CN111693771A - 一种电网谐振点检测装置及方法 - Google Patents

一种电网谐振点检测装置及方法 Download PDF

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CN111693771A CN202010572902.8A CN202010572902A CN111693771A CN 111693771 A CN111693771 A CN 111693771A CN 202010572902 A CN202010572902 A CN 202010572902A CN 111693771 A CN111693771 A CN 111693771A
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徐兵
肖勇
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Abstract

本申请公开了一种电网谐振点检测装置及方法，装置包括：连接于电网无功补偿电容与负载之间的线变关系谐振频率识别模块以及信号采集判断模块，线变关系谐振频率识别模块与信号采集判断模块相连；线变关系谐振频率识别模块用于向电网中注入指定幅值和频率的电流信号；信号采集判断模块用于采集电网公共耦合点的电压电流信号，并根据电压电流信号判断电网的谐振频率范围。本申请的装置结构简单，能够实现电网谐振频率的实时在线检测，只需采集线变关系识别设备输出的公共耦合点的电压电流信号即可检测电网谐振频率。

Description

一种电网谐振点检测装置及方法
技术领域
本申请涉及谐振检测技术领域，尤其涉及一种电网谐振点检测装置及方法。
背景技术
电网电能质量问题一直受到广泛的关注。由于低压侧负载情况复杂，各种非线性负载的应用将造成电网电能质量以及功率因数的下降，常用并联电容和有源电力滤波器来补常电网谐波和无功电流的影响，而该类设备补偿谐波时，在电网谐振点附近相当于背景谐波源，容易引起电网的谐振。谐振将引起电网的谐波电流或电压产生严重畸变，产生的谐振电流将引起设备损坏甚至人员伤亡的问题。
因此为了达到谐振抑制的目的，补偿设备在工作前须提前确定电网的谐振频率，现有的谐振点检测方案操作复杂，实时性差，现场应用效果不理想，因此，研究电网谐振点实时在线检测方案，具有重要的意义。
发明内容
本申请实施例提供了一种电网谐振点检测装置及方法，使得能够实现电网谐振频率的实时在线检测，只需采集线变关系识别设备输出的公共耦合点的电压电流信号即可检测电网谐振频率。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种电网谐振点检测装置，所述装置包括：
连接于电网无功补偿电容与负载之间的线变关系谐振频率识别模块以及信号采集判断模块，所述线变关系谐振频率识别模块与所述信号采集判断模块相连；
所述线变关系谐振频率识别模块用于向所述电网中注入指定幅值和频率的电流信号；
所述信号采集判断模块用于采集电网公共耦合点的电压电流信号，并根据所述电压电流信号判断电网的谐振频率范围。
可选的，所述信号采集判断模块还包括与所述公共耦合点相连的谐波提取模块，所述谐波提取模块、相关系数计算模块、谐波频率判断模块以及所述线变关系谐振频率识别模块依次相连：
所述谐波提取模块用于采集电网公共耦合点的电压信号和电流信号，并采用二阶广义积分器提取所述电压信号和所述电流信号的谐波信号；
所述相关系数计算模块用于计算所述谐波信号的皮尔逊相关系数；
所述谐波频率判断模块用于根据所述皮尔逊相关系数判断电网谐振频率范围。
本申请第二方面提供一种电网谐振点检测方法，所述方法包括：
向电网输入指定幅值和频率的电流信号；
采集所述电网公共耦合点的电压电流信号，并根据所述电压电流信号判断电网的谐振频率范围。
可选的，所述采集所述电网公共耦合点的电压电流信号，并根据所述电压电流信号判断电网的谐振频率范围，具体包括：
采集电网公共耦合点的电压信号和电流信号，并采用二阶广义积分器提取所述电压信号和所述电流信号的谐波信号；
计算所述谐波信号的皮尔逊相关系数；
根据所述皮尔逊相关系数判断电网谐振频率范围。
可选的，所述采用二阶广义积分器提取所述电压信号和所述电流信号的谐波信号，具体为：
Figure BDA0002550297230000021
Figure BDA0002550297230000022
式中，FI(s)为所述电流信号fI(t)的拉氏变换，FIk(s)为提取谐波电流fIk(t)的拉氏变换，FU(s)为所述电压信号fU(t)的拉氏变换，FUk(s)为提取谐波电压fUk(t)的拉氏变换，K为控制增益，w′为谐波频率。
