电压暂降检测（精选7篇）
电压暂降检测 篇1
电压暂降是指电源电压突然跌落至基频有效值的0.1~0.9 Pu的电能质量劣化现象, 持续时间通常为0.5~30个工频周期[1—3]。据统计, 电压暂降导致的配电网故障可占故障总数的半数以上, 因此电压暂降特征量的快速检测对判断暂降源地点及分布、改善电能质量、提高供电可靠性而言具有重要意义[4,5]。
当前电压暂降在工程上的主要检测方法可分为坐标变换法和变换域分析法。坐标变换法[6—9]通过旋转坐标变换, 将三相对称电压变换到dq坐标系中, 通过低通滤波器取出直流电压分量, 用于计算电压暂降的特征量。传统dq变换只适合三相电路使用, 对于单项电路, 可将电压信号延迟60°, 虚拟构造三相电压。dq变换法的计算量较大, 为此提出了αβ变化法。该方法将单相电压从静止αβ坐标系变换至dq坐标系, 减小了计算量。变换域分析法[10—17]主要通过快速傅里叶变换 (FFT) , 小波变换, Hilbert变换等方法将电压信号分解至不同正交空间域中, 再提取相关特征量。变换域分析法通常具有较强的抗干扰性, 但计算量较大, 要求同步采样, 存在频谱泄漏和边缘效应等问题。
上述电压暂降检测方法都存在延迟时间长的共性问题。为实现动态电压快速补偿, 导数运算被引入方法中。文献[17]通过微分得到αβ变换法中的相位延迟, 提高了检测速度。文献[18]提出一种求导检测法, 构造了用于求解特征量的方程组, 实现电压暂降的实时检测。但根据微分一阶迎风格式, 上述导数运算精度受限于采样频率。当采样频率较低时, 计算结果存在较大误差, 严重时可使暂降算法失效。
提出了一种单相电压暂降特征量检测的二点法, 通过两个电压采样点构造方程组求解特征量, 无需求导运算。仿真结果表明该算法精度高, 且具良好的快速性, 适合应用于检测速度要求高, 谐波含量低的场合。
1 基于求导运算的单相电压暂降特征量检测法
1.1 求导检测法
典型的导数运算单相电压暂降特征量检测方法有两种。一种通过电压瞬时值及其导数构造特征量方程, 称为求导检测方法。
设单相电压暂降前为理想电压U (t) :
式 (1) 中:U为有效值;ω为角频率;φ为初相角。暂降后电压变为:
式 (2) 中:k为电压暂降比;φ为相位跳变角。k和即为电压暂降特征量。
若令:
则有:
式中:U'1 (t) 由U1 (t) 的导数得到:
式中:Δt为采样周期, 而为单位幅值的三角函数信号, 与电压暂降前的电压信号同频同相, 可通过锁相环得到。故电压暂降特征量为:
1.2 αβ变换求导检测法
另一种导数运算检测方法基于αβ坐标变换原理, 通过导数运算得到电压在静止坐标系α轴上的投影, 被称为αβ变换求导检测法。
式 (1) 中的电压在dq旋转坐标系中的投影分
电压在静止坐标系α轴上的投影Uα (t) 可由β轴投影Uβ (t) 的导数得到:
dq旋转坐标系相对αβ坐标系以角速度ω同步旋转, 故有:
解得ud和uq后, 得当前时刻电压幅值和相位:
设暂降前电压和相位为U0和φ0, 有电压暂降特征量:
事实上, αβ变换求导检测法和求导检测方法均需要当前时刻及其前一时刻电压值所求导数参与计算, 故二种算法原理本质相同, 仅在推导方法上有所不同。
2 单相电压暂降特征量检测二点法
2.1 算法原理
基于求导运算的检测方法精度受限于采样频率, 为避免导数运算, 提出一种二点检测方法。
设相邻两个采样时刻的电压信号U1 (t) 及U2 (t) 表达式为:
令:
再令:
式中:A和B可由锁相环得到。
将u1 (t) 和u2 (t) 进行三角变换, 得:
式 (4) 中:
求解式 (4) , 得x1和x2, 进而得到k和, 完成电压暂降特征量的求解。
2.2 有解条件
若式 (4) 中, 系数矩阵H不满秩, 即:
解得:β=0。
由式 (4) 可得增广矩阵:
根据α和β的定义, 当β=0时, 必有α=1。当u1 (t) =u2 (t) 时, 增广矩阵与系数阵等秩, 但不满秩, 式 (4) 有无穷解;当u1 (t) ≠u2 (t) 时, 增广矩阵与系数阵不等秩, 式 (4) 无解。
当且仅当β≠0时, 式 (2) 有唯一解:
根据式 (3) , 得电压暂降特征量:
根据β≠0条件, 易得:
式 (6) 中, f为电网频率, n=0, 1, 2, …。可见, 只要采样周期满足式 (7) , 即可求得特征量。对于电网工频信号而言, Δt通常远小于f, 不构成无穷解条件, 而满足唯一解条件。
3 仿真验证
3.1 仿真模型
设电压在0.02 s时发生暂降, 暂降比0.5, 相位跳变π/4, 0.12 s后电压恢复, 其表达式为:
式 (7) 中:
u (t) 为阶跃信号。暂降的电压信号如图1所示。
建立如图2所示的Simulink电压暂降仿真模型, 分别利用二点法、求导检测法及αβ变换求导检测法求解暂降特征量, 仿真时采样频率为1.6 kHz。
3.2 仿真结果分析
图3和图4分别为三种方法的检测结果。分析可见, 由于二点法、求导检测法及αβ变换求导检测法均只需两个时刻电压采样值进行计算, 故三种算法具有相同的快速性来反映电压暂降或恢复。但由于微分运算导致的误差, 求导检测法及αβ变换求导检测法计算的电压暂降比和相位跳变角曲线明显存在波动。相反, 本文所提的二点法计算结果平滑, 具有较高精度。需说明的是, 在电压暂降时刻和恢复时刻点上, 由于信号跳变, 三种方法计算结果均存在瞬时奇异值。根据电压暂降的特点, 在工程实际中可加入限幅环节减少奇异值对检测结果的影响[18]。
改变采样频率fs进行仿真。图5给出了三种检测方法在不同采样率下的检测误差。分析可见求导算法精度随采样频率的增加而提高, 但二点检测法并不受采样频率影响, 结果具有更高精度, 可有效降低电压暂降检测装置对采样频率及运算速率的要求, 便于硬件实现, 具有实际工程意义。
需要注意的是, 电网信号可能存在谐波干扰, 进而导致电压暂降检测算法误差。本文算法适合应用于检测速度要求高, 谐波畸变少的场合, 也可和相关谐波检测算法结合, 应用于谐波含量较高的场合。
4 结论
本文基于相邻两个时刻的电压采样值构造方程, 提出了一种单相电压暂降特征量检测的二点算法并分析了有解条件。仿真结果表明, 二点检测法的快速性与求导检测法及αβ变换求导检测法相同, 但由于避免了导数运算误差, 故检测精度更高, 且不受采样频率影响, 降低了电压暂降检测装置对采样频率及运算速率的要求, 适合应用于检测速度要求高, 谐波畸变少的场合, 也可与谐波检测算法结合, 应用于谐波含量较高的场合。
