CN110045175B - 一种单相配电系统电压跌落检测方法 - Google Patents

一种单相配电系统电压跌落检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对单相配电系统的电压跌落问题，通过构建单相配电系统虚拟αβ轴坐标系，求取单相配电系统电压在αβ轴坐标系中的d轴直流分量以及求得系统电压的实际相角来获得系统电压的dq轴直流分量，并通过系统电压的dq轴直流分量求解系统电压的实际有效值，最后将系统电压的额定值与实际有效值的差值通过阈值比较器进行比较从而判断系统电压是否发生跌落；本发明采用改进锁相环及其电压幅值跌落检测方法实现单相配电系统的电压跌落检测及持续时间的检测，提高了单相配电系统电压运行的可靠性。

Description

一种单相配电系统电压跌落检测方法
技术领域
本发明涉及电力领域，更具体的，涉及一种单相配电系统电压跌落检测方法。
背景技术
在电力系统的各种电能质量问题中，电压跌落发生最频繁、影响最严重，已经成为影响电力负荷安全运行的突出问题。电压跌落主要是由电网短路故障和大电机启动两个方面引起的，并且通常两者引起的电压跌落特性差异较大。电压跌落幅值和持续时间是描述电压跌落的两个重要指标，而快速准确的电压跌落检测是动态电压恢复器(DynamicVoltage Restorer，DVR)实现精确补偿的重要前提。同时，电压跌落检测时间也是评价电压跌落检测方法的一个重要参数，电压跌落检测时间与电压跌落深度、跌落相位和相位跳变密切相关。
目前，有关电压跌落检测方法的研究大都针对三相配电系统，而对单相配电系统的电压跌落检测方法研究甚少；有关三相配电系统电网侧电压跌落方法的研究主要集中在改进滤波器方法、改进锁相环、改进坐标系变换法、改进对称分量法以及DVR补偿方法等方面的研究。基于信息熵和数学形态学的电压跌落持续时间检测方法(郝晓弘,田江博,陈伟,等.基于信息熵和数学形态学的电压跌落持续时间检测方法[J].电力系统保护与控制,2012,40(11):30-35)以数学形态学滤波器作为改进的滤波器装置，提出了以信息熵为基础的三相电压跌落检测方法，但受数学形态学滤波器自身结构元素形状和长度的限制，其滤波效果及检测精度受到影响；一种软件锁相环和电压跌落检测新方法(陈国栋,朱淼,蔡旭,等.一种软件锁相环和电压跌落检测新方法[J].中国电机工程学报,2014,34(25):4385-4394)提出以LES滤波器为基础的锁相环改进方法和以改进对称分量法为基础的三相电压跌落检测方法；无锁相环的电压跌落快速检测方法(李占凯,王景芹,张福民,等.无锁相环的电压跌落快速检测方法[J].高电压技术,2016,42(4):1326-1335)在无谐波时对αβ分量一阶导数的平方进行电压跌落检测，而在含有谐波的情况下将电网电压进行Fourier分解，在半个周期内进行积分计算d-q分量的平均值，从而计算出电网电压基波幅值；一种无时延的改进d-q变换在动态电压扰动识别中的应用(赵国亮,刘宝志,肖湘宁,等.一种无时延的改进d-q变换在动态电压扰动识别中的应用[J].电网技术,2004,28(7):53-57)基于改进αβ变换和改进的d-q变换，对电力系统电压跌落进行检测；基于对称分量估计的电压暂降特征量实时检测方法(裴喜平,郝晓弘,陈伟,等.基于对称分量估计的电压暂降特征量实时检测方法[J].电力系统保护与控制,2012,40(11):82-86)在电网三相电压的对称分量法模型基础上，提出了改进的基于最小均方学习规则神经网络的特征量参数估计方法；动态电压恢复器的电压跌落综合补偿策略研究(克长宾,李永丽.动态电压恢复器的电压跌落综合补偿策略研究[J].电力系统保护与控制,2012,40(17):94-99)针对三种不同的DVR补偿策略：跌落前电压补偿法、同相电压补偿法、最小能量补偿法的优缺点及电压跌落特性，提出了基于跌落前电压补偿法和最小能量补偿法的综合补偿策略。
综上所述，目前有关电压跌落检测方法的研究大都针对三相配电系统且主要集中在改进滤波器方法、改进锁相环、改进坐标系变换法、改进对称分量法以及DVR补偿方法等方面研究。与三相配电系统相比，单相配电系统具有显著降低低压线路损耗、降低变压器空载损耗以及提高配电可靠性等优点而具有很好的推广性和应用性，因此开展单相配电系统电压跌落检测方法的研究具有重大意义。
发明内容
