CN104330616A - 一种电网交流电流有效值实时检测方法 - Google Patents

Abstract

一种电网交流电流有效值实时检测方法，从限流器的结构特点出发，通过检测电抗器电流瞬时值和电抗器电压瞬时值，采用导数法计算得到电网交流电流有效值。本发明只需要一个采样点就可以计算出电网交流电流有效值，而且避免了有效值计算过程中的电流求导所引入的干扰。本发明可靠性高、实时性强、故障判定速度快。

Description

一种电网交流电流有效值实时检测方法

技术领域

本发明涉及一种输配电网交流电流有效值实时检测方法，特别涉及一种基于限流器本征信号的输配电网交流电流有效值检测方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，社会对电力的需求不断增加，带动了电力系统的不断发展，单机和发电厂容量、变电所容量、城市和工业中心负荷不断增加，就使得电力系统之间互联，各级电网中的短路电流水平不断提高，短路故障对电力系统及其相连的电气设备的破坏性也越来越大。而且，在对电能的需求量日益增长的同时，人们对电能质量、供电可靠性和安全性等也提出了更高的要求。

短路故障检测的最直接方法就是线路交流电流有效值。文献“电力系统继电保护原理”(中国电力出版社)提出了一种两采样值积算法来求解电流电压有效值，需要的两个采样点间隔1/4工频；并且，提出了一种半周积分法，需要对瞬时值进行半个周期的积分运行。这两种方法采样点多、时间间隔长，难以实现有效值的实时计算。中国发明专利CN103149415A和CN102539892B提出的交流有效值检测方法都需要通过多采样点来求解交流电流、电压的有效值，难以实时化。文献“快速求取电压有效值和频率的一种新方法”(北京石油化工学院学报2007,15(4))提出了一种迭代法，需要通过三个采样点，通过多个高次乘方计算才能得到有效值，计算量大，给控制芯片(如DSP和单片机等)带来额外负担，难以满足实时性。文献“基于快速有效值算法的逆变器三环控制策略”(解放军理工大学学报，2010,11(4))提出了一种导数法，通过信号瞬时值和频率、瞬时值的导数来求解有效值，但导数非常容易受到外界干扰而发生较大的畸变，可能导致交流电流有效值偏差较大。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种电网交流电流有效值实时检测方法。

本发明采用的技术方案如下：

本发明电网交流电流有效值实时检测方法基于限流器本征信号，通过检测限流器的电抗器电流瞬时值和电抗器电压瞬时值，采用导数法计算得到电网交流电流有效值I₀：

$I_0=\sqrt{\frac{i_L^2+{(u_L/2\mathrm{\πfL})}^2}{2}}$

式中：i_L为电抗器电流瞬时值、u_L为电抗器电流瞬时值、L为电抗器电感、f为电网频率；

所述的电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到，电网频率f通过电网参数得到；电抗器电流瞬时值i_L通过电流传感器或电流互感器检测得到，电抗器电压瞬时值u_L通过电压传感器或电压互感器检测得到。

本发明只需要一个采样点就可以计算出电网交流电流有效值，避免了有效值计算过程中的电流求导所引入的干扰，该方法可靠性高、实时性强、故障判定速度快。

本发明电网交流电流有效值实时检测方法的原理如下：

假定线路电流瞬时值：

$i_L=I_0\sqrt{2}\cos (2\mathrm{\πft}+\mathrm{\Φ})---\left(1\right)$

上述表达式中，I₀为电网交流电流有效值，f表示电网频率，Ф表示电流相位角。

线路电流的导数：

$\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}=\frac{I_0\sqrt{2}}{2\mathrm{\πf}}\sin (2\mathrm{\πft}+\mathrm{\Φ})---\left(2\right)$

通过式(1)和式(2)整理可得：

$I_0=\sqrt{\frac{i_L^2+{(\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}/2\mathrm{\πfL})}^2}{2}}---\left(3\right)$

根据电抗器工作原理：

$u_L=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}$ 或 $\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}=u_L/L---\left(4\right)$

通过式(4)代入式(3)整理可得：

$I_0=\sqrt{\frac{i_L^2+{\left(u_L/2\mathrm{\πfL}\right)}^2}{2}}---\left(5\right)$

式(5)表明：通过检测电抗器电流瞬时值i_L、电抗器电压瞬时值u_L、电抗器电感L和电网频率f，可以实时计算电网交流电流有效值I₀。其中，电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到，电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L通过实时检测得到，即一次采样，通过计算便可得到电网交流电流的有效值。

