CN105137164A - 应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置，包括电压信号变换及预处理单元、数字信号处理单元、人机界面、数据通信接口、数据存储单元。其判断是否发生电压暂降现象的方法为：计算一个采样周期所采集到的电压和其前一周期所采集到的电压的电压差值，并将电压差值与所设定的电压暂降阈值进行比较，若电压差值超过电压暂降阈值，则当前采样周期开始发生电压暂降现象；若连续多个采样周期均发生电压暂降现象则判断发生电压暂降事件。本发明能够对电力系统中是否发生电压暂降进行在线监测，并能够在发生电压暂降时记录相关暂降特征量，从而能够为制定解决电压暂降问题的措施提供有效信息。

Description

应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置

技术领域

本发明属于电能质量检测技术领域，具体涉及一种对电力系统中是否发生电压暂降进行在线监测的装置。

背景技术

近20年来，随着计算机应用技术、自动化控制技术和大功率电力电子技术等高科技术的迅速发展，新型用电设备和各种电力电子设备在电力系统中大量的投入使用，它们对电力系统的干扰非常的敏感，比传统用电设备对电能质量的要求苛刻的多。不论系统处在正常稳态还是故障暂态，均需要保证幅值偏差很小的基波正弦电力的可使用性，即使是几个周期的电压暂降都将影响这些设备的正常工作，造成巨大的经济损失。在所有电能质量问题中，电压暂降出现频次较多、危害最大。电压暂降不同于非有意的突然断电，发生电压暂降时负载仍与供电系统相连，只是供电电压突然降得很低，加上持续时间很短，目前尚没有专门的瞬态检测仪器对其进行检测并确定原因。电压暂降已成为用户所面临的供电系统中的最重扰问题之一。同时，由电压暂降引发的客户投诉和经济纠纷，对供电企业的社会效益和经济效益产生了很大的负面影响。因此，实时在线监测电压暂降发生并计算暂降特征量，对于制定相应措施并抑制瞬时现象具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够对电压暂降进行在线检测并计算暂降特征量、以为电压暂降问题的解决童工有效信息的应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置，包括

电压信号变换及预处理单元，所述的电压信号变换及预处理单元与供电系统中的待检测位置相连接，所述的电压信号变换及预处理单元用于对电压进行周期采样并将采样得到的电压信号转换为数字信号；

数字信号处理单元，所述的数字信号处理单元与所述的电压信号变换及预处理单元相连接，所述的数字信号处理单元用于处理所述的电压信号变换及预处理单元输出的数字信号来判断是否发生电压暂降现象或电压暂降事件，并在发生所述的电压暂降事件时计算暂降特征量；

人机界面，所述的人机界面与所述的数字信号处理单元相连接，所述的人机界面用于向所述的数字信号处理单元中输入判断和计算所需的参数以及查看判断和计算结果；

数据通信接口，所述的数据通信接口与所述的数字信号处理单元相连接，所述的数据通信接口用于传输所述的数字信号处理单元的判断和计算结果；

数据存储单元，所述的数据存储单元与所述的数字信号处理单元相连接，所述的数据存储单元用于存储所述的数字信号处理单元的判断和计算结果。

所述的数字信号处理单元中采用的判断是否发生电压暂降现象的方法为：计算一个采样周期所采集到的电压和其前一周期所采集到的电压的电压差值，并将所述的电压差值与所设定的电压暂降阈值进行比较，若所述的电压差值超过所述的电压暂降阈值，则当前采样周期开始发生所述的电压暂降现象；若连续多个采样周期均发生所述的电压暂降现象则判断发生所述的电压暂降事件；当发生所述的电压暂降事件时，所述的数字信号处理单元记录所述的电压暂降事件的发生时刻、暂降深度、暂降持续时间；所述的数字信号处理单元将判断和计算结果分别输出至所述的人机界面进行显示、通过所述的数据通信接口传输给远程主站、存储至所述的数据存储单元中。

所述的数字信号处理单元中采用的判断是否发生电压暂降现象的方法还包括在发生电压暂降现象时判断是否伴随相位跳变，判断是否伴随相位跳变的方法为：计算一个采样周期所采集到的电压的相角和其前一周期所采集到的电压的相角的相角差值，并将所述的相角差值与所设定的相位跳变阈值进行比较，若所述的相角差值超过所述的相位跳变阈值，则发生所述的相位跳变；当发生所述的相位跳变时，所述的数字信号处理单元记录所述的相位跳变值。