电压暂降检测 篇2
目前, 国内外学者对电压暂降问题进行了大量研究。小波变换方法更适于研究平稳信号, 且需对小波基进行选择, 计算复杂［3］。傅里叶方法需固定时窗, 从而限制了其分析电能质量暂态扰动的能力［4］。神经网络方法虽可通过训练样本达到对扰动进行分类的效果, 但其样本需求量大, 训练复杂, 收敛速度较慢, 较难满足实际应用要求［5］。
数学形态学［6］是基于积分几何和随机集论所建立起来的一种非线性数学方法, 它在电能质量扰动定位方面的应用越来越多, 并取得了不少成果［7—9］。以该理论为基础的形态滤波器, 可以有效地提取信号的边缘轮廓以及信号的形状特征, 克服了线性滤波的不足之处, 是一种新型非线性滤波器。较之其他方法具有计算速度快, 实时性强, 易于硬件实现等优点。
本文首先构造自适应结构元素的组合形态滤波器, 对原信号进行滤波, 以滤除噪声信号, 再对滤波后信号进行腐蚀与膨胀, 以求取其形态边缘, 由于信号在奇异点位置的边缘会发生突变, 因此通过一定的算法可定位突变点发生位置。
1 基于数学形态学的信号消噪
1. 1 数学形态学基本原理
形态学的基本运算为膨胀和腐蚀, 由这两者为基础, 可引出其他几个常见的形态运算, 如开运算、闭运算等。在电力系统电能质量问题数据采集中一般只涉及一维信号, 因此, 我们讨论的为一维离散情况下的多值形态变换。基本数学形态运算的定义如下:
设一维离散输入信号f ( n) 和序列结构元素g ( m) 分别定义在Df= ( 0, 1, …, N – 1) 以及Dg= ( 0, 1, …, M – 1) 上, 且N > M。则f ( n) 关于结构元素g ( m) 的形态腐蚀 ( Θ) 和膨胀 ( ) 运算分别定义为
式中, (n+m) 、 (n+m) ∈Df;m∈Dg
基于式 ( 1) 和式 ( 2) , 形态开和闭运算相应的定义为
由式 ( 3) 和式 ( 4) 得到形态开-闭 ( OC) 和闭-开 ( CO) 运算:
形态开、闭运算对信号处理效果不同, 形态开运算主要为平滑并抑制信号中的正向脉冲 ( 峰值) , 形态闭运算可平滑信号中的负向脉冲 ( 低谷) 。不同组合的滤波器可对信号进行不同噪声的滤除。
1. 2 自适应尺度结构元素组合形态滤波器
形态开、闭运算级联组合构成的形态OC及CO滤波器具有开闭运算的所有性质, 因此可以同时滤除信号中的正、负脉冲噪声。但由于开运算的反扩张性和闭运算的扩张性使得形态OC滤波器输出偏小, CO滤波器输出偏大, 因此仅仅使用OC或CO不能获得很好的效果。而进一步取二者平均值可达到更好的滤波效果, 此类滤波器为组合形态滤波器, 该组合形态滤波器的输出信号y ( n) 为
滤波后输出不仅仅取决于运算的方式, 结构元素的选取是影响滤波器输出的主要因素［10］。常用的结构元素有余弦、半圆、三角、直线及其组合等, 由经验得, 余弦及半圆能有效地滤除高频噪声, 白噪声, 三角形结构元素对滤除脉冲噪声比较适合, 但这三者都会使波形的阶梯平滑成斜坡, 本文主要是对形态边缘进行检测, 也即对波形阶梯处进行检测, 因此, 通过对比, 本文不选择多尺度多结构元素形态滤波器, 而选择多尺度结构元素组合形态滤波器, 算法相对更简单, 也更适用于形态边缘检测。
为评价形态滤波的效果, 采用信噪比Rsnr对其进行衡量。相应计算公式为
式 ( 8) 中, 。f (n) 为无噪声的纯净信号;h (n) 为滤波后信号;N为采样点数。因此, 滤波时的直线型结构元素长度为信噪比最大时所对应的长度。
2 基于形态边缘的奇异性检测
2. 1 形态边缘检测原理
在图像边缘检测方法中, 图像边缘反映的是图像局部的不连续性, 实质上该方法是检测图像纹理特征发生变化的位置［11—13］。而由于电网中的电压暂降发生和结束位置均可看作是边缘, 因此可利用边缘检测的方法检测电压暂降的持续时间。
常用边缘检测算子有以下几种:
1) 膨胀型边缘检测算子, 即
2) 腐蚀型边缘检测算子, 即
3) 膨胀腐蚀型形态梯度算子, 即
4) Top-Hat变换, 即
由于在信号没有发生突变处, 其腐蚀、膨胀运算所得结果相差不大, 边缘检测算子输出值小; 而在信号发生突变处, 原信号与其腐蚀、膨胀后的结果存在很大的差异, 边缘检测算子输出值则大。
2. 2 背景梯度分析
一般来讲, 结构元素的尺寸大小和结构形状都会影响图像边缘检测效果。小尺寸的结构元素去噪声能力弱, 但能检测到好的边缘细节, 大尺寸的结构元素去噪声能力强, 但所检测的边缘较粗。信号的边缘检测算子输出与斜坡斜率以及结构元素的长度有关。一般的, 斜坡越陡, 结构元素越长, 该边缘检测算子就越大。而对于阶梯变化, 则在任意结构元素长度下, 边缘检测算子的输出均为阶梯变化的高度。在斜坡斜率大, 宽度窄时, 只要结构元素长度大于斜坡宽度, 边缘检测算子的输出为斜坡高度, 此时斜坡变化则类似阶梯变化, 即背景梯度［14］。要抑制此现象, 通常则需选取适当长度的结构元素。
若形态梯度的结构元素长度为L, 则相应的时间窗长为L - 1 个采样周期, 所检测到信号的边缘宽度为2 ( L - 1) 个采样周期。由于不能使Top-Hat变换将阶梯变化所产生的形态梯度削平, 则结构元素对应的时间窗长不得小于边缘宽度。因此, Top-Ha变换时的结构元素长度应选取大于或等于2 ( L - 1) + 1, 即为2L - 1。
2. 3 边缘检测算子与输出阈值的选取
对直线型结构元素的形态梯度进行Top-Hat变换, 可得
式 ( 13) 中, hgrad为消噪后信号h ( n) 的形态梯度。阶梯变换处比斜坡变化处边缘检测算子大得多, 由此可将扰动形成的波峰从由斜坡变化产生的背景梯度中分离出来。
定义边缘检测算子的输出阈值 σth为
式 (14) 中, max (fHAT) 即fHAT中的最大值点。
则形态边缘检测的定位结果fedge为
即当边缘检测算子输出的值大于选取的阈值时, 可认为是扰动发生的位置。
3 算例与仿真结果
本文在Matlab上对上述方法进行仿真。且分别在不同暂降幅值、谐波、噪声情况下对其进行适应性分析, 验证本文边缘检测方法的有效性。
3. 1 理想电压暂降仿真分析
设正弦信号频率为50 Hz, 幅值为1 pu, 在0. 035 ~ 0. 085 s发生电压暂降, 暂降幅值为50% 电压暂降持续时间检测结果如图1 所示。
从仿真结果中看出, 形态梯度fgrad由于背景梯度造成非扰动位置也出现极值, 没有定量的方法很难通过搜索局部极大值的方法来确定扰动发生的位置。而本文的边缘检测算法利用Top-Hat变换抑制背景梯度的能力和软阈值的定量评价方法, 准确定位扰动发生的位置。
