CN104020340A

CN104020340A - 电能质量监测方法和装置

Info

Publication number: CN104020340A
Application number: CN201310064937.0A
Authority: CN
Inventors: 侯勇
Original assignee: Siemens Power Automation Ltd
Current assignee: Siemens Power Automation Ltd
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2033-02-28
Also published as: CN104020340B

Abstract

本发明提出了一种电能质量监测方法和装置。该电能质量监测方法包括：获取至少一个周波的电压或电流采样值；基于所获取的电压或电流采样值，计算出每半个周波的电压或电流均方根值；记录所述电压或电流均方根值。优选地，仅记录超出预定容限范围的电压或电流均方根值。由此，电能质量监测设备的数据记录量得以大幅降低。

Description

电能质量监测方法和装置

技术领域

本发明总体涉及电能质量监测方法和装置，尤其涉及一种能够降低数据存储容量的电能监测方法和装置。

背景技术

电能质量是指通过电网（例如公共电网）供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差120°。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在。由此，产生了电网运行、电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。

从不同角度观察，电能质量含义例如可以包括：

（1）电压质量：其以实际电压与理想电压的偏差，反映供电企业向用户供应的电能是否合格的概念。这个定义能包括大多数电能质量问题，但不能包括频率造成的电能质量问题，也不包括用电设备对电网电能质量的影响和污染。

（2）电流质量：其反映了与电压质量有密切关系的电流的变化，是电力用户除对交流电源有恒定频率、正弦波形的要求外，还要求电流波形与供电电压同相位以保证高功率因素运行。这个定义有助于电网电能质量的改善和降低线损，但不能概括大多数因电压原因造成的电能质量问题。

为了分析得到电压质量或电流质量，一般需要对供电网中的电压和电流进行采样，同时将监测到的电压和电流数据保存下来，以供电能质量分析。为了确保电能质量分析的可靠性和准确性，电能质量监测中一个重要的环节就是以固定的时间周期持续记录监测到的电压或电流值。例如，记录每个周期的电压或电流采样数据，或者每1分钟、每个小时的电压或电流采样数据。假设以625微秒对50Hz的电力线的单相进行采样，则每个周期得到32个采样点。若记录连续10秒的数据，则需记录16K个采样点数据，也就是例如16K*4字节=64K字节的数据。如此，如果记录一天24小时的数据，则数据量将达到552M字节。这就需要电能质量监测设备具有相当的存储容量，但这一点对于大多数电能质量监测设备而言是很难达到的。

同时，如果记录每个采样点的数据，一旦因例如电压暂停或电压（电流）的涨落而导致记录数据超出预定的记录范围，则所记录的数据将自此失效，或者得到不准确的记录数据。为了解决这一问题，现有的一种方式是进一步缩小数据记录间隔以得到更多或更为准确的数据。但是，这种方案给电能质量监测设备的存储容量提出了更高的要求。另一种方案是在出现超出范围的无效数据时记录这一事件并在数据记录中标记无效数据。但是，这种方法的缺点是因无效数据的存在连续的采样数据将会出现中断，并不利于电能质量的分析。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种电能质量监测方法，其能够记录连续的反应电流或电压变化的数据，以供电能质量分析。

根据本发明一个实施例，本发明提出的用于电能质量监测的方法，包括：获取至少一个周波的电压或电流采样值；基于所获取的电压或电流采样值，计算出每半个周波的电压或电流均方根值；记录所述计算出的电压或电流均方根值。

在本发明一个实施例中，优选地，记录所述每半个周波电压或电流均方根值的步骤还包括：判断当前计算出的电压或电流均方根值与半个周波前的电压或电流均方根值之差是否超出一个预定的容限；如果当前计算出的电压或电流均方根值与半个周波前的电压或电流均方根值之差超出所述预定的容限，则记录当前计算出的电压或电流均方根值。

在本发明另一个实施例中，更为优选地，所述预定的容限为至少第一容限和第二容限中之一，且所述第一容限大于所述第二容限，以及记录所述电压或电流均方根值的步骤还包括：判断当前计算出的电压或电流均方根值与额定的电压或电流值之差是否超出一个预定的容限阈值；如果当前计算出的电压或电流均方根值与额定的电压或电流值之差超出所述预定容限阈值，则所述预定的容限为第一容限，否则所述预定容限为第二容限，其中所述预定的容限阈值大于所述第一容限和第二容限中任一。优选地，所述预定的容限阈值为额定的电压或电流均方值的8%～12%。更为优选地，所述第一容限是第二容限的两倍。尤为优选地，所述预定容限为1%～6%。

