基于滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗的電壓暫降檢測(cè)方法與裝置

秦 建 ，王 帥 ，李 劍 ，王 振 ，程遠(yuǎn)楚

（1.國(guó)網(wǎng)臺(tái)州供電公司，臺(tái)州 318000；2.國(guó)網(wǎng)浙江臨海市供電公司，臨海 317000；3.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072）

通常把對(duì)電氣參數(shù)變化比較敏感的用電設(shè)備稱為“敏感性負(fù)荷”，如高性能、高智能的自動(dòng)化設(shè)備和新型電力電子設(shè)備。這些新型高精設(shè)備電壓敏感性更強(qiáng)，因此對(duì)電能質(zhì)量提出了更嚴(yán)格的要求[1]。隨著這些敏感性負(fù)荷的增加，由電能質(zhì)量引發(fā)的問(wèn)題越來(lái)越多，在美國(guó)每年因電能質(zhì)量產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百億[2]；同時(shí)，電能質(zhì)量問(wèn)題還會(huì)影響電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，造成嚴(yán)重的社會(huì)影響[3]。

在影響電能質(zhì)量的眾多因素中，電壓暫降是最主要的因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由電壓暫降造成的經(jīng)濟(jì)損失占全部電能質(zhì)量問(wèn)題所造成的經(jīng)濟(jì)損失的70%～90%[4]。在歐洲所有關(guān)于電能質(zhì)量問(wèn)題的投訴中，對(duì)電壓暫降的投訴占80%以上[5]。因此，及時(shí)檢測(cè)電壓暫降現(xiàn)象并加以治理，已成為一個(gè)重要的研究方向。

為實(shí)現(xiàn)電壓暫降的檢測(cè)，目前主要有有效值計(jì)算法、缺損電壓法、峰值電壓法、基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的dq0變換法、瞬時(shí)電壓變換法以及相應(yīng)的改進(jìn)算法、αβ變換法、短時(shí)傅里葉變換等[6-7]。其中，有效值法與瞬時(shí)電壓dq分解法存在一定的延時(shí)，實(shí)時(shí)性較差；αβ變換法容易引起短時(shí)擾動(dòng)，同樣實(shí)時(shí)性較差；短時(shí)傅里葉變換對(duì)暫降信號(hào)的分析準(zhǔn)確度不高，難以實(shí)現(xiàn)高效算法；瞬時(shí)無(wú)功功率理論僅局限于暫降信號(hào)持續(xù)時(shí)間較短的情況[8]。對(duì)此文中探討了基于滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗的電壓暫降檢測(cè)方法與裝置開(kāi)發(fā)。

1 基于滑動(dòng)窗的電壓暫降檢測(cè)方法

電壓暫降（voltage dip（sag）[9]）是指電壓有效值在很短的時(shí)間內(nèi)突然出現(xiàn)明顯下降的現(xiàn)象。美國(guó)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)IEEE給出的電壓暫降定義是：供電系統(tǒng)中某一點(diǎn)的工頻電壓有效值突然下降，并達(dá)到原額定值的10%～90%，而且在短暫的持續(xù)期10 ms～1 min后回升為正常值。國(guó)際電工委員會(huì)IEC給出的定義略有變化，將電壓下降的范圍擴(kuò)大為 1%～90%[10]。

對(duì)被測(cè)交流電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，每個(gè)信號(hào)周期采樣M點(diǎn)，設(shè)得到的采樣值為Ui，其中i=0，…，M-1，對(duì)每個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對(duì)值計(jì)算，即

通過(guò)一定的方法進(jìn)行計(jì)算，可得到電壓暫降的特征量——暫降深度、持續(xù)時(shí)間。

1.1 檢測(cè)信號(hào)的處理

開(kāi)辟一個(gè)2M的數(shù)據(jù)窗，如圖1所示，用于存放2個(gè)采樣周期的采樣數(shù)據(jù)的絕對(duì)值。

每采樣1個(gè)數(shù)據(jù)，將該采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)窗中的數(shù)據(jù)Di′送至后半個(gè)數(shù)據(jù)窗對(duì)應(yīng)位置（i-M）；將此次采樣值的絕對(duì)值Di放入前半個(gè)數(shù)據(jù)窗對(duì)應(yīng)位置（i），如圖 1 所示。

圖1 滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗Fig.1 Sliding data window

計(jì)算應(yīng)采樣點(diǎn)相隔1個(gè)信號(hào)周期的差值為

計(jì)算1個(gè)周期內(nèi)信號(hào)的平均值為

由正弦信號(hào)平均值與有效值的關(guān)系，可得當(dāng)前周期信號(hào)的有效值為

前一個(gè)周期內(nèi)信號(hào)的平均值

同理，可得前一個(gè)周期信號(hào)的有效值為

1.2 暫降現(xiàn)象的檢測(cè)