可选的，所述计算所述谐波信号的皮尔逊相关系数，具体为：
Figure BDA0002550297230000031
式中，fIk(n)，fUk(n)分别为谐波电流和谐波电压，
Figure BDA0002550297230000032
分别为谐波电流和谐波电压的数学期望，ρk为谐波电压电流的皮尔逊相似系数，n表示注入电流的次数。
可选的，所述根据所述皮尔逊相关系数判断电网谐振频率范围，具体为：
根据所述皮尔逊相关系数大小判断电网的谐振频率，皮尔逊相关系数越接近于1则离电网谐振频率点越近。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本申请中，提供了一种电网谐振点检测装置及方法，装置包括：连接于电网无功补偿电容与负载之间的线变关系谐振频率识别模块以及信号采集判断模块，线变关系谐振频率识别模块与信号采集判断模块相连；线变关系谐振频率识别模块用于向电网中注入指定幅值和频率的电流信号；信号采集判断模块用于采集电网公共耦合点的电压电流信号，并根据电压电流信号判断电网的谐振频率范围。
本申请装置结构简单，能够实现电网谐振频率的实时在线检测，只需通过采集线变关系谐振频率识别模块输出至公共耦合点的电压电流信号，并通过信号采集判断模块采集的电压电流信号即可检测电网谐振频率，该方法计算复杂度低，原理简单，检测精度高，有效的解决了电网谐振频率的实时在线检测问题。
附图说明
图1为本申请一种电网谐振点检测装置的一个实施例的结构连接图；
图2为本申请一种电网谐振点检测方法的一个实施例的方法流程图；
图3为本申请一种电网谐振点检测方法的另一个实施例的方法流程图；
图4为本申请中当线变关系谐振频率识别模块向电网注入17次电流信号时，采集A相电压，提取的A相17次谐波电压波形；
图5为本申请中当线变关系谐振频率识别模块向电网注入17次电流信号时，采集A相电流，提取的A相17次谐波电流波形；
图6为本申请中当线变关系谐振频率识别模块向电网注入31次电流信号时，采集A相电压，提取的A相31次谐波电压波形；
图7为本申请中当线变关系谐振频率识别模块向电网注入31次电流信号时，采集A相电流，提取的A相31次谐波电流波形；
图8为本申请中当线变关系谐振频率识别模块向电网注入37次电流信号时，采集A相电压，提取的A相37次谐波电压波形；
图9为本申请中当线变关系谐振频率识别模块向电网注入37次电流信号时，采集A相电流，提取的A相37次谐波电流波形；
图10为本申请中当线变关系谐振频率识别模块向电网注入49次电流信号时，采集A相电压，提取的A相49次谐波电压波形；
图11为本申请中当线变关系谐振频率识别模块向电网注入49次电流信号时，采集A相电流，提取的A相49次谐波电流波形；
图12为本申请中当线变关系谐振频率识别模块向电网注入55次电流信号时，采集A相电压，提取的A相55次谐波电压波形；
图13为本申请中当线变关系谐振频率识别模块向电网注入55次电流信号时，采集A相电流，提取的A相55次谐波电流波形。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1为一种电网谐振点检测装置的一个实施例的结构连接图，如图1中包括：连接于电网无功补偿电容与负载之间的线变关系谐振频率识别模块以及信号采集判断模块，线变关系谐振频率识别模块与信号采集判断模块相连；线变关系谐振频率识别模块用于向电网中注入指定幅值和频率的电流信号；信号采集判断模块用于采集电网公共耦合点的电压电流信号，并根据电压电流信号判断电网的谐振频率范围。
需要说明的是，线变关系谐振频率识别模块可以间隔固定的时间向电网公共耦合点注入设定频率和幅值的电流信号，同时信号采集判断模块实时采集电网公共耦合点的电压信号和电流信号，从而根据采集的电压信号和电流信号与输入到电网公共耦合点的电流信号进行判断，得到电网的谐振频率范围。即输入的电流信号与电网中的信号发生谐振时，可以通过对实时采集的谐振的电流信号和电压信号进行分析计算，从而能够判断出输入电网的谐振频率。另外，信号采集判断模块还可以用于对线变关系谐振频率识别模块所注入频点的信号进行提取和并判断注入信号的谐振频率和幅值。
在一种具体的实施方式中，信号采集判断模块还包括与公共耦合点相连的谐波提取模块；谐波提取模块、相关系数计算模块、谐波频率判断模块以及线变关系谐振频率识别模块依次相连：谐波提取模块用于采集电网公共耦合点的电压信号和电流信号，并采用二阶广义积分器提取电压信号和电流信号的谐波信号；相关系数计算模块用于计算谐波信号的皮尔逊相关系数；谐波频率判断模块用于根据皮尔逊相关系数判断电网谐振频率范围。
