CN103890594B - 分析三相电网中的电能的质量的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及分析三相电力网络中的电能的质量的方法，其特征在于包含如下步骤：测量（E1）一组电量值，该组每相包含一个电量值；从该组测量电量值的瞬时三维变换中形成（E2）空间矢量；以及按照该空间矢量，确定（E3）包含代表三相电力网络中的电能的质量的至少一个参数的集合。

Description

分析三相电网中的电能的质量的方法和设备
技术领域
本发明涉及电力网络中的电能的质量的分析。
背景技术
一般说来，电网中的电能的质量可以通过电压的量值和电流的量值之间的组合来表示。但是，对于三相系统，电能的质量定义起来更复杂。如果波形、振幅、频率和对称性分别保持在预定限制内，则三相电力系统事实上被认为是健康的，或不受干扰的。
而且，当确定像rms（均方根）电流或电压值那样的电学值时，尤其总有功功率、总视在功率、总无功功率使装置的能耗能够得到控制。
本发明尤其涉及三相电力系统。影响后者的最常见干扰是电压或电流骤降、电压浪涌或过电流、谐波污染、不平衡和电压闪变。
监视三相电力系统中的电能的质量的已知方法在于干扰和电学值的逐相分析。
为了全局地表征三相电力系统中的电能的消耗和量值，已知的方法在于对为每相获得的结果求和或求平均。但是，这些方法不是完全令人满意的。在三相电力系统中对一个相的测量结果事实上不总是相关的。如果，例如，算术平均由逐相所作的测量结果组成，则未必获得从物理观点出发对三相电力系统的表征。而且，当进行单相量值的求和时，测量误差会累积起来。
文献EP 0,599,648描述了计算三相电力系统中的正、负和零序分量以检测不平衡的方法。这种不平衡检测基于复杂、冗长和非常不精确的计算。不能使不均衡因素得到量化。最后，这个文献只处理了不平衡，而未考虑可以影响三相电力系统的所有干扰。
因此已知方法和设备都不能作出三相电力系统中的电能的质量的全局三相测量。
发明内容
本发明的目的是通过提供分析三相电力系统中的电能的质量的方法解决现有技术的问题，其特征在于包含如下步骤：
-测量一组电量值，该组每相包含一个电量值；
-从该组测量电量值的瞬时三维变换中形成空间矢量；以及
-按照该空间矢量，确定包含代表三相电力系统中的电能的质量的至少一个参数的集合。
相关地，本发明涉及分析三相电力系统中的电能的质量的设备，其特征在于包含：
-测量一组电量值的部件，该组每相包含一个电量值；
-从该组测量电量值的瞬时三维变换中形成空间矢量的部件；以及
-按照该空间矢量，确定包含代表三相电力系统中的电能的质量的至少一个参数的集合的部件。
通过本发明，可以量化和表征能够以全局方式出现在三相电力系统中的不同类型的电干扰。
使精确和计算时间得到显著改善。
因此可以以更精确和更迅速的方式监视三相电力系统中的电能的质量。这使可能出现的任何干扰的来源能够得到更好理解，以及使它们对存在于电力系统中的电子装备的影响能够得到更好评估。
本发明基于包含三相系统的所有信息的空间矢量的确定和使用。
按照一个优选特征，包含代表三相电力系统中的电能的质量的至少一个参数的集合包含选自如下的至少一个参数：
-代表三相电力系统中的电压或电流不平衡的参数；
-代表电压或电流骤降的参数；
-代表电压浪涌或过电流的参数；以及
-代表电压闪变的参数。
这些参数代表对于分析三相电力系统中的电能的质量来说最常见和最相关的干扰。
按照一个优选特征，该分析方法进一步包含从该组测量电量值的瞬时三维变换中形成零序分量。
在这种情况下，按照该零序分量进一步进行包含代表三相电力系统中的电能的质量的至少一个参数的集合的确定，以及所述至少一个参数代表谐波电压或电流污染。
