CN104374988A - 一种考虑相位跳变的电压暂降分类方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑相位跳变的电压暂降分类方法，包括以下步骤：步骤1：由暂降录波数据得到三相电压幅值以及相位角，得到三相相量并作相量图；步骤2：由步骤1中得到的各相电压情况得到暂降信息，分别判断三相电压是否发生暂降，由得到的电压相位角分别计算三相相位跳变值；步骤3：利用步骤2得到的暂降信息，根据分类方法得到分类结果。本发明方法应用在电压暂降分类上，可以解决以往电压暂降分类方法中忽略相位跳变的缺陷，更符合电力系统的真实情况，针对对相位跳变较敏感的电力设备制定评估标准、抑制措施均有一定的参考价值。

Description

一种考虑相位跳变的电压暂降分类方法

技术领域

本发明属电能质量分析技术领域，特别是涉及考虑相位跳变的电压暂降分类方法。

背景技术

电压暂降是指由于电力系统短路故障、大型电机启动、变压器励磁涌流等原因造成的电压均方根值短时间内突然下降的电能质量事件。

进行电压暂降对敏感设备影响的分析与评估，并采取经济性能较好的措施减缓电压暂降的影响，已成为国内外相关部门研究的重点，而在此之前必须要正确认识电压暂降特性，了解电压暂降类别。以往的研究中，研究人员更加注重于对暂降幅值以及暂降持续时间的分析。考虑到发生暂降时往往会伴随着相位跳变，在暂降传播过程中也会带来相位跳变值的变化，并且越来越多的研究表明很多敏感设备会受相位跳变的影响。例如可调速装置对相位跳变非常敏感，相位跳变会导致其误动作；电压暂降过程中的相位跳变还会使直流调速装置中的可控换流器触发失败，使交流调速装置电压和电流的不对称性恶化进而可能导致其过电流保护误动作。为此，在电压暂降分析中应考虑相位跳变的影响。

引起电压暂降的重要原因之一是电力系统故障。以往的电压暂降分类方法根据系统故障类型、暂降在不同电压等级之间传递规律以及负荷连接方式将电压暂降分为7类。但以往分类方法并未将相位跳变考虑在内，这并不符合电力系统的真实情况，以往分类方法对应于本发明分类方法相位跳变为零时的情况。在电力系统中由于技术以及资金等问题，使得电能质量监测设备不能普遍应用于所有的节点，如图1中仅N2节点安装电能质量监测设备，因此根据N2节点得到的数据进而得到其他带有敏感负荷节点的电压暂降类型是非常重要的。以往的电压暂降分类方法忽略相位的跳变，通过类推得到的其他节点(如N1)暂降类型中不包括相位跳变信息，因此对于对相位跳变较为敏感的负荷的敏感性评估是非常不准确的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑相位跳变的电压暂降分类方法，结合短路故障类型，在以往分类基础上将相位跳变考虑在内，提出更一般化的电压暂降分类方法，旨在应用在电压暂降分类上，以解决以往电压暂降分类方法中忽略相位跳变的缺陷，具体步骤如下：

步骤1：由暂降录波数据得到三相电压幅值U_A、U_B、U_C，以及相位角 得到三相相量并作相量图。

步骤2：由步骤1中获得的各相电压情况得到暂降信息：判断三相电压是否发生暂降，若0.1≤U≤0.9，U为暂降幅值，则发生电压暂降；由得到的电压相位角分别计算三相相位跳变值β_A、β_B、β_C，相位跳变值计算公式为其中为暂降前过零点相位角，为暂降过程中过零点相位角。

步骤3：利用步骤2得到的暂降信息，根据本发明提出的分类方法得到分类结果。

其中，步骤2中暂降信息包括：是否发生暂降，暂降幅值U、相位角和相位跳变值β。幅值U范围为0≤U≤1，对三相电压幅值分别采用U_A、U_B、U_C表示；相位角范围为对三相电压分别采用表示；相位跳变值β范围为-180°≤β＜180°，对三相电压分别采用β_A、β_B、β_C表示。

