專利名稱：一種檢測(cè)電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)頻率、相位和幅值的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)頻率、相位和幅值的方法，屬于電力信號(hào)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
獲取周期信號(hào)的相位和頻率在電氣工程中具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在電氣工程中，電力系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和斷面上電壓頻率和相互之間的相位差控制在 一定范圍之內(nèi)，是保證電網(wǎng)正常運(yùn)行的必要條件。在電力系統(tǒng)發(fā)生靜態(tài)、動(dòng)態(tài)失穩(wěn)的過(guò)程中，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的相位變化是分析其失穩(wěn)過(guò)程發(fā)展和失穩(wěn)機(jī)理的重要信息。這就要求，無(wú)論電力系統(tǒng)運(yùn)行于穩(wěn)定狀態(tài)還是處于動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程，都能夠準(zhǔn)確、快速地獲得系統(tǒng)的頻率和相位。此外，準(zhǔn)確、快速地獲得系統(tǒng)電壓的頻率和相位對(duì)于改善配電網(wǎng)的供電質(zhì)量也有重要應(yīng)用價(jià)值。在配電網(wǎng)中，存在無(wú)功、諧波、負(fù)序、閃變和電壓跌落等眾多電能質(zhì)量問(wèn)題。大功率電力電子裝置是改善這些問(wèn)題的最佳手段，諸如靜止無(wú)功發(fā)生器(STATC0M)、電力有源濾波器(APF)、不間斷電源(UPS)、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)等等。它們要完成改善電能質(zhì)量的任務(wù)，必須實(shí)現(xiàn)其補(bǔ)償電壓/電流與系統(tǒng)電壓/電流同步的問(wèn)題。在電力系統(tǒng)因遠(yuǎn)方短路等故障導(dǎo)致系統(tǒng)電壓和相位突變時(shí)，同步問(wèn)題尤為重要。此時(shí)正確的同步不僅是改善電能質(zhì)量的基礎(chǔ)，更是控制補(bǔ)償裝置不過(guò)流、過(guò)壓，使其安全可靠運(yùn)行的重要保證。風(fēng)力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源往往是通過(guò)分布式發(fā)電、微型電網(wǎng)的形式與電力系統(tǒng)相連的，這時(shí)，也需要維持這些小系統(tǒng)與電力系統(tǒng)接入點(diǎn)頻率和相位上的同步?，F(xiàn)在常用的電壓信號(hào)或電流信號(hào)相位檢測(cè)方法包括過(guò)零檢測(cè)、反三角函數(shù)計(jì)算和鎖相環(huán)。過(guò)零檢測(cè)是把電壓信號(hào)或電流信號(hào)的正向過(guò)零時(shí)刻作為電壓信號(hào)或電流信號(hào)相位的零點(diǎn)，之后，根據(jù)系統(tǒng)的額定頻率計(jì)算電壓信號(hào)或電流信號(hào)的相位，直到電壓信號(hào)或電流信號(hào)的下一個(gè)正向過(guò)零時(shí)刻。該方法在兩個(gè)過(guò)零點(diǎn)之間無(wú)法獲得準(zhǔn)確的相位信息，系統(tǒng)頻率發(fā)生偏移時(shí)會(huì)產(chǎn)生檢測(cè)誤差，而且極易受到諧波和噪聲的干擾，導(dǎo)致檢測(cè)錯(cuò)誤。反三角函數(shù)計(jì)算是指利用反三角函數(shù)，直接計(jì)算正弦信號(hào)的相位。該方法同樣容易遭受諧波和噪聲的干擾，產(chǎn)生較大的檢測(cè)誤差。鎖相環(huán)是通過(guò)閉環(huán)控制，通過(guò)計(jì)算電壓信號(hào)或電流信號(hào)的檢測(cè)值與實(shí)際值的誤差，時(shí)時(shí)修正檢測(cè)值，以得到準(zhǔn)確的檢測(cè)值。該方法的響應(yīng)速度比較慢，而且諧波和噪聲依然會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。