一种高频电磁脉冲瞬变时间在线监测系统及方法与流程

1.本发明涉及电气系统状态技术领域，特别是涉及一种高频电磁脉冲瞬变时间在线监测系统及方法。


背景技术：

2.在许多工程场合中，电磁能量突变会引起高频电磁脉冲，如雷击放电、电气设备局部放电等。高频电磁脉冲瞬变时间是指电磁脉冲功率从零增加到最大值的时间，可直接反映电磁能量突变的关键状态信息。因此，在线监测高频电磁脉冲瞬变时间对电气系统特性分析、优化设计、安全保护、故障预警以及健康管理均具有重要意义。
3.目前工程上通常采用高带宽的高压差分电压探头和高速数字示波器对高频电磁脉冲电压的陡沿时间进行测量，以获得电磁脉冲瞬变时间信息。然而受安全性与复杂性的限制，现有技术很难直接进行电气系统在线监测。在安全性方面，现有技术需要对被测设备或被测器件产生的高频电磁脉冲电压信号进行直接测量，实际上电气系统往往工作在高压、大电流以及高速开关等恶劣的电磁环境中，采用传感器直接测量电压信号可能存在安全隐患。在复杂性方面，电气系统往往存在多个器件，如由多个光伏板组成的组串式光伏发电系统以及由几十甚至上百颗电力电子器件组成的多电平变流器，为每个器件安装一套脉冲电压陡沿检测装置无疑会增加电气系统的复杂性与成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高频电磁脉冲瞬变时间在线监测系统及方法，以达到实施简便、安全性高及检测高效等目的。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种高频电磁脉冲瞬变时间在线监测系统，包括：设置在被测设备与负载之间的高频电磁脉冲陡沿时间在线监测装置，且高频电磁脉冲陡沿时间在线监测装置通过非接触方式套装在所述被测设备的输出端；
7.所述高频电磁脉冲陡沿时间在线监测装置包括高频振荡电流传感器和瞬变时间检测单元；
8.所述高频振荡电流传感器，用于从所述被测设备输出的电流中提取高频振荡电流信号；
9.所述瞬变时间检测单元，用于对所述高频振荡电流信号进行处理，以确定高频电磁脉冲瞬变时间。
10.可选的，所述瞬变时间检测单元包括信号调理器件、拐点时刻检测器件以及时间测量器件；
11.所述信号调理器件，用于对所述高频振荡电流信号进行滤波和幅值匹配处理，得到高频振荡电流调理信号；
12.所述拐点时刻检测器件，用于基于所述高频振荡电流调理信号，确定第一拐点时
刻和第二拐点时刻；其中，所述第一拐点时刻小于所述第二拐点时刻；
13.所述时间测量器件，用于将所述第二拐点时刻与所述第一拐点时刻的差值确定为高频电磁脉冲瞬变时间。
14.可选的，所述拐点时刻检测器件，用于：
15.对所述高频振荡电流调理信号进行微分，得到高频振荡电流微分分量；
16.基于所述高频振荡电流微分分量，利用拐点时刻微分突变特征和边沿检测技术，确定第一拐点时刻和第二拐点时刻。
17.可选的，所述拐点时刻检测器件，用于：
18.将所述高频振荡电流调理信号与设定阈值进行比较，并当所述高频振荡电流调理信号的幅值小于所述设定阈值时，利用边沿检测技术，确定第一拐点时刻和第二拐点时刻。
19.可选的，还包括：后台控制端；
20.所述后台控制端，用于记录、分析并显示所述被测设备的高频电磁脉冲瞬变时间。
21.一种高频电磁脉冲瞬变时间在线监测方法，包括：
22.通过非接触方式，利用高频振荡电流传感器从被测设备输出的电流中提取高频振荡电流信号；
23.对所述高频振荡电流信号进行处理，以确定高频电磁脉冲瞬变时间。
24.可选的，所述对所述高频振荡电流信号进行处理，以确定高频电磁脉冲瞬变时间，具体包括：
25.对所述高频振荡电流信号进行滤波和幅值匹配处理，得到高频振荡电流调理信号；
