专利名称：一种检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法
技术领域：
本发明涉及一种检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法，属于电力信号检测技术领域。
背景技术：
获取周期信号的相位和频率在电气工程中具有非常重要的实际应用价值。在电气工程中，电力系统关键节点和断面上电压频率和相互之间的相位差控制在 一定范围之内，是保证电网正常运行的必要条件。在电力系统发生静态、动态失稳的过程中，关键节点的相位变化是分析其失稳过程发展和失稳机理的重要信息。这就要求，无论电力系统运行于稳定状态还是处于动态调整过程，都能够准确、快速地获得系统的频率和相位。此外，准确、快速地获得系统电压的频率和相位对于改善配电网的供电质量也有重要应用价值。在配电网中，存在无功、谐波、负序、闪变和电压跌落等众多电能质量问题。大功率电力电子装置是改善这些问题的最佳手段，诸如静止无功发生器(STATC0M)、电力有源滤波器(APF)、不间断电源(UPS)、动态电压恢复器(DVR)等等。它们要完成改善电能质量的任务，必须实现其补偿电压/电流与系统电压/电流同步的问题。在电力系统因远方短路等故障导致系统电压和相位突变时，同步问题尤为重要。此时正确的同步不仅是改善电能质量的基础，更是控制补偿装置不过流、过压，使其安全可靠运行的重要保证。风力发电、太阳能发电等新能源往往是通过分布式发电、微型电网的形式与电力系统相连的，这时，也需要维持这些小系统与电力系统接入点频率和相位上的同步。现在常用的电压信号或电流信号相位检测方法包括过零检测、反三角函数计算和锁相环。过零检测是把电压信号或电流信号的正向过零时刻作为电压信号或电流信号相位的零点，之后，根据系统的额定频率计算电压信号或电流信号的相位，直到电压信号或电流信号的下一个正向过零时刻。该方法在两个过零点之间无法获得准确的相位信息，系统频率发生偏移时会产生检测误差，而且极易受到谐波和噪声的干扰，导致检测错误。反三角函数计算是指利用反三角函数，直接计算正弦信号的相位。该方法同样容易遭受谐波和噪声的干扰，产生较大的检测误差。锁相环是通过闭环控制，通过计算电压信号或电流信号的检测值与实际值的误差，时时修正检测值，以得到准确的检测值。该方法的响应速度比较慢，而且谐波和噪声依然会导致输出误差。由于现在已有的这些检测方法存在上述缺点，使得在实际应用中，不能准确、迅速地检测电力系统的相位，不利于电力系统的控制和稳定；会影响静止无功发生器、电力有源滤波器、不间断电源、动态电压恢复器等正常工作，甚至会导致它们过流、过压，严重时会损坏设备；不利于分布式发电或微型电网的功率和频率控制。本申请人曾在专利申请201110347668. X中公开过一种检测电力系统中电压信号或电流型号频率和相位的方法，但是该方法中的频率控制滤波器比较复杂，而且在采样频率较低时，其滤波效果会变差。
发明内容
本发明目的是提出一种检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法，以克服已有技术的缺点，避免谐波和噪声的干扰，快速准确地检测电力系统电压信号或电流信号的频率和相位。本发明提出的检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法，包括以下各步骤(I)设电力系统中电气信号基波频率的最小值为fr，每隔Ts秒采集一次电力系统中的电气信号，设定两个容量各为K的存储空间D和Q，K为大于I. I/(Ts Xfr)的整数，存储空间中的存储单元分别为D(I) D(K)和Q(I) Q(K)，存储单元的初始值为零；当检测电力系统中的第h次谐波信号时，设电气信号频率检测值的初始值为电网额定频率的h倍，当检测电力系统中的基波信号时，设电气信号频率检测值的初始值为电网额定频率；(2)采集电力系统的电压信号或电流信号，若电力系统为三相系统，则采集的电压信号或电流信号均记为Va、Vb、V。，并利用克拉克变换将Va、Vb、V。