CN105223434A - 电能质量混合检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电能质量混合检测方法,包括,基于复调制细化谱分析方法的间谐波检测方法对电网内的间谐波进行检测;使用电压波动检波方法对电网内的电压波动进行测量;使用基于线性调频Z变换的闪变测量方法对电网内的闪变进行测量。减少了进行电能质量检测运算量,提高了间谐波检测的实时性,极大限度的消除了闪变测量误差,采用线性调频Z变换求取波动分量的频率和幅值,克服了闪变检测在低频段误差较大的不足。为电能质量检测结果正确性提供了有效支撑。
Description
技术领域
本发明涉及电力领域,具体地,涉及一种电能质量混合检测方法。
背景技术
电能作为一种经济、清洁、容易控制和转换的能源在现代社会得到了广泛的应用,随着科学技术的发展和国民经济的增长,人类社会对电能的需求日益增加,高质量的电能对于保障工农业生产和居民正常生活有着重要的意义。为了更好的衡量电能的好坏,人们提出了电能质量的概念。
所谓电能质量,从普遍意义上讲是指优质供电,包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。电能质量问题可以定义为:导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差,其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变(谐波)、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。
近年来,电能质量问题得到了世界范围内的普遍关注,主要是基于两方面的原因:一方面是负荷的日趋复杂化和多样化,为提高生产效率、节约能源和减少环境污染而采用的现代化用电设备正成为电能质量问题的主要来源,如整流和逆变装置以及变频调速装置等电力电子设备的大量应用,这些具有非线性、谐波丰富、冲击性和不平衡特征的负荷会影响到供电电网,给电能质量提出了新的问题。另一方面,用户对供电可靠性的要求越来越高,众多基于计算机,微处理器控制的精密电子和电力电子装置对供电质量的敏感程度越来越高,这些设备对来自系统的干扰比机电设备更为敏感,对电能质量的要求也更高。一旦出现电能质量问题,轻则引起设备故障,重则导致整个系统的崩溃,可能由此带来的巨大的经济损失和负面的社会影响。
目前,国内外电能质量监测系统对扰动的检测过程大致是先采集电网中的电压电流信号,得到采样信号后对其进行去噪处理,然后对经过去噪处理后得到的扰动信号进行分类识别,最终根据识别出的扰动类型制定整体的控制策略。
现有的电能质量检测方法存在误差大且实时性差的问题。
发明内容
本发明的目的在于,针对上述问题,提出一种电能质量混合检测方法,以实现减少误差,提高实时性的优点。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种电能质量混合检测方法,包括,
步骤1、基于复调制细化谱分析方法的间谐波检测方法对电网内的间谐波进行检测;
步骤2、使用电压波动检波方法对电网内的电压波动进行测量;
以及
步骤3、使用基于线性调频Z变换的闪变测量方法对电网内的闪变进行测量。
优选的,所述间谐波检测方法包括,
步骤101、间谐波频率估计,使用电能质量检测装置对每一个周期的信号进行实时的单周期的FFT分析,并将分析的结果通过频谱图显示出来,如果出现间谐波,从频谱图上够观察频谱泄露的现象,根据频谱泄露现象初步判断出间谐波所处的频段,即观察频段;
步骤102、复调制移频,所谓复调制移频就是将频域坐标向左移或向右移,使得被观察频段的起点为频域坐标的零频位置;
