CN105021866B - 一种牵引变电所供电臂的谐波电流检测方法 - Google Patents
一种牵引变电所供电臂的谐波电流检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种牵引变电所供电臂的谐波电流检测方法，其步骤是：A分别通过采样和锁相环处理得到当前时刻n的上、下行供电臂的负载电流离散值iα(n)、iβ(n)和参考电压离散值uα(n)、uβ(n)；B计算供电臂等效电导Gp(n)；C获取自适应滤波器的线性等效电导G(n)；D根据参考电压离散值uα(n)、uβ(n)和线性等效电导G(n)，计算上、下行供电臂上的基波有功电流ip1α(n)，ip1β(n)；E将上、下行供电臂上的负载电流iα(n)、iβ(n)分别减去基波有功电流ip1α(n)，ip1β(n)，得到上、下行供电臂上的广义谐波电流icα(n)、icβ(n)；F根据计算出的残差信号e(n)和修正后的步长因子对自适应滤波器权系数w(n)进行更新；G令n＝n+1,重复A‑F步的操作,即可实时检测出牵引变电所上、下行供电臂上的广义谐波电流。该方法检测精度高、动态响应速度快。
Description
技术领域
本发明涉及一种牵引变电所供电臂的谐波电流检测方法，属于牵引供电系统的谐波电流检测技术领域。
背景技术
在电气化铁道牵引供电系统中，由于电力机车具有输出功率大、速度及负载状况变化频繁的特点，导致牵引电网功率因数低、谐波含量高、负序电流大，这不但产生了电能损耗，而且对公共电网及铁路沿线设备带来了严重的危害。作为一种有效地电能质量控制装置，有源电能质量调节器(APQC)得到了广泛的关注，其工作原理为：通过对牵引供电系统谐波电流的实时检测，控制逆变器产生一个大小相等、方向反相的谐波电流并注入到牵引供电系统中，从而实现牵引供电系统谐波污染的抑制。APQC谐波抑制性能的好坏主要依赖于谐波电流检测的实时性和精确性，因此谐波电流检测方法至关重要。目前，研究人员提出了多种方法来检测谐波电流。在众多谐波电流检测方法中，Fryze-Buchholz-Dpenbrock(FBD)法由于其结构简单、实时性好，且不限于三相系统，得到了广泛的应用。
FBD法根据负载电流与参考电压获取等效电导，从等效电导中分离出与基波有功电流相关的线性等效电导，计算获取基波有功电流，从负载电流中消去基波有功电流即得到广义谐波电流。
传统的FBD法见参考文献“电气化铁路中谐波、无功、负序电流的实时检测方法”(孙卓,姜新建,朱东起,电力系统自动化,2003,27(15):53-57.)。该方法将FBD法应用于牵引供电系统中，并验证了其可行性。然而，传统的FBD法检测效果与低通滤波器(LPF)的性能有很大关系。低通滤波器较小的截止频率能够获得很好地稳态检测精度，但其动态响应速度较慢；较大的截止频率能够获得较快的动态响应速度，但其稳态检测精度就会变差。因此，传统的FBD法在电流检测过程中存在动态响应速度和稳态检测精度之间的固有矛盾。
发明内容
本发明的发明目的就是提供一种牵引变电所供电臂的谐波电流检测方法，该方法具有检测精度高、动态响应速度快的特点。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种牵引变电所供电臂的谐波电流检测方法，其步骤如下：
A、信号采样
对牵引变电所上、下行供电臂上的负载电流进行采样分别得到当前时刻n的上、下行供电臂的负载电流离散值iα(n)、iβ(n)；通过锁相环处理获得与牵引变电所上、下行供电臂实际电压同相位的、当前时刻n的上、下行供电臂的参考电压离散值uα(n)、uβ(n)；其中下标α、β分别为上、下行供电臂的标号；
B、计算等效电导
根据当前时刻n的上、下行供电臂的负载电流离散值iα(n)、iβ(n)和参考电压离散值uα(n)、uβ(n)，计算当前时刻n牵引变电所供电臂的等效电导Gp(n)，
Gp(n)＝iα(n)uα(n)+iβ(n)uβ(n)
C、获取线性等效电导
