CN109188081B - 一种基于空间向量法的电压暂降波形点检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于空间向量法的电压暂降波形点检测方法，具体包括以下步骤：步骤1.获得待检测电压暂降的三相电压瞬时值波形。步骤2.提取已知波形的基本特征。步骤3.通过三相电压向量构造空间向量，计算空间向量半径变化率。步骤4.通过空间向量半径的变化率，寻找波形点所在的采样点位置。步骤5.通过空间向量x(t)与实轴的夹角结合所求得的采样点位置计算波形点。本发明通过三相电压合成空间向量，根据空间向量在未发生暂降时和发生暂降时呈现的不同特点来检测波形点，解决现有算法在原理上存在的误差。

Description

一种基于空间向量法的电压暂降波形点检测方法

技术领域

本发明属于电学领域，具体涉及利用空间向量的算法寻找电压暂降波形的方法。

背景技术

电力系统中的大多数电力电子设备对于动态的电能质量扰动是相当敏感的，电压暂降很容易引起设备无法正常工作，这对用户造成的经济损失往往是难以估量的。作为时代发展的产物，电力电子设备，如今已大量应用到现代化的工业生产中。这些设备一旦因电压暂降的原因，而不能正常工作或者停止工作，那么整个生产线都要受到影响，造成设备停产，产品报废，工具损坏，生产工期的延长等危害，所以电压暂降对各种设备和各行业都会产生影响。

在现有的标准中，电压的有效值(RMS)和持续时间被认为是电压暂降或短时中断的两个基本特征。这些标准很少考虑电压暂降的其他特征并且经常简单地忽略其他的关于电压暂降的信息。但是，某些特定类型的设备的正常工作将被其他特征所影响(例如相位跳变和波形点导致敏感设备非正常工作)。

如果不考虑或者不了解所有存在影响的其他特征信息，那么在对设备的敏感性作出评估时很可能难以得出准确结论。而且如果不能准确判断波形点就不能准确得出电压暂降的起止时刻，那么得到的持续时间也是不准确的。所以有必要研究电压暂降的波形点。

现有的检测电压暂降波形点的方法主要有：

1).有效阈值法

所谓有效阈值法，是指对于实测暂降的有效值序列设定的一个阈值δ，以此阈值进行检测。在现有的标准中，规定的阈值为正常电压有效值的90％，由于只考虑电压暂降最严重的那一相，那么此阈值实际上是该相正常电压有效值的90％，由于只考虑电压暂降最严重的那一相，当检测到其有效值低于阈值δ的采样点时，算法即被触发，输出波形起始点所在的采样点时，算法再次触发，输出波形结束点所在的采样点。此方法首先检测的是暂降起始点和结束点所对应的采样点，然后寻找电压波形中距离所寻找到的采样点最近的一个向上过零点作为参考采样点，以参考采样点为基础计算出它们所在的角度，作为电压暂降起始点和结束点。

有效阈值法存在技术缺点是：

有效阈值法通过电压有效值的90％作为阈值来检测电压暂降的起始点和结束点，从理论上就可以证明通过有效值阈值法检测波形点是不合理的，因为起始点、结束点和有效值为10％、90％的点显示是不同的点。因此算法从原理上一定会存在误差。

而且在寻找波形点所对应的采样点之后，通过寻找最近的一个向上过零点并与之比较来计算波形点的方法也有可能存在误差，因为寻找到的向上过零点所对应的电压瞬时值往往不为0，此时就会存在一个误差，例如，当一个周期的采样点数为96个时，这个误差最大就有可能为3.75°。

2).瞬时包络线法

正常情况下，对于某一个节点，其电压瞬时值和无穷大系统的电压瞬时值应该是同步的，即两者之间的偏离非常微小。当此节点发生电压暂降时，那么从电压暂降发生开始，此节点的电压瞬时值的波形会偏离系统电压瞬时值的波形，若其电压瞬时值波形下降到系统电压瞬时值波形的95％包络线以下，即会出现一个触发点，它就作为电压暂降的起始点；检测到电压暂降发生之后，在电压的恢复阶段，其电压瞬时值波形回到系统电压瞬时值波形的110％和90％包络线以内并至少持续半周期的时间时，会再次出现一个触发点，它即作为电压暂降的结束点。此方法首先检测的是暂降起始点和结束点所对应的采样点，然后寻找电压波形中距离所寻找到的采样点最近的一个向上过零点作为参考采样点，以参考采样点为基础计算出它们所在的角度，作为电压暂降的起始点和结束点。

