CN112952866B - 一种同步坐标系下的三相不平衡跌落及相位突变检测方法 - Google Patents

一种同步坐标系下的三相不平衡跌落及相位突变检测方法 Download PDF

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Abstract

一种同步坐标系下的三相不平衡跌落及相位突变检测方法，它涉及对三相电压不平衡跌落故障及三相电压相位突变故障检测应用技术领域，包括静止坐标系变换模块，基于零序同步坐标系的负序旋转变换模块及故障逻辑模块。本发明利用静止坐标系变换模块，得到三相采样电压信号的零序分量及两相正交分量；利用基于零序同步坐标的负序旋转变换模型，实现负序分量在零序同步坐标系下的旋转变换，获得反映三相电压不平衡跌落故障或三相电压相位突变故障的直流特征值；最后，由故障逻辑模块对直流特征值进行阈值判断及故障逻辑组合，实现三相电压不平衡跌落故障或三相电压相位突变故障的辨识及检测。

Description

一种同步坐标系下的三相不平衡跌落及相位突变检测方法
技术领域
本发明涉及一种同步坐标系下的三相不平衡跌落及相位突变检测方法，涉及对三相电压不平衡跌落故障及三相电压相位突变故障检测应用技术领域，具体涉及一种同步坐标系下的三相不平衡跌落及相位突变检测方法。
背景技术
为了确保电力电子变换器接入公共电网后不影响公共电网稳定性，各国要求这类设备必须具备电网故障穿越的能力。其中，三相电压不对称跌落故障及相位突变故障成为越来越多标准衡量电力电子逆变器故障穿越能力的核心。当前常见方法主要借助电压不对称跌落故障及相位突变故障的辨识或通过当前电压采样值与历史当前时刻电压采样值(亦可借助锁相环相位信息，虚拟当前电网压瞬时值)对比，当超过一定阈值，便视为故障发生，以此实时辨识故障；或通过计算电压有效值、借助旋转坐标轴变换方法，辨识电压不对称跌落故障，而该方法无法用于辨识电网电压相位突变故障。
上述方法或对硬件采样要求高，因而常常引发误判停机问题。然而，借助有效值计算的方法，且存在较大延时。上述原因使得传统三相电压不对称跌落故障及相位跳变故障辨识方法均存在一定局限性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种同步坐标系下的三相不平衡跌落及相位突变检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题，本发明利用静止坐标系变换，得到三相电压采样信号的两相正交信号及零序信号。将零序分量构建同步旋转坐标变换矩阵，并与所提取的三相电压采样信号的负序分量进行同步旋转坐标变换运算，得到包含不平衡跌落故障及相位跳变故障的直流特征值。通过比较直流特征值与设定的特征值阈值及相关的组合逻辑，实现不平衡跌落故障及相位跳变故障的同步辨识。
为实现上述目的，一种同步坐标系下的三相不平衡跌落及相位突变检测方法如图1所示，它包括静止坐标系变换模块1，基于零序同步坐标的负序旋转变换模块2，故障逻辑模块3，本发明专利中所述静止坐标系变换模块1如图2所示，基于零序同步坐标的负序旋转变换模块2如图3所示，故障逻辑模块3如图4所示，所述三相到两相静止坐标系变换模块1输入三相电压采样信号(Va、Vb、Vc)，得到两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0；将两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0输入所述基于零序同步坐标的负序旋转变换模块2，输出表征三相不平衡跌落故障及三相相位突变故障的直流特征值(VD、VF)；所述故障逻辑模块3输入特征值(VD、VF)，输出三相不平衡跌落故障信号FD及三相相位跳变故障信号FF。
所述静止坐标系变换模块1，包括三相到两相静止坐标系变换运算，所述三相静止坐标系到两相静止坐标系变换运算可得到三相电压采样信号(Va、Vb、Vc)的两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0。
所述基于零序同步坐标的负序旋转变换模块2，包括：单相交流正交变换模块21，负序分量计算模块22及基于零序同步坐标变换模块23，所述两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0输入单相交流正交变换模块21，得到Vα1的正交信号组(Vα1、Vα2)、Vβ1的正交信号组(Vβ1、Vβ2)及V0的正交信号组
Figure GDA0004218530500000021
将(Vα1、Vβ1、Vα2、Vβ2)接入所述负序分量计算模块22，得到三相采样电压信号(Va、Vb、Vc)的负序分量/>