按照一个优选特征，该方法进一步包含按照空间矢量和零序分量确定三相电力系统的至少一个能量参数。
按照一个优选特征，该至少一个能量参数选自：
-总rms电流或电压值；
-总有功功率；
-总视在功率；以及
-总无功功率。
该能量参数使三相能量消耗能够通过随时间积分来确定。
按照一个优选特征，该方法进一步包含在复平面中显示空间矢量所沿的形式的显示步骤。
这种类型的显示给出了存在用户检测起来非常迅速的干扰的可视指示。
该设备包含实现这些特征的部件以及呈现类似优点。
在一个特定实施例中，按照本发明的方法的步骤通过计算机程序指令来实现。
因此，本发明的进一步目的是在数据介质上提供计算机程序，这种程序能够在计算机中实现，这种程序包含适合实现如上文所述的方法的步骤的指令。
这种程序可以使用任何编程语言，以及具有源代码；目标代码；或像具有局部编译形式、或具有任何其它所希望形式那样、源代码与目标代码之间的中间代码的形式。
本发明的进一步目的是提供能够被计算机读取和包含计算机程序指令的数据介质。
该数据介质可以是能够存储程序的任何实体或设备。例如，该介质可以包含像ROM例如，CD-ROM或微电子电路ROM那样的存储部件、或磁存储部件，例如，软盘或硬盘。
该数据介质可以进一步是像可以经由电或光缆，通过无线电或通过其它手段传送的电或光信号那样的可传输媒体。按照本发明的程序尤其可以从互联网类型的网络下载。
可替代地，该数据介质可以是并入程序的集成电路，该电路适合执行按照本发明的方法或用在执行按照本发明的方法中。
附图说明
其它特征和优点可以通过阅读参考附图所述、只是为了非限制性示范目的给出的优选实施例明显看出，在附图中：
图1代表按照本发明分析三相电力系统中的电能的质量的设备；
图2代表图1的设备的计算模块；
图3代表按照本发明的设备的实施例；以及
图4代表按照本发明分析三相电力系统中的电能的质量的方法实施例。
具体实施方式
按照表示在图1中的实施例，分析三相电力系统中的电能的质量的设备包含数据获取模块1。模块1包含设计成与三相电力系统的每个相连接以便在电力系统的一个点上测量后者的电量值的输入接口。该量值是相的瞬时电压和/或瞬时电流。这些测量值本身是传统的，这里将不作详细论述。在下文中假设电力系统是三相电力系统。
模块1包含与瞬时三维变换模块2的输入接口连接的输出接口。模块1向模块2发送数量与电力系统包含相的数量一样多的测量电量值。这些电量值是电压和/或电流值。
在给定时间上，模块2接收作为在三相电力系统的一个点上测量的相电压或相电流的瞬时值的三个测量值xa(t)、xb(t)和xc(t)。模块2进行从对称分量中导出和通过克拉克（Clarke）变换定义的变换：
组合在变换之后获得的前两个分量以形成叫做空间矢量的时间相关复数：
这两个方程形成瞬时三维变换。空间矢量包含原始三相系统的所有数据。
当三相系统平衡时，空间矢量在复平面中沿着圆圈。干扰使在复平面中可见的空间矢量变形。该变换使影响三相电力系统的不同干扰能够得到表征和量化。
瞬时三维变换还导致作为具有实值的量值的零序分量x0(t)。
模块2包含与模块3的输入接口连接的输出接口，该模块3用于确定代表三相电力系统中的电能的质量的至少一个参数。模块2将空间矢量以及可能将零序分量发送给模块3。在下文中，除非另有规定，牵涉到电压空间矢量和零序电压分量以及电流空间矢量和零序电流分量。
如果正是这种情况，则模块3接收空间矢量和零序分量，并使用它们来确定代表电能的质量的一个或多个参数。应该注意到，如下文所陈述，取决于确定的参数，零序分量未必是必不可少的。如果零序分量不是必不可少的，则模块2不必将它发送给模块3。
模块3进行的计算可以按照IEC 61000-4-30标准来进行：电磁兼容性（EMC）-第4-30部分：测试和测量技术—电能质量测量方法。