由于現(xiàn)在已有的這些檢測(cè)方法存在上述缺點(diǎn)，使得在實(shí)際應(yīng)用中，不能準(zhǔn)確、迅速地檢測(cè)電力系統(tǒng)的相位，不利于電力系統(tǒng)的控制和穩(wěn)定；會(huì)影響靜止無(wú)功發(fā)生器、電力有源濾波器、不間斷電源、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等正常工作，甚至?xí)?dǎo)致它們過(guò)流、過(guò)壓，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備；不利于分布式發(fā)電或微型電網(wǎng)的功率和頻率控制。本申請(qǐng)人曾在專利申請(qǐng)201110347668. X中公開(kāi)過(guò)一種檢測(cè)電力系統(tǒng)中電壓信號(hào)或電流型號(hào)頻率和相位的方法，但是該方法中的頻率控制濾波器比較復(fù)雜，而且在采樣頻率較低時(shí)，其濾波效果會(huì)變差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種檢測(cè)電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)頻率、相位和幅值的方法，以克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)，避免諧波和噪聲的干擾，快速準(zhǔn)確地檢測(cè)電力系統(tǒng)電壓信號(hào)或電流信號(hào)的頻率和相位。本發(fā)明提出的檢測(cè)電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)頻率、相位和幅值的方法，包括以下各步驟(I)設(shè)電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)基波頻率的最小值為fr，每隔Ts秒采集一次電力系統(tǒng)中的電氣信號(hào)，設(shè)定兩個(gè)容量各為K的存儲(chǔ)空間D和Q，K為大于I. I/(Ts Xfr)的整數(shù)，存儲(chǔ)空間中的存儲(chǔ)單元分別為D(I) D(K)和Q(I) Q(K)，存儲(chǔ)單元的初始值為零；當(dāng)檢測(cè)電力系統(tǒng)中的第h次諧波信號(hào)時(shí)，設(shè)電氣信號(hào)頻率檢測(cè)值的初始值為電網(wǎng)額定頻率的h倍，當(dāng)檢測(cè)電力系統(tǒng)中的基波信號(hào)時(shí)，設(shè)電氣信號(hào)頻率檢測(cè)值的初始值為電網(wǎng)額定頻率；(2)采集電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)或電流信號(hào)，若電力系統(tǒng)為三相系統(tǒng)，則采集的電壓信號(hào)或電流信號(hào)均記為Va、Vb、V。，并利用克拉克變換將Va、Vb、V。變換為兩路信號(hào)^、~ ;若電力系統(tǒng)為單相系統(tǒng)，則采集的電壓信號(hào)或電流信號(hào)均記為Vin并將Vin作為信號(hào)Va，利用希爾伯特變換得到信號(hào)V0 ;(3)利用派克變換相角0 I對(duì)上述步驟(2)中的兩路信號(hào)va、V0做派克變換,得到號(hào) Vdl、Vql ;(4)將存儲(chǔ)單元D(n-l)中的數(shù)據(jù)存入D(n)，其中n為K、K-1、…、3、2，并將上述步驟⑶中的Vdl存入D(l)，將Q(n-l)中的數(shù)據(jù)存入Q(n)，其中n為K、K-U…、3、2，，并將述步驟⑶中的Vql存入Q(I)；(5)將V(TsXf1)四舍五入后得到一個(gè)中間變量k，將中間變量k與K進(jìn)行比較，若k小于或等于K，則保持k不變，并計(jì)算存儲(chǔ)單元D (I) D(k)中共k個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，得到信號(hào)vd，計(jì)算存儲(chǔ)單元Q(I) Q(k)中k個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，得到信號(hào);若k大于K，則使k等于K,并計(jì)算存儲(chǔ)單元D (I) D(k)中共k個(gè)數(shù)據(jù)的平均值,得到信號(hào)vd,計(jì)算存儲(chǔ)單元Q⑴ Q(k)中k個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，得到信號(hào)Vq ；(6)計(jì)算上述步驟(5)中vd、Vq的平方和，并將該平方和記為中間變量X1，計(jì)算X1的平方根，得到電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)幅值的測(cè)量值V ；(7)將電氣信號(hào)初相位測(cè)量值外的余弦值與上述步驟(5)中的Vd相乘，得到中間變量X2，將電氣信號(hào)初相位測(cè)量值竹的正弦值與上述步驟(5)中的Vq相乘，得到中間變量X3,對(duì)X2與X3求和,得到誤差e ；(8)對(duì)上述步驟(7)中的誤差e進(jìn)行積分控制，得到電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)初相位的測(cè)量值灼;(9)設(shè)定一個(gè)誤差屏蔽時(shí)間Tb，設(shè)定一個(gè)誤差閾值vth，使誤差閾值Vth等于上述步驟(6)中的X1的0. 03倍，使上述步驟(3)中的V與Vdl的前一個(gè)測(cè)量值相乘，得到一個(gè)中間變量X4，使上述步驟⑶中的Vdl與Vql的前一個(gè)測(cè)量值相乘，得到一個(gè)中間變量X5，相減得到中間變量x6，將X6與其前一個(gè)測(cè)量值相減后求絕對(duì)值，若該絕對(duì)值小于閾值vth，則使電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)的頻率測(cè)量誤差ef等于e，若該絕對(duì)值等于或大于閾值vth，則在此后的誤差屏蔽時(shí)間Tb時(shí)刻內(nèi)使電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)頻率測(cè)量的誤差ef等于0 ;(10)對(duì)上述步驟(9)中的頻率測(cè)量誤差ef進(jìn)行比例積分控制，得到電氣信號(hào)頻率的測(cè)量值A(chǔ)d1乘以2 π后積分，得到派克變換相角Q1，并使該派克變換相角01替代上述步驟(3)中的派克變換相角θ ；(11)對(duì)上述步驟⑶中的外與上述步驟(10)中的Θ i求和，得到電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)相位的測(cè)量值；(12)重復(fù)步驟(2) 步驟(11)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中電壓信號(hào)或電流信號(hào)頻率、相位和幅值的檢測(cè)。本發(fā)明提出的檢測(cè)電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)頻率、相位和幅值的方法，其優(yōu)點(diǎn)是I、本發(fā)明方法具有快速的響應(yīng)速度和良好的濾波效果，能夠在信號(hào)頻率、相位和幅值發(fā)生變化后迅速跟蹤新的頻率、相位和幅值，能夠在信號(hào)受到干擾和污染時(shí)準(zhǔn)確的獲得信號(hào)的頻率、相位和幅值。2、本發(fā)明方法能夠準(zhǔn)確、迅速地檢測(cè)電力系統(tǒng)的相位，有利于電力系統(tǒng)的控制和穩(wěn)定。3、本發(fā)明方法能夠保證電力系統(tǒng)中靜止無(wú)功發(fā)生器、電力有源濾波器、不間斷電源、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器等設(shè)備的正常工作，保證它們?cè)谙到y(tǒng)中存在大擾動(dòng)時(shí)，不過(guò)流、不過(guò)壓，保證它們安全可靠地運(yùn)行。4、本發(fā)明方法有利于分布式發(fā)電或微型電網(wǎng)的功率和頻率控制。


圖I是當(dāng)電力系統(tǒng)為三相時(shí)，本發(fā)明方法的流程框圖。圖2是當(dāng)電力系統(tǒng)為單相時(shí)，本發(fā)明方法中，利用希爾伯特(Hilbert)變換處理單相系統(tǒng)采集信號(hào)的示意圖。圖3是平均值濾波的流程圖。圖4是誤差重構(gòu)的流程圖。圖5是輸入三相電壓幅值為310V、頻率為50Hz、對(duì)稱且不含諧波時(shí)，本發(fā)明獲得基波正序電壓的幅值、頻率和相位。圖6是輸入三相電壓含有諧波時(shí)，本發(fā)明獲得基波正序電壓的幅值、頻率和相位。圖7是輸入a相電壓在20ms時(shí)刻幅值變?yōu)?55伏、相角跳變20度，本發(fā)明獲得基波正序電壓的幅值、頻率和相位。圖8是輸入三相電壓在20ms時(shí)刻幅值變?yōu)?55伏、相位跳變20度，本發(fā)明獲得基波正序電壓的幅值、頻率和相位。圖9是輸入三相電壓頻率在20ms時(shí)刻由50Hz突變?yōu)?1赫茲時(shí)，本發(fā)明獲得基波正序電壓的幅值、頻率和相位。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的檢測(cè)電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)頻率、相位和幅值的方法，其流程框圖如圖I所示，包括以下各步驟