需要说明的是，本申请中可以通过谐波提取模块采集电网公共耦合点的电压信号和电流信号，对电流信号和电压信号进行拉氏变换，并采用二阶广义积分器根据拉氏变换的结果计算得到电压信号和电流信号的谐波信号，具体为：
Figure BDA0002550297230000051
Figure BDA0002550297230000052
式中，FI(s)为所述电流信号fI(t)的拉氏变换，FIk(s)为提取谐波电流fIk(t)的拉氏变换，FU(s)为所述电压信号fU(t)的拉氏变换，FUk(s)为提取谐波电压fUk(t)的拉氏变换，K为控制增益，w′为谐波频率。
在相关系数计算模块中计算谐波信号的皮尔逊相关系数，具体为：
Figure BDA0002550297230000053
式中，fIk(n)，fUk(n)分别为谐波电流和谐波电压，
Figure BDA0002550297230000054
分别为谐波电流和谐波电压的数学期望，ρk为谐波电压电流的皮尔逊相似系数，n表示注入电流的次数。
需要说明的是，当皮尔逊相关系数的值越接近1时，则表示线变关系谐振频率识别模块输入至电网的电流的频率越接近于电网的谐振频率。
谐波频率判断模块可以通过判断线变关系谐振频率识别模块输入至电网的电流与对应的皮尔逊相关系数的值，确定电网的最接近的谐振频率。
本申请装置结构简单，能够实现电网谐振频率的实时在线检测，只需通过采集线变关系谐振频率识别模块输出至公共耦合点的电压电流信号，并通过信号采集判断模块采集的电压电流信号即可检测电网谐振频率，该方法计算复杂度低，原理简单，检测精度高，有效的解决了电网谐振频率的实时在线检测问题。
以上是本申请的一种电网谐振点检测装置的实施例，本申请还包括一种电网谐振点检测方法的实施例，如图2所示，包括：
201、向电网输入指定幅值和频率的电流信号。
202、采集电网公共耦合点的电压电流信号，并根据电压电流信号判断电网的谐振频率范围。
需要说明的是，本申请可以间隔固定的时间向电网公共耦合点注入设定频率和幅值的电流信号；其次，通过实时采集电网公共耦合点的电压信号和电流信号，从而根据采集的电压信号和电流信号与输入到电网公共耦合点的电流信号进行判断，得到电网的谐振频率范围。即输入的电流信号与电网中的信号发生谐振时，可以通过对实时采集的谐振的电流信号和电压信号进行分析计算，从而能够判断出输入电网的谐振频率。
本申请还包括一种电网谐振点检测方法的另外一个实施例，如图3所示，包括：
301、向电网输入指定幅值和频率的电流信号。
302、采集电网公共耦合点的电压信号和电流信号，并采用二阶广义积分器提取电压信号和电流信号的谐波信号。
需要说明的是，本申请中可以通过谐波提取模块采集电网公共耦合点的电压信号和电流信号，对电流信号和电压信号进行拉氏变换，并采用二阶广义积分器根据拉氏变换的结果计算得到电压信号和电流信号的谐波信号，具体为：
Figure BDA0002550297230000071
Figure BDA0002550297230000072
式中，FI(s)为所述电流信号fI(t)的拉氏变换，FIk(s)为提取谐波电流fIk(t)的拉氏变换，FU(s)为所述电压信号fU(t)的拉氏变换，FUk(s)为提取谐波电压fUk(t)的拉氏变换，K为控制增益，w′为谐波频率。
303、计算谐波信号的皮尔逊相关系数。
需要说明的是，在相关系数计算模块中计算谐波信号的皮尔逊相关系数，具体为：
Figure BDA0002550297230000073
式中，fIk(n)，fUk(n)分别为谐波电流和谐波电压，
Figure BDA0002550297230000074
分别为谐波电流和谐波电压的数学期望，ρk为谐波电压电流的皮尔逊相似系数，n表示注入电流的次数。
304、根据皮尔逊相关系数判断电网谐振频率范围。
需要说明的是，本申请可以通过判断线变关系谐振频率识别模块输入至电网的电流与对应的皮尔逊相关系数的值，确定电网的最接近的谐振频率。
在一种具体的实施方式中，本申请具体的流程如下：
S1：线变关系谐振频率识别模块用于向电网公共耦合点中注入谐波电流信号，所注入电流幅值大小为10A～20A，谐振频率频点范围为11次～60次。具体的采用10A电流，电流频点分别为17次，31次，37次，49次，55次。
S2：采集电网公共耦合点的电压电流分别为fU,fI，作为输入信号输入至二阶广义积分器中，基于二阶广义积分器的信号提取公式如下：
Figure BDA0002550297230000075