将电流值为1的直流信号作为参考输入信号，通过最小均方算法的自适应滤波器得到线性等效电导G(n)，G(n)＝w(n)·1，其中，w(n)为自适应滤波器在当前时刻n的权系数，其初始值为零；
D、计算基波有功电流
根据步骤C中获取的线性等效电导G(n)，计算当前时刻n的牵引变电所上、下行供电臂上的基波有功电流ip1α(n)，ip1β(n)，
ip1α(n)＝G(n)uα(n)
ip1β(n)＝G(n)uβ(n)
E、获取谐波电流
将步骤A中获取的牵引变电所上、下行供电臂上的负载电流iα(n)、iβ(n)分别减去基波有功电流ip1α(n)，ip1β(n)，得到牵引变电所上、下行供电臂上的广义谐波电流icα(n)、icβ(n)，
icα(n)＝iα(n)-ip1α(n)
icβ(n)＝iβ(n)-ip1β(n)
F、自适应滤波器权系数更新
F1、计算自适应滤波器的残差信号
将步骤B中获取的当前时刻n牵引变电所供电臂的等效电导Gp(n)减去步骤C的线性等效电导G(n)，得到自适应滤波器的当前时刻n的残差信号e(n)，e(n)＝Gp(n)-G(n)；
F2、计算自适应滤波器的步长因子
对残差信号e(n)用牵引变电所供电臂等效电导Gp(n)的绝对值进行归一化处理，得到当前时刻n的归一化残差信号s(n)，s(n)＝e(n)/|Gp(n)|；
迭代计算出当前时刻n的归一化残差信号s(n)与前一时刻n-1的归一化残差信号s(n-1)的自相关估计p(n)，
p(n)＝βp(n-1)+(1-β)s(n)s(n-1)
其中，β为自相关估计遗忘因子，其取值范围为0.800～0.999；p(n)的初始值为0；
根据自相关估计p(n)的平方p2(n)，迭代计算出自适应滤波器在当前时刻n的步长因子μ(n)，
μ(n)＝αμ(n-1)+γp2(n)
其中，α为步长遗忘因子，其取值范围为0.800～0.999；γ为步长调整参数，其取值范围为0.001～0.050；μ(n)的初始值为0；
F3、步长因子的修正
对自适应滤波器在当前时刻n的步长因子μ(n)进行修正，得到修正后的步长因子
其中，μmax为步长因子μ(n)的上限值，其取值范围为0.1～1，μmin为步长因子μ(n)的下限值，其取值范围为0.001～0.010；
F4、自适应滤波器权系数更新
计算下一时刻n+1的自适应滤波器的权系数w(n+1)，
G、令n＝n+1,重复A至F步的操作,即可实时检测出牵引变电所上、下行供电臂上的广义谐波电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用自适应滤波器来替代传统FBD法原有的低通滤波器，通过采用变步长的最小均方(LMS)算法控制的自适应滤波器，根据误差信号的自相关估计调整LMS算法步长大小，在动态响应阶段，误差信号较大，根据变步长算法将产生较大的步长因子，加快了检测方法的动态响应速度；在稳态响应阶段，误差信号较小，根据变步长算法将产生较小的步长因子，提高了稳态检测精度。因此，本发明克服了传统的FBD法在电流检测过程中存在的动态响应速度和稳态检测精度之间的固有矛盾，能够同时获得较快的动态响应速度和较高的稳态检测精度，表现出了比传统的FBD法更好的检测效果。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是仿真实验中的负载电流波形。
图2是传统FBD法在低通滤波器截止频率f＝20Hz时检测出的基波有功电流。
图3是传统FBD法在低通滤波器截止频率f＝80Hz时检测出的基波有功电流。
图4是本发明检测出的基波有功电流。
具体实施方式
本发明的一种具体实施方式是：一种牵引变电所供电臂的谐波电流检测方法，其步骤如下：
A、信号采样
对牵引变电所上、下行供电臂上的负载电流进行采样分别得到当前时刻n的上、下行供电臂的负载电流离散值iα(n)、iβ(n)；通过锁相环处理获得与牵引变电所上、下行供电臂实际电压同相位的、当前时刻n的上、下行供电臂的参考电压离散值uα(n)、uβ(n)；其中下标α、β分别为上、下行供电臂的标号；
