CN108039874A - 一种通用自适应陷波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通用自适应陷波器，属于电变量测量技术领域，通过对现有自适应陷波器的修改和改进，能够同时克服检测性能受输入信号频率和幅值影响的缺点，同时具有相对简单的结构，将其用于电力系统中电力信号信息的提取，能够较为实时准确的对频率，幅值、相角等信息进行监测，从而掌握系统的运行状况，同时，提取到的信息也可以用于电能质量检测、继电保护等方面，能够提升变电站的智能化、综合化和数字化水平，和传统ANF相比，通用ANF也具有更广泛的应用范围，能够作为电力信号检测单元应用于常规电力系统以外的电源系统。
Description
技术领域
本发明属于电变量测量技术领域，具体涉及一种通用自适应陷波器。
背景技术
在地面电力系统中，变电站是电力系统中重要的节点，为了更加全面 准确的了解变电站的运行状况，需要对站内设备的信息进行严密的监测。 电压和电流的频率，幅值，相角等是电力系统运行与控制的重要信息。只 有在准确检测到上述信息，才能分析电能质量，进行谐波治理，提高继电 保护的可靠性，这些信息能否准确的获取将对系统的稳定性产生重大影响。 当前，变电站内信息提取基本处于零散化，分布式的方式，集约化的模式能够充分发挥硬件优势，将这些信息统一管理，这将有利于变电站向着智 能化、综合化和数字化的方向发展。通常，地面交流电力系统的频率为50Hz， 变化范围通常在0.5Hz左右，而在某些高频电源系统中，电力信号的频率 较高，例如航空电源系统的频率为400Hz，且频率变化范围较大，为了使航 空电源稳定的工作，系统中需有电力信号信息提取模块，通过快速准确的 检测信号的参数，用来实现航空电源系统的安全运行。
针对频率，幅值和相角等信息，目前都有多种方法进行实时检测，广 泛采用的滤波算法是基本的测量相角的方法，首先对输入信号进行坐标变 换，经过低通滤波器后得到基频成分，进而测量相角值，但此方法在频率 变化和不平衡情况下性能将会降低。锁相环技术被广泛用于电力系统中， 用以获取输入信号的频率和相角，锁相环的主要缺点是当输入信号为非标 准值时，误差较大，难以满足要求。但当信号的频率和相位发生变化或者 含有谐波时，锁相环的响应时间较长，而且在不平衡系统中，传统的锁相 环技术性能难以满足要求。为了提高信号检测的准确性和快速性，有学者 提出了一种格型自适应无限脉冲响应滤波器，后来经过不断的改进，最终 得到一种稳定的自适应陷波器(adaptive notchfilter,ANF)。它的响应 速度和测量精度都优于PLL，它能够同时测量信号的频率，幅值和相角等信 息。但是，分析ANF的方程可知，它的性能与输入信号的频率与幅值有直 接关系，即如果输入信号的频率或幅值波动较大，ANF的性能也将会发生不 同程度的降低。
发明内容
本发明通过对现有自适应陷波器的修改和改进，能够同时克服检测性 能受输入信号频率和幅值影响的缺点，同时具有相对简单的结构，将其用 于电力系统中电力信号信息的提取，能够较为实时准确的对频率，幅值、 相角等信息进行监测，从而掌握系统的运行状况，同时，提取到的信息也 可以用于电能质量检测、继电保护等方面，能够提升变电站的智能化、综 合化和数字化水平，和传统ANF相比，通用ANF也具有更广泛的应用范围， 能够作为电力信号检测单元应用于常规电力系统以外的电源系统。
本发明采用的具体技术方案是：
一种通用自适应陷波器，其动态方程为
其解为：
u(t)为从电网中获取的电压/电流信号，ζ和ε分别为通用自适应陷波器 的两个参数，A为输入信号的幅值，θ为输入信号的频率，x为方程变量，为x的一次导数，为x的二次导数，ζ为准确度参量，γ为优化后的速度参 量，ε为原有的速度参量，e(t)为误差量，ω1为基波频率，为基波的初相 角。
将(1)式中的第一个方程代入第二个方程中，得到
和状态变量x相比，频率的变化为慢变量，故可以采用平均理论将上式 转化为线性时不变系统：
对上式进行化简可得：
当θav＝ω0，上式可简化为：
频率检测响应的时间常数为：
由式(7)，当通用自适应陷波器的参数ε和ζ为定值时，τ也为定值，即 通用自适应陷波器的动态响应时间不变，其性能与输入信号的频率和幅值 无关。
本发明的有益效果是：
本发明在分析现有ANF存在的问题基础上，设计了一种通用自适应陷 波器，它能够同时克服检测性能受输入信号频率和幅值影响的缺点，同时 具有相对简单的结构。由于对输入的电力信号具有更广泛的适应性，它不 仅能够用于地面电力系统的监测单元，还能够用在类似于航空电源系统的 高频电源系统中，可以实时掌握地面电力系统和高频电源系统的运行状况， 能够在电源控制器、继电保护、电能质量监测等领域发挥重要作用。
附图说明