在本发明又一个实施例中，用于电能质量监测的装置包括：采样模块，用于获取至少一个周波的电压或电流采样值；计算模块，其基于所获取的电压或电流采样值，计算出每半个周波的电压或电流均方根值；记录模块，用于记录计算模块计算出的电压或电流均方根值。

优选地，记录模块还包括：第一判断模块，用于判断当前计算出的电压或电流均方根值与半个周波前的电压或电流均方根值是否超出一个预定的容限；记录子模块，在所述第一判断模块判断出当前计算出的电压或电流均方根值与半个周波前的电压或电流均方根值之差超出所述预定的容限时，记录当前计算出的电压或电流均方根值。

更为优选地，所述预定的容限为至少第一容限和第二容限中之一，且所述第一容限大于所述第二容限，以及所述记录模块还包括：第二判断模块，用于判断当前计算出的电压或电流均方根值与额定的电压或电流值之差是否超出一个预定的容限阈值；确定模块，如果判断出当前计算出的电压或电流均方根值与额定的电压或电流值之差超出所述预定的阈值，则所述预定的容限为第一容限，否则所述预定容限为第二容限，其中所述预定的容限阈值大于所述第一容限和第二容限中任一。

参考以下结合附图对本发明各实施例的详细描述，本发明的上述方面和优点将会更加清晰明了。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1示出了电压均方根的计算方式的示意图；

图2示出了每半个周波（瞬时半周波）电压均方根的计算方式的示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的电能质量监测方法的流程图；

图4示出了根据本发明另一个实施例的电能质量监测方法的流程图；

图5是采用图4所示的电能质量监测方法得到的记录数据的示意图；

图6示出了根据本发明又一个实施例的电能质量监测方法的流程图；

图7是采用图6所示的电能质量监测方法得到的记录数据的示意图；

图8是根据本发明一个实施例的电能质量监测装置的结构框图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

在本发明一个实施例中，电能质量监测装置不再记录电流或电压的采样值，转而仅记录电压或电流的均方根值，由此可较为有效地减少出于电能质量分析目的而记录的数据量。以下将以记录电压数据为例来描述本发明所提出的解决方案。但是，本领域技术人员可以理解的，以下方案同样可以应用于电流数据的记录中。

图1示意性地示出供电线路中单相的电压波形，以及电压均方根值（Urms）的计算方法。在图1中，纵坐标为采样到的电压值，图中用x(t)表示，横坐标为时间轴，单位为秒(S)。如图1所示，电压的均方根值Urms（即图1中的y(t)）为电压采样值x(t)的平方在整个周期T内积分后除以周期时长T后的平方根。电压的均方根值Urms亦称为有效电压。Urms的幅值变化足以反映电压波形的变化，也就是电压的状态变化。这里所述的电压状态变化是指电压值从一个稳定的幅值变化状态变迁到一个新的状态。这里状态也可以指在幅值上以恒定的比率增加或减少的变化状态。

在本发明的实施例中，为了进行电能质量分析，所记录的是每半个周波的Urms。图2示意性地示出了上述每半个周波的Urms的定义。图2示出了至少两个周期的正弦电压波形。同时，图2也示出了与该电压波形对应的每半个周波的Urms，图中用“x”表示。图中左起第三到第五个“x”所指示的Urms可以分别以与之对应的第n个1/2Urms表示。在图2中，第n个1/2Urms所指示的范围为用于计算该相应Urms所使用的采样数据的范围。例如，第一个x点（1^st）的值是在第一个1/2Urms（即图中的1^st1/2Urms）指示的周期内按照图1所示的公式计算出来的。第二个x点(2^nd)的值是在第二个1/2Urms（即图中的2nd1/2Urms）指示的周期内按照图1所示的公式计算出来的。2^nd1/2Urms比1^st1/2Urms错后半个周期。换言之，如果2^nd1/2Urms所指示的范围为当前周期Cur，则1^st1/2Urms为半个周波前（Pre）。的Urms。如此，按照图2所示的范围可以依次计算出每半个周波的Urms，即图2中“x”点。x点构成的曲线描述了电压的变化趋势。