参考图2，模块3确定代表电力系统中的电能的质量的一个或多个参数；
这些参数选自：
-代表谐波电压或电流污染的三相谐波失真因子kH；
-代表电压或电流不平衡的三相不平衡因子kD；
-代表电压或电流骤降的三相电压或电流骤降指示符kC；
-代表电压浪涌或过电流的三相电压浪涌或过电流指示符kS；以及
-代表电压闪变的电压闪变因子kF。
这些参数每一个的计算都使用空间矢量。对于电压或电流谐波失真因子kH，另外还使用零序分量。确定这些参数的细节将展示在下文中。
模块3的子模块30和31分别接收来自模块2的空间矢量和零序分量，以及每一个都对其应用傅里叶变换。子模块30和31在输出端上分别输送这两个量值的振幅谱。要注意的是，子模块31实际上对空间矢量的实部进行傅里叶变换，以及对它的虚部进行傅里叶变换。
可以从空间矢量和零序分量中分析三相系统的谐波含量。
每个频率上的谐波的振幅用于计算三相系统的全局谐波失真因子kH。
根据三相上的它们的秩n以及它们的分配，以给定频率在空间矢量和/或零序分量频谱中分配谐波。
输入端与子模块30和31的输出端连接的模块3的子模块32按照如下公式计算三相系统的全局谐波失真因子kH：
其中和是通过傅里叶变换空间矢量和零序分量计算的秩n的谐波的正、负和零序分量。如在IEC61000-4-30标准中所述，这些分量可以包括第n谐波每一侧上的相邻频率的含量。
上述公式的分母代表秩等于1的该组三相谐波分量的rms值。分子代表秩大于1的该组三相谐波分量的rms值。
在计算空间矢量和零序分量谱的滑动窗口上估计三相系统的全局谐波失真因子kH，然后应用因子公式kH。
符合IEC61000-4-30标准，窗口的持续时间是，例如，200ms。这个时段满足两条相反准则：
-足够短以便使处理响应时间最短以及使因子kH的快速变化能够得到监视；以及
-足够长以便具有正确分开包含在分析信号中的分量的满足谱分辨率。该分辨率是窗口的持续时间的倒数，因此是5Hz。
三相系统中的电压或电流不平衡由输入端与子模块30的输出端连接的模块3的子模块33从电压或电流空间矢量中确定。
三相系统中的不平衡按IEC 61000-4-30标准被定义成在三相系统的基频上正电压或电流与负电压或电流的比值。
因此三相不平衡因子kD代表在三相系统的基频上正分量和负分量的模值的比值。
由子模块30将傅里叶变换应用于空间矢量，子模块30将这个量值的振幅谱输送到子模块33。然后后者按照如下公开使用基频上的正和负分量：
作为一种变体，可以将上面的公式应用于所需谐波频率来计算与三相系统的谐波相联系的不平衡因子。
不平衡因子还在具有一定持续时间，例如，200ms的滑动窗口上计算。因此实时地进行计算。窗口的时段可以符合IEC61000-4-30标准地选择，并且使不平衡检测可以获得好的谱分辨率（5Hz）和短的响应时间。
电压或电流骤降由输入端与子模块30的输出端连接的模块3的子模块34从空间矢量中确定。认识到计算可移植到电流骤降的情况，下文论述电压骤降。
在在三相电力系统中不存在电压骤降的情况下，在电力系统的基频上，电压空间矢量在复空间中覆盖半径等于额定电压Vnom的圆圈。
当发生电压骤降时，在基频上，电压空间矢量在复空间中覆盖短轴半径小于额定电压Vnom的椭圆。椭圆的短轴半径越小，就骤降得越厉害。
电压骤降指示符kC是椭圆的短轴半径与额定电压Vnom的比值。电压骤降指示符从子模块30应用傅里叶变换的空间矢量中确定。因此获得这个量值的振幅谱。子模块30将后者输送到子模块34，子模块35然后按照如下公式确定基频上的正和负分量的模值并使用它们：
电压骤降指示符kC等于基频上的正分量模值与负分量模值的差值除以电力系统的额定电压的数值。
实际上，在时间长度等于，例如，基波的两个周期的滑动窗口上进行计算。这个窗口尺寸使得在迅速检测骤降出现的同时，能够正确地估计空间矢量谱。
