CN112198361A - 一种基于频率能量占比的电气奇异点监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于频率能量占比的电气奇异点监测装置，属于电力质量保护技术领域，旨在解决目前已有的依靠整个周波或半个周波进行电压跌落和频率跌落监测的实时性不足的问题；包括数据转换模块、信号处理模块、电源模块、故障判别模块、通信模块和功能附加模块；本发明中的设计，可解决对电力质量要求较高的使用场景电力监测实时性不足的问题；为双电源设备切换装置提供了高实时性的电力质量变化信号；可实现严重电压跌落和频率跌落的提前预警最大可能的降低由电力质量的问题出现的电力事故。
Description
技术领域
本发明涉及电力质量保护技术领域，具体为一种基于频率能量占比的电气奇异点监测装置。
背景技术
电能质量问题的提出由来已久，在电力系统发展的早期，电力系统的构成比较简单，负荷类型也比较单一，衡量电能质量的指标也比较简单，主要就是频率偏移和电压跌落两种。电力系统发展至今，由于电力系统的结构和组成已经发生了深刻的变化，电能质量的衡量指标也不再局限于最初的电压偏移和频率偏移这两个方面。上世纪80年代以来，随着电力电子技术的发展，非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到了广泛的应用，使得电网中电压和电流波形畸变越来越严重，谐波水平不断上升。另外，电网中的一些冲击性、波动性负荷还会产生电压跌落、闪变等一些列暂态电能质量问题。在科学技术的发展和生产力水平提高同时也给电力系统带来了电能质量的问题，各种非线性和冲击性负荷的增加，对供电系统造成了严重的污染，随着国防、医疗以及高新技术工业的逐步发展，对供电质量的要求也日益增高。
目前对电力质量的监测装置均在10ms甚至一个周波后才能检测到电压或者频率进行了波动，实时性不高，在对电力质量要求及其严苛的使用环境下，只能作为电力故障后分析无法做到对电力质量实时监测以及为执行机构留出足够的切换电力进线时间。
发明内容
针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种基于频率能量占比的电气奇异点监测装置，可解决对电力质量要求较高的使用场景电力监测实时性不足的问题；为双电源设备切换装置提供了高实时性的电力质量变化信号；可实现严重电压跌落和频率跌落的提前预警最大可能的降低由电力质量的问题出现的电力事故。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于频率能量占比的电气奇异点监测装置，其特征在于，包括数据转换模块、信号处理模块、电源模块、故障判别模块、通信模块和功能附加模块；
所述电源模块与所述信号处理模块、所述故障判别模块、所述通信模块、所述附加模块电性连接；
所述信号处理模块与所述信号处理模块、所述故障判别模块、所述电源模块电性连接；
所述数据转换模块与所述信号处理模块、所述故障判别模块、所述通信模块、所述电源模块电性连接；
所述故障判别模块与所述数据转换模块、所述通信模块、所述附加模块、所述电源模块电性连接；
所述通信模块与所述故障判别模块、所述数据转换模块、所述附加模块、所述电源模块电性连接；
所述附加模块与所述电源模块、所述通信模块、所述故障判别模块电性连接。
优选地，所述信号处理模块包括电压/电流互感器，整流模块、过零检测模块。
优选地，所述数据转换模块包括AD采样器、中央处理器。
优选地，所述故障判别模块包括通用输入输出模块、频率分解模块、能量占比判别模块。
优选地，所述通信模块包括RS485通信模块、数字输出信号模块。
优选地，所述附加模块包括声光报警模块、云端记录模块。
本发明的有益效果在于：本发明中的设计，可解决对电力质量要求较高的使用场景电力监测实时性不足的问题；为双电源设备切换装置提供了高实时性的电力质量变化信号；可实现严重电压跌落和频率跌落的提前预警最大可能的降低由电力质量的问题出现的电力事故。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于频率能量占比的电气奇异点监测装置的连接结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于频率能量占比的电气奇异点监测装置的模块智能流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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，都属于本发明保护的范围。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图2所示，一种基于频率能量占比的电气奇异点监测装置，包括数据转换模块、信号处理模块、电源模块、故障判别模块、通信模块和功能附加模块；