3. 2 检测算法的适应性分析
3. 2. 1 不同暂降幅值对定位结果的影响
据统计分析, 通常电压暂降幅值发生在40% ~80%［15］。在此分别对幅值暂降在35% 、50% 、65%和80% 这四种情况进行分析, 仿真结果如图2 所示, 该定位误差如表1 所示。
由图2 可知, 无论电压暂降幅值为多大, 均可用本方法定位暂降起止时刻。由表1 可得, 定位结果最大误差不超过0. 2 ms, 符合动态电压恢复器定位实时性得要求。若提高采样率, 定位结果精度还可进一步提高。
3. 2. 2 谐波对定位结果的影响
由于非线性负荷的广泛使用导致电网谐波问题越来越严重, 电压暂降常伴有谐波污染［16］。对暂降幅值为50% 的电压信号在各次谐波下进行起止时刻的定位, 仿真结果如图3 所示, 定位误差如表2所示。
由仿真可知, 在各次谐波下均可有效定位出电压暂降起止时刻, 将表1 与表2 进行对比可知, 谐波并不会对本方法定位结果造成影响, 定位误差在误差的允许范围之内。
3. 2. 3 噪声对定位结果的影响
电网电压易受白噪声及脉冲噪声等的干扰, 本文对白噪声方差不同时进行扰动定位, 设噪声信号含有两个幅值为1 pu的脉冲噪声, 白噪声方差分别在0. 06, 0. 08, 0. 1 和0. 12, 仿真结果如图3 所示, 定位误差如表3 所示。
由仿真可知, 白噪声方差在一定范围内对该方法的检测结果不会产生影响, 由表3 可知, 白噪声方差在0. 12 以下即可有效地定位电压暂降的起止时刻。
4 结论
1) 分析了结构元素的选取对滤波效果的影响, 构造了自适应结构元素组合形态滤波器。
2) 分析了形态边缘检测的原理, 总结了结构元素选取的规律。
3) 对形态梯度进行Top-Hat变换, 进行阈值处理后得到扰动定位结果, 编写了相应算法。
4) 分析对比了暂降幅度、谐波含量和白噪声方差不同时, 该方法的有效性。
电压暂降检测 篇3
电压暂降的幅值、持续时间和相位跳变是标称电压暂降的最重要的3个特征量。现有的检测特征量的方法有很多,但仍存在一定问题。有效值法、峰值电压法、基波分量法、基于无功功率理论的dq0变换方法、小波分析及Dyn测度等方法不能计算相位跳变[1,2,3,4,5],无法直接应用在动态电压恢复器(DVR)的电压暂降补偿上;单相电压变换平均值法、傅里叶算法在检测时存在一个周期的延时,实时性较差;缺损电压法由于其方法固有特点,实际应用较困难[6];动态预测法中存在求导运算,而电力系统中的电压、电流并非理想正弦信号,求导结果很容易产生误差,影响检测结果[7];瞬时d-q变换方法及其改进算法应用较广泛,但由于其普遍含有锁相环(PLL)和低通滤波器,降低了系统的响应速度,影响了检测的实时性[8,9,10]。
本文提出一种基于p-q-r理论的方法,用单相电源构造三相系统,并通过坐标变换将电源的基波分量转换成直流分量进行计算,能够快速得到暂降幅值及相位跳变。计算过程中参考电压实时获得,省去了PLL环节。由于p-q-r理论算法简单,实现方便,在统一电能质量调节器中已有一定的应用[11],也有文献提出将其应用在电压暂降的检测中[12],但由于其不存在滤波的功能,无法准确提取电压中的基波含量,需将其与优良的滤波器结合,达到良好的检测效果。传统方法中采用的低通滤波器,滤波效果较好,但是存在一定程度的时间延迟。文献[13]将数学形态滤波器和低通滤波器进行了对比,证明数学形态滤波器在精度和实时性上都有一定的优势。本文首次将p-q-r理论和数学形态滤波器相结合,能够将传统电压暂降检测方法中的PLL和低通滤波器引起的误差和延时降低,大幅提高电压暂降的检测速度,从而提高DVR的补偿效果。
1 理论分析
1.1 p-q-r理论[14]
与d-q变换方法相同,利用三相电压波形相同、相位相差120°的特点,在单相系统中构造虚拟三相电压。
假设系统中a相电压为ua=u1+uh,其中u1为基波电压,uh为电压的畸变成分。以a相电压为参考,延时60°得到-uc,根据ub=-ua-uc求得ub。
a-b-c坐标系上的电压可以通过式(1)转换到α-β-0坐标系上。
通过α-β-0坐标系上的参考电压uαREF和uβREF,可将α-β-0坐标系上的电压变换到p-q-r坐标系上,即
其中,。
p-q-r变换的物理意义如图1所示[15]。参考电压相量UREF绕α轴在α-β平面上旋转角度θ(t)=arctan(uβREF(t))/uαREF(t))。p轴与参考电压相量UREF在一条直线上,q轴在α-β平面上与p轴垂直。r轴与α-β-0坐标系中的0轴相同。因此,p轴和q轴相应地在α-β平面绕α轴和β轴旋转θ(t)。
感应出的电压Usen在任何时刻都可通过p-q-r变换分解成p轴分量Up、q轴分量Uq和r轴分量Ur。Up和参考电压向量UREF相角相同,Uq超前参考电压UREF90°。Ur垂直于α-β平面,与Usen的零序分量有关。一般情况下,如果电网中没有直流电压,则Up和Uq含有直流分量和交流分量,Ur只含有交流分量。Up和Uq的直流分量由三相电压的正序分量获得,交流分量由三相电压的非理想状态获得,如负序分量或谐波分量等。Ur是由三相电压的零序分量得到的。
如果三相电压和三相参考电压同相,那么电压Usen和参考电压相量UREF方向相同。这种情况下,当Up只包含与|Usen|恒相等的直流分量时,Uq和Ur不存在。如果三相电压滞后三相参考电压角度θ,则电压Usen也滞后UREF角度θ。此时,Up和Uq只包含直流分量,瞬时值分别为up=|Usen|cosφ,uq=|Usen|sinφ,Ur不存在。当三相电压含有负序分量时,Usen按照椭圆形轨道旋转。此时,Up和Uq不仅包含直流分量,同时还有2倍角频率的交流分量,由于没有零序分量,Ur=0。当三相电压中存在谐波,同时Usen的幅值和角速度ω随时间变化时,Up和Uq包含大于2倍角频率的交流分量,由于没有零序分量,Ur仍等于0。当三相电压中含有零序分量时,Ur为交流变量。
2.2 参考电压获得
根据上述理论可知,参考电压与系统电压同相时,暂降幅值和相位跳变分别为,同时,利用实时获得的参考电压可以代替传统方法中的PLL环节,避免由其产生的误差和时间延迟。如何得到正确的参考电压十分重要。由于电压暂降时,系统电压会发生畸变,本文采用如图2所示方法得到稳定正弦正交的参考电压[11]。