每个所述的采样周期中，将当前采样周期采集到的电压和前一采样周期采集到的电压分别变换到dq旋转坐标系下得到电压的d轴分量和q轴分量，再根据所述的电压的d轴分量和q轴分量计算得到当前采样周期采集到的电压的有效值和前一采样周期采集到的电压的有效值，利用所述的电压的有效值计算所述的电压差值。

每个所述的采样周期中，将当前采样周期采集到的电压和前一采样周期采集到的电压分别变换到dq旋转坐标系下得到电压的d轴分量和q轴分量，再根据所述的电压的d轴分量和q轴分量计算得到当前采样周期采集到的电压的相角和前一采样周期采集到的电压的相角，再利用所述的相角计算所述的相角差值。

所述的电压信号变换及预处理单元包括依次相连接的电压互感器、A/D转换器、滤波电路和电压过零比较电路。

所述的数字信号处理单元包括DSP核心电路、电源复位电路和RTC电路。

所述的人机界面包括键盘和显示模块。

所述的数据通信接口为以太网接口和/或RS485接口。

所述的数据存储单元包括SARAM和FRAM。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够对电力系统中是否发生电压暂降进行在线监测，并能够在发生电压暂降时记录相关暂降特征量，从而能够为制定解决电压暂降问题的措施提供有效信息。

附图说明

附图1为本发明的电压暂降在线监测装置的原理框图。

附图2为本发明的电压暂降在线监测装置的工作流程图。

以上附图中：1、电压信号变换及预处理单元；2、数字信号处理单元；3、人机界面；4、数据通信接口；5、数据存储单元。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：如附图1所示，一种应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置，包括电压信号变换及预处理单元1、数字信号处理单元2、人机界面3、数据通信接口4以及数据存储单元5。

电压信号变换及预处理单元1用于对电压进行周期采样，并将采样得到的电压信号转换为数字信号，其与供电系统中的待检测位置，如变压器二次侧相连接。该电压信号变换及预处理单元1包括依次相连接的精度等级为0.1级的电压互感器、工业级高速16位A/D转换器、滤波电路和电压过零比较电路。通过电压互感器获得的电压信号经过A/D转换器转换为数字信号后，再经过滤波等处理后输出。

数字信号处理单元2是本装置的核心，其与电压信号变换及预处理单元1相连接，其功能在于：处理电压信号变换及预处理单元1输出的数字信号，从而判断是否发生电压暂降现象或电压暂降事件，并在发生电压暂降事件时计算暂降特征量，这里的暂降特征量包括电压暂降的发生时刻、暂降深度、相角跳变、暂降持续时间等。该数字信号处理单元2包括数字信号处理单元2包括高性能的32位浮点型DSP核心电路、电源复位电路和RTC电路。

人机界面3与数字信号处理单元2相连接，其用于向数字信号处理单元2中输入判断是否发生电压暂降现象或电压暂降事件和计算暂降特征量所需的参数，以及供现场操作人员查看判断和计算结果。故而人机界面3包括用于输入的键盘和用于显示的显示模块，其中，显示模块可以采用工业级液晶模块。

数据通信接口4与数字信号处理单元2相连接并能够连接远程主站或其他设备，从而用于传输数字信号处理单元2的判断和计算结果至远程主站或其他设备。通常，数据通信接口4为工业级以太网接口和/或RS485接口。

数据存储单元5与数字信号处理单元2相连接，包括SARAM和FRAM，其用于存储数字信号处理单元2的判断和计算结果。

上述应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置的工作步骤如下：

1、初始化：上电后，对硬件系统进行初始化，包括DSP核心电路、A/D转换器、液晶显示模块、实时时钟模块及FRAM存储器的初始化，根据需要监测的不同电压等级，从FRAM存储器中读取用户设置的监测点参数，如PT变比、接线方式、主站通信地址，完成对该装置的配置；同时启动电压信号变换及预处理单元1中的采集主程序。

2、数据采集：在第1步完成后，启动位于由电压互感器上接入本装置的测量通道上的频率测量功能和采样定时器，频率测量功能根据相邻两次捕获值计算得到电网周期，根据电网周期值设置采样定时器的定时周期，实现电压同步采样。