Figure BDA0002550297230000076
式中，FI(s)为所述电流信号fI(t)的拉氏变换，FIk(s)为提取谐波电流fIk(t)的拉氏变换，FU(s)为所述电压信号fU(t)的拉氏变换，FUk(s)为提取谐波电压fUk(t)的拉氏变换，K为控制增益，w′为谐波频率。
S3：经过提取后的电压电流信号分别为fUk，fIk；将提取后的电压电流信号输入至相关系数计算模块，相似系数计算公式为皮尔逊相关系数，公式如下：
Figure BDA0002550297230000081
式中，
Figure BDA0002550297230000082
分别为谐波电流和谐波电压的数学期望，ρk为谐波电压电流的皮尔逊相似系数，n表示注入电流的次数。
S4：获取每一个输入谐波电流的皮尔逊相似系数，得到皮尔逊相似系数最接近于1的对应的电流频点。本申请中得到了电流频点分别为17次，31次，37次，49次，55次的谐波电压波形以及谐波电流波形，具体如图4至图13所示。
计算得到电流频点分别为17次，31次，37次，49次，55次时，其对应的皮尔逊相似系数分别为：ρ17＝0.6736，ρ31＝0.8015，ρ37＝0.9328，ρ49＝0.7741，ρ17＝0.6890。由此可知，当电流频点为37时，皮尔逊相似系数最接近于1，即电网的谐振频率在37次谐波附近。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本申请中术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种电网谐振点检测装置，其特征在于，包括连接于电网无功补偿电容与负载之间的线变关系谐振频率识别模块以及信号采集判断模块，所述线变关系谐振频率识别模块与所述信号采集判断模块相连；
所述线变关系谐振频率识别模块用于向所述电网中注入指定幅值和频率的电流信号；
所述信号采集判断模块用于采集电网公共耦合点的电压电流信号，并根据所述电压电流信号判断电网的谐振频率范围。
2.根据权利要求1所述的电网谐振点检测装置，其特征在于，所述信号采集判断模块还包括与所述公共耦合点相连的谐波提取模块；所述谐波提取模块、相关系数计算模块、谐波频率判断模块以及所述线变关系谐振频率识别模块依次相连：
所述谐波提取模块用于采集电网公共耦合点的电压信号和电流信号，并采用二阶广义积分器提取所述电压信号和所述电流信号的谐波信号；
所述相关系数计算模块用于计算所述谐波信号的皮尔逊相关系数；
所述谐波频率判断模块用于根据所述皮尔逊相关系数判断电网的谐振频率范围。
3.一种电网谐振点检测方法，其特征在于，包括：
向电网输入指定幅值和频率的电流信号；
采集电网公共耦合点的电压电流信号，并根据所述电压电流信号判断电网的谐振频率范围。
4.根据权利要求3所述的电网谐振点检测方法，其特征在于，所述采集电网公共耦合点的电压电流信号，并根据所述电压电流信号判断电网的谐振频率范围，具体包括：
采集电网公共耦合点的电压信号和电流信号，并采用二阶广义积分器提取所述电压信号和所述电流信号的谐波信号；
计算所述谐波信号的皮尔逊相关系数；
根据所述皮尔逊相关系数判断电网的谐振频率范围。
5.根据权利要求4所述的电网谐振点检测方法，其特征在于，所述采用二阶广义积分器提取所述电压信号和所述电流信号的谐波信号，具体为：
Figure FDA0002550297220000021
Figure FDA0002550297220000022
式中，FI(s)为所述电流信号fI(t)的拉氏变换，FIk(s)为提取谐波电流fIk(t)的拉氏变换，FU(s)为所述电压信号fU(t)的拉氏变换，FUk(s)为提取谐波电压fUk(t)的拉氏变换，K为控制增益，w′为谐波频率。
6.根据权利要求5所述的电网谐振点检测方法，其特征在于，所述计算所述谐波信号的皮尔逊相关系数，具体为：
Figure FDA0002550297220000023
式中，fIk(n)，fUk(n)分别为谐波电流和谐波电压，
Figure FDA0002550297220000024
分别为谐波电流和谐波电压的数学期望，ρk为谐波电压电流的皮尔逊相似系数，n表示注入电流的次数。
7.根据权利要求6所述的电网谐振点检测方法，其特征在于，所述根据所述皮尔逊相关系数判断电网谐振频率范围，具体为：
根据所述皮尔逊相关系数大小判断电网的谐振频率，皮尔逊相关系数越接近于1则离电网谐振频率点越近。
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