CN103901306B - 一种检测电网电压突变故障的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测电网电压突变故障的方法，属于电力系统电网故障检测的技术领域。本发明利用周期差值法，在电网电压较小难以与设定阈值比较时，屏蔽电压瞬时值周期差值法判断，转而用电压变化率周期差值法进行故障判断；当电压变化率瞬时值在零点附近一段范围内，屏蔽电压变化率瞬时值周期差值法判断，电压瞬时值周期差值法进行故障判断，改善了现有技术在电网电压较小时难以确定故障的缺陷，解决了传统电网电压突变故障检测慢的问题。

Description

一种检测电网电压突变故障的方法

技术领域

本发明公开了一种检测电网电压突变故障的方法，属于电力系统电网故障检测的技术领域。

背景技术

随着新能源的开发和利用以及公共环境政策和电力市场扩大等因素共同作用，分布式发电得到了长足的进步。微电网就是在分布式发电基础上，提高了供电可靠性，改善了电能质量，所形成的一种新型的供电方式。它是一个由分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关负荷及监控、保护装置等组合而成的小型发配电系统。微电网能够实现自我控制，保护和管理的自治，既可以与外部电网并网运行，也可以在电网出现故障时孤立运行。其中，当电网出现突变故障时，微电网监控系统需要快速的检测出该故障发生并实现与故障电网的快速分离从而保证微电网自身的安全稳定。因此，研究对电网电压突变故障的快速检测及实现对于保证微电网可靠运行具有重要现实意义。

目前，在传统电网突变故障检测中，常采用电压有效值的检测的方法，利用检测到的有效值与设定的阈值进行比较，当检测到的有效值超过阈值时，从而判断出故障。有效值检测方法通常较慢不满足快速检测的要求。

电压瞬时值零点处值比较小，难以设定阈值进行判断，所以在电压瞬时值过零点附近采用电压变化率周期差值法进行判断。由于DSP数字采样存在误差，实际零点，采入DSP后有一定的数字量，所以精确过零点附近段的选择有一定的难度。电压变化率周期差值法过零点附近段的选择也有这样的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种检测电网电压突变故障的方法。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种检测电网电压突变故障的方法，包括如下步骤：

步骤1，采集电网电压瞬时值信号、电压变化率信号；

步骤2，以相同采样频率对相邻两周期的电网电压瞬时值信号、电压变化率信号进行采样，得到相邻两周期各采样点的电网电压瞬时值、电压变化率瞬时值；

步骤3，利用周期差值法求得相邻两周期各采样点的电网电压瞬时值的差值、电压变化率瞬时值的差值，确定各采样点类型，再根据采样点类型进而判定电网运行情况：

当采样点电网电压瞬时值不为0，且相邻两周期中该采样点电网电压瞬时值差值绝对值大于电网电压瞬时值阈值时，电网在该采样点故障；

当采样点电网电压瞬时值为0，电压变化率瞬时值不为0，且相邻两周期中该采样点电压变化率瞬时值差值的绝对值大于电压变化率阈值时，电网在该采样点故障；

当采样点电网电压瞬时值不为0，且相邻两周期中该采样点电网电压瞬时值差值绝对值小于电网电压瞬时值阈值时，电网正常运行；

当采样点电网电压瞬时值为0，电压变化率瞬时值不为0，且相邻两周期中该采样点电压变化率瞬时值差值绝对值小于电压变化率阈值时，电网正常运行。

作为所述检测电网电压突变故障的方法的进一步优化方案：

所述采样点的电网电压瞬时值差值绝对值连续大于电网电压瞬时值阈值N次时，判定电网在该采样点故障，N为大于2的整数；

所述采样点电压变化率瞬时值差值的绝对值大于电压变化率阈值M次时，判定电网在该采样点故障，M为大于2的整数。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：改善了现有技术在电网电压较小时难以确定故障的缺陷，解决了传统电网电压突变故障检测慢的问题。

附图说明

图1为快速检测电网电压突变故障总体实现结构框图。

图2为二阶谐振滤波器产生2路正交信号原理图。

图3为单相软件锁相环结构框图。

图4单相软件锁相实验结果图。

图5突变故障快速检测实验波形。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明在传统的电网电压突变故障检测基础上，通过检测电网电压瞬时值结合电网电压变化率瞬时值，用DSP存储相邻两个周期电网电压和电压变化率的瞬时值，用周期差值法快速判断出电网突变故障的方法。提出一种可快速检测电网电压突变故障的方法，用以解决传统电网电压突变故障检测慢的问题。

将电网电压瞬时值/电网电压变化率瞬时值u通过采样调理电路板进行调理，我们以单相电压瞬时值u为例进行说明，为时间t的正弦波函数。我们通过采样调理电路板，将幅值比较大的电网电压，调节成DSP的A/D口允许接入的电压范围(0～+3v)。