为了解决现有技术中对单相配电系统的电压跌落检测方法研究甚少的不足，本发明提供了一种单相配电系统新型电压跌落检测方法。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种单相配电系统电压跌落检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：构建单相配电系统虚拟αβ轴坐标系，将采样得到的单相电压正弦信号作为虚拟αβ轴坐标系中α轴的分量，采样得到的单相电压正弦信号相角延迟90°建立的正交信号作为虚拟αβ轴坐标系中β轴的分量；
步骤S2：求取单相配电系统电压的dq轴分量；
步骤S3：对系统电压的d轴分量经过低通滤波器得到的分量除以系统电压q轴分量得到商，该商经过比例积分环节后获得相角偏差，相角偏差与系统电压额定角频率相加得到系统电压实际角频率，对系统电压实际角频率进行积分运算求得系统电压的实际相角；
步骤S4：基于实际相角通过αβ/dq坐标变换求得系统电压的dq轴直流分量；
步骤S5：系统电压的dq轴直流分量求解系统电压的实际有效值，将系统电压的额定值与实际有效值的差值通过阈值比较器进行比较，当单相配电系统电压的实际有效值低于0.9倍的电压额定值时，可认为系统电压发生跌落，得到电压跌落检测信号，并输出检测电压波形和电压跌落持续时间。
优选的，步骤S1中所述的构建单相配电系统虚拟αβ轴坐标系的局部步骤如下：
V1＝Vmsin(wt) (1)
公式中，Vm表示单相配电系统的电压的采样幅值；w表示单相配电系统的角频率；t表示时间；V1表示相配电系统采样得到的电压正弦信号；
Figure BDA0001962099820000031
公式中，Vm表示单相配电系统的电压的采样幅值；w表示单相配电系统的角频率；t表示时间；
Figure BDA0001962099820000032
表示延迟的相角；V2表示单相配电系统采样得到的电压正弦信号的正交信号；
Vα＝V1＝Vmsin(wt) (3)
Figure BDA0001962099820000033
公式中，Vm表示单相配电系统的电压的幅值；w表示单相配电系统的角频率；t表示时间；
Figure BDA0001962099820000034
表示延迟的相角；Vα、Vβ分别表示单相配电系统虚拟αβ轴坐标系中电压的α、β分量。
优选的，步骤S3中求取系统电压的实际相角的具体步骤如下：
Figure BDA0001962099820000035
公式中，Vd表示单相配电系统的电压的d轴分量；
Figure BDA0001962099820000036
表示单相配电系统的电压的d轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；
Figure BDA0001962099820000037
表示低通滤波环节；
Figure BDA0001962099820000041
公式中，
Figure BDA0001962099820000042
表示单相配电系统的电压的d轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；Vq表示单相配电系统的电压的q轴分量；kp表示比例环节系数；ki表示积分环节系数；Δw表示单相配电系统的相角偏差；
Figure BDA0001962099820000043
公式中，Δw表示单相配电系统的相角偏差；wn表示额定角频率；
Figure BDA0001962099820000044
公式中，
Figure BDA0001962099820000045
表示单相配电系统的相角；
Figure BDA0001962099820000046
单相配电系统的实际角频率。
优选的，步骤S4求取系统电压的dq轴直流分量的具体步骤如下：
在αβ/dq坐标变换下得到电压的dq轴直流分量：
Figure BDA0001962099820000047
公式中，Vα、Vβ分别表示单相配电系统的电压的α、β分量；
Figure BDA0001962099820000048
表示由改进锁相环方法得到的实际相角；Vd、Vq分别表示单相配电系统的电压的d、q轴分量。
优选的，步骤S5的具体步骤如下：
求取系统电压的实际有效值的方法，具体包括：
Figure BDA0001962099820000049
Figure BDA00019620998200000410
公式中，Vq表示单相配电系统的电压的q轴分量；
Figure BDA00019620998200000411
表示单相配电系统的电压的q轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；
Figure BDA00019620998200000412