其中，需要对上述的三条包络线的实现及使用进行说明。采样数据能保证暂降前至少一个周期是正常电压数据，事实上，它也能保证暂降后至少有两个周期是正常电压数据。在以程序算法找出系统电压瞬时值波形的95％包络线时，首先要根据有效阈值法给出一个波形起始点所在的采样点的初步估计，作为对暂降起始点所在的大概位置的估计，然后取出此暂降点之前一个周期到两个周期之间的采样值，并把这些采样值重新取为原来的95％并向前向后延伸至整个采样数据长度，得到的离散点波形作为系统电压瞬时值波形的95％包络线；实现系统电压瞬时值波形的110％和90％包络线时，采取同样的方法，将所取采样值取为原来的110％和90％后延伸至数据长度。

首先，对波形起始点和结束点的初步估计依赖性比较高，这种初步估计必须可性度足够高，否则会因无法构造准确包络线而误检测波形点。

其次，瞬时值包络线法仍旧是换了一种形式的阈值判断形式，即设置瞬时值曲线的95％、110％和90％为阈值。这样也仍然会有和有效阈值法同样的问题，即直接通过阈值所找到的采样点与真正波形点对应的采样点一定会存在误差，无法找到真正的波形点。

而且在寻找到波形点所对应的采样点之后，通过寻找最近的一个线上过零点并与之比较来计算波形点的方法也有可能存在误差，因为寻找到的向上过零点所对应的电压瞬时值往往不为0，此时就会存在一个误差，例如，当一个周期的采样点数为96个时，这个误差最大就有可能是3.75°。

发明内容

本发明的目的在于解决现有算法在原理上存在的误差缺陷，提出一种新的基于空间向量法的电压暂降波形点检测方法，这种方法基于空间向量在复平面相对于实轴的角度，比寻找最近的一个向上过零点并与之比较来计算波形点的方法更为精确。

本发明采用如下技术方案：

一种基于空间向量法的电压暂降波形点检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1.获得待检测电压暂降的三相电压瞬时值波形。

步骤2.提取已知波形的基本特征。

步骤3.通过三相电压向量构造空间向量，计算空间向量半径变化率。

步骤4.通过空间向量半径的变化率，寻找波形点所在的采样点位置。

步骤5.通过空间向量x(t)与实轴的夹角结合所求得的采样点位置计算波形点。

本发明进一步的技术方案是，所述的步骤2基本特征可以是一个周期包含的采样点数，每两个点之间的对应的时间差。

本发明进一步的技术方案是，所述的步骤3中构造空间向量的方法是：

步骤a.将b相电压逆时针旋转120°、c相电压逆时针旋转240°后均与a相电压相加，所得结果乘以系数2/3，即可构造空间向量，其公式是：

步骤b.将步骤a所得结果，求得空间向量x(t)的半径r(t)，其公式是：

步骤c.根据步骤a和步骤b中结果在复平面上作圆。

而当发生电压暂降后，某一相或者几相电压发生突然降落，会导致这个圆过渡到一个椭圆，暂降结束后椭圆又会过度回到一个圆。

步骤d.在步骤c作出的圆中找到波形点，并确定起始点和结束点。

本发明进一步的技术方案，还包括：

步骤e.定义空间向量的半径变化率为：

步骤f.根据步骤e中的定义，得到空间向量半径变化率后，通过将空间向量变化率与设定的阈值作对比，变化率大于阈值的第一个点即为起始点，变化率大于阈值的最后一个点的下一个点即为结束点。

步骤g.取x(t)与实轴正方向的夹角为θ，由于a相电压与x(t)方向相同，则a相电压瞬时值与θ的关系为：

v_a(t)＝V_amcosθ；

而波形点的定义中，波形点是通过取最近的一个向上过零点为0°计算的，设a相波形点角度为则a相电压瞬时值与的关系为：

又因为三角函数存在如下关系：

cosθ＝sin(θ+π/2)；

所以波形点的角度可以直接通过空间向量x(t)与实轴正方向的夹角求得，即下式：

而且由于空间向量一直反应的都是三相电压瞬时值的信息，所以从理论上来说这样计算比取最近的一个向上过零点为0°计算更为准确；求出了a相的暂降波形点之后，另外两相的波形点只需±120°即可求出，因为波形点所在的采样点电压都处于稳定状态。