本发明的电网交流电流有效值信号处理流程如下：

步骤1.1，实时采集电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L信号。电抗器电流瞬时值i_L通过电流传感器或电流互感器检测得到，电抗器电压瞬时值u_L通过电压传感器或电压互感器检测得到；

步骤1.2，将电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L信号数字化；电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L信号通过控制器的数字采集单元实时采集和进行数字化处理。控制器是单片机、或是DSP、或是PLC；

步骤1.3，对电抗器电流i_L和电抗器电压u_L信号的数字低通滤波处理；控制器的数据处理单元实现对电抗器电流i_L和电抗器电压u_L信号的数字低通滤波处理，避免杂散信号的干扰；

步骤1.4，输入电抗器电感L和电网频率f；电抗器电感L和电网频率f数值输入到控制器；

步骤1.5，计算交流电流有效值I₀；计算公式：

$I_0=\sqrt{\frac{i_L^2+{\left(u_L/2\mathrm{\πfL}\right)}^2}{2}}---\left(5\right)$

步骤1.6，输出交流电流有效值I₀。

本发明可应用于以下三种限流器：

1、包含有电抗器的限流器、且电抗器作为限流器的一部分串联接入电网。本发明通过检测电抗器电流瞬时值i_L、电抗器电压瞬时值u_L、电抗器电感L和电网频率f，可实时计算电网交流电流有效值。

由电压传感器或电压互感器检测该限流器电路的电抗器电压瞬时值u_L；

由电流传感器或电流互感器检测电网电流瞬时值i_L，即电抗器电流瞬时值。

电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到。

电网频率f通过电网参数得到。

通过式(5)实时计算电网交流电流有效值：

$I_0=\sqrt{\frac{i_L^2+{\left(u_L/2\mathrm{\πfL}\right)}^2}{2}}---\left(5\right)$

式(5)表明：通过检测电抗器电流瞬时值i_L、电抗器电压瞬时值u_L、电抗器电感L和电网频率f，可实时计算电网交流电流有效值。其中，电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到，电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L通过实时检测得到，即一次采样就可以得到电网电流的有效值，信号处理流程包括如图1所示的步骤1.1-1.6。

2、不包含电抗器的限流器，本发明通过给限流器FCL串联一个电抗器L实现交流电流有效值实时检测。限流器电路包括电抗器L和限流器FCL，电抗器L与限流器FCL串联。其中，限流器FCL是任何一种不包含电抗器的限流器，电抗器L连接在第一连接点A和第二连接点B之间，限流器FCL连接在第二连接点B与第三连接点D之间，交流电源Uac连接在第一连接点A与地之间，断路器SW和负载R_L串联后连接在第三连接点D与地之间构成短路故障限流器电路。

由电压传感器或电压互感器检测该限流器电路的电抗器电压瞬时值u_L；

由电流传感器或电流互感器检测电网电流瞬时值i_L，即电抗器电流瞬时值。

电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到。

电网频率f通过电网参数得到。

通过式(5)实时计算电网交流电流有效值：

$I_0=\sqrt{\frac{i_L^2+{\left(u_L/2\mathrm{\πfL}\right)}^2}{2}}---\left(5\right)$

式(5)表明：通过检测电抗器电流瞬时值i_L、电抗器电压瞬时值u_L、电抗器电感L和电网频率f，可实时计算电网交流电流有效值。其中，电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到，电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L通过实时检测得到，即一次采样就可以得到电网电流的有效值，信号处理流程包括如图1所示的步骤1.1-1.6。

3、串联谐振型限流器，本发明基于串联谐振型限流器的本征信号进行电网交流电流有效值实时检测。所述的串联谐振型限流器包括电抗器L、电容器C、晶闸管G和避雷器MOV。电抗器L与电容器C串联，晶闸管G和避雷器MOV分别与电容器C并联。电抗器L连接在第一连接点A和第二连接点B之间，电容器C、晶闸管G和避雷器MOV连接在第二连接点B与第三连接点D之间，交流电源Uac连接在第一连接点A与地之间，断路器SW和负载R_L串联后连接在第三连接点D与地之间构成短路故障限流器。

由电压传感器或电压互感器检测该串联谐振型限流器的电抗器电压瞬时值u_L；

由电流传感器或电流互感器检测电网电流瞬时值i_L，即电抗器电流瞬时值。

电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到。

电网频率f通过电网参数得到。

通过式(5)实时计算电网交流电流有效值：

$I_0=\sqrt{\frac{i_L^2+{\left(u_L/2\mathrm{\πfL}\right)}^2}{2}}---\left(5\right)$