3、数据分析计算：在第2步完成后，得到电压采样值，数字信号处理单元2开始执行电压暂降检测程序，判断是否有电压暂降发生并计算暂降特征量。每当DSP核心电路获取到一个新的采样电压数据，就执行一次电压暂降检测程序，判断是否有暂降发生并检测暂降的特征量。

对于每一相电压，数字信号处理单元2进行判断和计算的过程如下：计算一个采样周期所采集到的电压和其前一周期所采集到的电压的电压差值，并将电压差值与所设定的电压暂降阈值进行比较，若电压差值超过电压暂降阈值，则当前采样周期开始发生电压暂降现象；若连续多个采样周期均发生电压暂降现象则判断发生电压暂降事件；当发生电压暂降事件时，数字信号处理单元2记录电压暂降事件的发生时刻、暂降深度、暂降持续时间；数字信号处理单元2将判断和计算结果分别输出至人机界面3进行显示、通过数据通信接口4传输给远程主站、存储至数据存储单元5中。

在判断出发生电压暂降现象的同时，还需判断是否伴随相位跳变。判断是否伴随相位跳变的方法为：计算一个采样周期所采集到的电压的相角和其前一周期所采集到的电压的相角的相角差值，并将相角差值与所设定的相位跳变阈值进行比较，若相角差值超过相位跳变阈值，则发生相位跳变；当发生相位跳变时，数字信号处理单元2记录相位跳变值。

具体的，每个采样周期中，将当前采样周期采集到的电压和前一采样周期采集到的电压分别变换到dq旋转坐标系下得到电压的d轴分量和q轴分量；根据电压的d轴分量和q轴分量计算得到当前采样周期采集到的电压的有效值和前一采样周期采集到的电压的有效值，利用电压的有效值计算电压差值；根据电压的d轴分量和q轴分量分别计算得到当前采样周期中采集的到的电压的相角和前一采样周期采集到的电压的相角，再利用相角计算相角差值。

上述方法的具体实施过程为：

a.根据得到的第k个电压采样值，利用公式：

$U_d\left(k\right)=(\frac{\sqrt{3}}{2}/sin(2*pi*m/N\left)\right)*(-sin(2*pi*s/N)*u_k+sin(2*pi*k/N)*u_s)---\left(1\right)$

$U_q\left(k\right)=(\frac{\sqrt{3}}{2}/sin(2*pi*m/N\left)\right)*(-cos(2*pi*s/N)*u_k+cos(2*pi*k/N)*u_s)---\left(2\right)$

计算得出变换到dq旋转坐标系下的d轴、q轴分量U_d(k)、U_q(k)。

其中：N—每个工频周期内的采样点数；

k—1，2…，N表示第k个采样值；

m—延时采样点数，

s—延时前采样点号，s＝k-m>0？k-m；k-m+N；

b.根据a中计算得到的U_d(k)、U_q(k)，利用公式：

$U_m\left(k\right)=\frac{\sqrt{3}}{3}\sqrt{U_d{\left(k\right)}^2+U_q{\left(k\right)}^2}---\left(3\right)$

$\mathrm{\Φ}\left(k\right)=\arctan \left(\frac{U_q\left(k\right)}{U_d\left(k\right)}\right)---\left(4\right)$

计算得到第k个电压采样点的有效值U_m(k)和相角Φ(k)；

c.对于第k+1个电压采样值，重复步骤a和b，得到U_m(k+1)和Φ(k+1)；

d.比较U_m(k+1)与U_m(k)、Φ(k+1)和Φ(k)，若|U_m(k+1)-U_m(k)|>ΔU，则认为在第k+1个电压采样点上发生了暂降，若同时|Φ(k+1)-Φ(k)|>ΔΦ，则电压暂降伴随相位跳变，其中ΔU和ΔΦ分别为设定的电压暂降阀值和相位跳变阀值；

e.若在连续n个采样点上均检测到暂降现象，则认为发生了电压暂降事件。此时记录发生时刻、暂降深度、相位跳变值，同时开启暂降持续时间计数，其中

$n=\frac{N}{2*m}---\left(5\right)$

4、数据存储和传输：存储电压暂降事件记录到非易失性存储器，主动向远程主站上报电压暂降事件记录，并周期性地扫描键盘与刷新液晶显示内容。当用户通过人机交互界面对系统参数进行了修改，DSP核心电路就要启动参数设置程序，并将修改后的参数保存至FRAM存储器中。