B、计算等效电导
根据当前时刻n的上、下行供电臂的负载电流离散值iα(n)、iβ(n)和参考电压离散值uα(n)、uβ(n)，计算当前时刻n牵引变电所供电臂的等效电导Gp(n)，
Gp(n)＝iα(n)uα(n)+iβ(n)uβ(n)
C、获取线性等效电导
将电流值为1的直流信号作为参考输入信号，通过最小均方算法的自适应滤波器得到线性等效电导G(n)，G(n)＝w(n)·1，其中，w(n)为自适应滤波器在当前时刻n的权系数，其初始值为零；
D、计算基波有功电流
根据步骤C中获取的线性等效电导G(n)，计算当前时刻n的牵引变电所上、下行供电臂上的基波有功电流ip1α(n)，ip1β(n)，
ip1α(n)＝G(n)uα(n)
ip1β(n)＝G(n)uβ(n)
E、获取谐波电流
将步骤A中获取的牵引变电所上、下行供电臂上的负载电流iα(n)、iβ(n)分别减去基波有功电流ip1α(n)，ip1β(n)，得到牵引变电所上、下行供电臂上的广义谐波电流icα(n)、icβ(n)，
icα(n)＝iα(n)-ip1α(n)
icβ(n)＝iβ(n)-ip1β(n)
F、自适应滤波器权系数更新
F1、计算自适应滤波器的残差信号
将步骤B中获取的当前时刻n牵引变电所供电臂的等效电导Gp(n)减去步骤C的线性等效电导G(n)，得到自适应滤波器的当前时刻n的残差信号e(n)，e(n)＝Gp(n)-G(n)；
F2、计算自适应滤波器的步长因子
对残差信号e(n)用牵引变电所供电臂等效电导Gp(n)的绝对值进行归一化处理，得到当前时刻n的归一化残差信号s(n)，s(n)＝e(n)/|Gp(n)|；
迭代计算出当前时刻n的归一化残差信号s(n)与前一时刻n-1的归一化残差信号s(n-1)的自相关估计p(n)，
p(n)＝βp(n-1)+(1-β)s(n)s(n-1)
其中，β为自相关估计遗忘因子，其取值范围为0.800～0.999；p(n)的初始值为0；
根据自相关估计p(n)的平方p2(n)，迭代计算出自适应滤波器在当前时刻n的步长因子μ(n)，
μ(n)＝αμ(n-1)+γp2(n)
其中，α为步长遗忘因子，其取值范围为0.800～0.999；γ为步长调整参数，其取值范围为0.001～0.050；μ(n)的初始值为0；
F3、步长因子的修正
对自适应滤波器在当前时刻n的步长因子μ(n)进行修正，得到修正后的步长因子
其中，μmax为步长因子μ(n)的上限值，其取值范围为0.1～1，μmin为步长因子μ(n)的下限值，其取值范围为0.001～0.010；
F4、自适应滤波器权系数更新
计算下一时刻n+1的自适应滤波器的权系数w(n+1)，
G、令n＝n+1,重复A至F步的操作,即可实时检测出牵引变电所上、下行供电臂上的广义谐波电流。
仿真实验：
为了验证本发明的有效性，进行了仿真实验，并与传统FBD法进行了对比。
该仿真实验中，系统采样频率为20KHz，采样时间为0.2s。非线性负载电流如图1所示，测得其总谐波畸变率(THD)分别为12.60％和13.09％。
按照以上实验条件，用本发明方法与传统FBD法进行谐波电流检测实验，其中，本发明方法中使用到的自适应算法参数已调至最优：β＝0.99，α＝0.99，γ＝0.001，μmax＝0.1，μmin＝0.001。
图2为传统FBD法在截止频率为20Hz时的检测结果，其基波有功电流波形大约在1.5个周期收敛，稳定后测得的总谐波畸变率分别为0.70％和0.66％。
图4为本发明方法检测出的基波有功电流波形，其收敛时间大约为0.5个周期，远优于图2传统FBD法的1.5个周期，收敛速度提高3倍。且本发明稳定后测得的总谐波畸变率分别为0.59％和0.54％，也优于传统FBD法的0.70％和0.66％。
图3为传统FBD法在截止频率为80Hz时检测结果，其基波有功电流波形大约在0.5个周期收敛，稳定后测得的总谐波畸变率分别为10.01％和8.25％。