三相对称电压经abc-αβ变换后得到正交电压uα和uβ。当电压发生暂降时,uα和uβ不再正交,经过图2所示的变换后,得到正交的参考电压。由于计算的u′α和u′β不一定为正弦量,故需要通过带通滤波器得到相应的基波分量,即uαREF和uβREF。
2.3 数学形态滤波[16]
数学形态滤波是建立在数学形态学基础上,利用结构元素在信号中不断移动,考察信号各部分之间的相互关系,提取有用特征的方法。其基本运算包括膨胀、腐蚀以及由此引出的开、闭运算等。形态运算主要是布尔运算和少量的加减运算,与一般低通滤波器相比,计算简单且延时短。电力采样信号一般为一维,以下给出一维信号的数学形态变换。
设待处理信号f(n)是采样得到的一维多值信号,其定义域为D[f]={0,1,2,…,N};g(x)为一维结构元素序列,其定义域为D[g]={0,1,2,…,P};其中P和N为整数。则腐蚀与膨胀运算分别定义为
其中,Θ为腐蚀运算;⊕为膨胀运算。
数学形态学开运算、闭运算的定义分别为
其中,◦为开运算,·为闭运算。
形态运算有以下3个重要性质。
a.对于开运算和闭运算,有
由式(7)(8)可以得到,形态开运算和形态闭运算作为复合的形态运算,不仅是递增的、位移不变的,还具有等幂性。换言之,信号经过一次形态滤波后不再为相同结构元素的形态运算所改变,从而避免对信号作多次相同结构元素的开或者闭运算。
b.扩展性和反扩展性。对开运算和闭运算,恒存在:
c.设结构元素包括原点(0,0),则有
式(10)表明,通过设计合适的结构元素g,使其对信号f进行腐蚀后能消除噪声点,而对腐蚀结果进行膨胀,则能恢复有用信息,达到去噪的目的。
数学形态学中开运算可用于过滤信号上方的峰值噪声,闭运算可用于平滑或抑制信号下方的波谷噪声。开闭运算都有低通滤波器的特性,滤波效果和变换效果、结构元素的尺寸和形状都有关系。由于开闭运算有其固有的缺点,故对其有如下改进:交替滤波器、混合滤波器和交替混合滤波器。
交替滤波器:
混合滤波器:
交替混合滤波器:
当结构元素的长度相同时,交替滤波器和混合滤波器计算速度相近,交替混合滤波速度较慢。结构元素长度增加将使这种差异更为明显。通常交替滤波器的输出会有固定的偏移,这是因为开(闭)运算的输出信号总是位于原信号的下(上)方。为了解决这种现象,通常采用混合滤波器对信号进行滤波。
2.4 暂降检测中结构元素参数的确定
根据p-q-r理论,电压基波正序分量在经过变换后由p轴和q轴上的直流分量表示。通过选取合适的结构元素及相应长度,经过滤波运算,能够提取输出中的直流部分,从而得到暂降幅值和相位跳变。
在结构元素的选择上,要使其尽可能小,同时结构要尽可能接近待分析信号的图形特点[17]。根据待分析信号的特点,由于要保留的是直流成分,故采用直线型结构元素。
由形态运算特性可得,要想消去波峰和填充波谷,只需结构元素的大小超过波峰和波谷的宽度即可。考虑系统电压的一般情况,电压存在3、5、7、11次谐波,三相电压经过p-q-r变换后,除直流分量以外主要含2、4、6、10次谐波。其中2次谐波的周期最长,为0.01 s,半波周期为0.005 s[13]。因此,结构元素的宽度必须大于64个采样点(采样频率为12.8 k Hz)。如果结构元素长度越长,则滤波器的低通能力越强,滤波效果越好,但是动态响应时间和计算量也随着增大,综合考虑滤波效果和动态响应时间,结构元素的长度取为65。对于直线形结构元素,不同的结构元素值对滤波后信号会产生一个直流偏移量,为了减少形态运算的计算量并减少偏移量,结构元素的值选择为0,即g(n)={0,0,…,0},n=1,2,…,65。
2.5 算法流程图
综上所述,采用p-q-r变换结合数学形态滤波器对电压暂降进行检测的方法流程图如图3所示。
3 仿真分析
对于DVR而言,通常要同时检测暂降幅值及其相位跳变,故下文仅对能够实现幅值及相位同时检测的方法进行仿真分析。由于实际系统中,电压并不是理想的正弦波形,同时三相之间并不能完全满足对称要求,并且电压波形中不免会产生纹波、振荡等电能质量扰动现象,因此含有求导等运算的动态预测法、改进单相d-q变换方法等算法,不适合于在实际电力系统中应用,本文只针对瞬时电压d-q变换(A)及其改进的2种算法,即单相d-q变换(B)和改进的αβ-dq坐标变换[5](C),及本文提出的基于p-q-r变换与数学形态滤波结合的电压暂降检测算法,在PSCAD中进行了仿真比较分析。由于相位跳变的检测结果与电压暂降幅值的检测结果趋势相同,故文中仅从电压暂降的幅值检测角度对4种方法进行了比较。
3.1 无谐波情况下的检测方法比较
搭建仿真模型,设定在0.087~0.163 s发生幅值50%、相位跳变30°的电压暂降事件,初始波形如图4所示。
4种方法的检测波形如图5所示,其中d-q变换及其改进算法中,滤波器采用巴特沃兹二阶低通滤波器,截止频率为60 Hz[6]。
由图5可知,在暂降开始时刻,基于瞬时电压d-q变换及其改进的2种算法检测到暂降(认为均方根值下降到额定电压的90%即为发生了电压暂降)的最短时间为3 ms,得到暂降幅值的延迟时间最短为6 ms,延迟时间会随着暂降幅值的不同而变化,而基于p-q-r变换算法检测到暂降的时间和得到幅值的时间均为3 ms,不会由于暂降幅值变化而变大。在暂降结束时刻,前3种算法的检测到恢复的最短时间为5 ms,基于p-q-r变换算法为2 ms,很容易看出基于p-q-r变换算法的检测速度要快很多,这是由于基于p-q-r变换算法省略了PLL,同时,检测中没有加入低通滤波器,这样在很大程度上减少了检测中的延时。但基于p-q-r变换的检测算法在暂降的开始和结束时会产生一定的波动。
3.2 有谐波情况下的检测方法比较
搭建仿真模型,基本参数与无谐波时相同。在电压暂降开始时注入谐波成分(3次谐波含量为5%,5次谐波含量为2%),4种方法检测波形如图6所示。
由图6可知,基于改进的αβ-dq坐标变换检测方法,由于固有算法缺陷,当系统电压中存在谐波时,无法准确提取电压的基波分量,检测精度大幅降低。其他2种基于d-q变换的检测方法能够检测到电压暂降的幅值和相位,但信号中存在一定的2次谐波分量,同时检测暂降发生有约4 ms的时间延迟,与无谐波时情况相同,该延时会根据暂降幅度的不同而变化。提高滤波器的截止频率能够减少时间延迟,但同时会减低检测精度。
由图6(b)可以看出,改进的基于p-q-r理论结合数学形态滤波器的电压暂降检测方法能够准确地提取基波分量,延时约为3 ms,在滤波效果和实时性上能够满足DVR补偿的需要。
4 结论