表示低通滤波环节；Vd表示单相配电系统的电压的d轴分量；
Figure BDA0001962099820000051
表示单相配电系统的电压的d轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；
Figure BDA0001962099820000052
公式中，
Figure BDA0001962099820000053
表示单相配电系统电压的q轴分量经过滤波环节之后得到直流分量；
Figure BDA0001962099820000054
表示单相配电系统的电压的d轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；Vrms表示计算的电压的实际有效值。
判断系统电压发生跌落的方法，具体包括：
Figure BDA0001962099820000055
公式中：Vrms表示实际电压的有效值；
Figure BDA0001962099820000056
表示额定电压的有效值；
按照电力系统运行的电压幅值的要求，当单相配电系统电压的实际有效值低于0.9倍的电压额定值时，可认为系统电压发生跌落，得到电压跌落检测信号；根据单相配电系统输出的电压波形即可检测得到电压跌落深度和跌落持续时间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明针对单相配电系统的电压跌落问题，基于构建虚拟αβ轴坐标系，采用改进锁相环及其电压幅值跌落检测方法实现单相配电系统的电压跌落检测及持续时间的检测，提高了单相配电系统电压运行的可靠性，而用于构建虚拟αβ轴坐标系的相角延迟及电压跌落检测均有现成的方法或软件，控制策略易于实施。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1所示，一种单相配电系统电压跌落检测方法，包括以下步骤：
步骤S1：构建单相配电系统虚拟αβ轴坐标系，将采样得到的单相电压正弦信号作为虚拟αβ轴坐标系中α轴的分量，采样得到的单相电压正弦信号相角延迟90°建立的正交信号作为虚拟αβ轴坐标系中β轴的分量；
步骤S2：求取单相配电系统电压的dq轴分量；
步骤S3：对系统电压的d轴分量经过低通滤波器得到的分量除以系统电压q轴分量得到商，该商经过比例积分环节后获得相角偏差，相角偏差与系统电压额定角频率相加得到系统电压实际角频率，对系统电压实际角频率进行积分运算求得系统电压的实际相角；
步骤S4：基于实际相角通过αβ/dq坐标变换求得系统电压的dq轴直流分量；
步骤S5：系统电压的dq轴直流分量求解系统电压的实际有效值，将系统电压的额定值与实际有效值的差值通过阈值比较器进行比较，当单相配电系统电压的实际有效值低于0.9倍的电压额定值时，可认为系统电压发生跌落，得到电压跌落检测信号，并输出检测电压波形和电压跌落持续时间。
作为一个优选的实施例，步骤S1中所述的构建单相配电系统虚拟αβ轴坐标系的局部步骤如下：
V1＝Vmsin(wt) (1)
公式中，Vm表示单相配电系统的电压的采样幅值；w表示单相配电系统的角频率；t表示时间；V1表示相配电系统采样得到的电压正弦信号；
Figure BDA0001962099820000061
公式中，Vm表示单相配电系统的电压的采样幅值；w表示单相配电系统的角频率；t表示时间；
Figure BDA0001962099820000062
表示延迟的相角；V2表示单相配电系统采样得到的电压正弦信号的正交信号；
Vα＝V1＝Vmsin(wt) (3)
Figure BDA0001962099820000063
公式中，Vm表示单相配电系统的电压的幅值；w表示单相配电系统的角频率；t表示时间；
Figure BDA0001962099820000071
表示延迟的相角；Vα、Vβ分别表示单相配电系统虚拟αβ轴坐标系中电压的α、β分量。
作为一个优选的实施例，步骤S3中求取系统电压的实际相角的具体步骤如下：
Figure BDA0001962099820000072
公式中，Vd表示单相配电系统的电压的d轴分量；
Figure BDA0001962099820000073
表示单相配电系统的电压的d轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；
Figure BDA0001962099820000074
表示低通滤波环节；
Figure BDA0001962099820000075
公式中，
Figure BDA0001962099820000076
