CN112540220A - 电压暂降检测电路和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电压暂降检测电路和装置。该电压暂降检测电路包括信号采集单元、信号调理单元、A/D转换单元、S变换单元和信号控制处理单元。通过信号采集单元采集供电网的电压信号，并将检测到的电压信号输入到信号调理单元，信号调理单元将电压信号调理为标准方波信号，并将标准方波信号输入到A/D转换单元，A/D转换单元将标准方波信号转换为电压数字信号，并输入到S变换单元，S变换单元基于电压数字信号得到供电网的电压幅值，信号控制处理单元根据得到的电压幅值确定供电网是否出现电压暂降。本发明利用S变换单元，在电压暂降检测分析中可以提取大量的特征量，对供电网电压暂降情况实现精确检测。

Description

电压暂降检测电路和装置

技术领域

本发明涉及电压暂降领域，特别是涉及一种电压暂降检测电路和装置。

背景技术

随着科学技术的不断发展，人们的生活水平也得到了较大的改善，人们对电力的需求也越来越大，电能质量的好坏不但威胁着电网的安全、稳定运行，还影响着电力用户的生产和生活。在各种电能质量问题中，电压暂降是敏感设备异常工作的主要因素。一般认为，70％以上的电能质量问题是由电压暂降引起的。电压暂降可能导致计算机程序紊乱、生产过程停止、调速装置失灵及保护设备误动作等，不仅造成用户的经济损失，还可能导致重大人身伤亡事故。

目前，电压暂降检测现有的解决方法包括利用短时傅里叶变换对电压信号进行检测，但是此方法需要对窗口类型进行选择以及窗宽固定，在对供电网电压进行监测时容易受到噪声的影响。

发明内容

基于此，有必要针对于上述技术问题，提供一种时频分辨率变化模式可调，不易受噪声影响的电压暂降检测方法。

一种电压暂降检测电路，所述电压暂降检测电路包括：

信号采集单元，信号采集单元的输入端与供电网电性连接，信号采集单元的输出端与信号调理单元电性连接，用于采集供电网的电压信号；

信号调理单元的输入端与信号采集单元电性连接，输出端与A/D转换单元电性连接，用于将电压信号调理为标准方波信号；

A/D转换单元的输入端与信号调理单元电性连接，输出端与S变换单元电性连接，用于将标准方波信号转换为电压数字信号；

S变换单元的输入端与A/D转换单元电性连接，输出端与信号控制处理单元电性连接，用于基于电压数字信号得到供电网的电压幅值；

信号控制处理单元的输入端与S变换单元电性连接，用于根据得到的电压幅值确定供电网是否出现电压暂降。

在其中一个实施例中，电压暂降检测电路，还包括：

锁相倍频单元，锁相倍频单元的输入端与信号调理单元电性连接，输出端与A/D转换单元电性连接。

在本实施例中，通过设置锁相倍频单元能够产生输入倍频信号，进而触发所述A/D转换单元进行采样，避免了因电网频率波动造成的测量误差。

在其中一个实施例中，信号调理单元包括低通滤波器、电压过零比较器和稳压组件；

低通滤波器用于滤除电压信号中的高次谐波和噪声；

电压过零比较器用于输出模拟方波信号；

稳压组件用于对模拟方波信号进行稳压输出标准方波信号。

在其中一个实施例中，S变换单元，用于对电压数字信号进行广义双曲S变换，得到S变换复数矩阵，对S变换复数矩阵中的每个元素求模，得到S模矩阵，根据S模矩阵得到电压幅值。

在其中一个实施例中，广义双曲S变换的窗函数为：

其中，f为频率，t为时间，α、β分别为前向锥度、后向锥度；λ为窗函数的曲率，与时间同量纲；μ为窗宽调整因子；y为窗宽变化率调整因子。

在本实施例中，采用的窗函数是广义双曲窗函数，在高频时，时间域的窗函数很窄，时间分辨率很高，由于窗函数的不对称性，提高了频率分辨率。同时，由于对原始的双曲窗函数进行了改进，引入了窗宽调整因子和窗宽变化率调整因子，因此可以灵活地调整时频分辨率及其变化模式，降低检测信号对噪声的敏感度。

在其中一个实施例中，信号控制处理单元，包括：

判断组件，用于将电压幅值与预设阈值进行比较，若电压幅值大于或等于预设阈值，则将供电网没有发生电压暂降作为检测结果；若电压幅值小于预设阈值，则将供电网发生电压暂降作为检测结果。

