CN108879677A - 一种智能净化电网装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种智能净化电网装置。该装置包括：谐波检测模块、处理器和信号注入模块；其中，谐波检测模块用于检测电网中的谐波信号，并将检测到的谐波信号传输至处理器；处理器用于对谐波信号进行反相处理，并将得到的反相谐波信号传输至信号注入模块；信号注入模块用于将反相谐波信号注入电网，以抵消谐波信号。本发明通过采取上述技术方案，通过谐波检测模块检测电网中的谐波信号，接着，通过处理器将检测到的谐波信号进行反相处理，得到与谐波信号的相位相反的信号，然后，再通过信号注入模块将反相处理后得到的信号注入电网，以抵消谐波信号，从而解决了如何净化电网谐波的技术问题，实现净化电网的技术效果。

Description

一种智能净化电网装置
技术领域
本发明实施例涉及电力技术领域，具体涉及一种智能净化电网装置。
背景技术
在理想干净的供电系统中，通常，电气元件为线性元件；但是，负载通常为非线性的。这些非线性的负载会产生谐波。这些谐波会造成电网污染，给电网带来诸多问题：电网线路信号出现大幅波动，电缆和变压器等出现过热现象，增大无功功率，线路损耗增大，绝缘老化等。
随着电路电子技术的快速发展，各种电力电子装置在电力系统中被广泛使用。谐波造成的危害也越来越大。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁；谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通讯设备和电子设备会产生严重干扰。
对此，提供一种智能净化电网装置是亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明实施例的主要目的是提供一种智能净化电网装置，以解决如何净化电网谐波的技术问题。
为了实现上述目的，提供以下技术方案：
一种智能净化电网装置，包括：谐波检测模块、处理器和信号注入模块；其中：
所述谐波检测模块，用于检测所述电网中的谐波信号，并将检测到的所述谐波信号传输至所述处理器；
所述处理器，用于对所述谐波信号进行反相处理，并将得到的反相谐波信号传输至所述信号注入模块；
所述信号注入模块，用于将所述反相谐波信号注入所述电网，以抵消所述谐波信号。
优选地，所述谐波检测模块具体用于根据瞬时无功检测算法，实时检测所述电网中的谐波信号，并将检测到的所述谐波信号传输至所述处理器。
优选地，所述谐波检测模块具体包括：
电流谐波信号采集单元，包括电流互感器和第一双运放滤波放大单元；
电压谐波信号采集单元包括：电压互感器和第二双运放滤波放大单元。
优选地，所述处理器具体包括控制模块和逆变器及输出模块；其中：
所述控制模块，用于接收所述谐波信号，生成控制信号，并将所述控制信号传输至所述逆变器；
所述逆变器，用于在所述控制信号的控制下，产生与所述谐波信号的幅值相同且相位相反的所述反相谐波信号；
所述输出模块，用于将所述反相谐波信号传输至所述信号注入模块。
优选地，所述处理器具体包括：
截取模块，利用窗函数对所述谐波信号进行截取；
变换模块，用于对截取的信号进行傅里叶变换；
延时模块，用于对所述谐波信号进行延时；
计算模块，用于基于延时后的结果和傅里叶变换结果，计算出所述谐波信号的相位；
反相模块，用于对计算出的谐波信号的相位进行取反处理；
传输模块，用于将所述反相模块处理后的结果发送至所述信号注入模块。
优选地，所述逆变器包括IGBT。
优选地，所述处理器为数字信号处理器、现场可编程逻辑阵列或微控制器。
优选地，所述信号注入模块为隔离变压器或电抗器。
与现有技术相比，上述技术方案至少具有以下有益效果：
本发明实施例提供一种智能净化电网装置。该装置包括：谐波检测模块、处理器和信号注入模块；其中，谐波检测模块用于检测电网中的谐波信号，并将检测到的谐波信号传输至处理器；处理器用于对谐波信号进行反相处理，并将得到的反相谐波信号传输至信号注入模块；信号注入模块用于将反相谐波信号注入电网，以抵消谐波信号。
本实施例通过采取上述技术方案，通过谐波检测模块检测电网中的谐波信号，接着，通过处理器将检测到的谐波信号进行反相处理，得到与谐波信号的相位相反的信号，然后，再通过信号注入模块将反相处理后得到的信号注入电网，以抵消谐波信号，从而解决了如何净化电网谐波的技术问题，实现净化电网的技术效果。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其它优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的方法来实现和获得。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：