(I)設(shè)電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)基波頻率的最小值為fr，每隔Ts秒采集一次電力系統(tǒng)中的電氣信號(hào)，設(shè)定兩個(gè)容量各為K的存儲(chǔ)空間D和Q，K為大于I. I/(Ts Xfr)的整數(shù)，存儲(chǔ)空間中的存儲(chǔ)單元分別為D(I) D(K)和Q(I) Q(K)，存儲(chǔ)單元的初始值為零；當(dāng)檢測(cè)電力系統(tǒng)中的第h次諧波信號(hào)時(shí)，設(shè)電氣信號(hào)頻率檢測(cè)值fi的初始值為電網(wǎng)額定頻率的h倍，當(dāng)檢測(cè)電力系統(tǒng)中的基波信號(hào)時(shí)，設(shè)電氣信號(hào)頻率檢測(cè)值fi的初始值為電網(wǎng)額定頻率。(2)米集電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)或電流信號(hào),若電力系統(tǒng)為三相系統(tǒng),貝U米集的電壓信號(hào)或電流信號(hào)均記為Va、Vb > Vc,并利用克拉克變換將Va、Vb > Vc變換為兩路信號(hào)Va、V0?？死俗儞Q矩陣為
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)頻率、相位和幅值的方法，其特征在于該方法包括以下各步驟 (1)設(shè)電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)基波頻率的最小值為f；，每隔Ts秒采集一次電力系統(tǒng)中的電氣信號(hào)，設(shè)定兩個(gè)容量各為K的存儲(chǔ)空間D和Q，K為大于I. I/(Ts Xf；)的整數(shù)，存儲(chǔ)空間中的存儲(chǔ)單元分別為D(I) D(K)和Q(I) Q(K)，存儲(chǔ)單元的初始值為零；當(dāng)檢測(cè)電力系統(tǒng)中的第h次諧波信號(hào)時(shí)，設(shè)電氣信號(hào)頻率檢測(cè)值的初始值為電網(wǎng)額定頻率的h倍，當(dāng)檢測(cè)電力系統(tǒng)中的基波信號(hào)時(shí)，設(shè)電氣信號(hào)頻率檢測(cè)值的初始值為電網(wǎng)額定頻率； (2)采集電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)或電流信號(hào)，若電力系統(tǒng)為三相系統(tǒng)，則采集的電壓信號(hào)或電流信號(hào)均記為va、vb、v。，并利用克拉克變換將va、vb、v。變換為兩路信號(hào)Va、Ve ;若電力系統(tǒng)為單相系統(tǒng)，則采集的電壓信號(hào)或電流信號(hào)均記為vin，并將Vin作為信號(hào)Va，利用希爾伯特變換得到信號(hào)V0 ; (3)利用派克變換相角ei對(duì)上述步驟(2)中的兩路信號(hào)va、V0進(jìn)行派克變換，得到信號(hào) Vdl、Vql ; (4)將存儲(chǔ)單元D(n-l)中的數(shù)據(jù)存入D(n)，其中n為K、K-1、…、3、2，并將上述步驟(3)中的Vdl存入D(l)，將Q(n-l)中的數(shù)據(jù)存入Q(n)，其中n為K、K-1、…、3、2，，并將述步驟⑶中的Vql存入Q(I)； (5)將V(TsXf1)四舍五入后得到一個(gè)中間變量k，將中間變量k與K進(jìn)行比較，若k小于或等于K，則保持k不變，并計(jì)算存儲(chǔ)單元D(I) D(k)中共k個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，得到信號(hào)vd，計(jì)算存儲(chǔ)單元Q(I) Q(k)中k個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，得到信號(hào);若k大于K，則使k等于K，則計(jì)算存儲(chǔ)單元D(I) D(k)中共k個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，得到信號(hào)vd，計(jì)算存儲(chǔ)單元Q(I) Q(k)中k個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，得到信號(hào); (6)計(jì)算上述步驟(5)中vd、Vq的平方和，并將該平方和記為中間變量X1，計(jì)算X1的平方根，得到電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)幅值的測(cè)量值V ; (7)將電氣信號(hào)初相位測(cè)量值內(nèi)的余弦值與上述步驟(5)中的Vd相乘，得到中間變量X2，將電氣信號(hào)初相位測(cè)量值內(nèi)的正弦值與上述步驟(5)中的Vq相乘，得到中間變量X3，對(duì)X2與X3求和,得到誤差e ； (8)對(duì)上述步驟(7)中的誤差e進(jìn)行積分控制，得到電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)初相位的測(cè)量值灼; (9)設(shè)定一個(gè)誤差屏蔽時(shí)間Tb，一個(gè)誤差閾值vth，使誤差閾值Vth等于上述步驟(6)中的X1的0. 03倍,使上述步驟(3)中的Vql與Vdl的前一個(gè)測(cè)量值相乘,得到一個(gè)中間變量x4,使上述步驟⑶中的Vdl與Vql的前一個(gè)測(cè)量值相乘，得到一個(gè)中間變量X5，相減得到中間變量x6，將X6與其前一個(gè)測(cè)量值相減后求絕對(duì)值，若該絕對(duì)值小于閾值vth，則使電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)的頻率測(cè)量誤差ef等于e，若該絕對(duì)值等于或大于閾值vth，則在此后的誤差屏蔽時(shí)間Tb時(shí)刻內(nèi)使電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)頻率測(cè)量的誤差ef等于0 ; (10)對(duì)上述步驟(9)中的頻率測(cè)量誤差ef進(jìn)行比例積分控制，得到電氣信號(hào)頻率的測(cè)量值4，4乘以231后積分，得到派克變換相角Q1，并使該派克變換相角Q1替代上述步驟(3)中的派克變換相角0 I ； (11)對(duì)上述步驟⑶中的竹與上述步驟(10)中的Q1求和，得到電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)相位的測(cè)量值；(12)重復(fù)步 驟(2) 步驟(11)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中電壓信號(hào)或電流信號(hào)頻率、相位和 幅值的檢測(cè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)頻率、相位和幅值的方法，屬于電力信號(hào)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。首先，采集電力系統(tǒng)的電壓信號(hào)或電流信號(hào)，采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砗?，利用派克變換和平均值濾波，得到信號(hào)vd、vq；然后，得到信號(hào)幅值、初相位和頻率的測(cè)量值V、和f1，對(duì)2πf1積分得到θ1；最后，和θ1相加得到輸入信號(hào)相位的測(cè)量值θ2。本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠在信號(hào)頻率、相位和幅值發(fā)生變化后迅速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出變化后的值，能夠在信號(hào)受到干擾和污染時(shí)準(zhǔn)確的獲得信號(hào)的頻率、相位和幅值；有利于電力系統(tǒng)的控制和穩(wěn)定；能夠保證電力系統(tǒng)中電力電子裝置安全可靠地運(yùn)行；有利于分布式發(fā)電或微型電力系統(tǒng)的功率和頻率控制。
文檔編號(hào)G01R19/00GK102621382SQ201210077738
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者姜齊榮, 洪蘆誠(chéng), 王亮 申請(qǐng)人:清華大學(xué)