在其中一个实施例中，信号控制处理单元，还包括：

特征提取组件，用于若电压幅值小于预设阈值，根据S变换单元得到的S变换复数矩阵得到电压暂降的起止时刻和相位跳变信息。

在本实施例中，通过设置特征提取组件，可以在供电网发生电压暂降时有效提取到起止时刻以及相位跳变信息。

在其中一个实施例中，电压暂降检测电路，还包括：

存储单元，与信号控制处理单元电性连接，用于对信号控制处理单元处理得到的信息进行存储；

显示单元，与信号控制处理单元电性连接，用于对信号控制处理单元处理得到的信息进行显示。

在其中一个实施例中，电压暂降检测电路，还包括：

报警单元，与信号控制处理单元电性连接，用于在信号控制处理单元处理得到的电压值低于预设阈值时进行报警；

通信单元，与信号控制处理单元电性连接，用于在信号控制处理单元处理得到的电压值低于预设阈值时进行远程通信。

一种电压暂降检测装置，电压暂降检测装置用于实现上述任意一个实施例的电压暂降检测电路。

上述电压暂降检测电路，包括信号采集单元、信号调理单元、A/D转换单元、S变换单元和信号控制处理单元。通过信号采集单元采集供电网的电压信号，并将检测到的电压信号输入到信号调理单元，信号调理单元将电压信号调理为标准方波信号，并将标准方波信号输入到A/D转换单元，A/D转换单元将标准方波信号转换为电压数字信号，并输入到S变换单元，S变换单元基于电压数字信号得到供电网的电压幅值，信号控制处理单元根据得到的电压幅值确定供电网是否出现电压暂降。本发明由于采用S变换单元，避免了窗口的选择，改善了窗函数固定的缺陷，时频中的各频率分量与原始信号保持着直接的相位关系，使得在电压暂降检测分析中可以提取大量的特征量，精确地检测电压暂降的幅值。

附图说明

图1为本申请电压暂降检测电路的结构示意图；

图2为本申请一个实施例中电压暂降检测电路的部分结构示意图；

图3为本申请一个实施例中电压暂降检测电路中信号控制处理单元部分结构示意图；

图4为本申请一个实施例中电压暂降检测电路中信号控制处理单元部分结构示意图；

附图标记：1-信号采集单元、2-信号调理单元、3-A/D转换单元、4-S变换单元、5-信号控制处理单元、6-锁相倍频单元、7-存储单元、8-传输单元、9-报警单元、10-通信单元。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供一种电压暂降检测电路，如图1所示，电压暂降检测电路具体包括：

信号采集单元1，信号采集单元1的输入端与供电网电性连接，信号采集单元1的输出端与信号调理单元2电性连接，在本申请实施例中，信号采集单元1包括3个电压互感器、3个电流互感器，分别采集电网三相电压和电流，电压互感器和电流互感器输出端采用二极管组成的钳位电路，避免因电网电压波动或意外事故导致电压互感器和电流互感器输出信号超过A/D转换单元3输入量程范围，进而造成损坏。

信号调理单元2的输入端与信号采集单元1电性连接，输出端与A/D转换单元3电性连接，在本申请实施例中，信号调理单元2包括低通滤波器、电压过零比较器和稳压组件，低通滤波器能够滤除输入的电压信号中的高次谐波和噪声，经过电压过零比较器输出模拟方波信号，再经过稳压组件稳压输出标准方波信号。

A/D转换单元3的输入端与信号调理单元2电性连接，输出端与S变换单元4电性连接，用于将标准方波信号转换为电压数字信号，在本实施例中，A/D转换单元3采用AD7606芯片，能够实现16位8通道同时采样，采样频率最高可达200KHz。

S变换单元4的输入端与A/D转换单元3电性连接，输出端与信号控制处理单元5电性连接，在本申请实施例中，广义双曲S变换的离散化形式为S变换单元采用广义的双曲窗函数：

其中，N为采样点数，j、m、n取值分别为0,1,2……N-1，T为采样时间。

进行广义双曲S变换采用广义的双曲窗函数表达式为：

其中，f为频率，t为时间，α、β分别为前向锥度、后向锥度；λ为窗函数的曲率，与时间同量纲；μ为窗宽调整因子，表征广义双曲S变换窗宽的选择模式；y为窗宽变化率调整因子，表征窗口宽度的变化速率；通过改变参数μ和y，可灵活调整广义双曲S变换的时频分辨率及其变化模式。

S变换单元5用于将电压采样信号进行广义双曲S变换，得到S变换复数矩阵；对所述S变换复数矩阵中的每个元素求模，得到S模矩阵；根据S模矩阵求取电压幅值。离散形式的广义双曲S变换在具体实现时可以借助于快速傅里叶算法和卷积定理，因此十分快捷。确定S变换复数矩阵的具体实现步骤如下：

1)计算采样电压信号快速傅里叶变换

2)计算各频率下广义双曲窗函数的快速傅里叶变换G_HS(m,n)；

3)平移频谱

到

4)按频率、采样点计算

5)计算B(m,n)的快速傅里叶反变换得到S变换谱

信号控制处理单元5的输入端与S变换单元4电性连接，用于根据得到的电压幅值确定供电网是否出现电压暂降。

在本申请实施例中，信号控制处理单元5包括判断组件和特征提取组件，判断组件用于将电压幅值与预设电压暂降阈值(预设阈值)0.9UN进行比较，若电压幅值大于或等于0.9UN，则没有发生电压暂降；若电压幅值小于0.9UN，则发生了电压暂降；