图1为根据本发明实施例的智能净化电网装置的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的利用霍尔传感器来实现谐波检测模块的结构示意图；
图3为根据本发明一实施例的处理器的结构示意图；
图4为根据本发明另一实施例的处理器的结构示意图。
这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的保护范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明实施例解决的技术问题、所采用的技术方案以及实现的技术效果进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，并不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下，所获的所有其它等同或明显变型的实施例均落在本发明的保护范围内。本发明实施例可以按照权利要求中限定和涵盖的多种不同方式来具体化。在没有明确限定或不冲突的情况下，本发明中的各个实施例及其中的技术特征可以相互组合。本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例均在本发明的保护范围之内。
需要说明的是，在下面的描述中，为了方便理解，给出了许多具体细节。但是很明显，本发明的实现可以没有这些具体细节。对于本领域技术人员熟知的元件和电路未作详细描述，其不影响对本发明的理解和实施。
另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示例，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
在电力电网中，谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁；谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通讯设备和电子设备会产生严重干扰。
因此，本发明实施例提供一种智能净化电网装置。如图1所示，该装置包括：谐波检测模块10、处理器20和信号注入模块30；其中，谐波检测模块10用于检测电网中的谐波信号，并将检测到的谐波信号传输至处理器；处理器20用于对谐波信号进行反相处理，并将得到的反相谐波信号传输至信号注入模块；信号注入模块30用于将反相谐波信号注入电网，以抵消谐波信号。
本实施例通过采取上述技术方案，通过谐波检测模块10检测电网中的谐波信号，接着，通过处理器20将检测到的谐波信号进行反相处理，得到与谐波信号的相位相反的信号，然后，再通过信号注入模块30将反相处理后得到的信号注入电网，以抵消谐波信号，从而实现对电网中谐波的净化。
在一个优选的实施例中，上述谐波检测模块10具体用于根据瞬时无功检测算法，实时检测电网中的谐波信号，并将检测到的谐波信号传输至处理器。
其中，首先通过电压传感器进行检测，得到正弦波形式的检测信号，接着，利用过零检测电路对该检测信号进行处理，得到方波信号；然后，利用信号边沿捕获模块对方波信号的边沿进行捕获，得到检测信号的周期；最后，通过频率提取模块，基于检测信号的周期，通过傅里叶变换方法，提取出频率来。
本优选实施例仅为举例，但绝不限于此。举例来说，还可以利用霍尔传感器来实现谐波检测模块10，以检测电网谐波信号。
图2示例性地示出了利用霍尔传感器来实现谐波检测模块的结构示意图。
下面结合图2，以具体实施例对检测谐波信号的过程进行详细说明。
如图2所示，其中示出了霍尔传感器21、放大器22和晶体管(Q1,Q2)。
在本实施例中，通过霍尔传感器来检测非线性负载的电压和/或电流信号，经模数转换器，转换成数字信号，以驱动开关(例如，三相六开关)进行接通/闭合。具体的工作原理如下：
霍尔传感器的输出电压满足如下关系式：
U＝KH×I×B；
其中，U表示霍尔输出电压；KH表示乘积灵敏度，其为恒定值；I表示在霍尔传感器长度方向上流动的电流；B表示磁感应强度。
由上式可知，若电流I为常数，则磁感应强度B与被测电流成正比；若磁感应强度B为常数，则电流I与被测电压成正比。由此，可以测量电网中的电流/电压。
其中，三相六开关可以通过IGBT(绝缘栅双极型晶体管)和二极管反向并联实现。
这里，作如下说明：IIN表示被测电流；HIN表示初级回路磁场；UO表示霍尔传感器输出电压；IO表示补偿电流；N1表示初级绕组匝数；N2表示次级绕组匝数。其中，N1×IIN＝N2×IO。