表示单相配电系统的电压的d轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；Vq表示单相配电系统的电压的q轴分量；kp表示比例环节系数；ki表示积分环节系数；Δw表示单相配电系统的相角偏差；
Figure BDA0001962099820000077
公式中，Δw表示单相配电系统的相角偏差；wn表示额定角频率；
Figure BDA0001962099820000078
公式中，
Figure BDA0001962099820000079
表示单相配电系统的相角；
Figure BDA00019620998200000710
单相配电系统的实际角频率。
优选的，步骤S4求取系统电压的dq轴直流分量的具体步骤如下：
在αβ/dq坐标变换下得到电压的dq轴直流分量：
Figure BDA00019620998200000711
公式中，Vα、Vβ分别表示单相配电系统的电压的α、β分量；
Figure BDA00019620998200000712
表示由改进锁相环方法得到的实际相角；Vd、Vq分别表示单相配电系统的电压的d、q轴分量。
作为一个优选的实施例，步骤S5的具体步骤如下：
求取系统电压的实际有效值的方法，具体包括：
Figure BDA0001962099820000081
Figure BDA0001962099820000082
公式中，Vq表示单相配电系统的电压的q轴分量；
Figure BDA0001962099820000083
表示单相配电系统的电压的q轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；
Figure BDA0001962099820000084
表示低通滤波环节；Vd表示单相配电系统的电压的d轴分量；
Figure BDA0001962099820000085
表示单相配电系统的电压的d轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；
Figure BDA0001962099820000086
公式中，
Figure BDA0001962099820000087
表示单相配电系统电压的q轴分量经过滤波环节之后得到直流分量；
Figure BDA0001962099820000088
表示单相配电系统的电压的d轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；Vrms表示计算的电压的实际有效值。
判断系统电压发生跌落的方法，具体包括：
Figure BDA0001962099820000089
公式中：Vrms表示实际电压的有效值；
Figure BDA00019620998200000810
表示额定电压的有效值；
按照电力系统运行的电压幅值的要求，当单相配电系统电压的实际有效值低于0.9倍的电压额定值时，可认为系统电压发生跌落，得到电压跌落检测信号；根据单相配电系统输出的电压波形即可检测得到电压跌落深度和跌落持续时间。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种单相配电系统电压跌落检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：构建单相配电系统虚拟αβ轴坐标系，将采样得到的单相电压正弦信号作为虚拟αβ轴坐标系中α轴的分量，采样得到的单相电压正弦信号相角延迟90°建立的正交信号作为虚拟αβ轴坐标系中β轴的分量；所述的构建单相配电系统虚拟αβ轴坐标系的具体步骤如下：
V1＝Vmsin(wt) (1)
公式中，Vm表示单相配电系统的电压的采样幅值；w表示单相配电系统的角频率；t表示时间；V1表示相配电系统采样得到的电压正弦信号；
Figure FDA0002543132510000011
公式中，Vm表示单相配电系统的电压的采样幅值；w表示单相配电系统的角频率；t表示时间；
Figure FDA0002543132510000012
表示延迟的相角；V2表示单相配电系统采样得到的电压正弦信号的正交信号；
Vα＝V1＝Vmsin(wt) (3)
Figure FDA0002543132510000013
公式中，Vm表示单相配电系统的电压的幅值；w表示单相配电系统的角频率；t表示时间；
Figure FDA0002543132510000014
表示延迟的相角；Vα、Vβ分别表示单相配电系统虚拟αβ轴坐标系中电压的α、β分量；
步骤S2：求取单相配电系统电压的dq轴分量；
