CN109142862A - 一种智能化电气工程测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电气测量技术领域，公开了一种智能化电气工程测量系统及其测量方法，所述智能化电气工程测量系统包括：电流检测模块、电压检测模块、电阻检测模块、主控模块、频率测量模块、短路预测模块、报警模块、数据存储模块、显示模块。本发明通过频率测量模块利用参考信号和待测信号所构造的采样矩阵的矩阵束分析方法以及矩阵奇异值分解技术，简化了计算过程，使计算量大为减小，并且在工频数据窗内即可快速的、准确的计算出正弦信号的频率；同时，通过短路预测模块根据实时监测电气线路L线上的电流情况，可及时预测短路情况的发生并进行断电保护，可以有效避免电气灾害的发生，保障人们的财产和生命安全。

Description

一种智能化电气工程测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于电气测量技术领域，尤其涉及一种智能化电气工程测量系统及其测量方法。

背景技术

测量是人们认识客观事物，并用数量概念描述客观事物，进而达到逐步掌握事物的本质和揭示自然规律的一种手段。其中，电气测量是当代工业发展的一种必不可少的手段。电气测量是对物质世界的信息进行测量与控制的基本手段。它融合了微电子技术、计算机技术、通信技术、网络技术、新元件新材料的现代测量技术等，是现代工业中新技术应用做多、最快的方向之一。电气测量的对象主要反映电和磁特征的物理量，如电流(I)、电压(U)、电功率(P)、磁感应强度(B)等。在生产技术和生产模式等方面，许多新的思想和概念不断涌现，而且，不同学科之间相互渗透、交叉融合，衍生新的研究领域，迅速改变着传统电气设备制造业的面貌，产品更新换代极为频繁。然而，在电力系统中，特别是故障后的暂态信号，除了含有工频分量外，还有大量整次谐波、非整次谐波和衰减直流分量，导致在计算电力频率时受这些分量的影响较大，误差大；同时，电力短路是电气火灾的主要成因之一不能及时进行预测，容易造成巨大的财产损失和人身伤害。

综上所述，现有技术存在的问题是：在电力系统中，特别是故障后的暂态信号，除了含有工频分量外，还有大量整次谐波、非整次谐波和衰减直流分量，导致在计算电力频率时受这些分量的影响较大，误差大；同时，电力短路是电气火灾的主要成因之一不能及时进行预测，容易造成巨大的财产损失和人身伤害。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能化电气工程测量系统及其测量方法。

本发明是这样实现的，一种智能化电气工程测量方法，所述智能化电气工程测量方法包括以下步骤：

步骤一，通过电流检测模块利用电流表测量电流数据信息；通过电压检测模块利用电压表测量电压数据信息；通过电阻检测模块利用欧姆表测量电阻数据信息；

步骤二，主控模块调度频率测量模块利用数据计算程序根据检测的电气参数测量电气的频率数据；

所述频率测量模块测量方法包括：

(1)对待测电流信号一周期内采样N个点，并对得到的采样信号进行离散；

(2)由离散的采样信号，列出待测电流信号n时刻和n-1时刻的采样矩阵[I_n] 和[I_n-1]：

其中M≤L≤N-M，L、M为设定值；

(3)设定参考频率f_参考，由f_参考和电压表达式构造电压信号u(t)，并对u(t)离散得到参考矩阵：

(4)由矩阵[I_n]+[U]和[I_n-1]+[U]的特征根，得到n时刻和n-1对应的相位值θ_n和θ_n-1，并由θ_n和θ_n-1求出计算频率f_计算，该f_计算为待测的频率；

(5)计算f_计算与f_参考的差值；

(6)判断差值是否在设定的误差范围内，若是，则该f_计算即为待测频率实际值；若否，则将得到的计算频率f_计算作为新的参考频率，重复步骤(3)、(4)、(5)，直到计算频率与参考频率的差值在设定的误差范围内为止；