当被测电流流过初级回路时，产生磁场HIN；该磁场HIN在霍尔传感器中产生感应，使得霍尔传感器产生输出UO。UO输出至放大器，并经放大后传输至功率放大器，以控制该功率放大器中相应的晶体管导通/截止，从而获得补偿电流IO。该IO产生的磁场的方向与初级回路被测电流IIN产生的磁场的方向相反，因而补偿了被测电流IIN产生的磁场，使得霍尔传感器输出的电压UO逐渐减小。当补偿电流在次级绕组中产生的磁场的大小等于被测电流在初级绕组中产生的磁场的大小时(即平衡状态)，补偿电流不再增加，此时的霍尔传感器起到零磁通检测作用。这时，初级绕组中被测电流的任何变化均会破坏这个平衡状态。一旦磁场失去平衡状态，霍尔传感器就有信号输出，并经放大器放大后，就会在次级绕组中有补偿电流进行补偿。
由于初级绕组的匝数和次级绕组的匝数可以知道，所以，在图2所示电路参数知道的情况下，可以知道补偿电流，从而就可以知道被测电流。同理，当在初级绕组回路中串联电阻后，取该电阻两端的电压值，即可得到被测电压。
当然，本领域技术人员能够知道，上述晶体管(Q1,Q2)也可以用场效应晶体管来代替，这些明显变型的方式也应包含在本发明的保护范围之内。
为了准确地检测出谐波信号，在一些实施例中，还可以在上述霍尔传感器的基础上，增加通过深度神经网络来实现的谐波提取模块，以获得谐波信号。
具体来说，该深度神经网络包括输入层、隐层和输出层。其中，将sigmoid函数作为激活函数，并采用批量低度下降方法来训练深度神经网络。
再比如，还可以根据实际现场情况，还可以采用电流谐波信号采集单元和电压谐波信号采集单元来构建上述谐波检测模块10。其中，该电流谐波信号采集单元包括电流互感器和第一双运放滤波放大单元；该电压谐波信号采集单元包括电压互感器和第二双运放滤波放大单元。
以上对谐波检测模块10的实施方式进行了详细说明，本领域技术人员应能理解，今后出现的、诸如能够检测电网谐波信号的装置等明显变型的方式若能适用于本发明，则也应包含在本发明的保护范围内。
在一个优选的实施例中，上述处理器20包括但不限于数字信号处理器、现场可编程逻辑阵列或微控制器。
在一个更优选的实施例中，如图3所示，该处理器20具体包括控制模块31和逆变器32及输出模块33；其中，控制模块31用于接收谐波信号，生成控制信号，并将控制信号传输至逆变器。逆变器32用于在控制信号的控制下，产生与谐波信号的幅值相同且相位相反的反相谐波信号。输出模块33用于将反相谐波信号传输至信号注入模块。
在本实施例中，上述控制模块31可以通过DSP(数字信号处理器)和FPGA(现场可编程门阵列)相互配合来实现。举例来说，DSP基于谐波信号，生成反相谐波信号的指令信号，并将该指令信号输入至FPGA；然后，FPGA根据该指令信号调制出脉冲宽度调制信号。
上述控制模块31也可以利用单片机来实现。利用单片机产生脉冲宽度调制信号。
控制模块31可以生成脉宽调制信号，然后，将该脉冲宽度调制信号输出至逆变器32。
上述逆变器32例如可以为三相半桥逆变器。该三相半桥逆变器可以通过IGBT来构成。
在实际应用中，可以通过母线电容来为逆变器提供稳定的直流电压，以实现逆变器的软启动。
在上述实施例中，根据实际情况，在控制模块31的前级电路中还可以包括模数转换模块，以将谐波信号转换成数字信号，然后输入控制模块31；相应的，在逆变器32的后级电路中还可以包括数模转换模块，以将逆变器32输出的信号转换为模拟信号。
在一个更优选的实施例中，如图4所示，处理器包括：截取模块41、变换模块42、延时模块43、计算模块44、反相模块45和传输模块46。其中，截取模块41利用窗函数对谐波信号进行截取。变换模块42用于对截取的信号进行傅里叶变换。延时模块43用于对谐波信号进行延时。计算模块44用于基于该延时和傅里叶变换结果，计算出谐波信号的相位。反相模块45用于对计算出的谐波信号的相位进行取反处理。传输模块46用于将反相模块处理后的结果发送至信号注入模块。
下面通过对本实施例进行详细说明：
通过截取模块41对以下谐波信号进行截取：
式中，x(n)表示谐波信号；N为正整数；Ts表示谐波信号的采样周期；δ(t-nTs)表示冲激函数。
由式1进一步可以得到：
式中，p表示谐波次数，取正整数；Ap表示谐波信号的幅度；f表示基波频率；t表示时间；表示第p次谐波信号的初相角。
上述窗函数例如可以为汉宁窗函数、海明窗函数、布莱克窗函数等。
截取模块41利用窗函数对谐波信号进行截取可以得到下式：
xw(n)＝x(n)W(n)；
式中，W(n)表示窗函数；xw(n)表示截取信号。
变换模块42对截取信号进行傅里叶变换，得到：
式中，N表示窗函数的数据截取长度；n∈[0,N-1]；Xw(k)表示截取信号的傅里叶变换结果；k∈[0,N-1]。