式(5)表明：通过检测电抗器电流瞬时值i_L、电抗器电压瞬时值u_L、电抗器电感L和电网频率f，可实时计算电网交流电流有效值。其中，电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到，电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L通过实时检测得到，即一次采样就可以得到电网电流的有效值，信号处理流程包括如图1所示的步骤1.1-1.6。

基于本发明的串联谐振型限流器，也可以利用本发明电网交流电流有效值检测方法进行电容器电压有效值的实时检测。

由电压传感器或电压互感器检测该限流器电路的电容器电压瞬时值u_c；

由电流传感器或电流互感器检测电容器电流瞬时值i_c。

电容器电容C由限流器自身的设计参数得到。

电网频率f通过电网参数得到。

同理可得，电容器电压的计算方法：

$U_{c0}=\sqrt{\frac{u_c^2+{(i_c/2\mathrm{\πfC})}^2}{2}}---\left(6\right)$

式中，U_c0为电容器电压有效值，C为电容器电容；

式(6)表明：通过检测电容器电流瞬时值i_C和电容器电压瞬时值u_C、电容器电容C和电网频率f，实时计算电网交流电流有效值。电容器电容C由电容器自身的设计参数而得，电容器电流瞬时值i_C和电容器电压瞬时值u_C通过实时检测得到。即一次采样就实时计算电容器电压的有效值，信号处理流程为如图1所示的步骤1.1-1.6。

本发明的主要优点：

本发明所提出的基于限流器本征信号的交流电流有效值实时检测方法，从限流器的结构特点出发，通过电抗器电流瞬时值和电抗器电压瞬时值，只需要一个采样点就可以计算出电网交流电流有效值，并且，避免了有效值计算过程中的电流求导所引入的干扰，该方法可靠性高、实时性强、故障判定速度快，对电网故障电流实时和快速判定有非常重要的意义。

附图说明

图1为基于限流器本征信号的交流电流有效值信号处理流程图；

图2为本发明具体实施例1的一种不包含电抗器的限流器电路原理图；

图3为本发明具体实施例3的串联谐振型限流器的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明基于限流器本征信号的电网交流电流有效值实时检测方法，特别涉及输配电网的交流电流有效值实时检测方法。

本发明基于限流器的本征信号进行电网交流电流有效值实时检测。通过检测限流器的电抗器电流瞬时值和电抗器电压瞬时值，采用导数法计算得到电网交流电流有效值。本发明只需要一个采样点就可以计算出电网交流电流有效值，避免了有效值计算过程中的电流求导所引入的干扰，该方法可靠性高、实时性强、故障判定速度快。

本发明通过电压传感器或电压互感器检测限流器电路的电抗器电压瞬时值u_L。

通过电流传感器或电流互感器检测电网电流瞬时值i_L，即电抗器电流瞬时值。

本发明交流电流有效值实时检测的原理如下：

假定线路电流瞬时值：

$i_L=I_0\sqrt{2}\cos (2\mathrm{\πft}+\mathrm{\Φ})---\left(1\right)$

上述表达式中，I₀为电网交流电流有效值，f表示电网频率，Ф表示电流相位角。

线路电流的导数：

$\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}=\frac{I_0\sqrt{2}}{2\mathrm{\πf}}\sin (2\mathrm{\πft}+\mathrm{\Φ})---\left(2\right)$

通过式(1)和式(2)整理可得：

$I_0=\sqrt{\frac{i_L^2+{(\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}/2\mathrm{\πfL})}^2}{2}}---\left(3\right)$

根据电抗器工作原理：

$u_L=L\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}$ 或 $\frac{{\mathrm{di}}_L}{\mathrm{dt}}=u_L/L---\left(4\right)$

通过式(4)代入式(3)整理可得：

$I_0=\sqrt{\frac{i_L^2+{\left(u_L/2\mathrm{\πfL}\right)}^2}{2}}---\left(5\right)$

式(5)表明：通过检测电抗器电流瞬时值i_L、电抗器电压瞬时值u_L、电抗器电感L和电网频率f，可以实时计算电网交流电流有效值I₀。其中，电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到，电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L通过实时检测得到，即一次采样，通过计算便可得到电网交流电流的有效值。

本发明所提出的基于限流器本征信号的交流电流有效值实时检测原理，只需要通过一个采样点就可以得到交流电流有效值，并且，避免了有效值计算过程中的电流求导所引入的干扰，该方法可靠性高、实时性强、故障判定速度快。

图1所示为基于限流器本征信号的交流电流有效值信号处理流程：

步骤1.1，实时采集电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L信号。电抗器电流瞬时值i_L通过电流传感器或电流互感器检测得到，电抗器电压瞬时值u_L通过电压传感器或电压互感器检测得到；