电源模块为整个系统提供运行能量，电源模块与信号处理模块、故障判别模块、通信模块、附加模块电性连接；
信号处理模块是将实际使用电压幅值如(高压10KV、低压380V)进行硬件转换，转换为信号处理模块可使用的信号类型。信号处理模块与信号处理模块、故障判别模块、电源模块电性连接；
数据转换模块负责数据的离散化以及进行多数据窗的整理，数据转换模块与信号处理模块、故障判别模块、通信模块、电源模块电性连接；
故障判别模块负责对信号处理模块传输到的离散电气信号量进行频率分解算法从而得到关键的频率能量占比数据，并通过通用输入输出模块采集来自数据转换模块转换后的过零检测信号和其它非电量电气信号做辅助判断。故障判别模块与数据转换模块、通信模块、附加模块、电源模块电性连接；
通信模块负责整个系统与外部的通信，人机交互方面和信号输出方面。通信模块与故障判别模块、数据转换模块、附加模块、电源模块电性连接；
附加模块是指对于人机交互的优化以及一些其它功能的需要所设立的模块，在本发明中指声光报警模块以及云端信息记录模块。附加模块与电源模块、通信模块、故障判别模块电性连接。
进一步的，信号处理模块包括电压/电流互感器，整流模块、过零检测模块。
进一步的，数据转换模块包括AD采样器、中央处理器。
进一步的，故障判别模块包括通用输入输出模块、频率分解模块、能量占比判别模块。
进一步的，通信模块包括RS485通信模块、数字输出信号模块。
进一步的，附加模块包括声光报警模块、云端记录模块。
基于频率能量占比的电气奇异点检测装置的运行机制，包括如下步骤分类：
步骤1：将电气数据接入信号处理模块，由信号处理模块中的电压、电流互感器进行信号变比，变比要求为将正常运行的电压(如10KV)变比为100V，将正常运行的电压(如100A)变比为5A。电压变比系数＝正常运行电压/100；电流变比系数＝正常运行电流/5；变比后的信号接入整流模块进行电压电流的缩小和滤波。将采集到的电压电流通过模拟电路组合整理为0—3.3V可供数据转换模块使用的信号。
步骤2：数据转换模块中通过模数转换实现对由信号处理模块传送进来的信号进行离散化，采样时间间隔设为定值，采样时间间隔不应大于1.25ms(即 20ms采样16个点)应根据中央处理器的性能尽可能的提高采样率。采样率＝1/ (采样时间)；每隔采样时间间隔长度向相应的一维存储矩阵中增长型赋值，该一维存储矩阵应可存储10个周波的采样数据(即200ms)；赋值计数到矩阵的上限后从矩阵起始继续赋值。并每隔一个采样数据间隔均使用当前赋值计数值和该一维矩阵中的数据进行一次真有效值计算(通过傅里叶变换或均方根算法)。从而得到该通道下的50hz分频的真有效值。并将真有效值整理后通过通讯模块向显示上位机发送，实现状态监测的人机交互。
步骤3：每隔一个采样数据间隔故障判别模块使用数据转换模块中的赋值计数值以及当前的采样率确定在一维矩阵中的序列(如当前计数值为100，当前采样率为25600，一维矩阵上线为5120，则应抓取一维存储矩阵中的[4708， 5120]与[0，100]进行组合512数组的数据窗)进行全波傅里叶频率分解。全波傅里叶频率分解方法如下所述：
傅里叶变换表示能满足一定条件的某个函数表示成三角函数(正弦或余弦函数)或者它们的积分的线性组合。
f(t)是t的周期函数，如果t满足狄里赫莱条件：在一个以2T为周期内f(X) 连续或只有有限个第一类间断点，附f(x)单调或可划分成有限个单调区间，则F(x)以2T为周期的傅里叶级数收敛，和函数S(x)也是以2T为周期的周期函数，且在这些间断点上，函数是有限值；在一个周期内具有有限个极值点；绝对可积。则有下①式成立。称为积分运算f(t)的傅立叶变换，
②式的积分运算叫做F(ω)的傅立叶逆变换。F(ω)叫做f(t)的象函数，f(t) 叫做
F(ω)的象原函数。F(ω)是f(t)的象。f(t)是F(ω)原象。
对所抓取到的数据窗进行傅里叶分解后，得到各个频率的能量分量，由于傅里叶变换后的能量会按照中心点对称，故只需要关注前一半的频率分量，将前一半的频率分量进行加和得到，该数据窗下的总能量，找到50hz能量值，用50hz能量值与该数据窗下的总能量的比值作为50hz频率下的能量占比，在电力质量优秀的情况下该占比应保持在98％以上，当出现电压突然跌落或频率跌落等会使得该项占比迅速变小；得到50hz频率下的能量占比将其与在固化在程序里的阈值(即现场能容忍的占比值可通过人机交互界面进行整定)进行比对，若比阈值低，则故障判别模块通过通用输出模块输出报警信号，并触发声光报警以及通过485通讯向远端报警，其它执行机构接入通用输出模块中，接受到报警信号后即可进行相应保护动作比如停机或实现两路进线电力切换等。
步骤4：当故障判别模块监测到电力数据奇异点后，将由数据转换模块中传输到的其它模拟量也进行傅里叶变换，得到变换后的结构以及触发时的实时相位和实时数据波形通过通讯模块中的485通讯传输至人机交互界面。也通过网络通信向附加功能模块中的云端记录模块写入数据进行保存。