图1为通用自适应陷波器的详细结构；
图2为具体实施例1中输入信号幅值为1.0pu时两种ANF对频率变化 的响应波形图；
图3为具体实施例1中输入信号幅值为0.5pu时两种ANF对频率变化 的响应波形图；
图4为具体实施例1中输入信号幅值为1.5pu时两种ANF对频率变化 的响应波形图；
图5为具体实施例2中输入信号幅值为1.0pu时两种ANF对频率变化 的响应波形图；
图6为具体实施例2中输入信号幅值为0.5pu时两种ANF对频率变化 的响应波形图；
图7为具体实施例2中输入信号幅值为1.5pu时两种ANF对频率变化 的响应波形图；
图8为具体实施例3中输入信号幅值为1.0pu时两种ANF对幅值变化 的响应波形图；
图9为具体实施例3中输入信号幅值为0.5pu时两种ANF对幅值变化 的响应波形图；
图10为具体实施例3中输入信号幅值为1.5pu时两种ANF对幅值变 化的响应波形图；
图11为具体实施例4中输入信号幅值为1.0pu时两种ANF对幅值变 化的响应波形图；
图12为具体实施例4中输入信号幅值为0.5pu时两种ANF对幅值变 化的响应波形图；
图13为具体实施例4中输入信号幅值为2.0pu时两种ANF对幅值变 化的响应波形图；
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明：
本发明公开了一种通用自适应陷波器，其动态方程为
其解为：
u(t)为从电网中获取的电压/电流信号，ζ和ε分别为通用自适应陷波器 的两个参数，A为输入信号的幅值，θ为输入信号的频率，x为方程变量，为x的一次导数，为x的二次导数，ζ为准确度参量，γ为优化后的速度参 量，ε为原有的速度参量，e(t)为误差量，ω1为基波频率，为基波的初相 角。
将(1)式中的第一个方程代入第二个方程中，得到
和状态变量x相比，频率的变化为慢变量，故可以采用平均理论将上式 转化为线性时不变系统：
对上式进行化简可得：
当θav＝ω0，上式可简化为：
频率检测响应的时间常数为：
由式(7)，当通用自适应陷波器的参数ε和ζ为定值时，τ也为定值，即 通用自适应陷波器的动态响应时间不变，其性能与输入信号的频率和幅值 无关。由此可见，此处设计的通用ANF对输入信号的频率和幅值变化具有 很好的抗干扰性，比现有的ANF具有更广泛的适用范围。
为了能够全面的验证本文设计的通用ANF的性能，此处考虑了输入信 号多种情况下，通用ANF与传统ANF对于频率和幅值的追踪性能。
频率追踪性能
具体实施例1，设输入信号的频率为50Hz，初相角为0，ε＝500，ζ＝0.6。 首先设定输入信号幅值为1.0pu，当t＝0.3s时，输入信号频率增大到 51Hz，t＝0.8s时，频率恢复为50Hz。采用通用ANF和传统ANF获得的频率 追踪结果如图2所示，图中黑线为通用ANF的检测波形，灰线为传统ANF 的检测波形，可以看出，两种方法在输入信号幅值为1.0pu时都能快速准 确的检测频率变化。
设定输入信号幅值分别为0.5pu和1.5pu，频率仍按上述所述变化，得 到的结果如图3和4所示。结果表明，在输入信号为幅值不同的情况下， 而本文设计的通用ANF检测性能始终保持一致，即只需1个周期就能追踪 到频率的变化。
具体实施例2，设输入信号的频率为400Hz，初相角为0，ε＝500，ζ＝0.6。 首先设定输入信号幅值为1.0pu，当t＝1.0s时，输入信号频率增大到 800Hz，t＝1.6s时，频率恢复为400Hz。采用通用ANF和传统ANF获得的频率 追踪结果如图5所示，图中黑线为通用ANF的检测波形，灰线为传统ANF 的检测波形，可以看出，通用ANF能够在一个周期追踪到频率的变化，而 传统ANF需要较长时间才能检测到频率波动，两者在速度上相差较大。
设定输入信号幅值分别为0.5pu和1.5pu，当t＝2.0s时，输入信号频率 增大到800Hz，t＝4.0s时，频率恢复为400Hz，波形如图6和7，结果表明， 虽然输入信号发生变化，但通用ANF依然能够快速准确的追踪频率变化， 而传统ANF的性能大大降低。
幅值追踪性能
具体实施例3，设输入信号的频率为50Hz，初相角为0，ε＝500，ζ＝0.6。 首先设定输入信号幅值为1.0pu，当t＝0.3s时，幅值增大0.2pu，t＝0.8s时， 幅值恢复为1.0pu。采用通用ANF和传统ANF获得的幅值追踪结果如图8 所示，图中黑线为通用ANF的检测波形，灰线为传统ANF的检测波形，可 以看出，两种方法在输入信号幅值为1.0pu时都能快速准确的检测幅值变 化。
设定输入信号幅值分别为0.5pu和1.5pu，当t＝0.3s时，幅值分别增大 为0.6pu和1.8pu，得到的结果如图9和10所示。结果表明，在输入信号 为幅值不同的情况下，本文设计的通用ANF的幅值检测性能始终保持一致， 即只需1.5个周期就能追踪到幅值的变化。