本发明进一步的技术方案是，阈值的定义为x*r(1)，其中x为待确定的值，r(1)是第一个样本对应的空间向量半径。

本发明进一步的技术方案是，所述的x一般选择为100。

本发明的有益效果：

1.本发明是通过三相电压合成空间向量，根据空间向量在未发生暂降时和发生暂降时呈现的不同性质来检测波形点，从原理上能够准确找到电压暂降波形点的位置。

2.本发明是针对传统的计算波形点角度的方法(找到采样点之后寻找向上过零点计算波形点)可能存在的误差，根据瞬时电压的相位关系，更准确的求取波形点的相位，而且算法上也比寻找向上过零点更为简单。

3.本发明经过大量仿真和实测数据检测后验证了该方法的有效性，同时本方法是目前电压暂降波形点检测算法中准确率最高的算法之一。

附图说明

图1为采样点序号示意图；

图2为空间向量轨迹图；

图3为空间向量半径变化率图；

图4为波形点的定义示意图；

图5为对比空间向量法准确结果与固定阈值起始点结果图；

图6为对比空间向量法准确结果与固定阈值结束点结果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

术语解释

电压暂降：

一般性定义：简单地说，电压暂降是电压突然降低，但能够在短时间内恢复正常、电压暂降和电压过低是不同的，电压暂降的持续时间很短，而且暂降后的幅值很低，有时残压甚至仅为正常电压的10％。

学术定义：电压暂降为供电电压有效值在短时间内突然下降又回升并且恢复的现象。电力系统中的持续时间多数情况在0.1到1.5s之间。电压暂降可以看作二维的电磁扰动，它的两个维度分别是电压降的大小和持续时间。

在描述电压暂降时，经常用到残压的概念。它是指电压暂降或短时中断过程中，电压均方根值的最小值。它可以用有名值或相对于参考电压的标幺值或百分比值表示。国际电工委员会(IEC)将电压暂降定义为下降到额定值的90％到1％；国际电气与电子工程师协会(IEEE)则把电压暂降定义为下降到额定值的90％到10％，并且其典型的持续时间应该为5～30个周期。

电压暂降波形点：波形点可分为起始点和结束点，它们分别是瞬时电压发生暂降和结束暂降的点所对应的相角值。

起始点对应于暂降前电压的相位角，它是从暂降前电压的最后一个正向过零点开始测量的，这个点是从暂降前电压到暂降电压的过渡阶段的开始。类似地，结束对应于相对于暂降后电压的正向过零点测量的暂降后电压的相位角，这个点是从暂降电压到暂降后电压过渡阶段的结束。

为了避免通常发生在暂降起始处和暂降末端的相移和瞬变引起的复杂情况，所以相对于暂减后电压的正向过零点测量而不是相对于暂降过程中的电压。起始点和结束点通常以度或弧度表示，波形点的定义如图4所示。

如图1所示，本发明的一种基于空间向量法的电压暂降波形点检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1.获得待检测电压暂降的三相电压瞬时值波形。

步骤2.提取已知波形的基本特征。

步骤3.通过三相电压向量构造空间向量，计算空间向量半径变化率。

步骤4.通过空间向量半径的变化率，寻找波形点所在的采样点位置。

步骤5.通过空间向量x(t)与实轴的夹角结合所求得的采样点位置计算波形点。

本发明进一步的技术方案是，所述的步骤2基本特征可以是一个周期包含的采样点数，每两个点之间的对应的时间差。

本发明进一步的技术方案是，所述的步骤3中构造空间向量的方法是：

步骤a.将b相电压逆时针旋转120°、c相电压逆时针旋转240°后均与a相电压相加，所得结果乘以系数2/3，即可构造空间向量，其公式是：

步骤b.将步骤a所得结果，求得空间向量x(t)的半径r(t)，其公式是：

步骤c.根据步骤a和步骤b中的结果在复平面上作圆。

而当发生电压暂降后，某一相或者几相电压发生突然降落，会导致这个圆过渡到一个椭圆，暂降结束后椭圆又会过渡回到一个圆。

步骤d.在步骤c作出的圆中找到波形点，并确定起始点和结束点。

本发明进一步的技术方案，还包括：

步骤e.定义空间向量的半径变化率为：

步骤f.根据步骤e中的定义，得到空间向量半径变化率后，通过将空间向量变化率与设定的阈值作对比，变化率大于阈值的第一个点即为起始点，变化率大于阈值的最后一个点的下一个点即为结束点。