步骤103、数字低通滤波,为了对移频后的数据进行D倍的重采样,必须对移频后的数据进行低通滤波,以免发生频谱混叠;
步骤104、对经过数字低通滤波后的数据降低采样频率重新采样;
步骤105、FFT变换,对上述步骤104重采样后的数据进行N点FFT变换;
步骤106、频率调整:步骤105FFT变换后得到的FFT结果中的各频率分量的分布顺序与其自然顺序并不相等,需要进行移频,从而。
优选的,所述电压波动检波方法具体为:
首先对采集的信号进行平方,然后将平方后的数据再平方一次,得到波动信号的4次方,将平方后的数据乘以2然后再减去波动信号的4次方即可得到波动分量,具体如下;
式中:A为工频载波电压的幅值;m为调幅波电压;Ω为调幅波电压的角频率;ω为工频载波电压的角频率。
优选的,基于线性调频Z变换的闪变测量方法包括,
步骤301、使用上述的改进电压波动检波方法进行检波,然后将改进电压波动检波方法得到的信号经过隔直和截至频率为35Hz低通滤波,从而得到0-35Hz之间的频谱;
步骤302、利用CZT变换对上述0-35Hz之间的频谱进行细化分析,得到各个波动分量的频率以及幅值;
步骤303、得到波动分量的频率和幅值后,利用拟合的曲线得到相应的min,利用S=Σ(mn/min)2得到瞬时闪变视感度,其中:S为滤波后的瞬时视感度,mn为波动分量的幅值,min为该频率波动产生瞬时视感度为1时的幅值;
步骤304、按照IEC的规定对瞬时闪变视感度进行分级,分级数不得小于64,从而生成CPF曲线,然后对生成的CPF曲线分析,从而得到短视间闪变值。
本发明的技术方案具有以下有益效果:
本发明的技术方案,使用复调制细化谱分析的方法进行间谐波检测,减少了进行多周期快速傅里叶变换时所需要的运算量,提高了间谐波检测的实时性,而改进电压波动检波方法消除了IEC推荐的平方检波法中高频调制信号映射进入35Hz以内引起的闪变测量误差,基于线性调频Z变换的闪变测量方法克服了IEC推荐的闪变检测方法在低频段误差较大的不足。本发明技术方案减少了进行电能质量检测运算量,提高了间谐波检测的实时性,极大限度的消除了闪变测量误差,采用线性调频Z变换求取波动分量的频率和幅值,克服了闪变检测在低频段误差较大的不足。为电能质量检测结果正确性提供了有效支撑。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例所述的电能质量混合检测方法中间谐波检测方法的原理框图;
图2为本发明实施例所述的电能质量混合检测方法中压波动检波方法方法的原理框图;
图3为本发明实施例所述的电能质量混合检测方法中基于线性调频Z变换的闪变测量方法的原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明,应当理解,此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1、图2和图3所示,本发明的电能质量混合检测方法包括基于复调制细化谱分析方法的间谐波检测方法、改进电压波动检波方法以及基于线性调频Z变换的闪变测量方法。分别针对电能质量检测中间谐波检测、电压波动检波以及闪变检测。下面对如上检测方法进行详细的说明。
1、基于复调制细化谱分析方法的间谐波检测方法:
在电力系统中的谐波通常定义为频率为基波(工频)整数倍的成分,国家的现行标准《电能质量-公用电网谐波GB/T14549-1993》也只对这类谐波规定了限值和测量方法,而对间谐波则未作相关的规定,实际上间谐波及其影响广泛存在于电力系统中。所谓间谐波就是指频率非基波整数倍的谐波成分,其主要来源是电网中变频调整装置、低同步串级调速、电弧炉等波动电力负载、感应电动机等铁心设备以及配电网中的铁磁振荡。为更准确的测量谐波IEC制定了专门的谐波检测标准规定:采样频率应该足够高以保证能够准确分析的高频谐波分量要达到9kHz,离散傅里叶变换的频率分辨率为5Hz。由于电能质量检测装置的采样频率一般是都是通过锁相环固定的,不便于修改。因此单纯延长采样周期的方法并不适合于间谐波的实时测量。