三相电网电压瞬时值：

u_a＝U_Asinωt

u_b＝U_Bsinωt(1)，

u_c＝U_Csinωt

三相电网电压变化率瞬时值：

$\begin{array}{c}{u}_a^{\′}=-RC\·\frac{{\mathrm{du}}_a}{dt}=-U_{A}RC\·\mathrm{\ω}\·\cos \mathrm{\ω}t\\ u_b^{\′}=-RC\·\frac{{\mathrm{du}}_b}{dt}=-U_{B}RC\·\mathrm{\ω}\·\cos \mathrm{\ω}t\\ u_c^{\′}=-RC\·\frac{{\mathrm{du}}_c}{dt}=-U_{C}RC\·\mathrm{\ω}\·\cos \mathrm{\ω}t\end{array}---\left(2\right),$

电网角频率：

ω＝2πf(3)，

其中，u_a，u_b，u_c是三相电网电压瞬时值，U_A，U_B，U_C是三相电网电压幅值，ω是电网角频率，f电网工作频率，u’_a，u’_b，u’_c，是三相电网电压变化率瞬时值，R,C分别是设计变化率电路中，微分电路电阻、电容参数。

从采样调理电路板经过调理出来的电网电压经过DSP的A/D口的采样，转换成数字式的电量。存储过程是：电网工频是50HZ，一个周期是20ms,DSP每隔0.1ms存储一个点，那么一个周期存储了200个点。我们需要用两个数组，sampleAU1[200]和sampleAU2[200]存储相邻两个周期的电网电压的瞬时值，为了使用周期差值法来进行故障判断，那么必须满足存储相邻两个周期电压瞬时值的数组相同序号的单元相差一个周期值，即sampleAU2[N]对应的时间点比sampleAU1[N]对应的时间点滞后一个周期。为了满足这一要求，我们规定一个点作为数组的起始点，周期正弦信号与水平轴的交点称为过零点，正弦波信号每个周期有两个过零点，信号由负值通过零点到正值，这次过零称为正向过零，相应的过零点时刻称为正向过零点，利用锁相技术锁定电压瞬时值正弦波正向过零点作为存储数组的起始点，电压瞬时值正弦波以正向过零点为存储起始点，此时，电压变化率瞬时值的最大值与电压瞬时值的正向过零点对应，电压变化率瞬时值以最大值为存储起始点。

如图3所示，以A相电网电压瞬时值锁相进行说明：单相电压瞬时值u_o通过正交分解模块，产生两路正交信号u_α，u_β；u_α与u_o的相位和幅值均相同，u_β滞后u_α90°。两路正交信号进行park变换得到u_q分量，最后利用d-q变换锁相环实现锁相。二阶谐振滤波器产生2路正交信号原理如图2所示。

正交信号产生模块为d-q变换同步锁相环提供输入信号,目前，常采用二阶谐振滤波变换法来构造虚拟的2路正交信号，该算法基于二阶广义积分(SecondOrderGeneralizedIntegrator)：

$\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}{H}_{\mathrm{\α}}\left(s\right)=\frac{u_{\mathrm{\α}}\left(s\right)}{u_a\left(s\right)}=\frac{K\mathrm{\ω}s}{s^2+K\mathrm{\ω}s+{\mathrm{\ω}}^2}\\ H_{\mathrm{\β}}\left(s\right)=\frac{u_{\mathrm{\β}}\left(s\right)}{u_a\left(s\right)}=\frac{K\mathrm{\ω}}{s^2+K\mathrm{\ω}s+{\mathrm{\ω}}^2}\end{array}\right.\\ \left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}=V_m\sin \mathrm{\θ}\\ u_{\mathrm{\β}}=-V_m\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.\end{array}---\left(4\right),$

其中，K为系统增益，ω为电网角频率，u_a为电网A相电压，u_α，u_β为产生的2路正交信号，θ为理论锁相角。

2路正交信号，u_α，u_β经过park变换得到u_q分量：

$u_q=u_{\mathrm{\α}}\·\cos \widehat{\mathrm{\θ}}+u_{\mathrm{\β}}\·\sin \widehat{\mathrm{\θ}}=V_m\sin \mathrm{\θ}\·\cos \widehat{\mathrm{\θ}}-V_m\cos \mathrm{\θ}\·\sin \widehat{\mathrm{\θ}}=V_m\sin (\mathrm{\θ}-\widehat{\mathrm{\θ}})---\left(5\right),$

其中，θ为理论锁相角，为实际锁相角，V_m为电网电压幅值。

令稳态时有所以δ趋于0，根据线性逼近原理，式(5)中u_q可处理为：

u_q＝V_mδ(6)，

式(6)表明如果将u_q基准信号设置为0，这样δ被控制趋近0，从而使得逼近θ。

最终可以获得线性处理后d-q变换同步锁相环闭环传递函数G_PLL(s)为：

$G_{PLL}\left(s\right)=\frac{\widehat{\mathrm{\θ}}\left(s\right)}{{\mathrm{\θ}}_{ref}\left(s\right)}=\frac{H_{PLL}\left(s\right)}{1+H_{PLL}\left(s\right)}---\left(7\right),$