图3示出了根据本发明一个实施例的电能质量监测方法的流程图。如图3所示，该流程从步骤S310开始。在步骤S310中，电能质量监测设备获取电压采样值，所获得的电压采样值至少包括一个周波的采样值。进而，在步骤S320中，按照图1所示的公式计算出当前周期的1/2Urms。然后，在步骤S330中在存储装置中记录下该1/2Urms。然后，流程可以返回到步骤S310继续获得至少下半个周波的采样值，从而按照图2所示的方式计算出下一个半周波的Urms。

采用如图3所示的方法，由于仅记录1/2Urms，所以所记录数据在时间上的间隔为半个周波，从而降低了记录数据的密度，即降低了记录的数据量。同时，由于记录的是1/2Urms，即使数据短时为零或者瞬间超出预定测量范围，所得到的Urms依然可以在记录范围之内。因此，所记录的数据与电压是否出现涨落或暂停无关，从而所记录的数据是连续的，且能够真实地反映实际的电压状态变化。

图4示出了根据本发明另一个实施例的电能质量监测方法的流程图。如图4所示，该流程中步骤S310和步骤S320与图3所示情况相同，这里不再赘述。在记录数据的步骤S430中，该流程进一步包括两个子步骤S431和S432。如图4所示，在步骤S431中，电能质量监测设备判断当前计算出的1/2Urms与半个周波前的1/2Urms之差是否超出了一个预定的容限T_L。例如，假设当前计算出的1/2Urms为图2中的2^nd1/2Urms，则电能质量监测设备求2^nd1/2Urms与1^st1/2Urms之差的绝对值，即图4所示的△1/2Urms。如果△1/2Urms大于预定的容限T_L（例如在1%～6%）则进入步骤S435，将当前计算的例如2^nd1/2Urms记录下来。否则，不进行记录，进而执行步骤S310，继续获取新的采样值，以计算下一个电压均方根值，例如图2中的3^rd1/2Urms。

图5示出了采用图4所示方法对出现涨落变化的电压波形进行监测和数据记录的结果。同样地，在图5中用“x”表示记录下来的Urms。如图5所示，仅记录下了发生变化的1/2Urms，所以所记录的数据量得以大幅减少。例如，如果电压稳定的情况下，例如一个小时、一天或一周内Urms变化均未超出容限T_L，则仅记录一个Urms值即可。同时，当电压幅值增加或下降时，图4所示的方法可以及时捕获到电压的变化，如图5波形中部所示。由此，图4所示的方法依赖于Urms的变化来记录例如电压波形的涨落、暂停等事件，从而所记录的数据始终是连续且可信的，而不会受到例如电压暂停等事件的干扰。

图6示出了根据本发明又一个实施例的电能质量监测方法的流程图。如图6所示，该流程中步骤S310和步骤S320与图3所示情况相同，这里不再赘述。记录数据的步骤S630与图3和图4所示的情况不同。如图6所示，在步骤S631中，电能质量监测设备判断当前计算出的1/2Urms与一个额定的电压值Unom之差是否超出了一个预定容限阈值Th。这里容限阈值Th的设定用于区分用户感兴趣的电压变化范围，以及不感兴趣的电压变化范围。例如，如果电压变化超出了阈值Th（Th例如为额定电压值的8%～12%，优选为10%），则数据用户不关心的电压变化范围，无需提供高分辨率的数据记录。相反，在该阈值以内电压变化则需要较高分辨率的数据记录，以便进行详细的分析。在本实施例中，假设当前计算出的1/2Urms与Unom之差的绝对值小于阈值Th，则行进到步骤S633，选择一个较小的容限T2作为容限T_L。相反，当前计算出的1/2Urms与Unom之差的绝对值大于阈值Th，则行进到步骤S632，选择一个较大的容限T1作为容限T_L。优选地，T1可以是T2的两倍。例如，如果容限T2为2.5%，则T1例如可以为大概5%。进而，在步骤S635中，根据所确定容限T_L，按照与图4中步骤S431相同的方式，确定是否需要记录当前的Urms。如果需要，则按照与图4类似的方式执行记录步骤S636，否则返回到步骤S310。

图7示出了采用图6所示方法对出现涨落变化的电压波形进行监测和数据记录的结果。同样地，在图7中用“x”表示记录下来的Urms。如图7所示，不仅仅记录下了发生变化的1/2Urms，而且在电压相对于额定电压变化幅度大的以更高的分辨率进行数据记录。由此，采用图6所示的方法可以在用户关心的变化范围内提供更多的数据记录，以便进行进一步的电能质量分析。