步骤g.取x(t)与实轴正方向的夹角为θ，由于a相电压与x(t)方向相同，则a相电压瞬时值与θ的关系为：

v_a(t)＝V_amcosθ；

而波形点的定义中，波形点是通过取最近的一个向上过零点为0°计算的，设a相波形点角度为则a相电压瞬时值与的关系为：

又因为三角函数存在如下关系：

cosθ＝sin(θ+π/2)；

所以波形点的角度可以直接通过空间向量x(t)与实轴正方向的夹角求得，即下式：

而且由于空间向量一直反应的都是三相电压瞬时值的信息，所以从理论上来说这样计算比取最近的一个向上过零点为0°计算更为准确；求出了a相的暂降波形点之后，另外两相的波形点只需±120°即可求出，因为波形点所在的采样点电压都处于稳定状态。

本发明进一步的技术方案是，阈值的定义为x*r(1)，其中x为待确定的值，r(1)是第一个样本对应的空间向量半径。

本发明进一步的技术方案是，所述的x一般选择为100。

实施例

空间向量法的基本原理是使用三相电压构造一个空间向量，并在复平面中表示。然后针对系统正常运行和电压暂降的情况，对空间向量特性进行理论评估。

构造空间向量的公式如下：

其实质是将b相电压逆时针旋转120°、c相电压逆时针旋转240°后与a相电压相加后乘以系数2/3，构造一个空间向量x(t)，其中乘以系数2/3是为了保存两个坐标系之间的量值。

空间向量的半径定义为：

由空间向量的定义可知，在电压处于稳态时，空间向量的半径基本不变，相位与a相电压相同，随时间在复平面上画出的轨迹是一个圆。而当发生电压暂降后，某一相或者几相电压发生突然降落，会导致这个圆过渡到一个椭圆，暂降结束后椭圆又会过度回到一个圆。所以在暂降前和暂降后空间向量的半径都约为一个恒定的值，而暂降过程中半径会发生剧烈的变化。

因为构造空间向量使用的是三相电压的瞬时值，所以空间向量能比有效值更好的反应电压的瞬间变化情况，要寻找波形点，从圆开始过度到椭圆的点即为起始点，从椭圆过度到圆的最后一个点即为结束点，如图2所示，图中1为起始端，2为结束点。

根据半径的这个特点，就可以找出波形的起始点和结束点。

定义空间向量的半径变化率为

从图2中可以看出，从空间向量的轨迹从圆过渡到椭圆和从椭圆过度到圆的过程中，空间向量的半径都会发生巨大的变化，那么可以通过检测空间向量的半径变化率来检测波形点。

对空间向量半径变化率的检测如图3所示，横坐标为电压暂降的采样点序号，纵坐标为空间向量的半径变化率dr，线1是波形点的阈值，线2是每个样本对应的空间向量半径。

选择x*r(1)作为检测的阈值，其中x为待确定的值，图中选择x＝100。

阈值是通过大量实测数据验证选择的：

为了选取最合适的阈值，本发明选用10个阈值对425组电压暂降实测数据(其中包含353个矩形电压暂降和72个缓慢恢复型电压暂降)进行计算(x从60取到150，步长为10)。每个阈值可计算得到一组波形点结果(包含425个起始点和353个结束点)。为了得出测量正确率最高的阈值，需要知道每一组数据的正确结果。

本发明对数据逐个进行测量，通过观测的方法为每一组数据调整至合适的阈值，即可得到正确的结果。

通过比较正确结果和固定阈值的波形点结果的标准差，找到最合适的阈值，结果如下表1所示：

表1不同阈值与正确结果之间的标准差

从表中可以看出，综合起始点标准差和结束点标准差的结果，应当选择X＝100，即阈值为100*r(1)。

r(1)是第一个样本对应的空间向量半径，第一个样本处于正常状态，通常不在暂降事件段。在正常情况和暂降期间，dr都应该低于阈值，而在发生暂降后dr会突然增加，选取合适的阈值即可检测到波形点，dr高于阈值的第一个点即为起始点，dr高于阈值的最后一个点的下一个点即为结束点。