延时模块43可以对谐波信号延时L；该L满足下式：
L-a×q±1≤0.5；
式中，q表示一个基波周期的采样点数；a取正整数。
计算模块44基于下式计算出谐波信号的相位：
式中，p表示谐波次数，取正整数；kp表示Xw(k)的p次谐波的峰值谱线；lp表示Xw(l)的p次谐波的峰值谱线； 表示Xw(k)的p次谐波的相位；表示Xw(l)的p次谐波的相位。其中，Xw(l)是将Xw(k)的关系式中k替换为l而得到，在此不再赘述。
当然，本领域技术人员应能理解，本实施例还可以包括诸如通信接口等公知的结构，在此不再赘述。
在一个优选的实施例中，信号注入模块30为隔离变压器或电抗器。
其中，信号注入模块30将反相谐波信号注入电网，以与谐波信号相抵消。
在一个优选的实施例中，本发明实施例还可以包括人机界面。例如，该人机界面可以为触摸屏。通过485接口等接口，该触摸屏可以与处理器通信连接，以实时显示电网净化情况。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细的介绍。虽然本文应用了具体的个例对本发明的原理和实施方式进行了阐述，但是，上述实施例的说明仅适用于帮助理解本发明实施例的原理。
需要说明的是：附图中的标记和文字只是为了更清楚地说明本发明，不视为对本发明保护范围的不当限定。
术语“包括”、“包含”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。术语“第一”、“第二”仅为示例性说明而已，不作为对本发明保护范围的不当限定。
以上对本发明的示例实施例的详细描述是为了说明和描述的目的而提供。不是为了穷尽或将本发明限制为所描述的精确形式。显然，许多变型和改变对本领域技术人员而言是显而易见的。实施例的选择和描述是为了最佳地说明本发明的原理及其实际应用，从而使本领域其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适于特定使用预期的各种变型。本发明的实施例可以省略上述技术特征中的一些技术特征，仅解决现有技术中存在的部分技术问题。而且，所描述的技术特征可以进行任意组合。本发明的保护范围由所附权利要求及其等价物来限定，本领域技术其他人员可以对所附权利要求中所描述的技术方案进行各种变型或替换和组合，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智能净化电网装置，其特征在于，包括：谐波检测模块、处理器和信号注入模块；其中：
所述谐波检测模块，用于检测所述电网中的谐波信号，并将检测到的所述谐波信号传输至所述处理器；
所述处理器，用于对所述谐波信号进行反相处理，并将得到的反相谐波信号传输至所述信号注入模块；
所述信号注入模块，用于将所述反相谐波信号注入所述电网，以抵消所述谐波信号。
2.根据权利要求1所述的智能净化电网装置，其特征在于，所述谐波检测模块具体用于根据瞬时无功检测算法，实时检测所述电网中的谐波信号，并将检测到的所述谐波信号传输至所述处理器。
3.根据权利要求1所述的智能净化电网装置，其特征在于，所述谐波检测模块具体包括：
电流谐波信号采集单元，包括电流互感器和第一双运放滤波放大单元；
电压谐波信号采集单元包括：电压互感器和第二双运放滤波放大单元。
4.根据权利要求1所述的智能净化电网装置，其特征在于，所述处理器具体包括控制模块和逆变器及输出模块；其中：
所述控制模块，用于接收所述谐波信号，生成控制信号，并将所述控制信号传输至所述逆变器；
所述逆变器，用于在所述控制信号的控制下，产生与所述谐波信号的幅值相同且相位相反的所述反相谐波信号；
所述输出模块，用于将所述反相谐波信号传输至所述信号注入模块。
5.根据权利要求1所述的智能净化电网装置，其特征在于，所述处理器具体包括：
截取模块，利用窗函数对所述谐波信号进行截取；
变换模块，用于对截取的信号进行傅里叶变换；
延时模块，用于对所述谐波信号进行延时；
计算模块，用于基于延时后的结果和傅里叶变换结果，计算出所述谐波信号的相位；
反相模块，用于对计算出的谐波信号的相位进行取反处理；
传输模块，用于将所述反相模块处理后的结果发送至所述信号注入模块。
6.根据权利要求4所述的智能净化电网装置，其特征在于，所述逆变器包括IGBT。
7.根据权利要求1-6中任一所述的智能净化电网装置，其特征在于，所述处理器为数字信号处理器、现场可编程逻辑阵列或微控制器。
8.根据权利要求1所述的智能净化电网装置，其特征在于，所述信号注入模块为隔离变压器或电抗器。
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