步骤三，通过短路预测模块根据检测的电流数据信息预测短路状态信息，并通过报警模块利用报警器对检测的异常数据进行及时报警；

步骤四，通过数据存储模块利用存储器存储检测的电气参数数据；通过显示模块利用显示屏显示检测的电流、电压、电阻。

进一步，所述短路预测模块预测方法如下：

A、通过电流传感器和控制器实时监测电气线路L线上的电流值S，监测频率为每秒3000次；

B、通过控制器计算每微秒电流变化值的导数V和二阶导数a；

C、通过控制器比较电流值S和预设最大电流值I，若S≥I，且V≥30A/μs，且a≥5A/μs/μs则判定电气线路将发生短路；

D、若判定电气线路将发生短路，则通过控制器断开继电器，进行断电保护。

进一步，所述电流检测模块以检测点和补偿点的相电压旋转适量方向作为p 轴方向，具体包括：

(1)对负载电流进行abc/pq变换，p轴方向与负载电流检测点相电压旋转矢量方向抑制，检测点相电压矢量的初始相角为0，则变换矩阵为：

得到负载电流武功直流分量i_qL；

(2)将i_qL转化为补偿点所需注入的武功电流直流分量i_qT；负载相电流幅值为I_Lm，负载电流与电压夹角为通过abc/pq变换，得到：

根据功率平衡原理，负载所需的无功功率Q_L与STATCOM补偿点注入系统的无功功率相等，即：

其中，U_Lm为负载电压幅值，U_Tm为STATCOM补偿点相电压幅值；I_Tm为 STATCOM补偿点注入系统的武功电流幅值；得到i_qT与I_Tm关系为：

设STATCOM补偿点相电压与负载相电压的比值为K：

U_Tm/U_Lm＝K；

i_qT与i_qL的关系式为：

将负载电流武功直流分量i_qL实时地转换为STATCOM补偿点所需注入的武功电流直流分量i_qT；

(3)对i_qT进行abc/pq反变换，p轴方向与STATCOM补偿点相电压旋转矢量方向一致，补偿点相电压矢量初始相角为α；则反变换矩阵为：

abc/pq反变换方程为：

得到补偿点STATCOM输出三相武功电流值。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述智能化电气工程测量方法的智能化电气工程测量系统，所述智能化电气工程测量系统包括：

电流检测模块、电压检测模块、电阻检测模块、主控模块、频率测量模块、短路预测模块、报警模块、数据存储模块、显示模块；

电流检测模块，与主控模块连接，用于通过电流表测量电流数据信息；

电压检测模块，与主控模块连接，用于通过电压表测量电压数据信息；

电阻检测模块，与主控模块连接，用于通过欧姆表测量电阻数据信息；

主控模块，与电流检测模块、电压检测模块、电阻检测模块、频率测量模块、短路预测模块、报警模块、数据存储模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

频率测量模块，与主控模块连接，用于通过数据计算程序根据检测的电气参数测量电气的频率数据；

短路预测模块，与主控模块连接，用于根据检测的电流数据信息预测短路状态信息；

报警模块，与主控模块连接，用于通过报警器对检测的异常数据进行及时报警；

数据存储模块，与主控模块连接，用于通过存储器存储检测的电气参数数据；

显示模块，与主控模块连接，用于通过显示屏显示检测的电流、电压、电阻等数据信息。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述智能化电气工程测量系统的计算机。

本发明的优点及积极效果为：本发明通过频率测量模块利用参考信号和待测信号所构造的采样矩阵的矩阵束分析方法以及矩阵奇异值分解技术，通过对矩阵进行QR分解和相似变换，以及相关矩阵的特征根计算，得到待测信号的相位，通过前后采样时刻的相位差计算出待测信号的频率，本方案较现有技术，简化了计算过程，使计算量大为减小，并且在工频数据窗内即可快速的、准确的计算出正弦信号的频率；同时，通过短路预测模块根据实时监测电气线路L 线上的电流情况，可及时预测短路情况的发生并进行断电保护，可以有效避免电气灾害的发生，保障人们的财产和生命安全。

附图说明

图1是本发明实施提供的智能化电气工程测量方法流程图。

图2是本发明实施提供的智能化电气工程测量系统结构框图。

图2中：1、电流检测模块；2、电压检测模块；3、电阻检测模块；4、主控模块；5、频率测量模块；6、短路预测模块；7、报警模块；8、数据存储模块；9、显示模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明提供的一种智能化电气工程测量方法包括以下步骤：

步骤S101，通过电流检测模块利用电流表测量电流数据信息；通过电压检测模块利用电压表测量电压数据信息；通过电阻检测模块利用欧姆表测量电阻数据信息；

步骤S102，主控模块调度频率测量模块利用数据计算程序根据检测的电气参数测量电气的频率数据；

步骤S103，通过短路预测模块根据检测的电流数据信息预测短路状态信息，并通过报警模块利用报警器对检测的异常数据进行及时报警；

步骤S104，通过数据存储模块利用存储器存储检测的电气参数数据；通过显示模块利用显示屏显示检测的电流、电压、电阻等数据信息。

如图2所示，本发明提供的智能化电气工程测量系统包括：电流检测模块1、电压检测模块2、电阻检测模块3、主控模块4、频率测量模块5、短路预测模块6、报警模块7、数据存储模块8、显示模块9。