基于此,本发明提出使用复调制细化谱分析算法来实现局部的高分辨率频谱分析,并针对电力系统的特点对算法进行了改进,使之更适应于电能质量实时检测的需要。
1.1改进复调制细化谱分析方法:
a)常规复调制细化谱分析方法:
本发明所属的复调制细化谱分析方法,又称为选带频率细化分析方法,是基于复调制移频的高分辨率傅里叶分析法,一般简称为ZoomFFT(ZFFT)方法,是信号处理领域70年代发展起来的一项新技术。FFT只能分析从零频开始的一个低通频带,且频带越窄分辨率越高,ZFFT就是设法将感兴趣的那段频带谱移到零频附近,再进行常规的FFT运算。
通常的FFT方法在整个分析频带内具有相同的频率分辨率,这无疑是一种浪费。设Δf为分辨率,fs为采样频率,N为采样点数,则Δf=fs/N,如果想提高分辨率,在采样频率fs不变的情况下,只有增加采样点数N,但这样会极大地提高运算量,不利于运算的实时实现。而降低采样频率fs,保持采样点数N不变,同样可以提高频率分辨率,但是采样频率降低后有可能造成频谱的混叠。如果将感兴趣的频段移动到原点附近,再进行低通滤波以免频率混叠,然后进行重采样以降低采样频率,这样就可以在不增加采样点数的情况下获得高的多的频率分辨率,该方法即为复调制细化谱分析方法。
复调制细化谱分析方法主要包括以下几个步骤:移频-低通数字滤波-重抽样-FFT及谱分析-频率成分调整这样一个流程。经过如上处理分析得到最终结果,完全能反映出原数字序列在某一频率范围内的频谱特性,幅度绝对值相差一比例常数D。与同样点数的直接FFT相比,这一方法所获得的频率分辨率要高D倍。因为直接进行FFT分析时,频率分辨率Δf=fs/N,重采样以后Δf=fs/DN,所以D有时又被称为细化倍数。
b)复调制细化谱分析方法的改进:
从常规复调制细化谱分析方法可知,复调制细化谱分析也存在着一些局限性:需要占用大量的内存,为了获得更高的频率分辨率,需要延长采样周期,并对其进行移频,这样会占用大量的内存,不利于在DSP上实现,因为DSP的片上内存很有限,考虑到电能质量检测时一般要进行3相电压和3相电流共六路数据的存储与处理,显然内存并不富裕,如果使用片外的扩展RAM则运算速度会大打折扣,无法满足电能质量实时检测的需要;传统的复调制细化谱分析方法使用的是FIR滤波器来避免频谱混叠,FIR的最大优点就是可以保证滤波后的线性相位,也就是通过FIR滤波后不会改变原始波形中的相位关系,而其缺点就是要到达理想的滤波效果需要的滤波器阶数较高。与之相比,IIR滤波器则不能保证滤波后的线性相位,但是可以用较低的阶数取得比较满意的滤波效果。考虑到电能质量检测中更注重的是谐波的幅值,这里使用IIR滤波器来替代传统的FIR滤波器。使用这种方式相当于将大量的计算分开进行,每采集进来一个数据都可以对其进行滤波和选抽,当采样窗口的长度满足要求后需要进行FFT处理的数据只有选抽后的数据,因此计算密度大大减小,对于实时系统的实现非常有利。
1.2基于电力系统的复调制方法:
传统上应用复调制方法是先进行全景谱,找出需要进行频率细化的部分,然后在进行复调制将其移动到原点。然而电力系统谐波有特殊性,可以近似的认为相邻周波的频率成分是相等的:当不含有间谐波时只需进行正常单周期的低分辨率FFT即可,此时FFT可以输出正常的结果,不影响正常的电能质量检测;当间谐波出现时,将会出现频谱泄露的现象,此时单周期的FFT已经无法取得准确的结果。