步骤1.2，将电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L信号数字化；电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L信号通过控制器的数字采集单元实时采集和进行数字化处理。控制器是单片机、或是DSP、或是PLC；

步骤1.3，对电抗器电流i_L和电抗器电压u_L信号的数字低通滤波处理；控制器的数据处理单元实现对电抗器电流i_L和电抗器电压u_L信号的数字低通滤波处理，避免杂散信号的干扰；

步骤1.4，输入电抗器电感L和电网频率f；电抗器电感L和电网频率f数值输入到控制器；

步骤1.5，计算交流电流有效值I₀；计算公式：

$I_0=\sqrt{\frac{i_L^2+{\left(u_L/2\mathrm{\πfL}\right)}^2}{2}}---\left(5\right)$

步骤1.6，输出交流电流有效值I₀。

本发明可应用于以下三种限流器：

1、包含有电抗器的限流器、且电抗器作为限流器的一部分串联接入电网。本发明通过检测电抗器电流瞬时值i_L、电抗器电压瞬时值u_L、电抗器电感L和电网频率f，可实时计算电网交流电流有效值。

由电压传感器或电压互感器检测该限流器电路的电抗器电压瞬时值u_L；

由电流传感器或电流互感器检测电网电流瞬时值i_L，即电抗器电流瞬时值。

电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到。

电网频率f通过电网参数得到。

通过式(5)实时计算电网交流电流有效值：

$I_0=\sqrt{\frac{i_L^2+{\left(u_L/2\mathrm{\πfL}\right)}^2}{2}}---\left(5\right)$

式(5)表明：通过检测电抗器电流瞬时值i_L、电抗器电压瞬时值u_L、电抗器电感L和电网频率f，可实时计算电网交流电流有效值。其中，电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到，电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L通过实时检测得到，即一次采样就可以得到电网电流的有效值，信号处理流程包括如图1所示的步骤1.1-1.6。

2、不包含电抗器的限流器，其原理图如图2所示。本发明通过给限流器FCL串联一个电抗器L实现交流电流有效值实时检测。限流器电路包括电抗器L和限流器FCL，电抗器L与限流器FCL串联。其中，限流器FCL是任何一种不包含电抗器的限流器，电抗器L连接在第一连接点A和第二连接点B之间，限流器FCL连接在第二连接点B与第三连接点D之间，交流电源Uac连接在第一连接点A与地之间，断路器SW和负载R_L串联后连接在第三连接点D与地之间构成短路故障限流器电路。

由电压传感器或电压互感器检测该限流器电路的电抗器电压瞬时值u_L；

由电流传感器或电流互感器检测电网电流瞬时值i_L，即电抗器电流瞬时值。

电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到。

电网频率f通过电网参数得到。

通过式(5)实时计算电网交流电流有效值：

$I_0=\sqrt{\frac{i_L^2+{\left(u_L/2\mathrm{\πfL}\right)}^2}{2}}---\left(5\right)$

式(5)表明：通过检测电抗器电流瞬时值i_L、电抗器电压瞬时值u_L、电抗器电感L和电网频率f，可实时计算电网交流电流有效值。其中，电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到，电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L通过实时检测得到，即一次采样就可以得到电网电流的有效值，信号处理流程包括如图1所示的步骤1.1-1.6。

3、串联谐振型限流器，串联谐振型限流器的电路原理图如图3所示。本发明基于串联谐振型限流器的本征信号进行电网交流电流有效值实时检测。所述的串联谐振型限流器包括电抗器L、电容器C、晶闸管G和避雷器MOV。电抗器L与电容器C串联，晶闸管G和避雷器MOV分别与电容器C并联。电抗器L连接在第一连接点A和第二连接点B之间，电容器C、晶闸管G和避雷器MOV连接在第二连接点B与第三连接点D之间，交流电源Uac连接在第一连接点A与地之间，断路器SW和负载R_L串联后连接在第三连接点D与地之间构成短路故障限流器。

由电压传感器或电压互感器检测该限流器电路的电抗器电压瞬时值u_L；

由电流传感器或电流互感器检测电网电流瞬时值i_L，即电抗器电流瞬时值。

电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到。

电网频率f通过电网参数得到。

通过式(5)实时计算电网交流电流有效值：

$I_0=\sqrt{\frac{i_L^2+{\left(u_L/2\mathrm{\πfL}\right)}^2}{2}}---\left(5\right)$

式(5)表明：通过检测电抗器电流瞬时值i_L、电抗器电压瞬时值u_L、电抗器电感L和电网频率f，可实时计算电网交流电流有效值。其中，电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到，电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L通过实时检测得到，即一次采样就可以得到电网电流的有效值，信号处理流程包括如图1所示的步骤1.1-1.6。

