應(yīng)用向量法檢測電壓凹陷

李國全 王超

摘 要：該文討論了三相電壓凹陷特征，包括凹陷幅度、相位跳變和持續(xù)時間，同時，應(yīng)用了一個有效的信號處理算法，該算法能準(zhǔn)確地表征相電壓和正序電壓的凹陷特征。針對電能質(zhì)量監(jiān)測器以及同步向量測量單元（PMU）中獲得的實(shí)測數(shù)據(jù)，利用所用的方法對其進(jìn)行運(yùn)算，比較出不同設(shè)備之間的凹陷特征的不同，從而證明不同設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)。該文做了一些實(shí)驗，結(jié)果表明：從電能質(zhì)量監(jiān)測器中獲得的數(shù)據(jù)能夠描述一個完整的擾動特性，而從PMU中獲得的數(shù)據(jù)，只能描述PMU頻率增加時發(fā)生電壓凹陷的情況。

關(guān)鍵詞：電壓凹陷 電能質(zhì)量監(jiān)測器 同步向量測量單元 特征

中國分類號：TM937.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）09（c）-0068-02

影響電能質(zhì)量問題的很大一部分原因都是電壓凹陷。當(dāng)單位額定電壓有效值（RMS）保持在0.1～0.9 p.u.且持續(xù)時間不超過1min以及短時間的RMS值低于0.1 p.u.，則認(rèn)為發(fā)生了電壓凹陷[1]。盡管電壓凹陷定義為電壓下降時間十分短暫，但它與電壓凹陷的特征[2]以及嚴(yán)重程度的評估沒有確定的關(guān)系，電壓擾動主要通過幅度和持續(xù)時間表征。另外，近年來研究電壓凹陷特征已經(jīng)簡化到只用一個參數(shù)，比如提出了如下的指標(biāo)：電壓損耗、能量損耗和凹陷的嚴(yán)重程度，這些指標(biāo)只需要通過一個幅度和持續(xù)時間相結(jié)合的參數(shù)就能代表。

該文討論了三相電壓凹陷特征，包括凹陷幅度、相位跳變和持續(xù)時間，同時，應(yīng)用了一個有效的信號處理算法，該算法能準(zhǔn)確的表征相電壓和正序電壓的凹陷特征。另外，也比較了相電壓和正序電壓發(fā)生凹陷時對電能質(zhì)量的影響嚴(yán)重程度。

1 數(shù)據(jù)測量方法

電能質(zhì)量監(jiān)測器從某電廠中的三相三線低壓網(wǎng)絡(luò)電纜獲取原始數(shù)據(jù)。當(dāng)電壓有效值低于一個閥值時，電能質(zhì)量監(jiān)測器將被觸發(fā)運(yùn)行，而這個閥值通常為額定電壓的0.9 p.u.。

該文中用于評估所提方法的數(shù)據(jù)是來自電能質(zhì)量監(jiān)測器和同步相量測量單元（PMU）。電能質(zhì)量監(jiān)測器采集的數(shù)據(jù)是每周期三相電壓中32個采樣點(diǎn)的瞬時值，而PMU的數(shù)據(jù)是每周期估計一次的正序電壓值。雖然PMU的數(shù)據(jù)有一定的缺陷，但它仍是一種新穎的測量裝置。

2 實(shí)驗結(jié)果及分析

如圖1所示，由于在118～168 ms之間電壓幅值減少很多。為了找到電壓凹陷的特點(diǎn)，就必須計算出電壓有效值。

2.1 電壓有效值的估算

通過下列公式（1）利用上一周期電壓的瞬時值估算電壓有效值，計算時間為0.52 ms。

（1）

式（1）中，N 為每周期采樣點(diǎn)數(shù)，Vj 為在j 時刻的瞬時采樣電壓。

圖1中的瞬時值計算得到的有效值（相對地電壓），發(fā)生了三相不平衡電壓凹陷，三相電壓的幅值和持續(xù)時間都不相同。通常，考慮最多的是電壓凹陷幅值和持續(xù)時間，因此，該電壓凹陷的幅值為0.9 p.u.，持續(xù)時間為50 ms。