变换为两路信号^、~ ;若电力系统为单相系统，则采集的电压信号或电流信号均记为Vin并将Vin作为信号Va，利用希尔伯特变换得到信号V0 ;(3)利用派克变换相角0 I对上述步骤(2)中的两路信号va、V0做派克变换,得到号 Vdl、Vql ;(4)将存储单元D(n-l)中的数据存入D(n)，其中n为K、K-1、…、3、2，并将上述步骤⑶中的Vdl存入D(l)，将Q(n-l)中的数据存入Q(n)，其中n为K、K-U…、3、2，，并将述步骤⑶中的Vql存入Q(I)；(5)将V(TsXf1)四舍五入后得到一个中间变量k，将中间变量k与K进行比较，若k小于或等于K，则保持k不变，并计算存储单元D (I) D(k)中共k个数据的平均值，得到信号vd，计算存储单元Q(I) Q(k)中k个数据的平均值，得到信号;若k大于K，则使k等于K,并计算存储单元D (I) D(k)中共k个数据的平均值,得到信号vd,计算存储单元Q⑴ Q(k)中k个数据的平均值，得到信号Vq ；(6)计算上述步骤(5)中vd、Vq的平方和，并将该平方和记为中间变量X1，计算X1的平方根，得到电力系统中电气信号幅值的测量值V ；(7)将电气信号初相位测量值外的余弦值与上述步骤(5)中的Vd相乘，得到中间变量X2，将电气信号初相位测量值竹的正弦值与上述步骤(5)中的Vq相乘，得到中间变量X3,对X2与X3求和,得到误差e ；(8)对上述步骤(7)中的误差e进行积分控制，得到电力系统中电气信号初相位的测量值灼;(9)设定一个误差屏蔽时间Tb，设定一个误差阈值vth，使误差阈值Vth等于上述步骤(6)中的X1的0. 03倍，使上述步骤(3)中的V与Vdl的前一个测量值相乘，得到一个中间变量X4，使上述步骤⑶中的Vdl与Vql的前一个测量值相乘，得到一个中间变量X5，相减得到中间变量x6，将X6与其前一个测量值相减后求绝对值，若该绝对值小于阈值vth，则使电力系统中电气信号的频率测量误差ef等于e，若该绝对值等于或大于阈值vth，则在此后的误差屏蔽时间Tb时刻内使电力系统中电气信号频率测量的误差ef等于0 ;(10)对上述步骤(9)中的频率测量误差ef进行比例积分控制，得到电气信号频率的测量值Ad1乘以2 π后积分，得到派克变换相角Q1，并使该派克变换相角01替代上述步骤(3)中的派克变换相角θ ；(11)对上述步骤⑶中的外与上述步骤(10)中的Θ i求和，得到电力系统中电气信号相位的测量值；(12)重复步骤(2) 步骤(11)，实现对电力系统中电压信号或电流信号频率、相位和幅值的检测。本发明提出的检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法，其优点是I、本发明方法具有快速的响应速度和良好的滤波效果，能够在信号频率、相位和幅值发生变化后迅速跟踪新的频率、相位和幅值，能够在信号受到干扰和污染时准确的获得信号的频率、相位和幅值。2、本发明方法能够准确、迅速地检测电力系统的相位，有利于电力系统的控制和稳定。3、本发明方法能够保证电力系统中静止无功发生器、电力有源滤波器、不间断电源、动态电压恢复器等设备的正常工作，保证它们在系统中存在大扰动时，不过流、不过压，保证它们安全可靠地运行。4、本发明方法有利于分布式发电或微型电网的功率和频率控制。
图I是当电力系统为三相时，本发明方法的流程框图。图2是当电力系统为单相时，本发明方法中，利用希尔伯特(Hilbert)变换处理单相系统采集信号的示意图。图3是平均值滤波的流程图。图4是误差重构的流程图。图5是输入三相电压幅值为310V、频率为50Hz、对称且不含谐波时，本发明获得基波正序电压的幅值、频率和相位。图6是输入三相电压含有谐波时，本发明获得基波正序电压的幅值、频率和相位。图7是输入a相电压在20ms时刻幅值变为155伏、相角跳变20度，本发明获得基波正序电压的幅值、频率和相位。图8是输入三相电压在20ms时刻幅值变为155伏、相位跳变20度，本发明获得基波正序电压的幅值、频率和相位。图9是输入三相电压频率在20ms时刻由50Hz突变为51赫兹时，本发明获得基波正序电压的幅值、频率和相位。
具体实施例方式本发明提出的检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法，其流程框图如图I所示，包括以下各步骤
(I)设电力系统中电气信号基波频率的最小值为fr，每隔Ts秒采集一次电力系统中的电气信号，设定两个容量各为K的存储空间D和Q，K为大于I. I/(Ts Xfr)的整数，存储空间中的存储单元分别为D(I) D(K)和Q(I) Q(K)，存储单元的初始值为零；当检测电力系统中的第h次谐波信号时，设电气信号频率检测值fi的初始值为电网额定频率的h倍，当检测电力系统中的基波信号时，设电气信号频率检测值fi的初始值为电网额定频率。(2)米集电力系统的电压信号或电流信号,若电力系统为三相系统,贝U米集的电压信号或电流信号均记为Va、Vb > Vc,并利用克拉克变换将Va、Vb > Vc变换为两路信号Va、V0。克拉克变换矩阵为