适用于DVR的电压暂降检测方法需要有良好的快速性和可靠性,能够在暂降发生时刻准确并迅速地检测到暂降的发生及幅值与相位跳变大小。现有的电压暂降检测算法由于PLL和低通滤波器的存在,一定程度上影响了检测的实时性,本文中提出的基于p-q-r理论和数学形态滤波器的检测方法,能够消除PLL的影响,并减小低通滤波器产生的检测延时,适合于工程应用。
摘要：针对适用于动态电压恢复器的电压暂降检测进行了分析研究,提出一种基于p-q-r变换和数学形态滤波的快速检测方法。利用单相电压构造三相系统,通过坐标变换将电压的基波分量转换成直流分量,通过数学形态滤波器对非直流量进行滤波,得到相应的暂降幅值和相位跳变。由于改进的方法中用参考电压代替了PLL环节,从而减少锁相过程中的延时以及误差;同时利用数学形态滤波器代替传统的低通滤波器,基于该方法的滤波主要是布尔运算和少量的加减运算,与一般低通滤波器相比,计算简单且延时短。仿真结果证明了该方法的快速性和有效性。
电压暂降对电能质量的影响 篇4
关键词：电压暂降,电能质量,监测,治理
20世纪80年代以来, 随着新型电力负荷的迅速发展及其对电能质量要求的不断提高, 电能质量已成为供电部门和用户共同关心的问题, 其中电压暂降 (voltage sag) 已成为电能质量中最为突出的问题。电压暂降也称作电压下跌、跌落骤降或电压凹陷等。IEEE标准将供电电压有效值快速下降到额定值的90%~10%, 持续时间为0.5~30个工频周期的情况称为电压暂降;国际电工委员会 (IEC) 将供电电压有效值快速下降到额定值的90%~1%定义为电压暂降。
电压暂降还伴随有电压相位的突然改变, 其原因是由于电力系统和线路的电抗与电阻的比值不同, 或不平衡供电电压凹陷向低压系统传递引起的。相位跳变对那些工作与相位角有关的设备有比较大的影响。
1 电压暂降的产生原因
电压暂降的产生原因涉及电力系统、用户两个方面。电力系统方面的原因包括各种短路故障、雷击导致持续停电或瞬时停电, 并在相邻馈线上产生电压暂降;用户方面的原因包括变压器及电容器组的投切、大容量感应电动机启动和电弧炉、轧钢机等冲击性负荷的投运等。
电压暂降会使电力用户遭受不同程度的影响, 如可编程控制器、调速电机、计算机、精密加工机械等对电压暂降敏感设备一旦在作业中突然中断工作, 会导致整条流水线甚至全厂作业停产, 造成巨大的经济损失。
1.1 雷击
雷击线路引起绝缘子闪络或线路对地放电是造成系统电压暂降或供电中断的主要原因之一。由于架空输电线路很大一部分暴露在大自然中, 在雷雨季节极易受到雷击干扰。据统计, 因雷击引起的电压暂降次数约占雷击总次数的60%, 并且持续时间一般超过5个工频周期, 所以在几千平方公里供电区域内, 任意一处的雷击都将会影响该区域内任一对电压暂降敏感负荷的正常和安全运行。
1.2 短路故障
发生短路故障时, 电压就会跌落;当短路故障清除后, 电压就又恢复到正常水平。尽管这些故障的发生地点可能离负荷点很远, 但也能使负荷点电压降到很低的水平。调查表明, 除了有一部分电压暂降是由附近大容量电机启动等原因造成的之外, 短路故障引起的电压暂降占大部分。
1.3 电压暂降对敏感负荷的危害
1998年6月至2005年3月, 某企业因110 kV线路出现电压暂降而造成的危害统计如表1所示。
2 电压暂降的特征描述
2.1 电压下降幅值
电压下降幅值可以采用多种方法测得。大多数现有的电能质量监测设备可从有效值获取电压暂降的幅值, 有的则可采用更为精确的电压基波分量的幅值和每周波或半周波的最大电压等方法获取。
1) 有效值法。根据输入的采样电压, 持续计算而得到电压有效值, 再计算电压幅值和电压暂降幅值。现在大多数电能质量监测设备可用此法获取电压暂降幅值。
2) 基波分量法。在电压幅值跌落的同时, 常常伴随着相位的跳变, 利用电压幅值与时间的关系式
3) 峰值电压法。作为时间函数的峰值电压可用Upeak=max|v (t-τ) |0<τ<T来描述。
2.2 电压暂降的相位跳变
电压暂降不仅是幅值的跌落, 通常伴随着相位的跳变, 表现为瞬时电压过零点的偏移。大部分的设备对此并不十分敏感, 但对于使用相位信息决定触发时刻的电力电子变流器来说, 相位跳变对其正常运行会造成极大的影响。相位跳变的原因通常可解释为三相不平衡故障引起的。
计算相位跳变的常用方法, 是通过快速傅立叶变换求得的电压基波分量法。
2.3 三相系统的电压暂降
相对于单相电力系统的电压暂降来说, 三相系统的电压暂降更为复杂。如何准确、迅速地检测三相系统的电压暂降, 并对其进行分类是目前电能质量领域里的一个研究课题。准确、快速地检测算法对电压暂降的测量、在线监测以及电能质量控制装置的动态性能来说都是重要的。而一个好的分类方法和算法能够给出电压暂降的更加准确、更加详细信息, 有助于对电能质量进行正确的评估, 同时也能比较准确地反映出引起电压暂降的故障性质。常见的检测算法有三相平方法、90°相移法、绝对半波求和法等。
3 电压暂降的监测
由于电压暂降的发生是随机的, 在采用实地监测时, 监测周期的长短会直接影响分析结果的准确度。据国外资料报道:对于每天都会因电压暂降跳闸1次的敏感设备, 要获得50%的准确度, 需观察2周;要获得10%的准确度, 需观察1年;而对于每年经历1次跳闸事故的设备, 要获得50%的准确度, 需观察16年;要获得10%的准确度, 需观察400年[1]。因此, 实地监测的结果对于因电压暂降而跳闸频繁的负荷有参考价值, 对一般负荷, 监测结果因时间不够长而意义不大。
通常, 监测电能质量有两种方法:一种是在同一时刻, 在许多监测点进行长期监测, 为评估“平均电能质量”, 即电能质量普查;另一种是在一个地点监测, 为评价特定站点的电能质量。实际检测到敏感负荷几种情况的电压暂降波形如图1所示。
d) 台风时的电压暂降录波
获取电能质量信息的一般方法是在线记录扰动事件, 而获取电压暂降等短时电压扰动信息, 需要采用自动记录方法。目前的保护继电器、故障录波器等都具有这种功能, 但若要具有针对性、精确性以及数据通用性, 专门的电能质量监测仪应当是更为合适的工具。
4 电压暂降的治理措施
4.1 电压暂降的治理对策
1) 减少公用电网的故障。
供电部门可以针对事故的起因, 如小动物接触带电体、污闪、架空线碰触树木及遭雷击等, 采取相应的技术措施, 减少或杜绝这类事故的发生。
2) 降低电子设备对电压暂降的敏感度或影响。
用户在电子设备订货合同上应向制造商明确提出技术要求, 使所购设备具备一定的抗电压暂降能力。也可以通过分析, 调整电子装置内部某些环节参数来解决。如果电压暂降是由于用户大电动机启动引起的, 则应采取改进启动方式 (如将全压启动改为降压启动, 将硬启动改为软启动) 或增加公共连接点 (PCC) 的短路容量来解决。