步骤2中判断是否发生暂降方法如下：

记电压幅值为U，根据美国电气和电子工程师协会(IEEE)对电压暂降幅值的定义：当0.1≤U≤0.9时，可认为发生电压暂降。

步骤2中计算相位跳变值方法如下：

记为相位角，相位跳变值可由计算暂降前过零点相位角和暂降过程中过零点相位角的差值得到，定义β为相位跳变值，计算公式为由于暂降过程中电压的畸变或振荡影响，暂降起始位置电压可能出现频繁过零现象，致使暂降起始位置电压相邻过零点之间差值的最大值小于0.02个周波即4×10^-4s，因此计算相位跳变时需要进行以下步骤判别：

子步骤201：求解暂降过程中电压过零点时间，将所有的过零点依次编号为k_i,其中i＝1,2……n,n为暂降过程中电压过零点次数，变量j＝0,1；

子步骤202到204：利用循环判别电压暂降起始位置是否存在频繁过零现象，其中：

子步骤202：变量初始化以及求解暂降起始后第二个过零点与第一个过零点时间差，设j＝0、i＝0,求解k₂-k₁,若k₂-k₁＜4×10^-4，则设i＝1；

子步骤203：判断第i+1个过零点是否为高频过零点，求解k_i+1-k_i,若k_i+1-k_i＜4×10^-4，则设i＝i+1，否则设i＝i+1、j＝1；

子步骤204：判断j＝1是否成立，若成立则表明找到了第一个非频繁过零点，进行子步骤205，否则进行子步骤203；

子步骤205：计算相位跳变的暂降过程中过零点相位角

子步骤206：计算相位跳变值β，

步骤3包括如下步骤：

子步骤301：输入三相暂降信息；A相电压幅值U_A、相位角、相位跳变值β_A，B相电压幅值U_B、相位角、相位跳变值β_B，C相电压幅值U_C、相位角、相位跳变值β_C；

子步骤302：判断三相电压是否对称：判断U_A＝U_B＝U_C、以及 是否均成立，若均成立则为类型A，其由三相短路故障引起；若不成立则进行子步骤303；

子步骤303：判断是否仅一相发生暂降：判断0.1≤U_A≤0.9、0.1≤U_B≤0.9、0.1≤U_C≤0.9中是否有且仅有一个关系满足，若满足前述条件则为类型B，其由单相短路故障引起；若不满足则进行子步骤304；

子步骤304：判断其中一相是否无相位跳变：判断β_A＝0、β_B＝0、β_C＝0中是否有且仅有一个关系成立，若成立则进行子步骤305；如不成立则进行子步骤309；

子步骤305：判断无跳变相是否暂降：若子步骤304中β_A＝0成立，则判断0.1≤U_A≤0.9是否成立，若均成立则进行子步骤306；若不成立则进行子步骤307；

子步骤306：判断另两相是否发生相位跳变：判断β_B＝0或β_C＝0是否成立，若成立则为类型E，其由两相接地故障引起；若不成立则为类型C，其由两相短路故障以及类型B暂降经过类型3变压器引起；

子步骤307：判断另两相相位跳变值是否相等：判断β_B＝β_C是否成立，若成立则进行子步骤308；若不成立则为类型C，其来源为类型C暂降经过类型2变压器引起；

子步骤308：判断另两相相位跳变值差是否小于120°：判断是否成立，若成立则为类型F，其为类型E暂降经过类型3变压器引起；若不成立则为类型G，其为类型E暂降经过变压器2得到；

子步骤309：判断故障相相量差是否平行于虚轴，平行于虚轴：若B、C相为故障相，则判断是否成立，若成立则为类型D，其为类型B暂降经过类型2变压器引起；若不成立则进行子步骤310；

子步骤310：判断故障相相位差是否小于120°：判断是否成立，若成立则为类型F，其为类型E暂降经过类型3变压器引起；若不成立则为类型G，其为类型E暂降经过变压器2得到。

本发明在现有技术的电压暂降分类方法基础上，将相位跳变考虑其中，提出更一般化的分类方法。本发明的效果在于此分类方法可以适用于存在相位跳变的电压暂降的分析，更符合电力系统的真实情况，并便于分析相位跳变对敏感设备的影响。