电流检测模块1，与主控模块4连接，用于通过电流表测量电流数据信息；

电压检测模块2，与主控模块4连接，用于通过电压表测量电压数据信息；

电阻检测模块3，与主控模块4连接，用于通过欧姆表测量电阻数据信息；

主控模块4，与电流检测模块1、电压检测模块2、电阻检测模块3、频率测量模块5、短路预测模块6、报警模块7、数据存储模块8、显示模块9连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

频率测量模块5，与主控模块4连接，用于通过数据计算程序根据检测的电气参数测量电气的频率数据；

短路预测模块6，与主控模块4连接，用于根据检测的电流数据信息预测短路状态信息；

报警模块7，与主控模块4连接，用于通过报警器对检测的异常数据进行及时报警；

数据存储模块8，与主控模块4连接，用于通过存储器存储检测的电气参数数据；

显示模块9，与主控模块4连接，用于通过显示屏显示检测的电流、电压、电阻等数据信息。

本发明实施例提供的智能化电气工程测量方法包括以下步骤：

步骤一，通过电流检测模块利用电流表测量电流数据信息；通过电压检测模块利用电压表测量电压数据信息；通过电阻检测模块利用欧姆表测量电阻数据信息；

步骤二，主控模块调度频率测量模块利用数据计算程序根据检测的电气参数测量电气的频率数据；

所述频率测量模块测量方法包括：

(1)对待测电流信号一周期内采样N个点，并对得到的采样信号进行离散；

(2)由离散的采样信号，列出待测电流信号n时刻和n-1时刻的采样矩阵[I_n] 和[I_n-1]：

其中M≤L≤N-M，L、M为设定值；

(3)设定参考频率f_参考，由f_参考和电压表达式构造电压信号u(t)，并对u(t)离散得到参考矩阵：

(4)由矩阵[I_n]+[U]和[I_n-1]+[U]的特征根，得到n时刻和n-1对应的相位值θ_n和θ_n-1，并由θ_n和θ_n-1求出计算频率f_计算，该f_计算为待测的频率；

(5)计算f_计算与f_参考的差值；

(6)判断差值是否在设定的误差范围内，若是，则该f_计算即为待测频率实际值；若否，则将得到的计算频率f_计算作为新的参考频率，重复步骤(3)、(4)、(5)，直到计算频率与参考频率的差值在设定的误差范围内为止；

步骤三，通过短路预测模块根据检测的电流数据信息预测短路状态信息，并通过报警模块利用报警器对检测的异常数据进行及时报警；

步骤四，通过数据存储模块利用存储器存储检测的电气参数数据；通过显示模块利用显示屏显示检测的电流、电压、电阻。

进一步，所述短路预测模块预测方法如下：

A、通过电流传感器和控制器实时监测电气线路L线上的电流值S，监测频率为每秒3000次；

B、通过控制器计算每微秒电流变化值的导数V和二阶导数a；

C、通过控制器比较电流值S和预设最大电流值I，若S≥I，且V≥30A/μs，且a≥5A/μs/μs则判定电气线路将发生短路；

D、若判定电气线路将发生短路，则通过控制器断开继电器，进行断电保护。

进一步，所述电流检测模块以检测点和补偿点的相电压旋转适量方向作为p 轴方向，具体包括：

(1)对负载电流进行abc/pq变换，p轴方向与负载电流检测点相电压旋转矢量方向抑制，检测点相电压矢量的初始相角为0，则变换矩阵为：

得到负载电流武功直流分量i_qL；

(2)将i_qL转化为补偿点所需注入的武功电流直流分量i_qT；负载相电流幅值为I_Lm，负载电流与电压夹角为通过abc/pq变换，得到：

根据功率平衡原理，负载所需的无功功率Q_L与STATCOM补偿点注入系统的无功功率相等，即：

其中，U_Lm为负载电压幅值，U_Tm为STATCOM补偿点相电压幅值；I_Tm为 STATCOM补偿点注入系统的武功电流幅值；得到i_qT与I_Tm关系为：

设STATCOM补偿点相电压与负载相电压的比值为K：

U_Tm/U_Lm＝K；

i_qT与i_qL的关系式为：

将负载电流武功直流分量i_qL实时地转换为STATCOM补偿点所需注入的武功电流直流分量i_qT；

(3)对i_qT进行abc/pq反变换，p轴方向与STATCOM补偿点相电压旋转矢量方向一致，补偿点相电压矢量初始相角为α；则反变换矩阵为：

abc/pq反变换方程为：

得到补偿点STATCOM输出三相武功电流值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种智能化电气工程测量方法，其特征在于，所述智能化电气工程测量方法包括以下步骤：

