CN110007146B - 一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法 - Google Patents

一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法，包括以下步骤，步骤一，利用低频载波发送机向变压器低压侧注入幅值相等、频率不同的载波电流信号；步骤二，检测变压器低压侧的电压信号U(t)与电流信号I(t)；步骤三，根据滑动DFT算法，提取变压器低压侧电压电流信号中注入的谐波波形；步骤四，根据DFT提取谐波相位的公式，提取出电压电流谐波的相位，并计算它们的相位差；步骤五，根据计算得到的电压电流谐波相位差，对谐振点进行检测。本发明此方法只需要测量变压器低压侧的电压电流信号，操作简单，并且此处的电压电流信号较为容易测量。另外，此算法计算量小，完全满足实时在线检测低功耗的要求，该方法已被应用于实际工程中，并取得了很好的效果。

Description

一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法
技术领域
本发明涉及配电网自动化系统领域，涉及一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法。
背景技术
在电力系统领域，为了减少系统的线路损耗，提高系统的品质因数，通常的做法是往电力系统中投切补偿电容来进行无功补偿。但是电力系统中通常存在大量的谐波源，当向系统中投入补偿电容时，系统的等效电路可能会与电容之间发生并联谐振，使谐振电流被放大，超出补偿电容的额定电流，从而导致电容设备过热损坏，同时会使系统的介质损耗增加，降低其他设备的使用寿命。因此，能够准确检测出系统的谐振点，为治理谐波源提供了依据，从而为改善系统的电能质量、提高设备的使用寿命提供了保证。
目前常用的谐振点检测工具多为专业设备，成本较高，检测到电压电流数据后，还需要将数据上传到上位机来进行谐波分析，不能够实现实时在线检测，并且检测速度较慢，检测过程复杂，灵活性较差。因此，急切需要发展一种能够实时在线检测谐振点的方法。
发明内容
本发明针对上述问题，克服现有技术的不足，提出一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法，该方法根据滑动DFT算法提取出的电压电流谐波的相位关系来对谐振点进行检测。该方法实现简单，只需测量出变压器低压侧的电压电流信号，即可检测出谐振点，可以实现实时在线谐振点的检测，同时，变压器低压侧的电压电流信号是很容易进行检测的。该方法不需要反复测试，操作简单，已经应用到实际的电力系统中，并且取得了很好的效果。
本发明通过计算电压电流谐波的相位关系来对谐振点进行检测。该方法首先利用低频载波发送机向变压器低压侧注入幅值相等、频率不同的载波电流信号，同时检测变压器低压侧的电压电流信号，然后根据滑动DFT算法提取出谐波电压电流波形及其相位差，最后根据提取的相位差来对谐振点进行检测。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法，包括以下步骤，
步骤一，利用低频载波发送机向变压器低压侧注入幅值相等、频率不同的载波电流信号。
步骤二，检测变压器低压侧的电压信号U(t)与电流信号I(t)。
步骤三，根据滑动DFT算法，提取变压器低压侧电压电流信号中的谐波波形。
步骤四，根据DFT提取谐波相位的公式，提取出电压电流谐波的相位，并计算它们的相位差。
步骤五，根据计算得到的电压电流谐波相位差，对谐振点进行检测。
进一步地，步骤三中的滑动DFT算法的公式为，
Figure GDA0002943319310000021
Figure GDA0002943319310000022
其中，ak为提取的第k次谐波的实部，bk为提取的第k次谐波的虚部，N为一个工频周波的采样点数，
Figure GDA0002943319310000023
为第i个采样点的值，k为提取的谐波次数，T为一个工频周波的时间。
进一步地，步骤四中的DFT提取谐波相位的公式为，
Figure GDA0002943319310000024
电压电流各次谐波相位差的计算公式为
Figure GDA0002943319310000025
其中，ak为提取的第k次谐波的实部，bk为提取的第k次谐波的虚部，
Figure GDA0002943319310000026
为提取的电压k次谐波相位，
Figure GDA0002943319310000027
为提取的电流k次谐波相位，
Figure GDA0002943319310000028
为提取的电压电流k次谐波相位差。
进一步地，步骤五中的根据计算得到的电压电流谐波相位差进行谐振点检测的原则为，当
Figure GDA0002943319310000029
时，电压k次谐波相位超前电流k次谐波的相位，k次谐波对应的频率位于谐振点前，当