特征提取组件与判断组件连接，特征量提取组件用于在发生电压暂降后，根据S变换单元4中得出的S变换复数矩阵提取特征量，对电压暂降的起止时刻、相位跳变进行检测分析，起止时刻可由基频斜率曲线上的极值点定位，相位跳变可由S变换复数矩阵中基频对应的相位序列反应。由此可见，通过灵活调整时频分辨率及其变化模式，并对广义双曲S变换的特征量进行有效提取和运算，能够精确地检测出电压暂降的幅值、起止时刻以及相位跳变。

在本申请另一个实施例中，信号控制处理单元5还将输入信号与定时器输入捕获模式的映射端口连接，通过捕获输入信号的两个相邻上升沿，记录前后捕捉的定时器计数差值，再根据定时器频率计算出供电网频率。

在本申请一个实施例中，电压暂降检测电路，还包括：

存储单元7，与信号控制处理单元5电性连接，用于对信号控制处理单元5处理得到的信息进行存储，形成历史报表以便相关工作人员查阅。

显示单元8，与信号控制处理单元5电性连接，用于对信号控制处理单元5处理得到的信息进行显示。

在本申请一个实施例中，电压暂降检测电路，还包括：

报警单元9，与信号控制处理单元5电性连接，用于在信号控制处理单元5处理得到的电压值低于预设阈值时进行报警。

通信单元10，与信号控制处理单元5电性连接，用于在信号控制处理单元5处理得到的电压值低于预设阈值时进行远程通信，发送电压暂降信息至远程监控中心。

在本申请实施例中，还包括一种电压暂降检测装置，用于实现如上述实施例任意一项电压暂降检测电路。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电压暂降检测电路，其特征在于，所述电压暂降检测电路包括：

信号采集单元，所述信号采集单元的输入端与供电网电性连接，所述信号采集单元的输出端与信号调理单元电性连接，用于采集所述供电网的电压信号；

所述信号调理单元的输入端与所述信号采集单元电性连接，输出端与A/D转换单元电性连接，用于将所述电压信号调理为标准方波信号；

所述A/D转换单元的输入端与所述信号调理单元电性连接，输出端与S变换单元电性连接，用于将所述标准方波信号转换为电压数字信号；

所述S变换单元的输入端与所述A/D转换单元电性连接，输出端与信号控制处理单元电性连接，用于基于所述电压数字信号得到所述供电网的电压幅值；

所述信号控制处理单元的输入端与所述S变换单元电性连接，用于根据得到的电压幅值确定所述供电网是否出现电压暂降。

2.根据权利要求1所述的电压暂降检测电路，其特征在于，所述电压暂降检测电路，还包括：

锁相倍频单元，所述锁相倍频单元的输入端与所述信号调理单元电性连接，输出端与所述A/D转换单元电性连接。

3.根据权利要求1所述的电压暂降检测电路，其特征在于，所述信号调理单元包括低通滤波器、电压过零比较器和稳压组件；

所述低通滤波器用于滤除所述电压信号中的高次谐波和噪声；

所述电压过零比较器用于输出模拟方波信号；

所述稳压组件用于对所述模拟方波信号进行稳压输出标准方波信号。

4.根据权利要求1所述的电压暂降检测电路，其特征在于，所述S变换单元，用于对所述电压数字信号进行广义双曲S变换，得到S变换复数矩阵，对所述S变换复数矩阵中的每个元素求模，得到S模矩阵，根据所述S模矩阵得到所述电压幅值。

5.根据权利要求4所述的电压暂降检测电路，其特征在于，所述广义双曲S变换的窗函数为：

其中，f为频率，t为时间，α、β分别为前向锥度、后向锥度；λ为窗函数的曲率，与时间同量纲；μ为窗宽调整因子；y为窗宽变化率调整因子。

6.根据权利要求1所述的电压暂降检测电路，其特征在于，所述信号控制处理单元，包括：

判断组件，用于将所述电压幅值与预设阈值进行比较，若所述电压幅值大于或等于预设阈值，则将所述供电网没有发生电压暂降作为所述检测结果；若所述电压幅值小于预设阈值，则将所述供电网发生电压暂降作为所述检测结果。

7.根据权利要求6所述的电压暂降检测电路，其特征在于，所述信号控制处理单元，还包括：

特征提取组件，用于若所述电压幅值小于所述预设阈值，根据所述S变换单元得到的S变换复数矩阵得到电压暂降的起止时刻和相位跳变信息。

8.根据权利要求1所述的电压暂降检测电路，其特征在于，所述电压暂降检测电路，还包括：

存储单元，与所述信号控制处理单元电性连接，用于对所述信号控制处理单元处理得到的信息进行存储；

显示单元，与所述信号控制处理单元电性连接，用于对所述信号控制处理单元处理得到的信息进行显示。

9.根据权利要求1所述的电压暂降检测电路，其特征在于，所述电压暂降检测电路，还包括：

报警单元，与所述信号控制处理单元电性连接，用于在所述信号控制处理单元处理得到的电压值低于预设阈值时进行报警；

通信单元，与所述信号控制处理单元电性连接，用于在所述信号控制处理单元处理得到的电压值低于预设阈值时进行远程通信。

10.一种电压暂降检测装置，其特征在于，所述电压暂降检测装置设置于供电网，用于实现如权利要求1至9任意一项所述的电压暂降检测电路。

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