当电压骤降指示符kC一直接近1时，例如，一直高于等于0.9的阈值时，不存在骤降。
当电压骤降指示符kC在给定时段，例如，至少一个基波半周期内下降到设置的阈值以下时，检测到骤降。电压骤降指示符kC越接近0，就骤降得越大或越深。
骤降的检测阈值和最小持续时间的数值被选成，例如，符合定义在ICE61000-4-30标准中的A类。它们可以是用户可调的。
电压浪涌或过电流由输入端与子模块30的输出端连接的模块3的子模块35从空间矢量中确定。
认识到计算可移植到过电流的情况，下文论述电压浪涌。
在在三相电力系统中不存在电压浪涌的情况下，在电力系统的基频上，电压空间矢量在复空间中覆盖半径等于额定电压Vnom的圆圈。
当发生电压浪涌时，在基频上，电压空间矢量在复空间中覆盖短轴半径大于额定电压Vnom的椭圆。椭圆的短轴半径越大，电压浪涌就就越高。
电压浪涌指示符kS从子模块30应用傅里叶变换的空间矢量中确定。获得这个量值的振幅谱。子模块30将后者输送到子模块35，子模块35然后按照如下公式确定基频上的正和负分量的模值并使用它们：
电压浪涌指示符kS等于基频上的正分量模值与负分量模值的和值除以电力系统的额定电压的值。
实际上，在时间长度等于，例如，基波的两个周期的滑动窗口上进行计算。这个窗口尺寸使得在迅速检测电压浪涌出现的同时，能够正确地估计空间矢量谱。
当电压浪涌指示符kS一直接近1时，例如，一直小于等于1.1的阈值时，不存在电压浪涌。
当电压电压浪涌指示符kS在给定时段，例如，至少一个基波半周期内超过设置的阈值时，检测到电压浪涌。电压浪涌指示符kS越高，电压浪涌就越大。
电压浪涌的检测阈值和最小持续时间的数值被选成，例如，符合定义在ICE61000-4-30标准中的A类。它们可以是用户可调的。
电压闪变由模块3的子模块37从空间矢量中测量。
传统上，用叫做闪变计的装置对一个相位测量电压闪变。闪变计的输入是作为具有实值的量值的相电压。
按照本发明，子模块36与模块3的输入端连接。子模块36接收空间矢量电压。确定空间矢量电压的实部，然后将它输送给作为闪变计的子模块37的输入端。它因此是使电压闪变能够被分析的包含在空间矢量电压的实部中的三相数据。闪变计37在输出端上输送作为三相系统的电压闪变的全局测量值的闪变因子kF。
实际上，在时间长度等于，例如，500ms的滑动窗口上进行计算。即使IEC61000-4-15标准规定电压闪变的观察时段可以从如下数值中选择：1mn、5mn、10mn和15mn，但短观察时间使闪变能够得到迅速检测以及使快速电压闪变能够得到更好监视。
按照一个优选实施例，模块3进一步能够确定像电压和/或电流的总rms值、和像总有功、无功和视在功率那样的不同总功率那样的至少一个能量参数。这些功率起计算三相系统的能耗的基础的作用。
子模块38与模块3的输入端连接，接收电压和/或电流的空间矢量和零序分量。子模块38按照如下公式，全局地为三相电力系统确定电压或电流的总rms值:
其中算符μT代表在优选地等于三相电力系统的基波周期的整数倍的时段T上的求平均运算。
因此可以确定总rms电压值VRMS和/或总rms电流值IRMS。
子模块39连接在模块3的输入端上，接收电压和电流的空间矢量和零序分量。子模块39确定代表三相系统的至少一个总功率。
总三相有功功率P按照如下公式计算：
其中和分别是电流空间矢量和电压空间矢量，以及算符*代表标量积。
总三相视在功率S按照如下公式计算：
S=3.VRMS.IRMS
其中VRMS是总rms电压值，以及IRMS是总rms电流值。
总三相无功功率Q按照如下公式计算：
总三相无功功率Q的符号可以使用电力系统的基频上的离散傅里叶变换，从基波上的功率分析中确定。