当频谱泄露发生时,这时就可以通过延长采样时间来提高频率分辨率,然后再根据单周期FFT的结果判断出间谐波所处的频段范围,通过进行移频、低通滤波、重采样、频谱分析以及频率成分调整等操作,得到准确的结果。其计算步骤如下:
1.间谐波频率估计:电能质量检测装置工作时对每一个周期的信号进行实时的单周期的FFT分析,并显示结果,此时没有必要进行间谐波的分析即可获得较为准确的结果。如果出现间谐波,则从频谱图上能够观察到频谱泄露的现象,根据这一现象初步判断出间谐波所处的频段。
2.复调制移频:所谓复调制移频就是将频域坐标向左移或向右移,使得被观察频段的起点为频域坐标的零频位置。这里对离散信号x(n)用进行复调制,把需要细化的频带中心频率移至频率轴原点。
3.数字低通滤波:为了对移频后的数据进行D倍的重采样,必须对其进行低通滤波,以免发生频谱混叠,此时采用的低通滤波器的截止频率fc=fs/D。
4.降低采样频率重新采样:经过低通滤波后,信号中已经不再含有高频成分,可以使用较低的采样频率对其进行重新采样。如果放大倍数为D,则重采样时每个D点保留一个数据,使采样频率降低为f`s=fs/D,余下的数据全部抛弃,以节省内存。
5.FFT变换,对重采样后的数据进行N点FFT变换,其分辨率为分辨率比直接进行N点FFT提高了D倍。
6.频率调整:此时得到的FFT结果中的各频率分量的分布顺序与其自然顺序并不相等,需要进行移频。
2、改进电压波动检波方法:
本发明所述的改进电压波动检波方法是在现有的几种波动检波方法比较的基础上,在IEC推荐的平方检波法的基础上提出一种改进的检波方法,克服平方检波法的缺陷。现代炼钢用的电弧炉、变频调速装置、由晶闸管整流供电的大型轧机、矿山绞车、电气化铁路等大功率波动性负荷运行时,其有功、无功功率随机或周期性地大幅度波动,由此产生的波动电流流过供电线路阻抗时产生变动的压降,使得同一电网上其它用户电压以相同的频率波动。这些电压波动会造成灯光闪烁、设备功率不稳等。在电能质量定义中一般用闪变来作为衡量电压波动的一种指标,要测量闪变第一步就是要准确的检测出波动分量,如果这一步得到的结果不准确的话,后面闪变的测量就无从谈起。
2.1基本电压波动检波方法:
要测量电压波动和闪变,首先的任务就是要准确地提取出波动信号,通常将波动电压看成以工频额定电压为载波、其电压的幅值受频率范围在0.05~35Hz的电压波动分量调制的调幅波。因此,电压波动分量的检出方法可采用通信理论中大功率载波调制信号解调方法,用与载波信号同频同相的周期信号乘以被调信号,将电压波动分量与工频载波电压分离,通过带通滤波器得到波动分量。为使分析简化又不失一般性,通常分析仅含单一频率的调幅波对工频载波的调制。因此,工频电压可由下式表示:
u(t)=A(1+mcosΩt)cosωt(1)
式中:A为工频载波电压的幅值;m为调幅波电压;Ω为调幅波电压的角频率;ω为工频载波电压的角频率。
为了方便闪变仪的校验,IEC给出了当产生的瞬时闪变视感度为1时,正弦调幅波和方波调幅波的幅值。本发明按照IEC的设计了闪变测试系统,经过检验发现使用正弦信号作为调幅波可以获得令人满意的精度,但在用方波对载波信号进行调制时发现误差却超出了IEC规定的5%的范围,经过分析,发现IEC所推荐的平方检波法是误差的主要来源。
2.2改进的平方检波法:
由以上分析知道,误差主要是由方波的高频分量平方后映射到|2ω-Ω|的造成的,因此考虑将其抵消,首先对平方后的信号进行分析。由频域卷积定理可知时域信号相乘可以看成是其频域信号的卷积,两者相差一个比例系数1/2π,因此平方检波法可以看成是其自身频谱的卷积,观察其频谱可以发现如果对该信号进行再次卷积后低频部分与卷积前相同只是幅值相差一定比例,可以利用这个特性来消除|2ω-Ω|频率部分。将平方后的信号两端再次平方,也就相当于将其频谱进行自身卷积后得:
比较可得,
改进的平方检波法如下:
由上式可见,造成误差的|2ω-Ω|频率部分已经被消除,能够显著的减小由于方波高次谐波所引起的误差。
改进的平方检波法定义为:首先对采集的信号进行平方,然后再平方一次,得到波动信号的4次方,平方后的数据乘以2然后再减去4次方信号即可得到波动分量。改进的方法只是在IEC平方检波法的基础上再进行一次平方,所增加的运算量并不大,有利于实时系统的实现。在检波时与平方检波法一样,需要求得载波信号的幅值,对所采集电压信号进行归一化后再进行处理。
3、基于线性调频Z变换的闪变测量方法:
闪变其实就是指当白炽灯的照度随着电压波动而变化时对人造成的影响,它是人眼对白炽灯照度变化的一种主观视感,是一种表征电压波动严重程度的指标。与其他几项电能指标相比,闪变有其特殊之处。由于人对照度变化的感觉无法用仪器直接测量,IEC根据对大量人群的统计,得出了人对于不同频率和波形的电压变动所造成的闪变的敏感程度曲线,并通过数学工具对这一过程进行了模拟,这就是闪变仪的数学模型。但是IEC只是给出了闪变测量的模拟框图,并没有给出具体的实现方法。本发明将对IEC推荐的闪变测量方法进行分析,并在此基础上提出一种基于频域的闪变测量方法。
3.1瞬时闪变视感度的测量:
本发明对对IEC推荐的闪变检测方法进行进一步的分析,假设平方检波后得到的波动分量为mcos(Ωt),然后将其送入加权滤波器来模拟人对不同频率的波动分量的敏感程度,在此,不同频率的波动分量将乘以一个视感度系数a,该系数的分布曲线与IEC推荐的分布曲线相吻合,从IEC推荐的分布曲线中可以看出人眼对8.8Hz左右的波动最为敏感,这里只需要微小的电压波动就可以对人产生影响。这时波动分量变为a*mcos(Ωt),当Ω=8.8时a=1,也就是说8.8Hz时波动分量通过加权滤波器后不发生衰减。由于人眼对照度的感受并不是线性的,因此这里使用一个平方器来模拟人眼的非线性,得到0.5*a2m2+0.5*a2m2*cos(2Ωt),这里相当于存在一个倍频的作用,波动分量经过平方后,除了直流分量外还会得到一个倍频后的分量。最后通过一阶低通滤波器模拟人脑的记忆特性,得到瞬时闪变视感度S。
由如上分析可以看到,大部分的倍频后的波动分量将被滤掉,滤波后所得到的瞬时视感度S近似等于0.5*a2m2。如果幅值为的某频率的波动信号产生的瞬时闪变视感度为1,则幅值为m1的同频率信号产生的瞬时闪变视感度为(m2/m1)2。但是该方法需要通过频谱分析的方法得到波动分量的频率和幅值,而且这些波动分量的分布并无规律,因此使用普通的FFT方法进行处理容易发生频谱泄露从而导致误差。
进行频谱分析时FFT是一种常用的方法,但是需要苛刻的条件才能求得精确的结果,其主要问题有两个:
(1)频率分辨率的问题。进行FFT分析时其频率分辨率为Fs/N(Fs为采样频率,N为采样点数),当多频信号中的2个频率f1、f2之差|f1-f2|<Fs/N时,信号幅值谱线在f1和f2之间不可能有谷点,所以分辨不出2个频率,特别对于窄带信号,这一现象表现得尤为明显。
(2)栅栏效应。当信号频率对不准某一条谱线时,通常用邻近的一条谱线来近似,这会对幅值和相位造成很大误差,栅栏效应主要受频率分辨率和窗函数的影响。
3.2基于线性调频Z变换的闪变测量方法:
综上分析,本发明提出了一种新的闪变测量方法,其计算步骤如下:
1、考虑到平方检波法简便易行,并且不需要同步采样,因此使用第2节提出的改进平方检波法进行检波,这里用减去平均值的方法代替隔直滤波器,再进行截至频率为35Hz的低通滤波,即可得到波动分量,如果平方后的信号不进行隔直和低通滤波而直接进行频谱分析,由于其中的波动分量幅值较小,而直流分量和高频分量很大,检测结果容易受到干扰。
2.利用CZT变换对0-35Hz之间的频谱进行细化分析,得到各个波动分量的频率以及幅值。进行CZT变换时其中的卷积可以利用FFT来进行计算,大大的提高运算速度,因此,应当使CZT变换的点数满足2的n次方关系。由于进行高精度频谱分析的频段是固定的,这就使得A和W成为常量,可以事先计算出来,以查表的形式存储,节省运算时间。
3.得到波动分量的频率和幅值后,利用拟合的曲线得到相应的min,利用S=Σ(mn/min)2得到瞬时闪变视感度,其中:S为滤波后的瞬时视感度,mn为波动分量的幅值,min为该频率波动产生瞬时视感度为1时的幅值。
4.按照IEC的规定对瞬时闪变视感度进行分级,分级数不得小于64,生成CPF曲线,然后分析得到短视间闪变值。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种电能质量混合检测方法,其特征在于,包括,
步骤1、基于复调制细化谱分析方法的间谐波检测方法对电网内的间谐波进行检测;
步骤2、使用电压波动检波方法对电网内的电压波动进行测量;
以及
步骤3、使用基于线性调频Z变换的闪变测量方法对电网内的闪变进行测量。
2.根据权利要求1所述的电能质量混合检测方法,其特征在于,所述间谐波检测方法包括,
步骤101、间谐波频率估计,使用电能质量检测装置对每一个周期的信号进行实时的单周期的FFT分析,并将分析的结果通过频谱图显示出来,如果出现间谐波,从频谱图上够观察频谱泄露的现象,根据频谱泄露现象初步判断出间谐波所处的频段,即观察频段;
步骤102、复调制移频,所谓复调制移频就是将频域坐标向左移或向右移,使得被观察频段的起点为频域坐标的零频位置;
步骤103、数字低通滤波,为了对移频后的数据进行D倍的重采样,必须对移频后的数据进行低通滤波,以免发生频谱混叠;
步骤104、对经过数字低通滤波后的数据降低采样频率重新采样;
步骤105、FFT变换,对上述步骤104重采样后的数据进行N点FFT变换;
步骤106、频率调整:步骤105FFT变换后得到的FFT结果中的各频率分量的分布顺序与其自然顺序并不相等,需要进行移频,从而。
3.根据权利要求1所述的电能质量混合检测方法,其特征在于,所述电压波动检波方法具体为:
首先对采集的信号进行平方,然后将平方后的数据再平方一次,得到波动信号的4次方,将平方后的数据乘以2然后再减去波动信号的4次方即可得到波动分量,具体如下;
式中:A为工频载波电压的幅值;m为调幅波电压;为调幅波电压的角频率;为工频载波电压的角频率。
4.根据权利要求3所述的电能质量混合检测方法,其特征在于,基于线性调频Z变换的闪变测量方法包括,
步骤301、使用上述的改进电压波动检波方法进行检波,然后将改进电压波动检波方法得到的信号经过隔直和截至频率为35Hz低通滤波,从而得到0-35Hz之间的频谱;
步骤302、利用CZT变换对上述0-35Hz之间的频谱进行细化分析,得到各个波动分量的频率以及幅值;
步骤303、得到波动分量的频率和幅值后,利用拟合的曲线得到相应的,利用 得到瞬时闪变视感度;其中:S为滤波后的瞬时视感度,为波动分量的幅值,为该频率波动产生瞬时视感度为1时的幅值;
步骤304、按照IEC的规定对瞬时闪变视感度进行分级,分级数不得小于64,从而生成CPF曲线,然后对生成的CPF曲线分析,从而得到短视间闪变值。
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