上述电压暂降在线监测装置可以实时在线监测电力系统从10KV到220KV各个等级的电压暂降问题，其以新型浮点DSP处理器为核心，采用改进的dq变换电压暂降检测算法，能够较强地抑制噪声干扰，受谐波畸变的影响小，在实际应用中取得了良好效果。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置，其特征在于：其包括

电压信号变换及预处理单元，所述的电压信号变换及预处理单元与供电系统中的待检测位置相连接，所述的电压信号变换及预处理单元用于对电压进行周期采样并将采样得到的电压信号转换为数字信号；

数字信号处理单元，所述的数字信号处理单元与所述的电压信号变换及预处理单元相连接，所述的数字信号处理单元用于处理所述的电压信号变换及预处理单元输出的数字信号来判断是否发生电压暂降现象或电压暂降事件，并在发生所述的电压暂降事件时计算暂降特征量；

人机界面，所述的人机界面与所述的数字信号处理单元相连接，所述的人机界面用于向所述的数字信号处理单元中输入判断和计算所需的参数以及查看判断和计算结果；

数据通信接口，所述的数据通信接口与所述的数字信号处理单元相连接，所述的数据通信接口用于传输所述的数字信号处理单元的判断和计算结果；

数据存储单元，所述的数据存储单元与所述的数字信号处理单元相连接，所述的数据存储单元用于存储所述的数字信号处理单元的判断和计算结果。

2.根据权利要求1所述的应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置，其特征在于：所述的数字信号处理单元中采用的判断是否发生电压暂降现象的方法为：计算一个采样周期所采集到的电压和其前一周期所采集到的电压的电压差值，并将所述的电压差值与所设定的电压暂降阈值进行比较，若所述的电压差值超过所述的电压暂降阈值，则当前采样周期开始发生所述的电压暂降现象；若连续多个采样周期均发生所述的电压暂降现象则判断发生所述的电压暂降事件；当发生所述的电压暂降事件时，所述的数字信号处理单元记录所述的电压暂降事件的发生时刻、暂降深度、暂降持续时间；所述的数字信号处理单元将判断和计算结果分别输出至所述的人机界面进行显示、通过所述的数据通信接口传输给远程主站、存储至所述的数据存储单元中。

3.根据权利要求2所述的应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置，其特征在于：所述的数字信号处理单元中采用的判断是否发生电压暂降现象的方法还包括在发生电压暂降现象时判断是否伴随相位跳变，判断是否伴随相位跳变的方法为：计算一个采样周期所采集到的电压的相角和其前一周期所采集到的电压的相角的相角差值，并将所述的相角差值与所设定的相位跳变阈值进行比较，若所述的相角差值超过所述的相位跳变阈值，则发生所述的相位跳变；当发生所述的相位跳变时，所述的数字信号处理单元记录所述的相位跳变值。

4.根据权利要求2所述的应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置，其特征在于：每个所述的采样周期中，将当前采样周期采集到的电压和前一采样周期采集到的电压分别变换到dq旋转坐标系下得到电压的d轴分量和q轴分量，再根据所述的电压的d轴分量和q轴分量计算得到当前采样周期采集到的电压的有效值和前一采样周期采集到的电压的有效值，利用所述的电压的有效值计算所述的电压差值。

5.根据权利要求3所述的应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置，其特征在于：每个所述的采样周期中，将当前采样周期采集到的电压和前一采样周期采集到的电压分别变换到dq旋转坐标系下得到电压的d轴分量和q轴分量，再根据所述的电压的d轴分量和q轴分量计算得到当前采样周期采集到的电压的相角和前一采样周期采集到的电压的相角，再利用所述的相角计算所述的相角差值。

6.根据权利要求1所述的应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置，其特征在于：所述的电压信号变换及预处理单元包括依次相连接的电压互感器、A/D转换器、滤波电路和电压过零比较电路。

7.根据权利要求1所述的应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置，其特征在于：所述的数字信号处理单元包括DSP核心电路、电源复位电路和RTC电路。

8.根据权利要求1所述的应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置，其特征在于：所述的人机界面包括键盘和显示模块。

9.根据权利要求1所述的应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置，其特征在于：所述的数据通信接口为以太网接口和/或RS485接口。

10.根据权利要求1所述的应用于电力系统中的电压暂降在线监测装置，其特征在于：所述的数据存储单元包括SARAM和FRAM。