附图说明

图1是网络拓扑图

图2是本发明分类方法流程图

图3是本发明分类方法的分类结果图

图4是相位跳变计算原理图

图5是电压频繁过零示意图

图6是相位跳变计算示意图

图7是分类方法具体实现流程图

图8是两相相量差平行于虚轴示意图

图9是考虑相位跳变的电压暂降分类方法G类型电压相量图

图10是考虑相位跳变的电压暂降分类方法E类型电压相量图

图11是不考虑相位跳变的电压暂降分类方法E类型电压相量图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对发明进一步详细描述。

本发明的技术方案流程图如图2所示。基于以往分类方法，本发明将相位跳变考虑其中的分类方法可归结为图3。图3中涉及的类型2变压器以及类型3变压器分别对应于传递矩阵T₂以及T₃。

T₂：去掉零序电压的变压器，变压器二次侧电压等于一次侧电压减去零序分量。属于该类型的变压器有单边或两边都不接地的Yy接线变压器、Dd接线和Dz接线变压器。其电压传递矩阵可表示为：

$T_2=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\end{array}\right]$

T₃：线电压与相电压互换的变压器，变压器二次侧电压等于两个一次侧电压的差。Dy、Yd接线和Yz接线变压器属于该类型变压器。其电压传递矩阵可表示为：

$T_3=\frac{j}{\sqrt{3}}\left[\begin{array}{ccc}0& 1& -1\\ -1& 0& 1\\ 1& -1& 0\end{array}\right]$

本发明的具体步骤如下：

步骤1：由暂降录波数据得到三相电压幅值U_A、U_B、U_C，以及相位角 ，得到三相相量，并作相量图。

步骤2：由步骤1中得到的各相电压情况得到暂降信息，判断三相电压是否发生暂降，若0.1≤U≤0.9，U为暂降幅值，则发生电压暂降；由得到的电压相位角分别计算三相相位跳变值β_A、β_B、β_C，相位跳变值计算公式为其中为暂降前过零点相位角，为暂降过程中过零点相位角。

其中利用幅值判断是否发生暂降，若0.1≤U≤0.9，则发生电压暂降；计算相位跳变值方法如下：如图4所示，记为相位角，相位跳变值可由计算暂降前过零点相位和暂降过程中过零点相位的差值得到，定义β为相位跳变值，计算公式为。但在电压暂降起始位置可能出现了电压频繁过零现象，如图5，为此可采用以下子步骤进行判断，如图6：

子步骤201：求解暂降过程中电压过零点时间，将所有的过零点依次编号为k_i,其中i＝1,2……n,n为暂降过程中电压过零点次数，变量j＝0,1。

子步骤202：变量初始化以及求解暂降起始后第二个过零点与第一个过零点时间差，设j＝0、i＝0,求解k₂-k₁,若k₂-k₁＜4×10^-4，则设i＝1，否则进行子步骤203；

子步骤203：判断第i+1个过零点是否为高频过零点，求解k_i+1-k_i,若k_i+1-k_i＜4×10^-4，则设i＝i+1，否则设i＝i+1、j＝1；

子步骤204：判断j＝1是否成立，若成立则表明找到了第一个非频繁过零点，进行子步骤205，否则进行子步骤203；

子步骤205：计算相位跳变的暂降过程中过零点相位角，其中

子步骤206：计算相位跳变值β，

步骤3：如图7，利用步骤2得到的包含暂降判断结果、相位跳变角以及电压相量表达式的电压暂降信息，根据本发明提出的如下分类方法得到7种分类结果，具体计算步骤如下：

子步骤301：输入三相暂降信息：A相电压幅值U_A、相位角、相位跳变值β_A，B相电压幅值U_B、相位角、相位跳变值β_B，C相电压幅值U_C、相位角、相位跳变值β_C；

子步骤302：判断三相电压是否对称：判断U_A＝U_B＝U_C、以及 是否均成立，若均成立则为类型A，其由三相短路故障引起；若不成立则进行子步骤303；

子步骤303：判断是否仅一相发生暂降：判断0.1≤U_A≤0.9、0.1≤U_B≤0.9、0.1≤U_C≤0.9中是否有且仅有一个关系满足，若满足前述条件则为类型B，其由单相短路故障引起；若不满足则进行子步骤304；

子步骤304：判断其中一相是否无相位跳变：判断β_A＝0、β_B＝0、β_C＝0中是否有且仅有一个关系成立，若成立则进行子步骤305；如不成立则进行子步骤309；