权利要求
1.一种检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法，其特征在于该方法包括以下各步骤 (1)设电力系统中电气信号基波频率的最小值为f；，每隔Ts秒采集一次电力系统中的电气信号，设定两个容量各为K的存储空间D和Q，K为大于I. I/(Ts Xf；)的整数，存储空间中的存储单元分别为D(I) D(K)和Q(I) Q(K)，存储单元的初始值为零；当检测电力系统中的第h次谐波信号时，设电气信号频率检测值的初始值为电网额定频率的h倍，当检测电力系统中的基波信号时，设电气信号频率检测值的初始值为电网额定频率； (2)采集电力系统的电压信号或电流信号，若电力系统为三相系统，则采集的电压信号或电流信号均记为va、vb、v。，并利用克拉克变换将va、vb、v。变换为两路信号Va、Ve ;若电力系统为单相系统，则采集的电压信号或电流信号均记为vin，并将Vin作为信号Va，利用希尔伯特变换得到信号V0 ; (3)利用派克变换相角ei对上述步骤(2)中的两路信号va、V0进行派克变换，得到信号 Vdl、Vql ; (4)将存储单元D(n-l)中的数据存入D(n)，其中n为K、K-1、…、3、2，并将上述步骤(3)中的Vdl存入D(l)，将Q(n-l)中的数据存入Q(n)，其中n为K、K-1、…、3、2，，并将述步骤⑶中的Vql存入Q(I)； (5)将V(TsXf1)四舍五入后得到一个中间变量k，将中间变量k与K进行比较，若k小于或等于K，则保持k不变，并计算存储单元D(I) D(k)中共k个数据的平均值，得到信号vd，计算存储单元Q(I) Q(k)中k个数据的平均值，得到信号;若k大于K，则使k等于K，则计算存储单元D(I) D(k)中共k个数据的平均值，得到信号vd，计算存储单元Q(I) Q(k)中k个数据的平均值，得到信号; (6)计算上述步骤(5)中vd、Vq的平方和，并将该平方和记为中间变量X1，计算X1的平方根，得到电力系统中电气信号幅值的测量值V ; (7)将电气信号初相位测量值内的余弦值与上述步骤(5)中的Vd相乘，得到中间变量X2，将电气信号初相位测量值内的正弦值与上述步骤(5)中的Vq相乘，得到中间变量X3，对X2与X3求和,得到误差e ； (8)对上述步骤(7)中的误差e进行积分控制，得到电力系统中电气信号初相位的测量值灼; (9)设定一个误差屏蔽时间Tb，一个误差阈值vth，使误差阈值Vth等于上述步骤(6)中的X1的0. 03倍,使上述步骤(3)中的Vql与Vdl的前一个测量值相乘,得到一个中间变量x4,使上述步骤⑶中的Vdl与Vql的前一个测量值相乘，得到一个中间变量X5，相减得到中间变量x6，将X6与其前一个测量值相减后求绝对值，若该绝对值小于阈值vth，则使电力系统中电气信号的频率测量误差ef等于e，若该绝对值等于或大于阈值vth，则在此后的误差屏蔽时间Tb时刻内使电力系统中电气信号频率测量的误差ef等于0 ; (10)对上述步骤(9)中的频率测量误差ef进行比例积分控制，得到电气信号频率的测量值4，4乘以231后积分，得到派克变换相角Q1，并使该派克变换相角Q1替代上述步骤(3)中的派克变换相角0 I ； (11)对上述步骤⑶中的竹与上述步骤(10)中的Q1求和，得到电力系统中电气信号相位的测量值；(12)重复步 骤(2) 步骤(11)，实现对电力系统中电压信号或电流信号频率、相位和 幅值的检测。
全文摘要
本发明涉及一种检测电力系统中电气信号频率、相位和幅值的方法，属于电力信号检测技术领域。首先，采集电力系统的电压信号或电流信号，采集的信号经过适当的处理后，利用派克变换和平均值滤波，得到信号vd、vq；然后，得到信号幅值、初相位和频率的测量值V、和f1，对2πf1积分得到θ1；最后，和θ1相加得到输入信号相位的测量值θ2。本发明方法的优点是能够在信号频率、相位和幅值发生变化后迅速、准确地检测出变化后的值，能够在信号受到干扰和污染时准确的获得信号的频率、相位和幅值；有利于电力系统的控制和稳定；能够保证电力系统中电力电子装置安全可靠地运行；有利于分布式发电或微型电力系统的功率和频率控制。
文档编号G01R19/00GK102621382SQ201210077738
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月22日 优先权日2012年3月22日
发明者姜齐荣, 洪芦诚, 王亮 申请人:清华大学