一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器及方法与流程
本发明涉及电能质量检测管理技术领域，特别涉及一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器及方法。
背景技术：
近年来，由于电气原因造成的火灾现象频有发生，造成大量人员伤害和物资损失。引起电气火灾的原因主要有两个：(1)电流。包括短路、过载、谐波和不平衡等原因引起的电气火灾；(2)故障电弧。如电气部件接触不良、接地故障等原因产生电弧或电火花引起的电气火灾。其中，电弧现象在供电线路中常常出现，且故障电弧温度比较高，严重危害消防安全，是引起电气火灾的重要原因之一，因此对故障电弧检测的研究显得尤为重要。
而随着电力系统的发展，对电网稳定性要求越来越高，大量电能质量控制装置广泛安装在电网之中。这些电能质量控制装置的装设对电弧检测也产生极大影响，如有源电力滤波器(apf)的应用虽然对谐波和不平衡电流有明显改善作用，但是当故障电弧出现时，电流中的高频谐波分量有可能被apf滤除导致原有故障电弧检测设备无法正常检测到故障电弧。
与此同时，随着我国工业生产的不断进步，自动化控制水平也越来越高，越来越多的集散控制系统及智能仪表广泛应用，为了防止这些自动化产品受到雷击灾害，电力系统采取大量避雷接地措施，通常在防雷地和保护地之间装设地电位反击隔离，以防雷击时，由于地电位反击对保护地连接设备造成损害。地电位反击隔离通常在没有浪涌电流时呈现低阻抗，出现浪涌电流时呈现高阻抗，对雷电流起到隔离作用。然而地电位反击隔离设备也有可能会对故障电弧产生的高频电流产生隔离作用，影响故障电弧检测设备的正常工作。
因此，当地电位反击隔离设备，故障电弧检测设备，电能质量控制设备独立运行时，有可能互相产生不利影响，造成难以估计的损失。
同时，电容、电感、晶闸管、igbt等非线性负载的使用，会引起电路中的电流谐波，也会使常规的故障电弧检测方法出现漏判、误判。而如果利用谐波含有率的变化率可以排除非线性负载的干扰，用这种方法，重点比较其变化率，若是电路中接入非线性负载，引发谐波含有率增加超限，但其变化率不会超限。只有发生故障电弧时，谐波含有率会剧烈变化，相邻两周期间谐波含有率的变化率会超限，从而判定为故障电弧。目前，还没有这种利用谐波含有率的变化率对故障电弧进行判定的方法。
技术实现要素：
为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器及方法，将故障电弧的电流检测与谐波电流抑制与补偿的电流检测部分进行共享，采用同一检测信号，使用共同的主控制单元同时进行故障电弧分析和补偿指令电流计算，使装置能够在故障电弧特征电流被滤掉前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。其中的故障电弧检测方法利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，可以有效排除非线性负载的干扰，同时采用四种判断手段进行判断，能够在复杂设备情况下准确检测出故障电弧。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器，是一种兼具地电位反击隔离、故障电弧检测、谐波电流抑制和三相不平衡电流补偿功能的安全用电装置，包括电压传感器、电流传感器、采样电路、信号处理电路、主控mcu、电弧故障报警电路、开关量隔离输出电路、igbt驱动电路、谐波电流抑制与补偿主电路和地电位反击隔离模块。
所述的主控mcu通过信号处理电路和采样电路连接电压传感器和电流传感器，主控mcu将同一电压和电流采样信号分别经过故障电弧分析和指令电流计算后，分别进行故障电弧报警输出和igbt触发指令输出；使装置能够在故障电弧特征电流被滤掉前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。
所述地电位反击隔离模块由一个雷电流频率阻抗器构成，串联安装在防雷地与保护地之间形成雷电隔离保护，在正常情况下呈现低阻抗，保证设备的正常安全接地；当雷电流从防雷地端反击时，在雷电流频率下，该元件呈现出高阻抗，隔离雷电的反击，迫使雷电流只能向地网进行泄放，使得保护地端免遭雷电反击危害，当雷电流泄放完成后，该防雷隔离元件又恢复到低阻抗状态。
所述的主控mcu在输出故障电弧报警的同时还通过开关量隔离输出电路控制电源断路器的断开，故障时切断电源。
所述的谐波电流抑制与补偿主电路为电力电子变流器，包括多组igbt单元，组成两电平或三电平三相电压源型换流器拓扑，还可以组成分相h桥结构拓扑，所述的主控mcu通过igbt驱动电路输出igbt的触发脉冲，实时补偿负载谐波和不平衡电流。
一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、系统初始化，装置上电；
步骤二、采集系统三相电压和三相电流，并将信号送至信号调制处理电路；
步骤三、信号调制处理电路分别对电压和电流信号进行调制处理，并将调制过后的信号送至主控mcu单元；