子步骤305：判断无跳变相是否暂降：若子步骤304中β_A＝0成立，则判断0.1≤U_A≤0.9是否成立，若均成立则进行子步骤306；若不成立则进行子步骤307；

子步骤306：判断另两相是否发生相位跳变：判断β_B＝0或β_C＝0是否成立，若成立则为类型E，其由两相接地故障引起；若不成立则为类型C，其由两相短路故障以及类型B暂降经过类型3变压器引起；

子步骤307：判断另两相相位跳变值是否相等：判断β_B＝β_C是否成立，若成立则进行子步骤308；若不成立则为类型C，其来源为类型C暂降经过类型2变压器；

子步骤308：判断另两相相位跳变值差是否小于120°：判断是否成立，若成立则为类型F，其为类型E暂降经过类型3变压器引起；若不成立则为类型G，其为类型E暂降经过变压器2得到；

子步骤309：判断故障相相量差是否平行于虚轴如图8，图8中X轴为实轴，Y轴为虚轴，平行于虚轴：若B、C相为故障相，则判断是否成立，若成立则为类型D，其为类型B暂降经过类型2变压器引起；若不成立则进行子步骤310；

子步骤310：判断故障相相位差是否小于120°：判断是否成立，若成立则为类型F，其为类型E暂降经过类型3变压器引起；若不成立则为类型G，其为类型E暂降经过变压器2得到。

下面利用电能质量监测设备得到的实测波形对步骤2、3进一步加以说明。

子步骤201：通过对实测A相波形进行处理，得到波形的暂降过程中过零点分别为k₁＝0.98294，k₂＝0.98306，k₃＝0.98321，k₄＝0.98337，k₅＝0.98345，k₆＝0.993125，k₇＝1.003116，k₈＝1.01307,j＝0；

子步骤202：计算k₂-k₁＝1.2×10^-4＜4×10^-4成立，则设i＝1，j＝0；

子步骤203：求解k₃-k₂＝1.5×10^-4＜4×10^-4成立，则i＝i+1＝1+1＝2，j＝0；

子步骤204：判断j＝1不成立，则求解k₄-k₃＝1.6×10^-4＜4×10^-4成立，则i＝i+1＝2+1＝3，j＝0；

子步骤205：判断j＝1不成立，则求解k₅-k₄＝8×10^-5＜4×10^-4成立，则i＝i+1＝3+1＝4，j＝0；

子步骤206：判断j＝1不成立，则求解k₆-k₅＝9.675×10^-3＜4×10^-4不成立，则i＝i+1＝4+1＝5，j＝1；

子步骤207：判断j＝1成立，则表明找到了第一个非频繁过零点；

子步骤208：计算相位跳变的暂降过程中过零点相位角，其中

子步骤209：计算相位跳变值β，

对实测波形B、C相进行如上子步骤201到子步骤209，分别得到两相的相位跳变。

子步骤301：输入三相电压信息：A相电压幅值U_A＝0.88、相位角、相位跳变值β_A＝-5.85°，B相电压幅值U_B＝0.80、相位角、相位跳变值β_B＝12.55°，C相电压幅值U_C＝0.82、相位角、相位跳变值β_C＝8.04°；

子步骤302：判断U_A＝U_B＝U_C、以及均不成立，进行子步骤303；

子步骤303：判断是否仅一相发生暂降：判断0.1≤U_A≤0.9、0.1≤U_B≤0.9、0.1≤U_C≤0.9中是否有且仅有一个关系满足，不成立进行下一子步骤304；

子步骤304：判断其中一相是否无相位跳变：判断β_A＝0、β_B＝0、β_C＝0中是否有且仅有一个关系成立，不成立则进行下一子步骤305；

子步骤305：判断故障相相量差是否平行于虚轴，故障相为B、C相，计算 可知两者不相等，则进行下一子步骤306；

子步骤306：判断不成立，则为类型G，电压相量图如图9，其为类型E暂降经过变压器2得到。

利用本发明上述考虑相位跳变的分类方法经过推导得到图1中N1节点暂降类型为E，暂降信息中包含相位跳变信息，电压相量图如图10所示，若不考虑相位跳变分类方法的暂降类型E的相量图如图11所示。假设在N1节点上的敏感负荷为触发脉冲控制的电力电子装置，不会在示例中暂降幅值较小的暂降情况下出现非正常运行状况，但实际运行中却会在某些类似示例中幅值的暂降情况下出现非正常运行状况，究其原因，是如实例中较大的相位跳变引起的触发脉冲的非正常触发引起的，而采用以往的方法则不能得到N1节点相位跳变信息，从而无法进行敏感设备非正常运行状况的分析，所以采用本发明的分类方法更为合理。