作为一种变体，总三相无功功率Q可以以与总三相有功功率P类似的方式确定，但使用对原始信号平方计算的电压或电流信号。
总三相能耗可以通过随时间积分从这些功率测量值中确定。
上述的计算子模块32到37、38和39的每一个具有与结果显示模块4的输入端连接的输出端。
结果的显示可以按照用户的要求更精确或更粗略。显示的读数因此可以简单地指示，例如，三相电力系统中干扰的存在与否。例如，在复平面中显示空间矢量所沿的形状。这种形状越偏离圆形，三相电力系统受到的干扰就越大，即，电压和/或电流的非正弦性和/或不平衡性就越严重。
作为一种变体，可以将二元显示与按照本发明确定的每个参数相联系。
该显示还可以，例如，通过色码或刻度尺上的游标给出所检测干扰的严重程度的指示。
该显示还可以，例如，通过曲线描绘图和/或数值提供所检测干扰的精确量化。
可以通过按照本发明确定的参数将可视或可听警告与过冲阈值相联系。
模块4优选地向用户提供使他能够选择要监视的一个或多个参数、以及每个参数的这些精度之一的适当接口。
模块4可以与存储器（未表示出来）合并或连接以便存储模块3提供的结果。
图3代表按照本发明的设备的特定实施例。
设备10具有计算机的一般结构。它尤其包含执行实现按照本发明的方法的计算机程序的处理器100、存储器101、输入接口102和显示处理器进行的计算的结果的输出接口103。
这些不同元件传统上通过总线连接。
输入接口102被设计成与三相电力系统的相连接，以便进行电压和/或电流测量。
处理器100进行上述参考图1和2说明的处理操作。这些处理操作以在处理器100执行之前由存储器101存储的计算机程序代码指令的形式执行。
存储器101可以进一步存储进行的处理操作的结果。
输出接口103使结果能够得到显示，或作为一种变体，能够与读数相联系。
参考图4，由上述所述的设备实现、按照本发明分析三相电力系统中的电能的质量的方法包含步骤E1到E4。
步骤E1进行数据获取。假设模块1的输入接口以前已经与三相电力系统的每个相连接，以便在电力系统的一个点上测量后者的瞬时电量值。这些量值是相的电压和/或电流。
步骤E1的后面接着步骤E2，步骤E2进行以前测量的量值的瞬时三维变换。其结果是空间矢量和零序分量。
接着的步骤E3包含按照空间矢量确定代表三相电力系统中的电能的质量的至少一个参数。
如果有必要，另外按照零序分量进行这种确定。
可以确定的参数选自：
-代表谐波电压或电流污染的三相谐波失真因子kH；
-代表电压或电流不平衡的三相不平衡因子kD；
-代表电压或电流骤降的三相电压或电流骤降指示符kC；
-代表电压浪涌或过电流的三相电压浪涌或过电流指示符kS；以及
-代表电压闪变的电压闪变因子kF。
确定这些参数的计算是上述陈述的那些计算。
步骤E3可以进一步包含按照空间矢量和零序分量确定三相电力系统的至少一个能量参数。
可以确定的能量参数选自：
-电压和/或电流的总rms值；以及
-像总有功、无功和视在功率那样的不同总功率。这些功率起计算三相系统的能耗的基础的作用。
确定这些参数的计算是上述陈述的那些计算。
优选的是，步骤E3包含用户通过适当用户接口选择他希望确定的一个或几个参数的现有配置。
步骤E3的后面接着步骤E4，步骤E4是显示步骤E3的结果。如上述所陈述，可以按几个级别的细节进行显示。在检测到干扰的情况下，还可以进一步包含警告。
本发明应用于三相电力系统中的不同干扰的迅速和精确检测。
还能够检测污染源的存在以及它们生成的干扰的传播方向，尤其在大规模的电力系统中。
本发明使，例如，电力系统中的风力发电机引起的干扰能够得到监视。风力发电机通常引起谐波污染以及闪变型的电压起伏。
本发明人已经从实验上证明本发明能够检测这些干扰。

Claims (13)

1.一种分析三相电力系统中的电能的质量的方法，其特征在于包含如下步骤：