步骤S3：对系统电压的d轴分量经过低通滤波器得到的分量除以系统电压q轴分量得到商，该商经过比例积分环节后获得相角偏差，相角偏差与系统电压额定角频率相加得到系统电压实际角频率，对系统电压实际角频率进行积分运算求得系统电压的实际相角；其求取系统电压的实际相角的具体步骤如下：
Figure FDA0002543132510000021
公式中，Vd表示单相配电系统的电压的d轴分量；
Figure FDA0002543132510000022
表示单相配电系统的电压的d轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；
Figure FDA0002543132510000023
表示低通滤波环节；
Figure FDA0002543132510000024
公式中，
Figure FDA0002543132510000025
表示单相配电系统的电压的d轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；Vq表示单相配电系统的电压的q轴分量；kp表示比例环节系数；ki表示积分环节系数；Δw表示单相配电系统的相角偏差；
Figure FDA0002543132510000026
公式中，Δw表示单相配电系统的相角偏差；wn表示额定角频率；
Figure FDA0002543132510000027
公式中，
Figure FDA0002543132510000028
表示单相配电系统的相角；
Figure FDA0002543132510000029
单相配电系统的实际角频率；
步骤S4：基于实际相角通过αβ/dq坐标变换求得系统电压的dq轴直流分量；其求取系统电压的dq轴直流分量的具体步骤如下：
在αβ/dq坐标变换下得到电压的dq轴直流分量：
Figure FDA00025431325100000210
公式中，Vα、Vβ分别表示单相配电系统的电压的α、β分量；
Figure FDA00025431325100000211
表示由改进锁相环方法得到的实际相角；Vd、Vq分别表示单相配电系统的电压的d、q轴分量；
步骤S5：系统电压的dq轴直流分量求解系统电压的实际有效值，将系统电压的额定值与实际有效值的差值通过阈值比较器进行比较，当单相配电系统电压的实际有效值低于0.9倍的电压额定值时，可认为系统电压发生跌落，得到电压跌落检测信号，并输出检测电压波形和电压跌落持续时间。
2.根据权利要求1所述的一种单相配电系统电压跌落检测方法，其特征在于，步骤S5求取系统电压的实际有效值的方法的具体步骤如下：
Figure FDA0002543132510000031
Figure FDA0002543132510000032
公式中，Vq表示单相配电系统的电压的q轴分量；
Figure FDA0002543132510000033
表示单相配电系统的电压的q轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；
Figure FDA0002543132510000034
表示低通滤波环节；Vd表示单相配电系统的电压的d轴分量；
Figure FDA0002543132510000035
表示单相配电系统的电压的d轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；
Figure FDA0002543132510000036
公式中，
Figure FDA0002543132510000037
表示单相配电系统电压的q轴分量经过滤波环节之后得到直流分量；
Figure FDA0002543132510000038
表示单相配电系统的电压的d轴分量经过滤波环节之后得到的直流分量；Vrms表示计算的电压的实际有效值。
3.根据权利要求1所述的一种单相配电系统电压跌落检测方法，其特征在于，步骤S5判断系统电压发生跌落的方法的具体步骤如下：
Figure FDA0002543132510000039
公式中：Vrms表示实际电压的有效值；
Figure FDA00025431325100000310
表示额定电压的有效值；
按照电力系统运行的电压幅值的要求，当单相配电系统电压的实际有效值低于0.9倍的电压额定值时，可认为系统电压发生跌落，得到电压跌落检测信号；根据单相配电系统输出的电压波形即可检测得到电压跌落深度和跌落持续时间。
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