实施例1
本实例中的电源模块采用开关电源方案为整个系统供电，数据转换模块使用12位模数转换器以及中央处理器(STM32F429 I GT6单片机)，其所包含的各个组都属于该单片机所附带的模组。应用场景为正常运行工况电压：380V；电流：5A。故信号处理模块中的电压互感器的参数380：100；电流可直接接入该系统中。该系统的连接方式为STM32F429IGT6单片机AD采样器与信号处理模块的输出进行连接，我们采用485调试设备作为人机交互设备，485调试设备通过通讯模块与中央处理器进行连接。数据转换模块和故障判别模块运行在中央处理器上，在程序中按照数据转换模块连接信号处理模块，故障判别模块连接数据转换模块的形式进行连接。同时外接一个双电源切换装置，该装置与本发明系统中的通讯模块通用输入输出模块进行连接。
将要进行监测的电气量(电压、电流)接入相应的端子后，将整个系统进行交流220V供电，并使用人机交互设备将能量占比阈值设定为0.95。数据转换模块中的采样频率设置为25600，即39us进行一次采样计算流程。整个准备工作即结束。
在正常运行的情况下，待测电气量首先经过信号处理模块进行相应的变比和调节，在本实例中380V正弦电压经过互感器后变比为100V正弦电压信号，经过模拟电路调整为以1.65V为零点基准的幅值为1.5V的正弦信号，送入数据中央处理器相应的采样引脚由数据转换模块进行转换。数据转换模块以设定的采样率25600(即采样时间39us)的速率进行采样保存，并每个采样间隔根据当前的存储计数值进行实时数据窗截取，对截取的数据窗进行均方根算法得到真有效值并将该真有效值通过通讯模块发送至人机交互模块进行显示。同时每个采样间隔时间故障判别模块会进行运行，根据当前的存储计数值进行实时数据窗截取，对截取的数据窗进行全波傅里叶变换，得到以50hz为基频的256 次倍频的一维矩阵(长度为256)，对该矩阵进行加和得到当前数据窗的能量总和，50hz能量与能量总和的比值为50hz能量占比，比较该能量占比与设定值中的阈值，在正常运行情况下，50hz能量占比会大于设定值的阈值，即故障判别模块不输出告警信息与告警信号，双电源切换装置未接受到告警信息即不进行双电源切换。系统正常运行，等待下一个采样间隔时间，进行流程循环。
在电能质量出现问题时，在数据转换模块中最新的采样点会出现不符合正常正弦信号的值，当数据转换模块将实时数据窗矩阵传送给故障判别模块后，故障判别模块由于512个点中有一个是奇异点，故50hz能量占比必定会进行迅速下落，进行能量占比计算和能量占比与阈值比较后，出现50hz能量占比低于阈值的现象，故障判别模块进行声光报警并通过通讯模块中的通用输入输出模块发出报警信号，双电源设备接受到告警信号进行双电源切换从而保证用电质量。
本发明中的设计，可解决对电力质量要求较高的使用场景电力监测实时性不足的问题；为双电源设备切换装置提供了高实时性的电力质量变化信号；可实现严重电压跌落和频率跌落的提前预警最大可能的降低由电力质量的问题出现的电力事故。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种基于频率能量占比的电气奇异点监测装置，其特征在于，包括数据转换模块、信号处理模块、电源模块、故障判别模块、通信模块和功能附加模块；
所述电源模块与所述信号处理模块、所述故障判别模块、所述通信模块、所述附加模块电性连接；
所述信号处理模块与所述信号处理模块、所述故障判别模块、所述电源模块电性连接；
所述数据转换模块与所述信号处理模块、所述故障判别模块、所述通信模块、所述电源模块电性连接；
所述故障判别模块与所述数据转换模块、所述通信模块、所述附加模块、所述电源模块电性连接；
所述通信模块与所述故障判别模块、所述数据转换模块、所述附加模块、所述电源模块电性连接；
所述附加模块与所述电源模块、所述通信模块、所述故障判别模块电性连接。
2.如权利要求1所述的一种基于频率能量占比的电气奇异点监测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括电压/电流互感器，整流模块、过零检测模块。
3.如权利要求1所述的一种基于频率能量占比的电气奇异点监测装置，其特征在于，所述数据转换模块包括AD采样器、中央处理器。
4.如权利要求1所述的一种基于频率能量占比的电气奇异点监测装置，其特征在于，所述故障判别模块包括通用输入输出模块、频率分解模块、能量占比判别模块。
5.如权利要求1所述的一种基于频率能量占比的电气奇异点监测装置，其特征在于，所述通信模块包括RS485通信模块、数字输出信号模块。
6.如权利要求1所述的一种基于频率能量占比的电气奇异点监测装置，其特征在于，所述附加模块包括声光报警模块、云端记录模块。
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