26.基于所述高频振荡电流调理信号，确定第一拐点时刻和第二拐点时刻；其中，所述第一拐点时刻小于所述第二拐点时刻；
27.将所述第二拐点时刻与所述第一拐点时刻的差值确定为高频电磁脉冲瞬变时间。
28.可选的，所述基于所述高频振荡电流调理信号，确定第一拐点时刻和第二拐点时刻，具体包括：
29.对所述高频振荡电流调理信号进行微分，得到高频振荡电流微分分量；
30.基于所述高频振荡电流微分分量，利用拐点时刻微分突变特征和边沿检测技术，确定第一拐点时刻和第二拐点时刻。
31.可选的，所述基于所述高频振荡电流调理信号，确定第一拐点时刻和第二拐点时刻，具体包括：
32.将所述高频振荡电流调理信号与设定阈值进行比较，并当所述高频振荡电流调理信号的幅值小于所述设定阈值时，利用边沿检测技术，确定第一拐点时刻和第二拐点时刻。
33.可选的，还包括：通过后台控制端记录、分析并显示所述被测设备的高频电磁脉冲瞬变时间。
34.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
35.1)实施简便：在被测设备输出端对高频电磁脉冲瞬变时间进行测量，可有效降低在线监测系统对空间布局和电磁兼容性能的要求，便于工程实施。
36.2)安全性高：通过非接触方式从被测设备输出的电流中提取高频振荡电流信号，进而测量高频脉冲瞬变时间，电气安全性好且对系统正常运行无影响。
37.3)检测效率高：仅通过一套系统就能从输出电流中获取被测设备中所有器件产生的高频电磁脉冲的瞬变时间，可有效降低在线监测的复杂性和成本。
附图说明
38.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。
39.图1为本发明高频电磁脉冲瞬变过程示意图；
40.图2为本发明高频电磁脉冲瞬变时间在线监测系统的结构示意图；
41.图3为本发明高频电磁脉冲瞬变时间在线监测方法的流程示意图；
42.图4为本发明高频电磁脉冲瞬变时间在线监测整体流程图；
43.图5为本发明拐点时刻微分检测原理示意图；
44.图6为本发明拐点时刻比较检测原理示意图；
45.图7为本发明了一种变频器高频电磁脉冲瞬变时间在线监测系统的结构示意图；
46.图8为本发明变频器igbt管压降与输出电流实验波形图；
47.图9为本发明igbt关断过程中的管压降与变频器开关高频振荡电流放大图；
48.图10为本发明不同方法测得的在关断过程中igbt开关时间对比图。
具体实施方式
49.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，所描述的实施例仅仅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。
50.为克服现有技术的不足，本发明提供了一种通过非接触方式在线监测高频电磁脉冲瞬变时间的系统及方法，具有实施简便、安全性高以及检测高效等优点，可为电气系统优化设计、安全保护以及故障预测与健康管理提供有效的技术支撑。
51.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
52.实施例一
53.本实施例提供了一种通过被测设备输出的电流实现在线监测高频电磁脉冲瞬变时间的方法。如图1所示，在高频电磁脉冲瞬变过程中，电磁脉冲功率将从零急增到最大值，从而被测设备输出的电流中会产生高频振荡电流信号i
sw
；其中，第一个高频振荡半波中会存在两个拐点(即导数非连续的拐点a与拐点b)，拐点a与拐点b和高频电磁脉冲瞬变过程的初始时刻与终止时刻存在一一对应关系。通过在线监测被测设备输出的电流中的高频振荡电流信号的拐点a与拐点b之间的时间差可以间接测量出高频电磁脉冲的瞬变时间t
