅值；A_n为原标准波形的幅值；A_new为该相电压的实时测量值；和的取值主要考虑暂态捕捉的限值同时躲过系统一般电压波动的影响。

Claims

1.一种电能质量监测方法，其特征在于：监测的量包含以下项目，电压偏差，频率偏差，谐波，间谐波，闪变，电压波动，电压暂升暂降，电压瞬态捕捉，以上各个指标监测包括以下步骤，

a)采样信号处理，模拟信号处理有频率跟踪和抗混叠低通滤波，以减小(间)谐波计算的混叠误差和频谱泄露，计算2～63次谐波，谐波计算以电网基波单周期512采样点为基准，所以低通滤波器要求衰减0.3db的通带截止频率大于64*50＝3.2kHz，衰减50db的阻带截止频率小于512*50/2＝12.8kHz，考虑基波频率在42.5～57.5Hz范围内变化，需留有一定余量。

2.根据权利要求1所述的一种电能质量监测方法，其特征在于：所述算法平衡计算量和准确度，闪变采用单周期64点计算、(间)谐波为512点，有效值计算为128点，瞬态捕捉为1024点；暂降/升时间分辨率为0.5周波，采用1个周波数据窗1/4周波滑差计算，以提高暂升降分辨率，总的计算时间间隔为10个电网周波，设备记录周期3s，除10个电网周波值直接计算外之外，根据IEC-61000-30要求，通过平方和开方综合出3s、10minute、2hour的值。

3.根据权利要求1所述的一种电能质量监测方法，其特征在于：电压偏差计算，获得电压有效值的基本测量时间窗口为10周波，且不重叠连续测量并计算电压有效值的平均值，最终计算得到电压偏差。

4.根据权利要求1所述的一种电能质量监测方法，其特征在于：所述频率偏差监测，算法，1s、3s、10s(±20ms)间隔分别给出一个系统频率值，时间间隔不允许重叠，累计相应时间间隔内整周波的个数及其时间，使用整周波个数除时间计算出系统频率；

5.根据权利要求1所述的一种电能质量监测方法，其特征在于：所述谐波、间谐波监测，每周波采样512/1024点，以10个周波为时间窗做基于素因子算法的5120点FFT，频率分辨率为5Hz(基波50Hz)，准确测量1到63次各次(间) 谐波分量、相角、总谐波畸变率、偶次谐波畸变率、奇次谐波畸变率。

6.根据权利要求1所述的一种电能质量监测方法，其特征在于：所述闪变监测，输入，每半个周波的32点电压采样值，严格按照IEC-61000-4-15的要求计算，得出以半个周波为时间间隔的瞬时闪变值，每10分分钟得出一个短时闪变值，每两个小时得出一个闪变值。

7.根据权利要求1所述的一种电能质量监测方法，其特征在于：所述电压波动为一系列电压变动或连续的电压偏差，电压波动值为电压均方根值的两个极值Umax和Umin之差ΔU，以额定电压Unom的百分数表示其相对百分值，即

8.根据权利要求1所述的一种电能质量监测方法，其特征在于：所述电压的暂升暂降监测实时监测Va、Vb、Vc半周波真有效值，判断是否发生了电压骤升、骤降，并给出骤升、骤降电压的特征幅值和持续时间，计算滑窗为0.5周波的RMS值，只要有其中任何一相的RMS值小于(大于)定值，则认为暂升/降开始，所有相的RMS值大于等于(小于等于)定值+延迟电压(延迟电压取额定电压的2％)，则认为暂升/降结束，由于在判断电压暂升降、中断中，额定电压不足以表征系统当前的电压状态，引入一个参比电压来表征系统的实时状态，参比电压定义如下：U_sr(n)＝0.9967*U_sr(n-1)+0.0033*U_(10)rm，其中：U_sr(n)是当前参电压；U_(10)rms为最近计算的RMS；U_sr(n)为前一个参比电压值，计算开始时取U_sr(o) ²＝Udin。每10circle按上式更新一次参比电压，当发生暂态事件时，不更新参比电压，保持原值。

9.根据权利要求1所述的一种电能质量监测方法，其特征在于：所述电压暂态捕捉，输入三相基波单周期采样1024点的采样值，判断是否发生了小于0.5-cycle的电压瞬变，并给出电压瞬变的特征幅值和持续时间，其监测时间分辨率达20us；监测方法，预先设置一个标准波形，将采样数据与标准波形进行比较，得出各相瞬变的幅值和持续时间。每次比较之前根据采样数据对标准波形进行基波频率、幅值和初始相位的调整。