3) 加装补偿装置。
一般可以采用比不间断电源系统 (UPS) 价格更便宜的稳压变压器、电磁合成器等设备来减少电压暂降造成的停产事故。由于用户在承受多次电压暂降的同时, 还要承受为数相对较少的断电事故, 所以若要彻底解决这类停电事故, 有时还得用较昂贵的UPS、固态切换开关SSTS或动态电压恢复器DVR等补偿装置。
4.2 采用固态切换开关SSTS装置实现电源切换
SSTS装置适用于对电源电压波动非常敏感的用户, 当供电电源波动过大时, 在1/4周波内即可实现电源切换。日本三菱公司SSTS装置的技术规格如表2所示, 可供采用时参考。
4.3 采用DVR对电压暂降进行补偿
DVR主要用于对供电可靠性和质量要求很高的电力用户。当电源电压发生突变 (无论是升高、降低或波形畸变) 时, 可在几个毫秒内将畸变波形补偿至正常。
据美国输配电杂志报道, 由ABB公司制造的2台容量各为22.5 MVA的DVR装置于已2000年在以色列一家微处理器制造厂投入运行, 其响应时间小于1 ms, 可以补偿该厂500 ms三相电压暂降的35%和单相电压暂降的50%, 避免该厂因电压暂降全厂停电而可能造成以百万美元计的损失[2]。
典型的串联型DVR如图2所示, 一边接无穷大系统, 一边接负荷。当发生电压暂降时, DVR通过串联变压器, 在电路中叠加UDVR, 以保持负荷电压UL幅值不变。
由图2分析可知, 通过纯无功方式补偿电压暂降并不完全能够实现, 因此, 补偿方案应将储能设备的容量与逆变器等主回路设备的容量结合起来。采用超级电容器作为储能单元, 可以获得在技术和经济上都比较合理的方案。
4.4 采用D-STATCOM对电压暂降进行补偿
D-STATCOM实际上是一种并联型动态电压调节器, 典型的D-STATCOM补偿电路示意图如图3所示。由图3可以看到, D-STATCOM并联在无穷大系统和负荷之间。当发生电压暂降时, D-STATCOM通过并联变压器在电路中注入ID, 在系统阻抗上产生压降, 以保持负荷电压UL幅值不变。
5 结语
电压暂降与谐波不同, 谐波一般是由用户的非线性负荷引起的, 应以用户治理为主;电压暂降主要是由电网故障引起的, 应以供电公司治理为主。电压暂降的抑制不仅需要补偿无功功率, 还需要补偿有功功率。因此, 治理电压暂降要比治理电压偏差、波动和闪变困难。
参考文献
[1]Bollen M HJ, Qader MR, Allan R N.Stochastical and statistical assessment of voltage dips[C].IEEColloquium on Tools and Techniques for Dealing with Uncertainty, London, UK, 1998.
电池电压暂降保持电路的设计 篇5
针对电压暂降的问题，电能质量治理领域中的研究者们提出了众多解决方案。例如，Westinghouse公司研制了世界上第一台动态电压恢复补偿系统并安装在美国Duke电力公司的电网系统中，用以保证某自动纺织厂的供电质量[1]。在此，笔者在比较4种电压暂降解决方案后，设计了一种简单且经济有效的电池电压暂降保持电路，为系统的高可靠性和高稳定性运行提供一种有参考价值的方法。
1 电压暂降的概念(1)
电压暂降是指在极短的时间内电压突然下降(与稳定工作电压偏差较大)，然后在相对比较短的时间内又重新恢复正常的现象。电压暂降深度为系统的电压额定值与电压暂降过程中的最小值之差。IEEE推荐标准(IEEE Std.1159～1992)中对电压暂降的定义为:工频电压有效值的下降，其持续时间为10ms～1min。另外，也有文献将相移作为描述电压暂降的特征量之一[2]。
典型的电压暂降是由重型负荷的启动引起的，当大功率负荷瞬间启动时会引起一个瞬间的冲击电流，该电流比系统稳态下的电流大得多，造成电池电压在某一时刻突然偏离正常工作范围，然后经过很短的一段时间后又恢复正常。在这段极短的时间里，很可能会影响电器和电子设备的性能。因此电压暂降的危害和影响十分突出，并且将成为电工界最为重要的电能质量问题。
2 电压暂降的案例分析
在日常生活中经常会出现电压暂降现象，笔者以汽车电子控制系统中的电压暂降现象为例进行分析。车辆启动瞬间，蓄电池需要很大的电流供应发动机让它转动，并且会在数百毫秒内产生低压脉冲。但是对于使用时间较长的蓄电池来说，由于蓄电池和导线上的内阻较大，这种低压脉冲很可能会造成车用辅助电源重启，使汽车电子控制系统陷入混乱。图1为蓄电池电压时间曲线，可以看出，24V的蓄电池在车辆启动瞬间电池电压会暂降到8V左右，且维持时间长达100ms。最后，由于控制系统不断重启导致车辆无法正常启动，影响日常出行[3]。该现象的主要原因是在蓄电池电压暂降时没有足够的电能接续，因此可以从电源电路设计方面加以解决。
在信息业工作中，据统计，80%的服务器瘫痪和45%的用户端数据丢失与出错，均与电压暂降有关[4]。
在高新科技、大型敏感工业用户中，如半导体、芯片制造业中，电压暂降也会产生巨大影响，造成经济损失[5]。
电压暂降对常用电子设备的影响也很大。研究表明，当设备的供电电压突然降至额定电压的50%以下，并且维持20ms以上时，接触器就会脱扣，甚至停止工作[6]。
3 电源保持电路的设计
3.1 几种方案对比
方案1———UPS不间断电源模块[7]。UPS模块在工作前先将能量存储下来，当工作中蓄电池的电压跌落至某一门限值且被检测到时，UPS模块自动将内部存储的能量释放给后级辅助电源，并且能够在一定时间内保持稳定，给系统一个持续电能补充，使之稳定工作。UPS模块的实用性较强，但造价相对较高，对蓄电池的要求也相对较高，而且还涉及到电池定期维护和更换的问题，属于高能耗产品。
方案2———动态电压调节装置[8]。动态电压调节装置的原理是通过逆变器将暂降后的电压提升到系统稳定时的电压。对于电压暂降到30%～40%的情况，该装置都能起到很好的补偿作用，并且能够保证在2ms内进行动态响应和补偿。动态电压调节装置具有不需要蓄电池、免维护等优点，适用范围广，但价格昂贵，不适合直流低压产品。
方案3———辅助电源切换[9]。图2为辅助电源切换电路。如果电压监测电路监测到24V蓄电池A瞬间下降，则光耦立刻工作并采用24V蓄电池B进行电压补偿，使系统稳定运行。该电路控制简单、价格低廉，但效率不高，很容易受到外界干扰，且对象单一。