对q轴分量做PI调节，PI调节器的输出与固有角频率相加得到输出角频率，再经过一个积分环节后得到最终的输出相位θ_grid，经过如上所述的负反馈调节，最终得到锁相环输出相位角与输入信号的完全同步，实现对电网电压的精确锁相。

以电网电压瞬时值的周期差值法为例进行说明。DSP每隔0.1ms存储一个数据后，例如sampleAU2[N],同时将此数据与上个周期存储的数据sampleAU1[N]作差并取绝对值，将差的绝对值与设定的阈值进行比较，当超过阈值时判断为故障。为了提高判断的可靠性，我们取连续三次出现超过阈值，才判断为故障。电网电压瞬时值周期差值法的原理相同。判断出现故障后，DSP马上在GPIO口处输出一个高电平表示故障信号。

由于电压瞬时值零点处值比较小，难以设定阈值进行判断，所以在用电压瞬时值周期差值法判断故障时，在电压零点附近一段范围内将屏蔽判断，然而电压变化率瞬时值在电压瞬时值过零点对应峰值，因此结合电压变化率周期差值法可以弥补电压瞬时值周期差值法在电压瞬时值过零点难以判断的缺点，电压变化率瞬时值在零点附近一段范围内也屏蔽判断，此范围内由电压瞬时值周期差值法进行判断，屏蔽方法是电压瞬时值的绝对值小于设设定值时，不进行电压瞬时值周期差值法判断，电压变化率瞬时值的绝对值小于设定值时，不进行电压变化率瞬时值周期差值法判断。

当采样点电网电压瞬时值不为0，且相邻两周期中该采样点电网电压瞬时值差值绝对值小于电网电压瞬时值阈值时，电网正常运行；

当采样点电网电压瞬时值不为0，且相邻两周期中该采样点电网电压瞬时值差值绝对值大于电网电压瞬时值阈值时，电网在该采样点故障；

当采样点电网电压瞬时值为0，电压变化率瞬时值不为0，且相邻两周期中该采样点电压变化率瞬时值差值绝对值小于电压变化率阈值时，电网正常运行；

当采样点电网电压瞬时值为0，电压变化率瞬时值不为0，且相邻两周期中该采样点电压变化率瞬时值差值绝对值大于电压变化率阈值时，电网在该采样点故障。

如图4所示，横坐标为时间t，纵坐标是电压V，单相电网与锁相角波形图，可以看到锁相的效果良好。如图5所示，横坐标为时间t，纵坐标是电压V，当电网电压发生欠压故障时，电压瞬时值周期差值法结合电压变化率周期差值法能够判断出欠压故障并能够输出故障信号。

综上所示：本发明利用周期差值法，在电网电压较小难以与设定阈值比较时，屏蔽电压瞬时值周期差值法判断，转而用电压变化率周期差值法进行故障判断；当电压变化率瞬时值在零点附近一段范围内，屏蔽电压变化率瞬时值周期差值法判断，电压瞬时值周期差值法进行故障判断，改善了现有技术在电网电压较小时难以确定故障的缺陷，解决了传统电网电压突变故障检测慢的问题。

Claims (3)

1.一种检测电网电压突变故障的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，采集电网电压瞬时值信号、电网电压变化率信号；

步骤2，以相同采样频率对相邻两周期的电网电压瞬时值信号、电压变化率信号进行采样，得到相邻两周期各采样点的电网电压瞬时值、电压变化率瞬时值；

步骤3，利用周期差值法求得相邻两周期各采样点的电网电压瞬时值的差值、电压变化率瞬时值的差值，确定各采样点类型，再根据采样点类型进而判定电网运行情况：

当采样点电网电压瞬时值不为0，且相邻两周期中该采样点电网电压瞬时值差值绝对值大于电网电压瞬时值阈值时，电网在该采样点故障；

当采样点电网电压瞬时值为0，电压变化率瞬时值不为0，且相邻两周期中该采样点电压变化率瞬时值差值的绝对值大于电压变化率阈值时，电网在该采样点故障；

当采样点电网电压瞬时值不为0，且相邻两周期中该采样点电网电压瞬时值差值绝对值小于电网电压瞬时值阈值时，电网正常运行；

当采样点电网电压瞬时值为0，电压变化率瞬时值不为0，且相邻两周期中该采样点电压变化率瞬时值差值绝对值小于电压变化率阈值时，电网正常运行。

2.根据权利要求1所述的一种检测电网电压突变故障的方法，其特征在于：所述采样点的电网电压瞬时值差值绝对值连续大于电网电压瞬时值阈值N次时，判定电网在该采样点故障，N为大于2的整数。

3.根据权利要求1或2所述的一种检测电网电压突变故障的方法，其特征在于：所述采样点电压变化率瞬时值差值的绝对值大于电压变化率阈值M次时，判定电网在该采样点故障，M为大于2的整数。