本发明利用仿真数据和实测数据验证算法

1.仿真数据

构造的仿真数据是瞬时三相电压，幅值为1058V。在构造的数据中，每个周期包含100个采样点。每个数据的长度为20个周期，包含2000个采样点。在暂降期间，A,B和C相的电压降低到稳态电压的0.8、0.6、0.5。在测试中，考虑了具有相位跳变和没有相位跳变的电压暂降。当具有相位跳变时，在A,B和C相中引入的相位跳跃分别为30°，60°，90°。在这两种情况下(有跳变和无跳变)，起始点保持不变，并且改变结束点以构造仿真数据。保持起点的采样点为400不变，终点的采样点取自801到1800，步长为1可以得到两组电压数据，每组有1000个数据。同样，保持结束点的采样点为1801不变，起始点的采样点取400～1399，步长为1可以得到两组电压数据，每组有1000个数据。对于四组仿真数据，总共有4000个样本，空间向量法所测得的波形点的准确率为100％。

2.实测数据

将425组电压暂降实测数据的测量结果展示在图5和图6中，其中横坐标为正确结果，纵坐标为固定阈值100*r(1)的结果。图中的散点如果在斜线上，则说明两个结果相同，散点偏离斜线的程度越大，说明固定阈值所得结果偏离正确结果越多。可以从图像中看出，绝大多数的散点都分布在实线上，为了更直观的看出测量结果的准确程度，将偏离正确结果0°-10°，10°-30°，30°-50°，50°-90°和大于90°的结果个数分别统计，记录在下表2中。

表2不同偏差的结果个数

偏差/度	0-10	10-30	30-50	50-90	大于90
						起始点	374(88％)	4(0.9％)	2(0.5％)	13(3.1％)	32(7.5％)
结束点	251(71.1％)	14(4.0％)	11(3.1％)	22(6.2％)	55(15.6％)

如果偏离正确结果0°-10°为可接受范围的话，起始点的正确率为88％，结束点的正确率为70.8％。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于空间向量法的电压暂降波形点检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1.获得待检测电压暂降的三相电压瞬时值波形；

步骤2.提取已知波形的基本特征；

基本特征是一个周期包含的采样点数，每两个点之间的对应的时间差；

步骤3.通过三相电压向量构造空间向量，计算空间向量半径变化率；

具体构造空间向量的方法是：

步骤a.将b相电压逆时针旋转120°、c相电压逆时针旋转240°后均与a相电压相加，所得结果乘以系数2/3，即可构造空间向量，其公式是：

步骤b.将步骤a所得结果，求得空间向量x(t)的半径r(t)，其公式是：

步骤c.根据步骤a和步骤b中的结果在复平面上作圆；

步骤d.在步骤c作出的圆中找到波形点，并确定起始点和结束点；

步骤4.通过空间向量半径的变化率，寻找波形点所在的采样点位置；

具体寻找波形点采样点位置的方法是：

步骤e.定义空间向量的半径变化率为：

步骤f.根据步骤e中的定义，得到空间向量半径变化率后，通过将空间向量变化率与设定的阈值作对比，变化率大于阈值的第一个点即为起始点，变化率大于阈值的最后一个点的下一个点即为结束点；

步骤5.通过空间向量x(t)与实轴的夹角结合所求得的采样点位置计算波形点。

2.根据权利要求1所述的一种基于空间向量法的电压暂降波形点检测方法，其特征在于，所述的步骤5中通过空间向量x(t)与实轴的夹角结合所求得的采样点位置计算波形点的方法是：

取x(t)与实轴正方向的夹角为θ，由于a相电压与x(t)方向相同，则a相电压瞬时值与θ的关系为：

v_a(t)＝V_amcosθ；

而波形点的定义中，波形点是通过取最近的一个向上过零点为0°计算的，设a相波形点角度为则a相电压瞬时值与的关系为：

又因为三角函数存在如下关系：

cosθ＝sin(θ+π/2)；

所以波形点的角度可以直接通过空间向量x(t)与实轴正方向的夹角求得，即下式：

而且由于空间向量一直反应的都是三相电压瞬时值的信息，所以从理论上来说这样计算比取最近的一个向上过零点为0°计算更为准确；求出了a相的暂降波形点之后，另外两相的波形点只需±120°即可求出，因为波形点所在的采样点电压都处于稳定状态。

3.根据权利要求1所述的一种基于空间向量法的电压暂降波形点检测方法，其特征在于，步骤f中的阈值的定义为x*r(1)，其中x为待确定的值，r(1)是第一个样本对应的空间向量半径。

4.根据权利要求3所述的一种基于空间向量法的电压暂降波形点检测方法，其特征在于，所述的x选择100。