步骤一，通过电流检测模块利用电流表测量电流数据信息；通过电压检测模块利用电压表测量电压数据信息；通过电阻检测模块利用欧姆表测量电阻数据信息；

步骤二，主控模块调度频率测量模块利用数据计算程序根据检测的电气参数测量电气的频率数据；

所述频率测量模块测量方法包括：

(1)对待测电流信号一周期内采样N个点，并对得到的采样信号进行离散；

(2)由离散的采样信号，列出待测电流信号n时刻和n-1时刻的采样矩阵[I_n]和[I_n-1]：

其中M≤L≤N-M，L、M为设定值；

(3)设定参考频率f_参考，由f_参考和电压表达式构造电压信号u(t)，并对u(t)离散得到参考矩阵：

(4)由矩阵[I_n]+[U]和[I_n-1]+[U]的特征根，得到n时刻和n-1对应的相位值θ_n和θ_n-1，并由θ_n和θ_n-1求出计算频率f_计算，该f_计算为待测的频率；

(5)计算f_计算与f_参考的差值；

(6)判断差值是否在设定的误差范围内，若是，则该f_计算即为待测频率实际值；若否，则将得到的计算频率f_计算作为新的参考频率，重复步骤(3)、(4)、(5)，直到计算频率与参考频率的差值在设定的误差范围内为止；

步骤三，通过短路预测模块根据检测的电流数据信息预测短路状态信息，并通过报警模块利用报警器对检测的异常数据进行及时报警；

步骤四，通过数据存储模块利用存储器存储检测的电气参数数据；通过显示模块利用显示屏显示检测的电流、电压、电阻。

2.如权利要求1所述的智能化电气工程测量方法，其特征在于，所述短路预测模块预测方法如下：

A、通过电流传感器和控制器实时监测电气线路L线上的电流值S，监测频率为每秒3000次；

B、通过控制器计算每微秒电流变化值的导数V和二阶导数a；

C、通过控制器比较电流值S和预设最大电流值I，若S≥I，且V≥30A/μs，且a≥5A/μs/μs则判定电气线路将发生短路；

D、若判定电气线路将发生短路，则通过控制器断开继电器，进行断电保护。

3.如权利要求1所述的智能化电气工程测量方法，其特征在于，所述电流检测模块以检测点和补偿点的相电压旋转适量方向作为p轴方向，具体包括：

(1)对负载电流进行abc/pq变换，p轴方向与负载电流检测点相电压旋转矢量方向抑制，检测点相电压矢量的初始相角为0，则变换矩阵为：

得到负载电流武功直流分量i_qL；

(2)将i_qL转化为补偿点所需注入的武功电流直流分量i_qT；负载相电流幅值为I_Lm，负载电流与电压夹角为通过abc/pq变换，得到：

根据功率平衡原理，负载所需的无功功率Q_L与STATCOM补偿点注入系统的无功功率相等，即：

其中，U_Lm为负载电压幅值，U_Tm为STATCOM补偿点相电压幅值；I_Tm为STATCOM补偿点注入系统的武功电流幅值；得到i_qT与I_Tm关系为：

设STATCOM补偿点相电压与负载相电压的比值为K：

U_Tm/U_Lm＝K；

i_qT与i_qL的关系式为：

将负载电流武功直流分量i_qL实时地转换为STATCOM补偿点所需注入的武功电流直流分量i_qT；

(3)对i_qT进行abc/pq反变换，p轴方向与STATCOM补偿点相电压旋转矢量方向一致，补偿点相电压矢量初始相角为α；则反变换矩阵为：

abc/pq反变换方程为：

得到补偿点STATCOM输出三相武功电流值。

4.一种实施权利要求1所述智能化电气工程测量方法的智能化电气工程测量系统，其特征在于，所述智能化电气工程测量系统包括：

电流检测模块、电压检测模块、电阻检测模块、主控模块、频率测量模块、短路预测模块、报警模块、数据存储模块、显示模块；

电流检测模块，与主控模块连接，用于通过电流表测量电流数据信息；

电压检测模块，与主控模块连接，用于通过电压表测量电压数据信息；

电阻检测模块，与主控模块连接，用于通过欧姆表测量电阻数据信息；

主控模块，与电流检测模块、电压检测模块、电阻检测模块、频率测量模块、短路预测模块、报警模块、数据存储模块、显示模块连接，用于通过单片机控制各个模块正常工作；

频率测量模块，与主控模块连接，用于通过数据计算程序根据检测的电气参数测量电气的频率数据；

短路预测模块，与主控模块连接，用于根据检测的电流数据信息预测短路状态信息；

报警模块，与主控模块连接，用于通过报警器对检测的异常数据进行及时报警；

数据存储模块，与主控模块连接，用于通过存储器存储检测的电气参数数据；

显示模块，与主控模块连接，用于通过显示屏显示检测的电流、电压、电阻等数据信息。

5.一种应用权利要求4所述智能化电气工程测量系统的计算机。