2.2 基本電壓的估算

估算電壓時通常會用到離散傅里葉變換（DFT），通過計算基本電壓可以很容易地獲得電壓幅值、相角以及相位跳變、對稱分量等特征。

基本電壓的幅值與電壓有效值一樣，都是時間的函數(shù)。當(dāng)電壓諧波等級低于某個水平的時候，電壓凹陷幅值認(rèn)定為電壓的有效值或基本電壓的最低值。

基本電壓通過DFT公式獲得，相位跳變也就得到了。相位跳變將之前的相角作為參考點(diǎn)，計算采樣瞬時相角與之前相角的差。發(fā)生三相不平衡電壓凹陷時每相相位跳變都不同。利用跳變相位值表征三相電壓，可用于判定是否出現(xiàn)三相電壓凹陷。

2.3 電壓凹陷特征的向量測量單元

正常情況下，PMU只能提供正序電壓的幅值和相角。為了檢驗電能質(zhì)量監(jiān)測器工作的可行性，首先利用從它獲得的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行PMU仿真。正序電壓的幅值和相角分別繪于圖2和圖3。

從圖2和圖3中可以觀測到，用于表征凹陷特征的值有很大的差異。有時電壓凹陷的幅值很巧合會很相似，但跳變的相位卻有了很大的差異，如圖3的箭頭指向處所示，每周期估算32次的結(jié)果（-14°）大約是每周期估算一次結(jié)果（-8°）的2倍。

對國內(nèi)某煤礦的130 kV的電纜，此外有一個50 kV的電纜用于無功補(bǔ)償。將PMU連接到變電站的變壓器，測量電壓和電流（幅值和相角）的正序相量、頻率以及頻率的變化率。

由PMU估計的正序電壓需要進(jìn)行分析。因為實(shí)際頻率不是額定頻率，因此記錄的相位角會有一定的偏差。為了獲得一個靜態(tài)相量，所記錄的相量被分解一個新的坐標(biāo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在相對之前的頻率不同之處是會有一個旋轉(zhuǎn)度。因此，獲得了向量幅值不變的正序電壓，該電壓對于之前的電壓相角為零。正序電壓的幅值和相位角分別示于圖4和圖5。圓點(diǎn)顯示每一次循環(huán)相量估計值。

圖4和圖5中的連續(xù)線僅僅是一個虛構(gòu)的插值曲線。此外用于表征電壓凹陷的極值為：幅值0.6 p.u.，相位跳變-9.5°。這些值對于不同的系統(tǒng)也是不同的。

當(dāng)研究電壓凹陷特性的時候，最大的限制就是PMU估算的低頻值。如果PMU能在每個周期估算更多的相角，這種限制是可以克服的。通常認(rèn)為每周期記錄16次是最理想的。

3 結(jié)語

該文中，通過一些參數(shù)討論了三相電壓凹陷的幅值、相位跳變和持續(xù)時間等特征。分別利用到了在低壓系統(tǒng)中的電能質(zhì)量監(jiān)測器與高壓系統(tǒng)中的PMU獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。利用從電能質(zhì)量監(jiān)測器中獲得的數(shù)據(jù)通過信號處理公式估算基本電壓和電壓有效值，結(jié)果表明基本電壓的有效值和幅度有一定的相似性，因此能從電壓有效值或基本電壓估算凹陷幅值和持續(xù)時間。也可以從基本電壓估算相位跳變，結(jié)果表明在不平衡電壓凹陷中相位跳變不同。

參考文獻(xiàn)

[1] IStd.IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality[Z].IEEE XPlore，1159-1995.

[2] 陳平，楊洪耕，肖先勇. 基于模糊失效準(zhǔn)則的敏感設(shè)備電壓凹陷敏感度評估[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（6）：8-11.

[3] 王球保，楊仁剛，談萌，等.基于DSP的電壓凹陷檢測裝置的研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2006，34（4）：53-56.