Figure GDA0004218530500000022
后将负序分量/>
Figure GDA0004218530500000023
及正交信号组/>
Figure GDA0004218530500000024
Figure GDA0004218530500000025
接入所述基于零序同步坐标变换模块23，将正交信号组/>
Figure GDA0004218530500000026
构建为同步旋转坐标变换矩阵，对负序分量/>
Figure GDA0004218530500000027
进行旋转坐标变换，得到包含三相采样电压信号(Va、Vb、Vc)的电压跌落及相位跳变故障信息的直流特征值(VD、VF)。
所述故障逻辑模块3，包括特征比较模块31及组合逻辑模块32，所述直流特征值VF与所述特征比较模块31中相位突变特征值设定阈值Vref1进行比较，得到故障信息FCF，而直流特征值VD与特征比较模块31中三相电压不平衡跌落特征值设定阈值Vref2进行比较，得到相位故障信息FCD，后将故障信息FCF及相位故障信息FCD接入组合逻辑模块32，便可得三相电压相位跳变故障信号FF及三相电压不平衡跌落故障信号FD。
所述的一种同步坐标系下的三相不平衡跌落相位突变检测方法，其特征操作步骤如下：
步骤1：将三相采样电压信号(Va、Vb、Vc)输入所述静止坐标系变换模块1，具体计算如式①所示，得到三相采样电压信号(Va、Vb、Vc)的两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0；
Figure GDA0004218530500000031
步骤2：所述两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0输入所述基于零序同步坐标的负序旋转变换模块2，提取包含电压跌落故障及相位跳变故障的直流特征值(VD、VF)。具体操作为：先将两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0输入所述单相交流正交变换模块(21)，得到(Vα1、Vβ1、Vα2、Vβ2)及正交信号组
Figure GDA0004218530500000032
Figure GDA0004218530500000033
将(Vα1、Vβ1、Vα2、Vβ2)接入所述负序分量计算模块22，具体计算如式②所示，得到三相采样电压信号(Va、Vb、Vc)的负序分量/>
Figure GDA0004218530500000034
Figure GDA0004218530500000035
后将负序分量
Figure GDA0004218530500000036
及零序分量正交信号/>
Figure GDA0004218530500000037
接入所述基于零序同步坐标变换模块23，将零序分量正交信号/>
Figure GDA0004218530500000038
构建为同步旋转坐标变换矩阵，对负序分量/>
Figure GDA0004218530500000041
进行同步旋转坐标变换，具体计算如式③所示，即可提取到包含三相采样电压(Va、Vb、Vc)电压跌落故障及相位跳变故障信息的直流特征值(VD、VF)；/>
Figure GDA0004218530500000042
步骤3：将所述直流特征值(VD、VF)输入所述故障逻辑模块3，实现三相电压不平衡跌落及相位突变故障的辨识，将直流特征值VF与所述特征比较模块31中相位突变特征值设定阈值Vref1进行比较，得到故障信息FCF，而直流特征值VD与特征比较模块31中三相电压不平衡跌落特征值设定阈值Vref2进行比较，得到相位故障信息FCD，后将故障信息FCF及相位故障信息FCD接入组合逻辑模块32，便可得三相电压相位跳变故障信号FF及三相电压不平衡跌落故障信号FD。
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：利用静止坐标系变换，得到三相电压采样信号的两相正交信号及零序信号。将零序分量构建同步旋转坐标变换矩阵，并与所提取的三相电压采样信号的负序分量进行同步旋转坐标变换运算，得到包含不平衡跌落故障及相位跳变故障的直流特征值。通过比较直流特征值与设定的特征值阈值及相关的组合逻辑，实现不平衡跌落故障及相位跳变故障的同步辨识。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2为本发明静止坐标系变换模块1的结构示意图；
图3为本发明基于零序同步坐标的负序旋转变换模块2的结构示意图；
图4为本发明故障逻辑模块3的结构示意图；
图5为本发明A相电压相位15°跳变(持续时间t1～t2)及C相电压跌落80％(持续时间t4～t6)的判别结果及关键信号处理结果仿真波形图；
图6为本发明A相电压相位90°跳变(持续时间t1～t2)及C相电压跌落80％(持续时间t4～t6)的判别结果及关键信号处理结果仿真波形图；
图7为本发明A相电压相位180°跳变(持续时间t1～t2)及C相电压跌落20％(持续时间t4～t6)的判别结果及关键信号处理结果仿真波形图。
附图标记说明：静止坐标系变换模块1，基于零序同步坐标的负序旋转变换模块2、单相交流正交变换模块21、负序分量计算模块22、基于零序同步坐标变换模块23、故障逻辑模块3、特征比较模块31、组合逻辑模块32。
具体实施方式
参看图1～图7所示，本具体实施方式采用的技术方案是：
实施例一：
一种同步坐标系下的三相不平衡跌落及相位突变检测方法如图1所示，包括：包括静止坐标系变换模块1，基于零序同步坐标的负序旋转变换模块2，故障逻辑模块3，本发明专利中所述静止坐标系变换模块1采用如图2所示计算方法，输入三相电压采样信号(Va、Vb、Vc)，输出两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0；所述基于零序同步坐标的负序旋转变换模块2采用如图3所示计算方法，输入两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0，输出包含三相不平衡跌落故障及相位突变故障的直流特征值(VD、VF)；所述故障逻辑模块3如图4所示，输入特征值(VD、VF)，输出不平衡跌落故障信号FD及相位突变故障信号FF。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
在所述静止坐标系变换中，采用如图2所示计算方法，将所述三相电压采样信号(Va、Vb、Vc)输入静止坐标系变换模块1，具体计算如式①所示，本实施例中k值取2/3，得到两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0。
在所述基于零序同步坐标的负序旋转变换方法中，采用如图3所示计算方法，将所述两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0输入所述基于零序同步坐标的负序旋转变换模块2，提取三相电压采样信号(Va、Vb、Vc)的电压跌落故障及相位跳变故障的直流特征值(VD、VF)。具体操作为：先将两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0输入所述单相交流正交变换模块21，输出Vα1的正交信号组(Vα1、Vα2)、Vβ1的正交信号组(Vβ1、Vβ2)及V0的正交信号组
Figure GDA0004218530500000061
将(Vα1、Vβ1、Vα2、Vβ2)输入所述负序分量计算模块22，具体计算如式②所示，得到三相采样电压信号(Va、Vb、Vc)的负序分量/>
Figure GDA0004218530500000062
后将负序分量/>
Figure GDA0004218530500000063
及零序分量正交信号组
Figure GDA0004218530500000064
接入基于零序同步坐标变换模块23，将零序分量正交信号组/>
Figure GDA0004218530500000065
构建为同步旋转坐标变换矩阵，对负序分量/>
Figure GDA0004218530500000066
进行旋转坐标变换，具体计算如式③所示，得到包含三相采样电压信号(Va、Vb、Vc)的电压跌落故障及相位跳变故障信息的直流特征值(VD、VF)。
所述特征值(VD、VF)输入如图4所示故障逻辑模块3，实现三相电压不平衡跌落及相位突变故障辨识。将所述特征值VF与所述特征比较模块31中相位突变特征值设定阈值Vref1进行比较，得到故障信息FCF，本实例中阈值Vref1设定为400。而特征值VD与特征比较模块31中三相电压不平衡跌落特征值设定阈值Vref2进行比较，得到相位故障信息FCD，本实例中阈值Vref2设定为-400。后将FCF及FCD接入组合逻辑模块32，FCF输出为三相电压相位跳变故障信号FF，而FCF及FCD的非逻辑结果进行与计算，方可得到三相电压不平衡跌落故障信号FD。
实施例三：
一种同步坐标系下的三相不平衡跌落及相位突变检测方法，采用上述检测算法，进行操作步骤如下：
步骤1：根据图2所示静止坐标系变换方法，将所述三相电压采样信号(Va、Vb、Vc)输入静止坐标系变换模块1，具体计算如式①所示，得到两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0，本实施例中k值取2/3。
步骤2：根据图3所示基于零序同步旋转坐标系运算方法，将所述两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0输入所述单相交流正交变换模块21，得到(Vα1、Vβ1、Vα2、Vβ2)及零序分量正交信号
Figure GDA0004218530500000071
将(Vα1、Vβ1、Vα2、Vβ2)接入所述负序分量提取模块22，具体计算如式②所示，得到三相待检测电压(Va、Vb、Vc)的负序分量/>
Figure GDA0004218530500000072
后将负序分量/>
Figure GDA0004218530500000073
及零序分量正交信号/>
Figure GDA0004218530500000074
接入所述基于零序同步坐标变换模块23，其核心思想为：将零序分量正交信号/>
Figure GDA0004218530500000075
构建为同步旋转坐标变换矩阵，对负序分量/>
Figure GDA0004218530500000076
进行同步旋转坐标变换，具体计算如式③所示，从而得到包含三相采样电压(Va、Vb、Vc)的电压跌落故障及相位跳变故障信息的直流特征值(VD、VF)。
步骤3：步骤1与步骤2执行完成后，将所述特征值(VD、VF)输入如图4所示故障逻辑模块3，实现三相电压不平衡跌落及相位突变故障辨识。将所述特征值VF与所述特征比较模块31中相位突变特征值设定阈值Vref1进行比较，得到故障信息FCF，而特征值VD与特征比较模块31中三相电压不平衡跌落特征值设定阈值Vref2进行比较，得到相位故障信息FCD。后将FCF及FCD接入组合逻辑模块32，FCF输出为三相电压相位跳变故障信号FF，而FCF及FCD的非逻辑结果进行与计算，方可得到三相电压不平衡跌落故障信号FD。
步骤4：步骤3执行完成后，t0时刻输入三相待测电压(Va、Vb、Vc)，t1时刻将A相跳变15°，t2时刻A相恢复正常，t4时刻C相电压跌落80％，本针对三相电压不平衡跌落故障及三相电压相位跳变故障的检测方法关键环节输入输出量信息如图5所示，三相电压不平衡跌落故障信号FD及相位跳变故障信号故障信号FF均能快速识别故障。
步骤5：步骤4执行完成后，t0时刻输入三相待测电压(Va、Vb、Vc)，t1时刻将A相跳变90°，t2时刻A相恢复正常，t4时刻C相电压跌落80％，本针对三相电压不平衡跌落故障及三相电压相位跳变故障的检测方法关键环节输入输出量信息如图6所示，三相电压不平衡跌落故障信号FD及相位跳变故障信号故障信号FF均能快速识别故障。
步骤6：步骤5执行完成后，t0时刻输入三相待测电压(Va、Vb、Vc)，t1时刻将A相跳变180°，t2时刻A相恢复正常，t4时刻C相电压跌落20％，本针对三相电压不平衡跌落故障及三相电压相位跳变故障的检测方法关键环节输入输出量信息如图7所示，三相电压不平衡跌落故障信号FD及相位跳变故障信号故障信号FF均能快速识别故障。
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：利用静止坐标系变换，得到三相电压采样信号的两相正交信号及零序信号。将零序分量构建同步旋转坐标变换矩阵，并与所提取的三相电压采样信号的负序分量进行同步旋转坐标变换运算，得到包含不平衡跌落故障及相位跳变故障的直流特征值。通过比较直流特征值与设定的特征值阈值及相关的组合逻辑，实现不平衡跌落故障及相位跳变故障的同步辨识。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种同步坐标系下的三相不平衡跌落相位突变检测方法，其特征在于：它包括静止坐标系变换模块(1)，基于零序同步坐标的负序旋转变换模块(2)，故障逻辑模块(3)，所述三相到两相静止坐标系变换模块(1)输入三相电压采样信号(Va、Vb、Vc)，得到两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0；将两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0输入所述基于零序同步坐标的负序旋转变换模块(2)，输出表征三相不平衡跌落故障及三相相位突变故障的直流特征值(VD、VF)；所述故障逻辑模块(3)输入特征值(VD、VF)，输出三相不平衡跌落故障信号FD及三相相位跳变故障信号FF,所述基于零序同步坐标的负序旋转变换模块(2)，包括：单相交流正交变换模块(21)，负序分量计算模块(22)及基于零序同步坐标变换模块(23)，所述两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0输入单相交流正交变换模块(21)，得到Vα1的正交信号组(Vα1、Vα2)、Vβ1的正交信号组(Vβ1、Vβ2)及V0的正交信号组