基于本发明的串联谐振型限流器，也可以利用这种方法，进行电容器电压的实时检测。

由电压传感器或电压互感器检测该限流器电路的电容器电压瞬时值u_c；

由电流传感器或电流互感器检测电容器电流瞬时值i_c。

电容器电容C由限流器自身的设计参数得到。

电网频率f通过电网参数得到。

同理可得，电容器电压的计算方法：

$U_{c0}=\sqrt{\frac{u_c^2+{(i_c/2\mathrm{\πfC})}^2}{2}}$

式中，Uc0为电容器电压有效值，C为电容器电容；

式(6)表明：通过检测电容器电流瞬时值i_C和电容器电压瞬时值u_C、电容器电容C和电网频率f，实时计算电网交流电流有效值。电容器电容C由电容器自身的设计参数而得，电容器电流瞬时值i_C和电容器电压瞬时值u_C通过实时检测得到。即一次采样就实时计算电容器电压的有效值，信号处理流程为如图1所示的步骤1.1-1.6。

本发明基于限流器本征信号的交流电流有效值实时检测方法只需要通过一个采样点就可以得到交流电流有效值，并且，避免了有效值计算过程中的电流求导所引入的干扰，该方法可靠性高、实时性强、故障判定速度快。

Claims (6)

1.一种电网交流电流有效值实时检测方法，其特征在于：所述方法通过检测限流器的电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L，采用导数法计算得到电网交流电流有效值I₀：

$I_0=\sqrt{\frac{i_L^2+{(u_L/2\mathrm{\πfL})}^2}{2}}$

式中：i_L为电抗器电流瞬时值、uL为电抗器电流瞬时值、L为电抗器电感、f为电网频率；

所述的电抗器电感L由限流器自身的设计参数得到，电网频率f通过电网参数得到；电抗器电流瞬时值i_L通过电流传感器或电流互感器检测得到，电抗器电压瞬时值u_L通过电压传感器或电压互感器检测得到。

2.按照权利要求1所述的电网交流电流有效值实时检测方法，其特征在于：所述的检测方法包括以下步骤：

步骤1.1，实时采集限流器的电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L信号；

步骤1.2，对所采集的电抗器电流瞬时值i_L和电抗器电压瞬时值u_L信号进行数字化处理；

步骤1.3，对电抗器电流i_L和电抗器电压u_L信号的数字低通滤波处理；

步骤1.4，将电抗器电感L、电网频率f的数值输入到控制器；

步骤1.5，分析、计算电网交流电流有效值I₀；

步骤1.6，输出电网交流电流有效值I₀。

3.按照权利要求1或2所述的电网交流电流有效值实时检测方法，其特征在于：所述的限流器包含有电抗器，且电抗器作为限流器的一部分串联接入电网。

4.按照权利要求1或2所述的电网交流电流有效值实时检测方法，其特征在于：所述的限流器FCL不包含电抗器，通过给所述的限流器FCL串联电抗器L形成限流器电路；电抗器L连接在第一连接点A和第二连接点B之间，限流器FCL连接在第二连接点B与第三连接点D之间，交流电源Uac连接在第一连接点A与地之间，断路器SW和负载R_L串联后连接在第三连接点D与地之间。

5.按照权利要求1或2所述的电网交流电流有效值实时检测方法，其特征在于：所述的限流器为串联型谐振限流器；所述串联型谐振限流器包括电抗器L、电容器C、晶闸管G和避雷器MOV；电抗器L与电容器C串联，晶闸管G和避雷器MOV分别与电容器C并联；电抗器L连接在第一连接点A和第二连接点B之间，电容器C、晶闸管G和避雷器MOV连接在第二连接点B与第三连接点D之间，交流电源Uac连接在第一连接点A与地之间，断路器SW和负载R_L串联后连接在第三连接点D与地之间构成短路故障限流器。

6.按照权利要求5所述的电网交流电流有效值实时检测方法，其特征在于：所述的串联型谐振限流器电容器电压有效值的计算方法为：

$U_{c0}=\sqrt{\frac{u_c^2+{(i_c/2\mathrm{\πfC})}^2}{2}}$

式中，U_c0为电容器电压有效值，C为电容器电容,电网频率f；

通过检测电容器电流瞬时值i_C和电容器电压瞬时值u_C、电容器电容C和电网频率f，实时计算电网交流电流有效值；电容器电容C由电容器自身的设计参数而得，电容器电流瞬时值i_C和电容器电压瞬时值u_C通过实时检测得到。