步骤四、主控mcu单元由采样电流、电压参数计算出需要补偿的指令电流值；同时，对电流信号处理，提取电弧电流特征值；
步骤五、主控mcu单元根据计算的补偿的指令电流，通过指令电流跟踪模块，生成触发脉冲，控制igbt，实时补偿负载谐波和不平衡电流；
同时，主控mcu单元根据经过逻辑计算，对提取电弧电流特征值进行分析判断，如符合故障电弧信号，则向故障电弧预警模块发出指令，并通过输出信号切断电源断路器，切断故障电弧；如不符合则不发出指令，并返回步骤二。
一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器中的故障电弧检测方法，采用四种条件共同判断，并且其中一种判定条件利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，能够在复杂情况下有效检测出故障电弧，包括如下步骤：
步骤1：持续对电流进行采样(根据实际硬件情况，每周期采64或128个点)；
步骤2：电流的采样值为128点每周期或64点每周期。以64点为例，将电流采样值记为i0、i1、……、i63，正常周期电流记为in0、in1、……、in63(采样值和正常值均为标幺值)。计算当前的采样周期电流与正常周期电流的差异参数：
将iper与阈值s1比较，若iper≤s1，则将采样电流值幅给正常周期电流值，更新正常周期电流值；若iper＞s1，则进行进一步的分析计算来判断是否由故障电弧发生；
步骤3：计算电流的平均值：
用电流的平均值来判断电流的正负半周是否对称。若iave大于给定阈值s2，则认为波形对称性不满足要求，为波形对称指示参数m1赋值1，否则为m1赋值0；
步骤4：计算采样电流相邻两个采样值的差值：
δik＝ik+1-ik(k＝0,1,2……62)(3)
用该差值的最大值kv＝max[δi0，δi1，...，δi62]来表示电流的最大变化率。若kv大于阈值s3，则认为电流变化率过大，为电流变化率参数m2赋值1，否则m2赋值为零；
步骤5：计算电流的波型参数：
其中，α根据实际电流进行设置，一般取正常电流峰值。用电流的波型参数可以表示出电流是否含有平肩部。若kp大于阈值s4，则认为电流含有平肩部，为平肩部指示参数m3赋值1，否则m3赋值为零；
步骤6：用fft检测采样电流谐波，计算采样电流电流高次谐波(此处计算第3、5、7、9次谐波)含有率变化率δpn，若δpn大于阈值s4，则认为采样电流谐波含量不正常，为谐波指示参数m4赋值为1，否则赋值为0；
步骤7：计算上述步骤3～步骤6中四个指示参数的和，即m＝m1+m2+m3+m4；若m>＝2,故障电弧周波数指示参数sum＝sum+1，若sum>＝6，则触发报警信号；若sum<6，则返回步骤2继续判别；若m<2,则认为没有故障电弧发生，为sum赋值0，并将正常电流更新为此时的采样电流。
步骤6的具体步骤如下：
步骤601.计算出采样周期奇次谐波含有率变化率δpn和设定阈值δpth比较；谐波含有率定义为
步骤602.以步骤2判断出的第1个正常工频采样周期电流奇次谐波含有率p为基础值，计算相邻两个工频采样周期电流奇次谐波含有率变化率δpn，δpn＝pn-p，两次采样周期之间电流奇次谐波含有率之差为采样周期奇次谐波含有率变化率δpn。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器，将故障电弧的电流检测与谐波电流抑制与补偿的电流检测部分进行共享，采用同一检测信号，使装置能够在故障电弧特征电流被滤掉前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。
2、本发明的一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器及其控制方法，利用同一主控mcu对同一电流数据进行处理，分别计算故障电弧特征值和补偿指令电流值，分别对故障电弧报警电路和滤波的igbt驱动电路进行控制，完美的实现了用单个设备实现两种功能的同时兼顾使用，有效解决由于有源电力滤波器的使用而造成故障电弧被漏判、误判的问题。
3、本发明的一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器的故障电弧检测方法，利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，可以有效排除非线性负载的干扰，同时采用四种判断手段进行判断，准确检测出故障电弧。
4、本发明的一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器，将地电位反击隔离设备集成到具有隔离防火预警功能的有源滤波器中，使整体设备即具有地电位反击隔离功能，又不影响故障电弧的检测，比各自独立安装的情况时进行故障电弧检测效果好。
附图说明
图1为本发明的一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器的结构示意图；