以上结合附图对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化。因而，具体实施方式中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种考虑相位跳变的电压暂降分类方法，其特征在于，包括以下步骤:

步骤1：由暂降录波数据得到三相电压幅值U_A、U_B、U_C，以及相位角 得到三相相量并作相量图；

步骤2：由步骤1中得到的各相电压情况得到暂降信息，判断三相电压是否发生暂降，若0.1≤U≤0.9，U为暂降幅值，则发生电压暂降；由得到的电压相位角分别计算三相相位跳变值β_A、β_B、β_C，相位跳变值计算公式为其中为暂降前过零点相位角，为暂降过程中过零点相位角；

步骤3：利用步骤2得到的暂降信息，根据分类方法得到分类结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中计算相位跳变值包括以下步骤：

子步骤201：求解暂降过程中电压过零点时间，将所有的过零点依次编号为k_i,其中i＝1,2……n,n为暂降过程中电压过零点次数，变量j＝0,1；

子步骤202：变量初始化以及求解暂降起始后第二个过零点与第一个过零点时间差，设j＝0、i＝0,求解k₂-k₁,若k₂-k₁＜4×10^-4，则设i＝1，否则进行子步骤203；

子步骤203：判断第i+1个过零点是否为高频过零点，求解k_i+1-k_i,若k_i+1-k_i＜4×10^-4，则设i＝i+1，否则设i＝i+1、j＝1；

子步骤204：判断j＝1是否成立，若成立则表明找到了第一个非频繁过零点，进行子步骤205，否则进行子步骤203；

子步骤205：计算相位跳变的暂降过程中过零点相位角

子步骤206：计算相位跳变值β，

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：

子步骤301：输入三相暂降信息：A相电压幅值U_A、相位角相位跳变值β_A，B相电压幅值U_B、相位角相位跳变值β_B，C相电压幅值U_C、相位角相位跳变值β_C；

子步骤302：判断三相电压是否对称：判断U_A＝U_B＝U_C、以及 是否均成立，若均成立则为类型A，其由三相短路故障引起；若不成立则进行子步骤303；

子步骤303：判断是否仅一相发生暂降：判断0.1≤U_A≤0.9、0.1≤U_B≤0.9、0.1≤U_C≤0.9中是否有且仅有一个关系满足，若满足前述条件则为类型B，其由单相短路故障引起；若不满足则进行子步骤304；

子步骤304：判断其中一相是否无相位跳变：判断β_A＝0、β_B＝0、β_C＝0中是否有且仅有一个关系成立，若成立则进行子步骤305；如不成立则进行子步骤309；

子步骤305：判断无跳变相是否暂降：若子步骤304中β_A＝0成立，则判断0.1≤U_A≤0.9是否成立，若均成立则进行子步骤306；若不成立则进行子步骤307；

子步骤306：判断另两相是否发生相位跳变：判断β_B＝0或β_C＝0是否成立，若成立则为类型E，其由两相接地故障引起；若不成立则为类型C，其由两相短路故障以及类型B暂降经过类型3变压器引起；

子步骤307：判断另两相相位跳变值是否相等：判断β_B＝β_C是否成立，若成立则进行子步骤308；若不成立则为类型C，其来源为类型C暂降经过类型2变压器引起；

子步骤308：判断另两相相位跳变值差是否小于120°：判断是否成立，若成立则为类型F，其为类型E暂降经过类型3变压器引起；若不成立则为类型G，其为类型E暂降经过变压器2得到；

子步骤309：判断故障相相量差是否平行于虚轴，平行于虚轴：若B、C相为故障相，则判断是否成立，若成立则为类型D，其为类型B暂降经过类型2变压器引起；若不成立则进行子步骤310；

子步骤310：判断故障相相位差是否小于120°：判断是否成立，若成立则为类型F，其为类型E暂降经过类型3变压器引起；若不成立则为类型G，其为类型E暂降经过变压器2得到。