Figure GDA00029433193100000210
时，电压k次谐波相位与电流k次谐波的相位同向，k次谐波对应的频率为谐振点，当
Figure GDA00029433193100000211
时，电压k次谐波相位滞后电流k次谐波的相位，k次谐波对应的频率位于谐振点后。
进一步地，步骤一中频率范围在1K～5KHz之间。
进一步地，步骤一中幅值范围在5～15V之间。
本发明的有益效果是：本发明一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法，根据计算得到的电压电流谐波相位差来对系统的谐振点进行检测，此方法只需要测量变压器低压侧的电压电流信号，不需要重复测量，操作简单，并且此处的电压电流信号较为容易测量。另外，此算法计算量小，完全满足实时在线检测低功耗的要求，该方法已被应用于实际工程中，并取得了很好的效果。
附图说明
图1为本发明基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法总体流程图。
图2为本发明注入11次载波电流信号时变压器低压侧电压电流测量信号波形。
图3为本发明提取的变压器低压侧电压电流信号中的11次谐波波形。
图4为本发明提取的变压器低压侧电压电流信号中11次谐波的电压电流相位差波形。
图5为本发明提取的注入11次载波电流信号时补偿电容产生的11次谐波电流波形。
图6为本发明注入22次载波电流信号时变压器低压侧电压电流测量信号波形。
图7为本发明提取的变压器低压侧电压电流信号中的22次谐波波形。
图8为本发明提取的变压器低压侧电压电流信号中22次谐波的电压电流相位差波形。
图9为本发明提取的注入22次载波电流信号时补偿电容产生的22次谐波电流波形。
图10为本发明注入25次载波电流信号时变压器低压侧电压电流测量信号波形。
图11为本发明提取的变压器低压侧电压电流信号中的25次谐波波形。
图12为本发明提取的变压器低压侧电压电流信号中25次谐波的电压电流相位差波形。
图13为本发明提取的注入25次载波电流信号时补偿电容产生的25次谐波电流波形。
其中图2～图13横坐标代表采样点数，图2、3、5、6、7、9、10、11、13中纵坐标代表电压电流的幅值，单位分别为V、A，图4、8、12中纵坐标分别为电压电流的相位差。
具体实施方式
下面结合附图1-13和实施例对本发明作进一步的说明，以具体阐述本发明的技术方案。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
结合附图1，本发明的一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法，包括以下步骤，
步骤一，利用载波发送机向变压器低压侧注入幅值为10A、频率分别为11、22、25次的载波电流信号。
步骤二，利用设备检测变压器低压侧的电压电流信号，其波形如图2、6、10所示。
步骤三，根据滑动DFT算法，分别提取注入11、22、25次低频脉动电流时变压器低压侧的电压电流信号，其波形分别如图3、7、11所示，滑动DFT算法的公式为，
Figure GDA0002943319310000031
Figure GDA0002943319310000032
其中，ak为提取的第k次谐波的实部，bk为提取的第k次谐波的虚部，N为一个工频周波的采样点数，N＝6250，
Figure GDA0002943319310000041
为第i个采样点的值，k为提取的谐波次数，T为一个工频周波的时间，T＝20ms。
步骤四，根据滑动DFT算法，分别提取出11、22、25次电压电流谐波的相位，并计算11、22、25次电压电流谐波的相位差，其波形如图4、8、12所示，DFT提取谐波相位的公式为，
Figure GDA0002943319310000042
电压电流谐波相位差的计算公式为
Figure GDA0002943319310000043
其中，ak为提取的第k次谐波的实部，bk为提取的第k次谐波的虚部，
Figure GDA0002943319310000044
为提取的电压k次谐波相位，
Figure GDA0002943319310000045
为提取的电流k次谐波相位，
Figure GDA0002943319310000046
为提取的电压电流k次谐波相位差，k＝11,22,25。
步骤五，根据计算得到的电压电流谐波相位差来对谐振点进行检测，当注入11次谐波时，电压电流相位差
Figure GDA0002943319310000047
Figure GDA0002943319310000048
11次谐波位于谐振点前，当注入22次谐波时，电压电流相位差
Figure GDA0002943319310000049
Figure GDA00029433193100000410
22次谐波位于谐振点前，当注入25次谐波时，电压电流相位差为
Figure GDA00029433193100000411