图2为本发明的一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器的主控mcu功能结构示意图；
图3为本发明的一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器的主控mcu控制结构示意图；
图4为本发明的一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器的地电位反击隔离模块结构示意图；
图5为本发明的一种具有故障电弧检测功能的有源滤波器的实施例的两电平谐波电流抑制与补偿主电路结构图；
图6为本发明的一种具有故障电弧检测功能的有源滤波器的实施例的三电平谐波电流抑制与补偿主电路结构图；
图7为本发明的一种具有故障电弧检测功能的有源滤波器的实施例的分相h桥结构谐波电流抑制与补偿主电路结构图；
图8为本发明的一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器的实施例的补偿指令电流计算方法；
图9为本发明的一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器中的故障电弧检测方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1、2所示，一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器，是一种兼具地电位反击隔离、故障电弧检测、谐波电流抑制和三相不平衡电流补偿功能的安全用电装置，包括电压传感器、电流传感器、采样电路、信号处理电路、主控mcu、电弧故障报警电路、开关量隔离输出电路、igbt驱动电路、谐波电流抑制与补偿主电路和地电位反击隔离模块。
如图3所示，所述的主控mcu通过信号处理电路和采样电路连接电压传感器和电流传感器，主控mcu将同一电压和电流采样信号分别经过故障电弧分析和指令电流计算后，分别进行故障电弧报警输出和igbt触发指令输出；使装置能够在故障电弧特征电流被滤掉前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。
如图4所示，所述地电位反击隔离模块由一个雷电流频率阻抗器构成，串联安装在防雷地与保护地之间形成雷电隔离保护，在正常情况下呈现低阻抗，保证设备的正常安全接地；当雷电流从防雷地端反击时，在雷电流频率下，该元件呈现出高阻抗，隔离雷电的反击，迫使雷电流只能向地网进行泄放，使得保护地端免遭雷电反击危害，当雷电流泄放完成后，该防雷隔离元件又恢复到低阻抗状态。
所述的雷电流频率阻抗器是一种电抗器，其磁芯材料可以是铁氧体磁芯如锰锌系材、镍锌系材、镁锌系材等，也可以是合金类磁芯如硅(矽)钢材、铁粉芯、铁硅铝合金、铁镍合金、钼坡莫合金、非晶、微晶合金等。线材可以为聚氨基甲酸酯漆包线、聚酯漆包线自粘聚氨基甲酸酯漆包线、丝包线、绞线、电镀铜线、三层绝缘线、pvc线等。其等效模型可表示为理想电感串联等效电阻再并联寄生电容，对外特性表现为雷电流能量密集的频段呈现高阻抗，其他频段表现为低阻抗。即在正常情况下表现为导通状态，阻抗低，保证设备的正常安全接地；当接地系统有雷电流通过时，在雷电流频率下，该元件为高阻抗，阻断雷电的反击，使得雷电流只能向地网进行泄放。当雷电流泄放完成后，该地电位反击隔离元件又恢复到低阻抗状态。
所述的主控mcu在输出故障电弧报警的同时还通过开关量隔离输出电路控制电源断路器的断开，故障时切断电源。
所述的谐波电流抑制与补偿主电路为电力电子变流器，包括多组igbt单元，组成两电平或三电平三相电压源型换流器拓扑，还可以组成分相h桥结构拓扑，所述的主控mcu通过igbt驱动电路输出igbt的触发脉冲，实时补偿负载谐波和不平衡电流。
如图5所示，为实施例中采用两电平三相电压源型换流器拓扑。拓扑中包含六组igbt单元。
如图6所示，为实施例中采用三电平三相电压源型换流器拓扑。拓扑中包含十二组igbt单元。
如图7所示，为实施例中采用分相h桥结构三相电压源型换流器拓扑。拓扑中包含三组igbt单元。
一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、系统初始化，装置上电；
步骤二、采集系统三相电压和三相电流，并将信号送至信号调制处理电路；
步骤三、信号调制处理电路分别对电压和电流信号进行调制处理，并将调制过后的信号送至主控mcu单元；
步骤四、主控mcu单元由采样电流、电压参数计算出需要补偿的指令电流值；同时，对电流信号处理，提取电弧电流特征值；
步骤五、主控mcu单元根据计算的补偿的指令电流，通过指令电流跟踪模块，生成触发脉冲，控制igbt，实时补偿负载谐波和不平衡电流；
同时，主控mcu单元根据经过逻辑计算，对提取电弧电流特征值进行分析判断，如符合故障电弧信号，则向故障电弧预警模块发出指令，并通过输出信号切断电源断路器，切断故障电弧；如不符合则不发出指令，并返回步骤二。
如图8所示，优选地，补偿的指令电流计算方法，在本实施例中采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq法检测补偿电流来进行说明，本专利的保护范围包括但并不限于此检测方法。包括如下步骤：