图3、图4和图6所示的方法可以采用软件来实现，也可以采用硬件或嵌入式编程来实现。图8示意性地示出了一种用于电能质量监测的装置（或称电能质量监测设备）的结构框图。如图8所示，电能质量监测设备包括采样模块810，用于获取至少一个周波的电压采样值；计算模块820，其基于所获取的电压采样值，计算出每半个周波的电压均方根值；记录模块830，用于记录计算模块计算出的电压或电流均方根值。

记录模块830可以有多种实现方式。可选地，记录模块830例如可以包括第一判断模块831和记录子模块832。其中，第一判断模块831用于判断当前计算出的电压均方根值与半个周波前的电压均方根值是否超出一个预定的容限。如果第一判断模块831判断出当前计算出的电压或电流均方根值与半个周波前的电压均方根值之差超出所述预定的容限，则记录子模块832记录当前计算出的电压均方根值。

可选地，记录模块830例如还可以包括第二判断模块833和确定模块834。其中，第二判断模块833用于判断当前计算出的电压均方根值与额定电压值之差是否超出一个预定的容限阈值。用于判断当前计算出的电压均方根值与半个周波前的电压均方根值是否超出一个预定的容限。如果第二判断模块833判断出当前计算出的电压均方根值与额定的电压值之差超出所述预定的阈值Th，则确定模块834将第一容限T1确定为预定的容限T_L，否则确定模块834将第二容限T2确定为所述预定容限T_L，其中所述预定的容限阈值Th大于所述第一容限T1和第二容限T2中任一。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例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，各实施例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。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

Claims

1.一种用于电能质量监测的方法，包括：

获取至少一个周波的电压或电流采样值；

基于所获取的电压或电流采样值，计算出每半个周波的电压或电流均方根值；

记录所述计算出的电压或电流均方根值。

2.如权利要求1所述的方法，其中，记录所述每半个周波电压或电流均方根值的步骤还包括：

判断当前计算出的电压或电流均方根值与半个周波前的电压或电流均方根值之差是否超出一个预定的容限；

如果当前计算出的电压或电流均方根值与半个周波前的电压或电流均方根值之差超出所述预定的容限，则记录当前计算出的电压或电流均方根值。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述预定的容限为至少第一容限和第二容限中之一，且所述第一容限大于所述第二容限，以及

记录所述电压或电流均方根值的步骤还包括：

判断当前计算出的电压或电流均方根值与额定的电压或电流值之差是否超出一个预定的容限阈值；

如果当前计算出的电压或电流均方根值与额定的电压或电流值之差超出所述预定容限阈值，则所述预定的容限为第一容限，否则所述预定容限为第二容限，

其中所述预定的容限阈值大于所述第一容限和第二容限中任一。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述预定的容限阈值为额定的电压或电流均方值的8%～12%。

5.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一容限是第二容限的两倍。

6.如权利要求2所述的方法，其中，所述预定容限为1%～6%。

7.一种用于电能质量监测的装置，包括：

采样模块，用于获取至少一个周波的电压或电流采样值；

计算模块，其基于所获取的电压或电流采样值，计算出每半个周波的电压或电流均方根值；

记录模块，用于记录计算模块计算出的电压或电流均方根值。

8.如权利要求7所述的装置，其中，记录模块还包括：

第一判断模块，用于判断当前计算出的电压或电流均方根值与半个周波前的电压或电流均方根值是否超出一个预定的容限；

记录子模块，在所述第一判断模块判断出当前计算出的电压或电流均方根值与半个周波前的电压或电流均方根值之差超出所述预定的容限时，记录当前计算出的电压或电流均方根值。

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述预定的容限为至少第一容限和第二容限中之一，且所述第一容限大于所述第二容限，以及

所述记录模块还包括：

第二判断模块，用于判断当前计算出的电压或电流均方根值与额定的电压或电流值之差是否超出一个预定的容限阈值；

确定模块，如果判断出当前计算出的电压或电流均方根值与额定的电压或电流值之差超出所述预定的阈值，则所述预定的容限为第一容限，否则所述预定容限为第二容限，其中所述预定的容限阈值大于所述第一容限和第二容限中任一。

10.如权利要求7所述的装置，其中，所述预定容限为1%～6%。