-测量(E1)一组电量值，该组每相包含一个电量值；
-从该组测量电量值的瞬时三维变换中形成(E2)时间相关的空间矢量；以及
-按照该时间相关的空间矢量，确定(E3)包含代表三相电力系统中的电能的质量的至少一个参数的集合，其中
其特征在于包含代表三相电力系统中的电能的质量的至少一个参数的集合包含选自如下的至少一个参数：
-代表三相电力系统中的电压或电流不平衡的参数(kD)；
-代表电压或电流骤降的参数(kC)；
-代表电压浪涌或过电流的参数(kS)；以及
-代表电压闪变的参数(kF)，
其中所述空间矢量是时间相关复数并且在滑动窗口上生成。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于进一步包含从该组测量电量值的瞬时三维变换中形成零序分量。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于按照该零序分量进一步进行包含代表三相电力系统中的电能的质量的至少一个参数的集合的确定，以及其特征在于所述至少一个参数是代表谐波电压或电流污染的参数(kH)。
4.按照权利要求2到3的任何一项所述的方法，其特征在于进一步包含按照时间相关的空间矢量和零序分量确定三相电力系统的至少一个能量参数。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于该至少一个能量参数选自：
-总rms电流或电压值(XRMS)；
-总三相有功功率(P)；
-总三相视在功率(S)；以及
-总三相无功功率(Q)。
6.按照权利要求1到3和权利要求5中的任何一项所述的方法，其特征在于进一步包含在复平面中显示时间相关的空间矢量所沿的形状的步骤(E4)。
7.一种分析三相电力系统中的电能的质量的设备，其特征在于包含：
-测量一组电量值的部件(1)，该组每相包含一个电量值；
-从该组测量电量值的瞬时三维变换中形成时间相关的空间矢量的部件(2)；以及
-按照该时间相关的空间矢量，确定包含代表三相电力系统中的电能的质量的至少一个参数的集合的部件(3)，其中
其特征在于该确定部件被设计成确定包含选自如下的代表三相电力系统中的电能的质量的至少一个参数的集合：
-代表三相电力系统中的电压或电流不平衡的参数(kD)；
-代表电压或电流骤降的参数(kC)；
-代表电压浪涌或过电流的参数(kS)；以及
-代表电压闪变的参数(kF)，
其中所述空间矢量是时间相关复数并且在滑动窗口上生成。
8.按照权利要求7所述的设备，其特征在于进一步包含从该组测量电量值的瞬时三维变换中形成零序分量的部件。
9.按照权利要求8所述的设备，其特征在于确定包含代表三相电力系统中的电能的质量的至少一个参数的集合的部件被设计成按照该零序分量进一步进行确定，以及其特征在于所述确定包含代表三相电力系统中的电能的质量的至少一个参数的集合的部件被设计成确定代表谐波电压或电流污染的参数(kH)。
10.按照权利要求8到9的任何一项所述的设备，其特征在于进一步包含按照时间相关的空间矢量和零序分量确定三相电力系统的至少一个能量参数的部件。
11.按照权利要求10所述的设备，其特征在于该至少一个能量参数选自：
-总rms电流或电压值(XRMS)；
-总三相有功功率(P)；
-总三相视在功率(S)；以及
-总三相无功功率(Q)。
12.按照权利要求7到9和权利要求11中的任何一项所述的设备，其特征在于进一步包含在复平面中显示时间相关的空间矢量所覆盖的形状的部件(4)。
13.一种记录着计算机程序的计算机可读的记录介质，其特征在于该计算机程序被处理器执行时实现按照权利要求1到6的任何一项所述的方法的步骤。
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