sw
。
54.本实施例提供的高频电磁脉冲瞬变时间在线监测系统如图2所示，包括设置在被测设备与负载之间的高频电磁脉冲陡沿时间在线监测装置，且高频电磁脉冲陡沿时间在线监测装置通过非接触方式套装在所述被测设备的输出端。
55.高频电磁脉冲陡沿时间在线监测装置包括高频振荡电流传感器和瞬变时间检测单元。
56.其中，高频振荡电流传感器是一种特殊设计的电流传感器，例如罗氏线圈，其功能是通过非接触方式从被测设备输出的电流中准确提取高频振荡电流信号i
sw
，并有效抑制中频电流分量、低频电流分量以及高频噪音的干扰。
57.瞬变时间检测单元，用于对高频振荡电流信号进行处理与分析，实现高频电磁脉冲瞬变时间t
sw
的检测。
58.作为一种优选地实施方式，本实施例所述的瞬变时间检测单元包括信号调理器件、拐点时刻检测器件以及时间测量器件。
59.信号调理器件，用于对高频振荡电流信号进行滤波和幅值匹配处理，得到高频振荡电流调理信号。
60.拐点时刻检测器件，用于基于高频振荡电流调理信号，确定第一拐点时刻和第二拐点时刻。其中，第一拐点时刻小于第二拐点时刻。
61.时间测量器件，用于将第二拐点时刻与第一拐点时刻的差值确定为高频电磁脉冲瞬变时间。
62.进一步地，拐点时刻检测器件，用于：
63.对高频振荡电流调理信号进行微分，得到高频振荡电流微分分量。
64.基于高频振荡电流微分分量，利用拐点时刻微分突变特征和边沿检测技术，确定第一拐点时刻和第二拐点时刻。
65.或者，拐点时刻检测器件，用于：
66.将高频振荡电流调理信号与设定阈值进行比较，并当高频振荡电流调理信号的幅值小于设定阈值时，利用边沿检测技术，确定第一拐点时刻和第二拐点时刻。
67.作为一种优选地实施方式，本实施例所述的一种高频电磁脉冲瞬变时间在线监测系统，还包括后台控制端。
68.后台控制端，用于记录、分析并显示所述被测设备的高频电磁脉冲瞬变时间
69.实施例二
70.请参见图3，本实施例提供的一种高频电磁脉冲瞬变时间在线监测方法，包括：
71.步骤301：通过非接触方式，利用高频振荡电流传感器从被测设备输出的电流中提取高频振荡电流信号。
72.步骤302：对高频振荡电流信号进行处理，以确定高频电磁脉冲瞬变时间；具体包括：
73.对所述高频振荡电流信号进行滤波和幅值匹配处理，得到高频振荡电流调理信号；基于所述高频振荡电流调理信号，确定第一拐点时刻和第二拐点时刻；其中，所述第一拐点时刻小于所述第二拐点时刻；将所述第二拐点时刻与所述第一拐点时刻的差值确定为高频电磁脉冲瞬变时间。
74.进一步地，所述基于所述高频振荡电流调理信号，确定第一拐点时刻和第二拐点时刻，具体包括：
75.对所述高频振荡电流调理信号进行微分，得到高频振荡电流微分分量；基于所述高频振荡电流微分分量，利用拐点时刻微分突变特征和边沿检测技术，确定第一拐点时刻
和第二拐点时刻。
76.进一步地，所述基于所述高频振荡电流调理信号，确定第一拐点时刻和第二拐点时刻，具体包括：
77.将所述高频振荡电流调理信号与设定阈值进行比较，并当所述高频振荡电流调理信号的幅值小于所述设定阈值时，利用边沿检测技术，确定第一拐点时刻和第二拐点时刻。
78.进一步地，本实施例提供的监测方法还包括：通过后台控制端记录、分析并显示所述被测设备的高频电磁脉冲瞬变时间。
79.实施例三
80.本实施例提供的高频电磁脉冲瞬变时间在线监测方法的具体步骤如图4所示，包括：
81.(1)首先利用高频振荡电流传感器从被测设备输出的电流中提取高频振荡电流信号i
sw
。
82.(2)接下来对高频振荡电流信号i
sw
进行调理，即通过滤波与幅值匹配处理后，输出满足要求的高频振荡电流调理信号i
sw_
。