方案4———电容储能供电。在负载电路的电源部分添加电容储能供电电路，利用大电容的充放电原理，负载能够在短时间内不受蓄电池电压暂降的影响，继续正常工作。该电路简单、价格经济且方案可靠有效。
针对电池电压暂降的问题，采取适当的方法保证产品的核心系统正常工作是极其重要的。对比4种可行的方案后，就可靠性、器件价格及占用空间等多方面的考虑，以方案4最为经济有效。
3.2 电路设计
根据方案4，笔者设计了一个可靠有效的电池电压暂降保持电路，具体如图3所示。
当系统正常稳定工作时，控制器由24V蓄电池进行供电，比较器U1A同向端经24V输入电压又经电阻R1和R2分压后，被钳位二极管钳位到5V,U1A的反向端电压为2.5V，比较器U1A输出为高电平，此时DCDC电源芯片正常工作，并将5V电源电压升压，通过稳压和限流电路将大电容充电到一个合适的电压值V2。另外，比较器U1B经过同向端和反向端的OC门输出高电平，MOS管不导通。
在大功率负载启动的瞬间，由于蓄电池供应负载需要很大电流，所以蓄电池电源24V会出现暂降情况。当电池电压掉落到触发电压(约7V)时(如果触发电压太低，则掉电中断还未触发，MCU已经无法正常工作，所以选择触发电压时，要考虑系统掉电的最低电压;同时还要考虑整个电路的干扰信号，应尽可能多地滤除外部干扰信号，防止误触发掉电中断)，比较器U1A(OC门输出)的同向端电压小于反向端，则比较器U1A输出低电平，即DCDC电源芯片停止工作;同理，比较器U1B的输出也变低，MOS管导通，电容进行放电，为控制器供电，使负载能够在短时间内不受蓄电池电压暂降的影响，继续正常工作。
4 实测结果
图4所示为实际测量的掉电保持时间波形图，CH2表示蓄电池电压，CH1表示CPU的供电电压。可以看出，电源电压24V掉电到7V左右后又掉到5V，此时CPU持续工作，维持时间约185ms。
实测结果表明，笔者设计的电池电压暂降保持电路有效地防止了电压暂降问题。
5 结束语
电压暂降是影响电能质量的重要因素，笔者针对此问题设计了一个电池电压暂降保持电路。该电路应用低成本的运放芯片、DCDC电源芯片、电解电容和尽可能少的辅助元件，实现了电池电压瞬间跌落的动态、快速补偿。该电路结构简单、占用空间小，触发电压可以精确选择控制，能够适用于绝大多数产品。目前，笔者设计的电池电压暂降保持电路已成功应用于杭州盟控有限公司的柴油发电机组控制器产品中，效果理想，表明该保持电路具有良好的可行性与实用性。
参考文献
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电压暂降检测 篇6
某重要电力用户A是一家致力于半导体铸造的制造商, 装备了中国最先进的半导体生产线, 提供从0.13μm到55nm晶圆制程工艺设计和制造服务。晶圆是硅半导体集成电路制作所用的硅晶片, 通过在硅晶片上加工制作成各种电路元件结构, 而成为具有特定电性功能的IC产品。2011年3月10日, 发生15台化学机械研磨设备停机事故, 并导致83片芯片报废。
事故原因
调用当日用户A电能质量在线监测装置日志, 记录了一起电压暂降事件 (三相电压暂降到额定电压的26%, 持续时间为61ms) 。现场运行人员指出事故期间有多个接触器脱扣。初步判断事故原因是化学机械研磨设备电气控制回路中交流接触器因电压过低造成电磁线圈无法吸磁, 导致设备停机。利用便携式工业用电压暂降发生装置, 对同型号的机械研磨设备进行电压暂降扰动测试。设置电压暂降发生器输出扰动为电压暂降至额定电压的26%, 持续时间为61ms, 研磨设备停机, 事故重现, 从而可判定此次事故是由机械研磨设备电气控制系统中的交流接触器失压引起的。
事故影响
用户A为全天24小时连续生产, 机台设备停机后, 重启需要数个小时, 给企业造成严重的生产损失。重启前需要进行生产环境的清理, 恢复特定的生产温度、湿度及清洁度。所有环境指标测试合格后, 才可重启机台, 期间耗费的水、电、人力等重启成本数目可观。另外, 研磨工序导致的芯片报废也带来较大的经济损失。
解决方案
交流接触器电压暂降耐受能力分析
分析交流接触器电压暂降耐受能力, 对于合理制定解决方案具有重要指导意义。交流接触器主要由电磁系统和触点系统构成。电磁系统由电磁线圈和铁芯组成, 控制触点的闭合与断开。其工作原理是当电磁线圈接通工作电压时, 电磁力克服弹簧反作用力将衔铁吸向铁芯, 使主触点闭合, 常开辅助触点闭合, 常闭辅助触点断开。当接触器电磁线圈不通电或工作电压偏低时, 弹簧的反作用力大于线圈电磁力, 使主触点断开, 常开辅助触点断开, 常闭辅助触点闭合。对用户A交流接触器样品 (施耐德LC1 D50) 进行电压暂降耐受能力试验研究, 测试系统框图如图1所示。
图1中电压暂降发生装置可产生初始相位角、深度及持续时间可控的电压暂降事件, 用以测试交流接触器在不同电压暂降情况下的耐受能力。利用测试系统进行多次试验研究, 部分测试数据如下:交流接触器电磁线圈供电电压暂降初始相位角和持续时间均相同, 分别为100° (电压暂降最敏感相角) 和200ms;电压暂降深度不同, 从线圈额定电压的0%变化至90%;若200ms内不脱扣, 暂降持续时间增至10000ms。试验数据如表1所示。数据显示, 在电压暂降至43%及以上时, 交流接触器可以长时间保持吸合而不脱扣。由以上数据可绘制交流接触器电压暂降耐受能力特性曲线, 如图2所示。这条曲线将平面分为两个区域, 左侧为交流接触器正常工作区, 右侧为交流接触器非工作区。当电压暂降事件落于工作区时, 交流接触器可正常工作;暂降事件落于非工作区时, 交流接触器会脱扣。
用户A要求同时治理电压暂降和短时中断问题, 由表1可知交流接触器最小电压耐受能力为8.59ms, 因而选择治理设备时, 设备的动作时间应小于该时间值。在此参考时间值下, 可供选择的治理设备有固态切换开关 (Solid State Transfer Switch, SSTS) 和动态电压恢复器 (Dynamic Voltage Restorer, DVR) 等。
SSTS解决方案
SSTS主要由并联快速开关PS1和PS2、反并联晶闸管开关TS1和TS2以及电力开关Q0、Q1、Q2等组成, 其基本结构如图3所示。