具体实施例4，设输入信号的频率为400Hz，初相角为0，ε＝500，ζ＝0.6。 首先设定输入信号幅值为1.0pu，当t＝2.0s时，幅值增大0.2pu，t＝2.4s时， 幅值恢复为1.0pu。采用通用ANF和传统ANF获得的幅值追踪结果如图11 所示，图中黑线为通用ANF的检测波形，灰线为传统ANF的检测波形，可 以看出，两种方法在输入信号幅值为1.0pu时都能快速准确的检测幅值变 化，放大波形图可以发现传统ANF检测的幅值不稳定。
设定输入信号幅值分别为0.5pu和2.0pu，当ts＝0.2时,幅值分别增大为 0.6pu和2.4pu，得到的结果如图12和13所示。结果表明，在输入信号为 幅值不同的情况下，本文设计的通用ANF的幅值检测性能始终保持一致， 即只需1.5个周期就能追踪到幅值的变化，传统ANF在速度上与通用ANF 相当，但其检测值的稳定性较差，测量出的幅值在一定范围内波动。
Claims (2)
1.一种通用自适应陷波器，其特征在于：其动态方程为
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其解为：
u(t)为从电网中获取的电压/电流信号，ζ和ε分别为通用自适应陷波器的两个参数，A为输入信号的幅值，θ为输入信号的频率，x为方程变量，为x的一次导数，为x的二次导数，ζ为准确度参量，γ为优化后的速度参量，ε为原有的速度参量，e(t)为误差量，ω1为基波频率，为基波的初相角。
2.根据权利要求1所述的一种通用自适应陷波器，其特征在于：将(1)式中的第一个方程代入第二个方程中，得到
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和状态变量x相比，频率的变化为慢变量，故可以采用平均理论将上式转化为线性时不变系统：
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当θav＝ω0，上式可简化为：
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频率检测响应的时间常数为：
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由式(7)，当通用自适应陷波器的参数ε和ζ为定值时，τ也为定值，即通用自适应陷波器的动态响应时间不变，其性能与输入信号的频率和幅值无关。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711294159.9A Pending CN108039874A (zh) | 2017-12-08 | 2017-12-08 | 一种通用自适应陷波器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108039874A (zh) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104868499A (zh) * | 2015-06-10 | 2015-08-26 | 国家电网公司 | 三相不平衡情况下的基于自适应陷波器的三相pq控制方法及系统 |
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2017
- 2017-12-08 CN CN201711294159.9A patent/CN108039874A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104868499A (zh) * | 2015-06-10 | 2015-08-26 | 国家电网公司 | 三相不平衡情况下的基于自适应陷波器的三相pq控制方法及系统 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 冯浩等: "采用自适应陷波器的电压暂降检测方法", 《电测与仪表》 * |
| 杜雄等: "一种具有频率响应自适应性的电压同步信号提取方法", 《中国电机工程学报》 * |
| 郭磊: "基于自适应陷波器的微电网信息提取及应用", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》 * |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Application publication date: 20180515 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |