CN114325070A - 一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法及系统 - Google Patents
一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及微电网、配电网等电能质量检测领域，特别是一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法及系统。本发明方法在极端电网工况下具有良好的鲁棒性、准确度和实时性，可实现恶劣工况下电压暂降的快速和准确的检测，尤其在直流分量干扰、谐波干扰、频率变动、三相不平衡故障等恶劣工况下的电压暂降幅值检测具有良好的效果，且具有较快的响应速度，可实时检测出电压幅值变化。
Description
技术领域
本发明涉及微电网、配电网等电能质量检测领域，特别是一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法及系统。
背景技术
电能质量作为衡量供电水平的重要标准，标志着一个国家电力工业发展水平，直接关系到国民生产总值和经济效益。随着工业水平的不断进步，电网中精密仪器，敏感设备越来越多，电能质量的优劣直接影响这类设备的运行。在各类电能质重问题中，电压暂降是造成敏感设备等工作异常的主要原因，约70％～90％电能质量问题由电压暂降引起。电压暂降已经成为最严重的电能质量问题，其检测与治理愈发迫切。
然而随着工业不断的发展，电网中不断接入各类单相、非线性、大功率、冲击性等负载，电网中往往容易出现三相不平衡，频率波动，谐波等问题。传统的dq变换电压暂降检测方法在三相电压不平衡时电压幅值计算中往往包含二倍频波动，难以滤除，影响电压暂降检测的准确性；而传统的均方根方法容易受频率变动而影响检测精度，且至少需要半个电网周期，实时性不够；因而传统方法很难满足在谐波干扰，三相不平衡，频率变动等非理想电网工况下的电压幅值和起止时间的检测，亟需采用适应于恶劣电网工况下的电压暂降检测方法及系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法及系统，具体技术方案如下：
一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法，包括以下步骤：
S1：采样三相输入电压vga、vgb、vgc瞬时值，并通过abc-αβ变换得到αβ坐标下的电网电压瞬时值vgα、vgβ；
S2：利用鲁棒抗扰模块消除电压瞬时值vgα、vgβ中的直流分量和特定次谐波，得到滤波后的αβ坐标下的电压瞬时值vnα、vnβ；
S3：利用抗三相电压不平衡模块得到αβ坐标系下电压的正序分量
S4：利用αβ-dq变换将电压的正序分量
变换至dq坐标下，得到dq坐标下的电压瞬时值vd、vq；
S5：利用步骤S4计算得到的q轴坐标下的电压瞬时值vq经锁相环计算得到三相电压角频率ω0、同步相角
分别反馈给步骤S2-S4计算使用；
S6：将步骤S4中得到的dq坐标下的电压瞬时值vd、vq经低通滤波模块计算得到dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'；
S7：将dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'进行幅值和相位计算得到电压暂降幅值Vmsag和相位跳变角θsag；
S8：将电压暂降幅值Vmsag与额定电压幅值Vpn进行比较得到电压暂降起始时刻t0，结束时刻t1，持续时间Δt＝t1-t0；所述比较方法为：当Vmsag满足0.1Vpn≤Vmsag≤0.9Vpn，记录起始时刻为t0，当Vmsag>0.9Vpn，记录结束时刻为t1。
优选地，所述步骤S1中αβ坐标下的电网电压瞬时值vgα、vgβ表达式如下式所示：
优选地，所述步骤S2中αβ坐标下的电压瞬时值vnα、vnβ由下式获得：
其中，vα、vβ分别为经优化二阶广义积分滤波后的αβ坐标下电压瞬时值；n表示所滤除的谐波次数；qvα、qvβ分别为vα、vβ的正交量。
优选地，所述vα、vβ、qvβ、qvα由优化的二阶广义积分将αβ坐标下的电压瞬时值vgα、vgβ分别变换得到，其具体表达式如下：
其中，D1(s)、Q1(s)分别表示优化二阶广义积分两个正交变量对输入的传递函数；
所述D1(s)、Q1(s)由下式计算得到：
其中，k为优化的二阶广义积分控制参数；ω0为经锁相环计算的电压角频率；s为拉普拉斯变换复数表达式。
优选地，所述步骤S3中抗三相电压不平衡模块利用下式获得电压的正序分量
其中，vnα'、vnβ'分别为经二阶广义积分滤波后的αβ坐标下电压瞬时值，qvnα'、qvnβ'分别为vnα'、vnβ'的正交量。
优选地，所述vnα'、qvnβ'、qvnα'、vnβ'利用二阶广义积分将获得，其具体表达式如下：
其中，Dn(s)、Qn(s)的含义，由下式计算得到：
其中，kn为二阶广义积分控制参数。
优选地，所述步骤S4中dq坐标下的电压瞬时值vd、vq由下式计算得到：
其中，
为三相电压正序分量同步相位。
优选地，所述步骤S6中dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'的计算方式如下：
其中，Tf低通滤波器的滤波时间常数。
优选地，所述电压暂降幅值Vmsag的计算表达式如下：
所述电压暂降相位跳变角θsag的计算表达式如下：
一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测系统，包括电压采样变换模块、鲁棒抗扰模块、抗三相电压不平衡模块、电压变换模块、低通滤波模块、幅值相位计算模块、频率和同步相位计算模块、检测模块；
所述电压采样变换模块、鲁棒抗扰模块、抗三相电压不平衡模块、电压变换模块依次连接；
所述电压变换模块分别与低通滤波模块、频率和同步相位计算模块连接；
所述低通滤波模块、幅值相位计算模块、检测模块依次连接；
所述频率和同步相位计算模块分别与鲁棒抗扰模块、抗三相电压不平衡模块、电压变换模块连接；
所述电压采样变换模块用于对三相输入电压vga、vgb、vgc瞬时值进行采样，并将得到的三相输入电压vga、vgb、vgc通过abc-αβ变换得到αβ坐标下的电网电压瞬时值vgα、vgβ；
所述鲁棒抗扰模块用于消除电压瞬时值vgα、vgβ中的直流分量和特定次谐波，得到滤波后的αβ坐标下的电压瞬时值vnα、vnβ；
所述抗三相电压不平衡模块用于得到αβ坐标系下电压的正序分量
所述电压变换模块用于利用αβ-dq变换将电压的正序分量
变换至dq坐标下，得到dq坐标下的电压瞬时值vd、vq；
所述低通滤波模块用于将dq坐标下的电压瞬时值vd、vq进行低通滤波得到dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'；
所述幅值相位计算模块用于将dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'进行幅值和相位计算得到电压暂降幅值Vmsag和相位跳变角θsag；
所述频率和同步相位计算模块用于将得到的q轴坐标下的电压瞬时值vq经锁相环计算得到三相电压角频率ω0、同步相角
翻倍分别反馈给鲁棒抗扰模块、抗三相电压不平衡模块、电压变换模块；
所述检测模块用于将电压暂降幅值Vmsag与额定电压幅值Vpn进行比较得到电压暂降起始时刻t0，结束时刻t1，持续时间Δt＝t1-t0。
本发明的有益效果为：本发明方法在极端电网工况下具有良好的鲁棒性、准确度和实时性，可实现恶劣工况下电压暂降的快速和准确的检测，尤其在直流分量干扰、谐波干扰、频率变动、三相不平衡故障等恶劣工况下的电压暂降幅值检测具有良好的效果，且具有较快的响应速度，可实时检测出电压幅值变化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测算法框图；
图2为本发明直流分量和n次谐波消除模块框图；
图3为本发明正序分量提取模块框图；
图4为本发明三相不平衡故障下不同电压暂降检测方法对比仿真；
图5为本发明频率波动下不同电压暂降方法对比仿真；
图6为本发明的系统原理图。
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。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如图1所示，本发明的具体实施方式提供了一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法，该方法可实现恶劣工况下电压暂降的快速和准确的检测，包括以下步骤：
S1：采样三相输入电压vga、vgb、vgc瞬时值，并通过abc-αβ变换得到αβ坐标下的电网电压瞬时值vgα、vgβ；
所述步骤S1中αβ坐标下的电压瞬时值vgα、vgβ表达式如下式所示：
S2：利用鲁棒抗扰模块消除电压瞬时值vgα、vgβ中的直流分量和特定次谐波，得到滤波后的αβ坐标下的电压瞬时值vnα、vnβ；
所述步骤S2中αβ坐标下的电压瞬时值vnα、vnβ由下式获得：
其中，vα、vβ分别为经优化二阶广义积分滤波后的αβ坐标下电压瞬时值；n表示所滤除的谐波次数；qvα、qvβ分别为vα、vβ的正交量。
所述vα、vβ、qvβ、qvα由优化的二阶广义积分将αβ坐标下的电压瞬时值vgα、vgβ分别变换得到，其具体表达式如下：
其中，D1(s)、Q1(s)分别表示优化二阶广义积分两个正交变量对输入的传递函数。
所述D1(s)、Q1(s)由下式计算得到：
其中，k为优化的二阶广义积分控制参数，ω0为经锁相环计算的电压角频率；s为拉普拉斯变换复数表达式。
S3：利用抗三相电压不平衡模块得到αβ坐标系下电压的正序分量
所述步骤S3中抗三相电压不平衡模块利用下式获得电压的正序分量
其中，vnα'、vnβ'分别为经二阶广义积分滤波后的αβ坐标下电压瞬时值，qvnα'、qvnβ'分别为vnα'、vnβ'的正交量。
所述vnα'、qvnβ'、qvnα'、vnβ'利用二阶广义积分将获得，其具体表达式如下：
其中，Dn(s)、Qn(s)的含义，由下式计算得到：
其中，kn为二阶广义积分控制参数。
S4：利用αβ-dq变换将电压的正序分量
变换至dq坐标下，得到dq坐标下的电压瞬时值vd、vq；
所述dq坐标下的电压瞬时值vd、vq由下式计算得到：
其中，
为三相电压正序分量同步相位。
S5：利用步骤S4计算得到的q轴坐标下的电压瞬时值vq经锁相环计算得到三相电压角频率ω0、同步相角
分别反馈给步骤S2-S4计算使用；所述角频率ω0相角
通过PLL计算得出；
S6：将步骤S4中得到的dq坐标下的电压瞬时值vd、vq经低通滤波模块计算得到dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'；
所述步骤S6中dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'的计算方式如下：
其中，Tf低通滤波器的滤波时间常数。
S7：将dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'进行幅值和相位计算得到电压暂降幅值Vmsag和相位跳变角θsag；
所述电压暂降幅值Vmsag的计算表达式如下：
所述电压暂降相位跳变角θsag的计算表达式如下：
S8：将电压暂降幅值Vmsag与额定电压幅值进行比较，当Vmsag满足0.1Vpn≤Vmsag≤0.9Vpn，记录电压暂降起始时刻为t0，当Vmsag>0.9Vpn，记录电压暂降结束时刻为t1，持续时间Δt＝t1-t0。
如图2所示，在图2(a)中，可利用下式计算得到消除n次谐波的电压分量vnα、vnβ；
在2(b)中，利用优化二阶广义积分(SOGI)将vgα、vgβ分别变换得到vα、qvα、vβ、qvβ，可消除直流分量的影响，其具体表达式如下：
其中：
其中，k为优化的二阶广义积分控制参数，ω0为经PLL计算的电压角频率。
如图3所示，利用二阶广义积分(SOGI)将vnα、vnβ分别变换得到vnα'、qvnα'、vnβ'、qvnβ'，其具体表达式如下：
其中：
其中，kn为二阶广义积分控制参数，与上述k的取值不同。
利用下式计算得到αβ坐标系下电压的正序分量
如图4所示，本发明一实例相不平衡故障下不同电压暂降检测方法对比仿真，图中电网电压在0.2s发生A相对地短路，0.4s故障恢复，其中黑色曲线为本发明方法电压暂降幅值的检测，灰色曲线为传统dq电压暂降检测方法，显然采用传统dq电压暂降检测方法在发生三相不平衡故障时，检测电压幅值存在较大波动，而采用本发明提供的电压暂降方法在发生三相不平衡故障时可以快速准确检测出电压暂降幅值。
如图5所示，发明一实施例频率波动下不同电压暂降方法对比仿真，图中电网电压在0.2s发生1Hz的频率波动，0.4s频率恢复正常，其中黑色曲线为本发明方法电压暂降幅值的检测，灰色曲线为传统均方根电压暂降检测方法，显然采用传统均方根电压暂降检测方法在发生频率波动时，检测电压幅值存在较大波动，而采用本发明提供的电压暂降方法在短暂波动后迅速恢复稳定，能快速而精确的检测出电压幅值。
如图6所示，本发明的具体实施方式提供了一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测系统，包括电压采样变换模块、鲁棒抗扰模块、抗三相电压不平衡模块、电压变换模块、低通滤波模块、幅值相位计算模块、频率和同步相位计算模块、检测模块；
所述电压采样变换模块、鲁棒抗扰模块、抗三相电压不平衡模块、电压变换模块依次连接；
所述电压变换模块分别与低通滤波模块、频率和同步相位计算模块连接；
所述低通滤波模块、幅值相位计算模块、检测模块依次连接；
所述频率和同步相位计算模块分别与鲁棒抗扰模块、抗三相电压不平衡模块、电压变换模块连接；
所述电压采样变换模块用于对三相输入电压vga、vgb、vgc瞬时值进行采样，并将得到的三相输入电压vga、vgb、vgc通过abc-αβ变换得到αβ坐标下的电网电压瞬时值vgα、vgβ；
所述鲁棒抗扰模块用于消除电压瞬时值vgα、vgβ中的直流分量和特定次谐波，得到滤波后的αβ坐标下的电压瞬时值vnα、vnβ；
所述抗三相电压不平衡模块用于得到αβ坐标系下电压的正序分量
所述电压变换模块用于利用αβ-dq变换将电压的正序分量
变换至dq坐标下，得到dq坐标下的电压瞬时值vd、vq；
所述低通滤波模块用于将dq坐标下的电压瞬时值vd、vq进行低通滤波得到dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'；
所述幅值相位计算模块用于将dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'进行幅值和相位计算得到电压暂降幅值Vmsag和相位跳变角θsag；
所述频率和同步相位计算模块用于将得到的q轴坐标下的电压瞬时值vq经锁相环计算得到三相电压角频率ω0、同步相角
翻倍分别反馈给鲁棒抗扰模块、抗三相电压不平衡模块、电压变换模块；
所述检测模块用于将电压暂降幅值Vmsag与额定电压幅值Vpn进行比较得到电压暂降起始时刻t0，结束时刻t1，持续时间Δt＝t1-t0。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，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，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：采样三相输入电压vga、vgb、vgc瞬时值，并通过abc-αβ变换得到αβ坐标下的电网电压瞬时值vgα、vgβ；
S2：利用鲁棒抗扰模块消除电压瞬时值vgα、vgβ中的直流分量和特定次谐波，得到滤波后的αβ坐标下的电压瞬时值vnα、vnβ；
S3：利用抗三相电压不平衡模块得到αβ坐标系下电压的正序分量
S4：利用αβ-dq变换将电压的正序分量
变换至dq坐标下，得到dq坐标下的电压瞬时值vd、vq；
S5：利用步骤S4计算得到的q轴坐标下的电压瞬时值vq经锁相环计算得到三相电压角频率ω0、同步相角
分别反馈给步骤S2-S4计算使用；
S6：将步骤S4中得到的dq坐标下的电压瞬时值vd、vq经低通滤波模块计算得到dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'；
S7：将dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'进行幅值和相位计算得到电压暂降幅值Vmsag和相位跳变角θsag；
S8：将电压暂降幅值Vmsag与额定电压幅值Vpn进行比较得到电压暂降起始时刻t0，结束时刻t1，持续时间Δt＝t1-t0；所述比较方法为：当Vmsag满足0.1Vpn≤Vmsag≤0.9Vpn，记录起始时刻为t0，当Vmsag>0.9Vpn，记录结束时刻为t1。
2.根据权利要求1所述的一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法，其特征在于：所述步骤S1中αβ坐标下的电网电压瞬时值vgα、vgβ表达式如下式所示：
3.根据权利要求1所述的一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法，其特征在于：所述步骤S2中αβ坐标下的电压瞬时值vnα、vnβ由下式获得：
其中，vα、vβ分别为经优化二阶广义积分滤波后的αβ坐标下电压瞬时值；n表示所滤除的谐波次数；qvα、qvβ分别为vα、vβ的正交量。
4.根据权利要求3所述的一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法，其特征在于：所述vα、vβ、qvβ、qvα由优化的二阶广义积分将αβ坐标下的电压瞬时值vgα、vgβ分别变换得到，其具体表达式如下：
其中，D1(s)、Q1(s)分别表示优化二阶广义积分两个正交变量对输入的传递函数；
所述D1(s)、Q1(s)由下式计算得到：
其中，k为优化的二阶广义积分控制参数；ω0为经锁相环计算的电压角频率；s为拉普拉斯变换复数表达式。
5.根据权利要求1所述的一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法，其特征在于：所述步骤S3中抗三相电压不平衡模块利用下式获得电压的正序分量
其中，vnα'、vnβ'分别为经二阶广义积分滤波后的αβ坐标下电压瞬时值，qvnα'、qvnβ'分别为vnα'、vnβ'的正交量。
6.根据权利要求1所述的一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法，其特征在于：所述vnα'、qvnβ'、qvnα'、vnβ'利用二阶广义积分将获得，其具体表达式如下：
其中，Dn(s)、Qn(s)的含义，由下式计算得到：
其中，kn为二阶广义积分控制参数。
7.根据权利要求1所述的一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法，其特征在于：所述步骤S4中dq坐标下的电压瞬时值vd、vq由下式计算得到：
其中，
为三相电压正序分量同步相位。
8.根据权利要求1所述的一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法，其特征在于：所述步骤S6中dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'的计算方式如下：
其中，Tf低通滤波器的滤波时间常数。
9.根据权利要求1所述的一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测方法，其特征在于：所述电压暂降幅值Vmsag的计算表达式如下：
所述电压暂降相位跳变角θsag的计算表达式如下：
10.一种极端电网工况下高鲁棒电压暂降检测系统，其特征在于：包括电压采样变换模块、鲁棒抗扰模块、抗三相电压不平衡模块、电压变换模块、低通滤波模块、幅值相位计算模块、频率和同步相位计算模块、检测模块；
所述电压采样变换模块、鲁棒抗扰模块、抗三相电压不平衡模块、电压变换模块依次连接；
所述电压变换模块分别与低通滤波模块、频率和同步相位计算模块连接；
所述低通滤波模块、幅值相位计算模块、检测模块依次连接；
所述频率和同步相位计算模块分别与鲁棒抗扰模块、抗三相电压不平衡模块、电压变换模块连接；
所述电压采样变换模块用于对三相输入电压vga、vgb、vgc瞬时值进行采样，并将得到的三相输入电压vga、vgb、vgc通过abc-αβ变换得到αβ坐标下的电网电压瞬时值vgα、vgβ；
所述鲁棒抗扰模块用于消除电压瞬时值vgα、vgβ中的直流分量和特定次谐波，得到滤波后的αβ坐标下的电压瞬时值vnα、vnβ；
所述抗三相电压不平衡模块用于得到αβ坐标系下电压的正序分量
所述电压变换模块用于利用αβ-dq变换将电压的正序分量
变换至dq坐标下，得到dq坐标下的电压瞬时值vd、vq；
所述低通滤波模块用于将dq坐标下的电压瞬时值vd、vq进行低通滤波得到dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'；
所述幅值相位计算模块用于将dq坐标下低通滤波后的电压瞬时值vd'、vq'进行幅值和相位计算得到电压暂降幅值Vmsag和相位跳变角θsag；
所述频率和同步相位计算模块用于将得到的q轴坐标下的电压瞬时值vq经锁相环计算得到三相电压角频率ω0、同步相角
翻倍分别反馈给鲁棒抗扰模块、抗三相电压不平衡模块、电压变换模块；
所述检测模块用于将电压暂降幅值Vmsag与额定电压幅值Vpn进行比较得到电压暂降起始时刻t0，结束时刻t1，持续时间Δt＝t1-t0。
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| 王劲等: "配电网电压暂降检测算法的仿真比较", 《电网与清洁能源》, vol. 28, no. 03, pages 21 - 25 * |
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