Figure FDA0004218530490000011
将(Vα1、Vβ1、Vα2、Vβ2)接入所述负序分量计算模块(22)，得到三相采样电压信号(Va、Vb、Vc)的负序分量/>
Figure FDA0004218530490000013
后将负序分量/>
Figure FDA0004218530490000012
及正交信号组/>
Figure FDA0004218530490000014
接入所述基于零序同步坐标变换模块(23)，将正交信号组/>
Figure FDA0004218530490000015
构建为同步旋转坐标变换矩阵，对负序分量/>
Figure FDA0004218530490000016
进行旋转坐标变换，得到包含三相采样电压信号(Va、Vb、Vc)的电压跌落及相位跳变故障信息的直流特征值(VD、VF)。
2.根据权利要求1所述的一种同步坐标系下的三相不平衡跌落相位突变检测方法，其特征在于：所述静止坐标系变换模块(1)，包括三相到两相静止坐标系变换运算，所述三相到两相静止坐标系变换运算可得到三相电压采样信号(Va、Vb、Vc)的两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0。
3.根据权利要求1所述的一种同步坐标系下的三相不平衡跌落相位突变检测方法，其特征在于：所述故障逻辑模块(3)，包括特征比较模块(31)及组合逻辑模块(32)，所述直流特征值VF与所述特征比较模块(31)中相位突变特征值设定阈值Vref1进行比较，得到故障信息FCF，而直流特征值VD与特征比较模块(31)中三相电压不平衡跌落特征值设定阈值Vref2进行比较，得到相位故障信息FCD，后将故障信息FCF及相位故障信息FCD接入组合逻辑模块(32)，便可得三相电压相位跳变故障信号FF及三相电压不平衡跌落故障信号FD。
4.根据权利要求3所述的一种同步坐标系下的三相不平衡跌落相位突变检测方法，其特征操作步骤如下：
步骤1：将三相采样电压信号(Va、Vb、Vc)输入所述静止坐标系变换模块(1)，得到三相采样电压信号(Va、Vb、Vc)的两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0；
步骤2：所述两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0输入所述基于零序同步坐标的负序旋转变换模块(2)，提取包含电压跌落故障及相位跳变故障的直流特征值(VD、VF),具体操作为：先将两相正交分量(Vα、Vβ)及零序分量V0输入所述单相交流正交变换模块(21)，得到(Vα1、Vβ1、Vα2、Vβ2)及正交信号组
Figure FDA0004218530490000021
Figure FDA0004218530490000022
将(Vα1、Vβ1、Vα2、Vβ2)接入所述负序分量计算模块(22)，得到三相采样电压信号(Va、Vb、Vc)的负序分量/>
Figure FDA0004218530490000023
后将负序分量/>
Figure FDA0004218530490000024
及零序分量正交信号/>
Figure FDA0004218530490000025
接入所述基于零序同步坐标变换模块(23)，将零序分量正交信号/>
Figure FDA0004218530490000026
构建为同步旋转坐标变换矩阵，对负序分量/>
Figure FDA0004218530490000027
进行同步旋转坐标变换，即可提取到包含三相采样电压(Va、Vb、Vc)电压跌落故障及相位跳变故障信息的直流特征值(VD、VF)；
步骤3：将所述直流特征值(VD、VF)输入所述故障逻辑模块(3)，实现三相电压不平衡跌落及相位突变故障的辨识，将直流特征值VF与所述特征比较模块(31)中相位突变特征值设定阈值Vref1进行比较，得到故障信息FCF，而直流特征值VD与特征比较模块(31)中三相电压不平衡跌落特征值设定阈值Vref2进行比较，得到相位故障信息FCD，后将故障信息FCF及相位故障信息FCD接入组合逻辑模块(32)，便可得三相电压相位跳变故障信号FF及三相电压不平衡跌落故障信号FD。
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