本发明方法检测出的基波有功电流波形(图4)，其收敛速度与图3基本相同，但本发明方法的总谐波畸变率仅为0.59％和0.54％，远低于图3传统FBD法在截止频率为80Hz时的10.01％和8.25％。
总之，本发明方法有效克服了传统的FBD法在电流检测过程中存在的动态响应速度和稳态检测精度之间的固有矛盾，能够同时获得较快的动态响应速度和较高的稳态检测精度，表现出了比传统的FBD法更好的检测效果。
Claims (1)
1.一种牵引变电所供电臂的谐波电流检测方法，其步骤如下：
A、信号采样
对牵引变电所上、下行供电臂上的负载电流进行采样分别得到当前时刻n的上、下行供电臂的负载电流离散值iα(n)、iβ(n)；通过锁相环处理获得与牵引变电所上、下行供电臂实际电压同相位的、当前时刻n的上、下行供电臂的参考电压离散值uα(n)、uβ(n)；其中下标α、β分别为上、下行供电臂的标号；
B、计算等效电导
根据当前时刻n的上、下行供电臂的负载电流离散值iα(n)、iβ(n)和参考电压离散值uα(n)、uβ(n)，计算当前时刻n牵引变电所供电臂的等效电导Gp(n)，
Gp(n)＝iα(n)uα(n)+iβ(n)uβ(n)
C、获取线性等效电导
将电流值为1的直流信号作为参考输入信号，通过最小均方算法的自适应滤波器得到线性等效电导G(n)，G(n)＝w(n)·1，其中，w(n)为自适应滤波器在当前时刻n的权系数，其初始值为零；
D、计算基波有功电流
根据步骤C中获取的线性等效电导G(n)，计算当前时刻n的牵引变电所上、下行供电臂上的基波有功电流ip1α(n)，ip1β(n)，
ip1α(n)＝G(n)uα(n)
ip1β(n)＝G(n)uβ(n)
E、获取谐波电流
将步骤A中获取的牵引变电所上、下行供电臂上的负载电流iα(n)、iβ(n)分别减去基波有功电流ip1α(n)，ip1β(n)，得到牵引变电所上、下行供电臂上的广义谐波电流icα(n)、icβ(n)，icα(n)＝iα(n)-ip1α(n)
icβ(n)＝iβ(n)-ip1β(n)
F、自适应滤波器权系数更新
F1、计算自适应滤波器的残差信号
将步骤B中获取的当前时刻n牵引变电所供电臂的等效电导Gp(n)减去步骤C的线性等效电导G(n)，得到自适应滤波器的当前时刻n的残差信号e(n)，e(n)＝Gp(n)-G(n)；
F2、计算自适应滤波器的步长因子
对残差信号e(n)用牵引变电所供电臂等效电导Gp(n)的绝对值进行归一化处理，得到当前时刻n的归一化残差信号s(n)，s(n)＝e(n)/|Gp(n)|；
迭代计算出当前时刻n的归一化残差信号s(n)与前一时刻n-1的归一化残差信号s(n-1)的自相关估计p(n)，
p(n)＝βp(n-1)+(1-β)s(n)s(n-1)
其中，β为自相关估计遗忘因子，其取值范围为0.800～0.999；p(n)的初始值为0；
根据自相关估计p(n)的平方p2(n)，迭代计算出自适应滤波器在当前时刻n的步长因子μ(n)，
μ(n)＝αμ(n-1)+γp2(n)
其中，α为步长遗忘因子，其取值范围为0.800～0.999；γ为步长调整参数，其取值范围为0.001～0.050；μ(n)的初始值为0；
F3、步长因子的修正
对自适应滤波器在当前时刻n的步长因子μ(n)进行修正，得到修正后的步长因子
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其中，μmax为步长因子μ(n)的上限值，其取值范围为0.1～1，μmin为步长因子μ(n)的下限值，其取值范围为0.001～0.010；
F4、自适应滤波器权系数更新
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2015
- 2015-07-10 CN CN201510404334.XA patent/CN105021866B/zh active Active
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