1、检测负载电流ia、ib、ic；
2、通过旋转变换将abc三相电流变为静止坐标系下电流ip、iq；
3、经过低通滤波器lpf，得到负载电流的基波正序分量
4、通过旋转变到abc坐标系下的电流iaf、ibf、icf；
5、被负载电流减去可得负载谐波电流和不平衡电流iah、ibh、ich，即补偿装置的指令电流；
6、通过指令电流跟踪模块，生成出触脉冲，控制igbt，实时补偿负载谐波和不平衡电流。
如图9所示，一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器中的故障电弧检测方法，采用四种条件共同判断，并且其中一种判定条件利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，能够在复杂情况下有效检测出故障电弧，包括如下步骤：
步骤1：持续对电流进行采样(根据实际硬件情况，每周期采64或128个点)；
步骤2：电流的采样值为128点每周期或64点每周期。以64点为例，将电流采样值记为i0、i1、……、i63，正常周期电流记为in0、in1、……、in63(采样值和正常值均为标幺值)。计算当前的采样周期电流与正常周期电流的差异参数：
将iper与阈值s1比较，若iper≤s1，则将采样电流值幅给正常周期电流值，更新正常周期电流值；若iper＞s1，则进行进一步的分析计算来判断是否由故障电弧发生；
步骤3：计算电流的平均值：
用电流的平均值来判断电流的正负半周是否对称。若iave大于给定阈值s2，则认为波形对称性不满足要求，为波形对称指示参数m1赋值1，否则为m1赋值0；
步骤4：计算采样电流相邻两个采样值的差值：
δik＝ik+1-ik(k＝0,1,2……62)(3)
用该差值的最大值kv＝max[δi0，δi1，...，δi62]来表示电流的最大变化率。若kv大于阈值s3，则认为电流变化率过大，为电流变化率参数m2赋值1，否则m2赋值为零；
步骤5：计算电流的波型参数：
其中，α根据实际电流进行设置，一般取正常电流峰值。用电流的波型参数可以表示出电流是否含有平肩部。若kp大于阈值s4，则认为电流含有平肩部，为平肩部指示参数m3赋值1，否则m3赋值为零；
步骤6：用fft检测采样电流谐波，计算采样电流高次谐波(此处计算第3、5、7、9次谐波)含有率变化率δpn，若δpn大于阈值s4，则认为采样电流谐波含量不正常，为谐波指示参数m4赋值为1，否则赋值为0；
步骤7：计算上述步骤3～步骤6中四个指示参数的和，即m＝m1+m2+m3+m4；若m>＝2,故障电弧周波数指示参数sum＝sum+1，若sum>＝6，则触发报警信号；若sum<6，则返回步骤2继续判别；若m<2,则认为没有故障电弧发生，为sum赋值0，并将正常电流更新为此时的采样电流。
步骤6的具体步骤如下：
步骤601.计算出采样周期奇次谐波含有率变化率δpn和设定阈值δpth比较；谐波含有率定义为
步骤602.以步骤2判断出的第1个正常工频采样周期电流奇次谐波含有率p为基础值，计算相邻两个工频采样周期电流奇次谐波含有率变化率δpn，δpn＝pn-p，两次采样周期之间电流奇次谐波含有率之差为采样周期奇次谐波含有率变化率δpn。
本发明的一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器，将故障电弧的电流检测与谐波电流抑制与补偿的电流检测部分进行共享，采用同一检测信号，使装置能够在故障电弧特征电流被滤掉前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。
本发明的一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器及其控制方法，利用同一主控mcu对同一电流数据进行处理，分别计算故障电弧特征值和补偿指令电流值，分别对故障电弧报警电路和滤波的igbt驱动电路进行控制，完美的实现了用单个设备实现两种功能的同时兼顾使用，有效解决由于有源电力滤波器的使用而造成故障电弧被漏判、误判的问题。
本发明的一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器的故障电弧检测方法，利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，可以有效排除非线性负载的干扰，同时采用四种判断手段进行判断，准确检测出故障电弧。
本发明的一种具有防雷隔离与电弧检测功能的有源滤波器，将地电位反击隔离设备集成到具有隔离防火预警功能的有源滤波器中，使整体设备即具有地电位反击隔离功能，又不影响故障电弧的检测，比各自独立安装的情况时进行故障电弧检测效果好。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
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