83.(3)然后从高频振荡电流调理信号i
sw_
中分别检测出第一拐点时刻ta与第一拐点时刻tb。
84.在实际的电气系统中，可根据高频振荡拐点的特征采用微分器或比较器等方式实现拐点时刻检测。
85.拐点时刻微分检测原理如图5所示，首先对高频振荡电流调理信号i
sw_
进行微分以得到高频振荡电流微分分量i
sw’，然后利用拐点时刻微分突变的特征，通过边沿检测技术确定第一拐点时刻ta与第一拐点时刻tb。
86.拐点时刻比较检测原理如图6所示，首先将设定阈值u
th
与高频振荡电流调理信号i
sw_
进行比较，其中，设定阈值的设定范围为高频振荡电流调理信号峰值的0.1％～50％，然后通过边沿检测技术从比较器输出信号中确定第一拐点时刻ta与第一拐点时刻tb。
87.两种方法相比，拐点时刻比较检测法容易实现但检测结果存在一定误差。
88.(4)最后将第一拐点时刻tb与第一拐点时刻ta之间的时间差进行测量，以获得高频电磁脉冲瞬变时间t
sw
＝t
b-ta。
89.实施例四
90.请参见图7，本实施例提供了一种变频器高频电磁脉冲瞬变时间在线监测系统。
91.在变频器运行过程中，igbt器件开关投切产生的pwm脉冲是一种典型的高频电磁脉冲，其瞬变时间(即开关时间)是igbt器件的重要状态变量，可直接反映igbt器件的运行结温及健康状态。
92.本实施例对一台型号为380v/11kw的三相变频器中的igbt器件的关断时间进行了实验测量。实验过程中，变频器驱动一台型号为380v/7.5kw的感应电机在30hz进行空载运行。实验测得的igbt器件的管压降与输出电流波形如图8所示，其中，变频器输出的电流中除了基波和pwm谐波分量外还存在大量开关高频振荡分量。以igbt器件的关断过程为例，图9是某次关断时igbt器件的管压降与开关高频振荡分量的局部放大波形图，在开关高频振荡电流的第一个振荡半波中明显存在a、b两个拐点，它们发生的时刻正好与igbt器件在关断产生的pwm脉冲陡沿电压上升的起止时刻相对应。定义拐点a到拐点b之间的时间为开关
电磁脉冲瞬变等效时间t
sw(eq)
，而从直流电压v
dc
的10％到90％区间的时间为开关电磁脉冲瞬变时间t
sw(v)
。
93.实验中，采用自积分式罗氏线圈作为高频振荡电流传感器，以准确捕获开关高频振荡电流并有效滤除变频器基波及pwm谐波电流。瞬变时间检测单元采用基于fpga的高速信号采集卡对经调理电路调理过的开关高频振荡信号进行采样(采样率为250mhz)。在实验过程中，高速信号采集卡是根据门极信号进行触发采样，采样窗口长度为5μs。将采样得到的开关高频振荡信号数据送入微控制器mcu进行处理。采取微分算法根据开关振荡信号的微分突变特征检测拐点时刻ta与拐点时刻tb，并计算等效开关时间t
sw(eq)
＝t
b-ta。
94.比较一个基波周期内不同方法测得的变频器a相桥臂上管和下管上的igbt器件的开关时间结果，如图10所示；其中，在15ms～31.75ms内a相电流小于零，仅a相桥臂下管t2正常工作，而在31.75ms～33.3ms内a相电流大于零，仅a相桥臂上管t1正常工作。
95.实验结果表明，不同方法测得的igbt关断产生的电磁脉冲瞬变时间基本一致，均随电流增大而减小，与理论预期相符合。由于开关电磁脉冲瞬变时间t
sw(v)
仅计及igbt开关暂态的部分时间(直流电压10％～90％的部分)，因此实测开关电磁脉冲瞬变时间略小于开关电磁脉冲瞬变等效时间。
96.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
97.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。