Figure GDA00029433193100000412
25次谐波位于谐振点后，因此，可以确定谐振点位于22次谐波与25次谐波之间的频率范围内。
本实施例中：利用实际的现场试验数据对该谐振点检测方法进行验证。本发明根据电压电流的相位差确定了谐振点在22次谐波与25次谐波频率之间，同时，根据图5、9、13可知，在注入22和25次载波电流信号时补偿电容产生的谐波电流要比注入11次载波电流信号时补偿电容产生的电流大很多，说明在22和25次谐波附近系统发生了谐振，也进一步验证了本发明所提出的方法是可行的。由于实际的检测设备采用向电网中注入载波电流信号的方式来进行检测，因此，当检测到快接近谐振点的时候，会跳过谐振点的附近，避免引起系统的谐振，最终此方法会检测出谐振点位于一定的频率范围，为谐波源的治理提供一定的理论依据以及为谐振点的检测提供了一种新的实现方式。
本发明步骤一中频率范围在1K～5KHz之间，可以是1KHz、5KHz或1K～5KHz之间的任意数值，并不限于实施例所给出的数值。步骤一中幅值范围在5～15V之间，可以是5V、15V或5～15V之间的任意数值，并不限于实施例所给出的数值。
综上所述，本发明提出一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法，首先利用低频载波发送机向变压器低压侧注入幅值相等、频率不同的载波电流信号同时提取出变压器低压侧的电压电流信号，根据滑动DFT算法，提取出电压电流的谐波波形，进而计算出电压电流谐波之间的相位差，最后根据相位差来对谐振点进行检测。此方法只需要测量变压器低压侧的电压电流信号，不需要重复测量，操作简单，可以准确地实时在线检测出谐振点位于一定的频率范围内。另外，此算法计算量小，完全满足实时在线检测低功耗的要求，该方法已被应用于实际工程中，并取得了很好的效果。
以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一，利用低频载波发送机向变压器低压侧注入幅值相等、频率不同的载波电流信号；
步骤二，检测变压器低压侧的电压信号U(t)与电流信号I(t)；
步骤三，根据滑动DFT算法，提取变压器低压侧电压电流信号中的谐波波形；
步骤四，根据DFT提取谐波相位的公式，提取出电压电流谐波的相位，并计算它们的相位差；
步骤五，根据计算得到的电压电流谐波相位差，对谐振点进行检测：
当
Figure FDA0002906384610000011
时，电压k次谐波相位超前电流k次谐波的相位，k次谐波对应的频率位于谐振点前，当
Figure FDA0002906384610000012
时，电压k次谐波相位与电流k次谐波的相位同向，k次谐波对应的频率为谐振点，当
Figure FDA0002906384610000013
时，电压k次谐波相位滞后电流k次谐波的相位，k次谐波对应的频率位于谐振点后。
2.根据权利要求1所述的一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法，其特征在于：步骤三中根据滑动DFT算法提取变压器低压侧电压电流信号中的谐波波形，其中滑动DFT算法的公式为，
Figure FDA0002906384610000014
Figure FDA0002906384610000015
其中，ak为提取的第k次谐波的实部，bk为提取的第k次谐波的虚部，N为一个工频周波的采样点数，
Figure FDA0002906384610000016
为第i个采样点的值，k为提取的谐波次数，T为一个工频周波的时间。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法，其特征在于：步骤四中提取出电压电流谐波的相位及相位差，其中DFT提取谐波相位的公式为，
Figure FDA0002906384610000017
电压电流谐波相位差的计算公式为，
Figure FDA0002906384610000018
其中，ak为提取的第k次谐波的实部，bk为提取的第k次谐波的虚部，
Figure FDA0002906384610000019
为提取的电压k次谐波相位，
Figure FDA00029063846100000110
为提取的电流k次谐波相位，
Figure FDA00029063846100000111
为提取的电压电流k次谐波相位差。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法，其特征在于：步骤一中频率范围在1K～5KHz之间。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于电压电流谐波相位的谐振点检测方法，其特征在于：步骤一中幅值范围在5～15V之间。
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