正常运行期间, 由主电源给负载供电, 并联高速机械开关PS1闭合, 晶闸管开关TS1被旁路, 电力开关Q0闭合。当主电源发生电压暂降, 并且暂降幅值超过敏感负载正常运行所能承受的限值时, SSTS控制系统发出切换指令, PS1关断, 同时触发TS1导通, 电流立即转移到晶闸管上, 在PS1打开时, 几乎不会有电弧, 即使有也会因为晶闸管的导通而迅速熄灭。然后撤销TS1的触发信号, 晶闸管将在此后电流第一次过零时关断。随后触发另一侧的晶闸管开关TS2导通, 备用电源开始给负载供电。此时, 实际上己经完成了切换。待经过一段时间稳定后, 控制系统再发出闭合PS2的命令, 此时晶闸管TS2还在导通, 两端压降接近于零, 闭合PS2不会产生电弧, 然后撤销TS2的触发信号完成整个切换过程。当SSTS需要维护时, 通过电力开关Q1或者Q2来给负载不间断供电[1,2,3,4]。
SSTS两路电源典型切换时间为5ms, 不同品牌SSTS切换时间不尽相同, 为了保证满足用户A的需求, 需要进行SSTS性能测试, 测试系统框图如图4所示。
利用测试系统对某品牌的SSTS进行多次试验研究, 部分测试数据如下:电压暂降发生装置使主用电源电压暂降至额定值70%, 持续时间20ms, SSTS检测到电源异常, 将负载从主用电源切换至备用电源, 波形如图5所示;图5中, 蓝色曲线代表备用电源C相电压, 红色曲线代表主用电源C相电压, 绿色曲线代表SSTS输出端C相电压, 电压探头衰减500:1, 由图5可知SSTS切换时间为6.5ms, 可确保机械研磨设备电气控制系统安全连续运行。
DVR解决方案
DVR是定制电力技术中常用的串联型电能质量调节装置, 它相当于一个串联在电网和负荷之间可控的电压源, 如图6所示。当电网侧电压出现一定的暂降时, DVR产生可控幅值和相角的电压分量, 向电网加入需要的补偿电压, 由此来维持用户负载电压处于正常水平, 从而保证负载不受电网电压波动的影响。典型DVR拓扑结构主要由直流储能单元、逆变单元、滤波单元和耦合单元组成[5,6,7]。为了保证满足用户A的需求, 需要进行DVR性能测试, 测试系统框图如图7所示, 其中监测点有两个, 分别为监测点A和监测点B, 位于DVR装置的输入端和输出端。
利用测试系统对某品牌的DVR进行多次试验研究, 部分测试数据如下:电压暂降发生装置使供电电源电压暂降至额定值30%, 持续时间6000ms, 测试DVR从检测到电源异常到开始动作补偿的响应时间以及最大的补偿时长。测试波形如图8、图9所示。图中, 蓝色曲线代表监测点B的C相电压, 红色曲线代表监测点A的C相电压, 电压探头衰减都为500:1, 由图可知DVR补偿响应时间以及最大的补偿时长分别为1.6ms、5.05s。测试结果表明DVR可以满足用户A机械研磨设备电气控制系统安全连续运行。
结束语
电压暂降问题已引起电力公司和重要电力用户的高度关注, 特别是一些高科技园区、大型医院、商场和银行等, 由此引起的用电投诉数量近年呈上升趋势。电力公司从提升用户服务意识和服务质量、改善企业社会形象角度出发, 有必要掌握电压暂降对重要电力用户的影响以及典型的电压暂降综合治理技术, 为重要电力用户定制供用电提供技术支持与无缝的咨询服务, 指导用户对高质量用电进行投资, 促进节能与增效。
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电压暂降检测 篇7
随着社会的进步, 电力系统中的非线性、冲击性负载逐渐增多, 对电能质量形成了很大的威胁, 而电压暂降是造成这些影响的主要原因[1,2]。
电压暂降是指供电电压有效值在短时间内突然下降, 持续时间为0.5个电压周期, 甚至能达到1分钟[3]。电压暂降故障会导致敏感用电设备损坏或误动作, 从而造成严重经济损失[4,5]。因此, 找到一种准确快速检测电压暂降的方法迫在眉睫。
本文应用欧氏距离平方 (EDS) 算法对某电厂发生电压暂降时的电压数据进行分析, 从而判别出发生了电压暂降故障。结果表明, 该方法准确有效。
1 欧氏距离平方算法
欧氏距离平方算法在很多科学领域都得到了广泛的应用, 在本文中作如下介绍:
(1) 平均系数X:根据公式 (1) , 计算某正常周期电压的平均值。
式 (1) 中, X为电压平均系数, xi该周期的第i个采样点电压值。
(2) 差值平方Yi:根据公式 (2) , 计算采集的电压值与平均电压系数的差值, 并进行平方。
式 (2) 中, yi为采集电压周期中各个采样点的值, Yi为采样点与平均悉数差值。
(3) 欧氏距离平方d:根据公式 (3) , 计算每采集周期各采样点电压值与的差值的平方和, 即欧氏距离平方d。
令某正常运行状态下某周期信号的一个波形序列M作为判断基准, 再用某不知是否正常的波形序列N与X作差并求平方和, 由式 (2) 、 (3) 可得欧氏距离平方d。根据d值的范围可以判断是否发生了电压暂降故障。该过程的流程图如图一所示。
2电压暂降的波形
在电力系统中, 由于电压暂降多由单相接地故障所引起, 因此本文列出了某时刻发生了单相接地故障引起的电压暂降的波形, 如图二所示。
从图二中可以看出, 发生故障的时刻约为0.2s, 故障结束时刻为0.5s, 该情况下, 令每周期采样点数为1000, 对应采样点数为16000个。
3 检测电压暂降
通过对某电厂的多次发生电压暂降故障情况下电压数据的采集, 并应用本文所提出的EDS算法进行计算, 经过多次计算, 得到欧氏距离平方的范围如图三所示。
从图三可以明显看出, 当发生电压暂降的情况时, 利用EDS算法计算的值相比于正常情况下要大的多, 达到将近900倍, 而正常情况下值特别小, 大约在150以内, 故障情况下几乎在85万以上, 因此利用该算法对电压暂降故障的检测效果明显。
4 结束语
本文利用欧氏距离平方算法对某电厂发生电压暂降情况下的电压值进行了计算分析, 并与正常情况下的计算结果相比较。计算与比较结果表明, 发生电压暂降故障情况下, 得到的欧氏距离平方值比正常情况下的值大了85万倍以上。因此, 该方法能够快速、准确的识别电压暂降, 对于电力系统的安全性有很大的意义。
摘要：电压暂降是电力系统中常见的一种电气故障。本文针对电网中经常发生的电压暂降的情况, 通过对实际中的电力系统中的电压暂降故障与正常运行时候的电压进行采集, 并应用欧氏距离平方 (EDS) 算法对两种情况下的数据进行计算, 统计出不同情况下即所得到的欧氏距离平方值的范围, 同时比较一下大小。经过对大量的电压暂降情况进行计算比较, 结果表明, 发生电压暂降情况下, 欧氏距离平方值要明显大于正常情况下的值, 而且该算法步骤少, 计算速度快, 能够达到快速、准确检测电压暂降故障的目的。
关键词：电力系统,电压暂降,欧氏距离平方,统计,比较
参考文献
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