當(dāng)信號(hào)穩(wěn)定無(wú)暫降時(shí)，ΔUi=0，U-Up=0。當(dāng)若

即滿足式（7）的條件時(shí)，表明發(fā)生電壓暫降。當(dāng)采用有效值進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，必然會(huì)有一定時(shí)間的滯后，而采用文中的差值方法進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，每采樣1個(gè)數(shù)據(jù)，由進(jìn)行上述計(jì)算可知，當(dāng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，在1/M個(gè)被測(cè)信號(hào)周期內(nèi)即可檢測(cè)出電壓暫降現(xiàn)象。

1.3 暫降深度的計(jì)算

當(dāng)發(fā)生暫降現(xiàn)象時(shí)，可根據(jù)電壓暫降深度（depth of voltage dips[9]）的定義計(jì)算暫降深度，即

式中：U為暫降發(fā)生后的電壓有效值；Uref為額定電壓有效值。

由式（3）可知，要得到暫降深度值，需有1個(gè)信號(hào)周期的延遲。由于對(duì)稱信號(hào)的正負(fù)半周的絕對(duì)值是相同的，為加快檢測(cè)速度，可將數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)度縮短至M。此時(shí)相應(yīng)的計(jì)算公式為

1）計(jì)算當(dāng)前采樣信號(hào)絕對(duì)值與前半個(gè)周期信號(hào)絕對(duì)值的差值

或

2）計(jì)算當(dāng)前半周期內(nèi)信號(hào)的平均值

3）計(jì)算前半個(gè)周期內(nèi)信號(hào)的平均值

1.4 暫降持續(xù)時(shí)間計(jì)算

根據(jù)差值計(jì)算公式（2）或（9），當(dāng)電壓出現(xiàn)暫降時(shí)，會(huì)出現(xiàn)負(fù)的差值信號(hào)，當(dāng)差值信號(hào)幅值滿足式（7）時(shí)，記錄發(fā)生電壓發(fā)生暫降事件的時(shí)間為T1；當(dāng)電壓恢復(fù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)正的差值信號(hào)，當(dāng)差值信號(hào)幅值滿足式（7）時(shí)，記錄電壓恢復(fù)的時(shí)間為T2，則可得電壓暫降持續(xù)時(shí)間T為

2 檢測(cè)裝置開(kāi)發(fā)

2.1 檢測(cè)裝置硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述基于滑動(dòng)窗的電壓暫降檢測(cè)的方法，設(shè)計(jì)了電壓暫降監(jiān)測(cè)裝置，如圖2所示。裝置的硬件系統(tǒng)由電力信號(hào)變換單元、測(cè)頻與同步單元、數(shù)據(jù)采集單元、計(jì)算處理單元、人機(jī)交互單元、通信單元、報(bào)警輸出等7個(gè)部分構(gòu)成。

圖2 電壓暫降檢測(cè)裝置硬件構(gòu)成Fig.2 Hardware formation of voltage dips detection device

電力信號(hào)變換單元使用電壓/電流精密互感器將電網(wǎng)上的三相電壓/電流經(jīng)變換為弱的模擬電壓信號(hào)，并濾除高次雜波，同時(shí)提供方波信號(hào)給測(cè)頻與鎖相環(huán)電路。

測(cè)頻與同步單元將電壓信號(hào)變換方波信號(hào)，提供給DSP的高速輸入口，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)頻率的監(jiān)測(cè)。同時(shí)，通過(guò)鎖相環(huán)PLL（phase lock loop）提供AD采樣啟動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的M倍頻采樣。

數(shù)據(jù)采樣單元將電壓、電流等模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)。為了提高采樣精度，且便于實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的采樣，選用美國(guó)ADI公司的16位獨(dú)立A/D轉(zhuǎn)換器AD7606。該芯片可實(shí)現(xiàn)8通道同步采樣，雙極性模擬信號(hào)輸入，輸入電壓范圍為-5～5 V或-10～10 V。

計(jì)算處理單元為滿足電壓暫降監(jiān)測(cè)大量的數(shù)據(jù)計(jì)算要求，保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性，選用美國(guó)TI公司的TMS320F28335型DSP，它可以滿足32位浮點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)處理的需要。

人機(jī)交互單元選用DWIN公司的觸摸屏DMT48270作為人機(jī)接口單元，其為彩色高分辨率觸摸屏，用于監(jiān)測(cè)參數(shù)與曲線顯示。

通信單元采用W5300硬協(xié)議棧以太網(wǎng)通信芯片進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)與后臺(tái)機(jī)的信息交互，方便通過(guò)后臺(tái)機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)信息的分析與處理。此外，還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取各節(jié)點(diǎn)的電壓暫降信息，便于電網(wǎng)故障分析及電能質(zhì)量綜合管理。

報(bào)警輸出單元當(dāng)監(jiān)測(cè)到電壓暫降時(shí)，可通過(guò)報(bào)警輸出單元進(jìn)行報(bào)警提示。

2.2 檢測(cè)裝置軟件開(kāi)發(fā)

電壓暫降監(jiān)測(cè)裝置的軟件包括初始化程序、主程序、頻率測(cè)量與數(shù)據(jù)采集程序、電壓暫降監(jiān)測(cè)程序、人機(jī)交互程序與TCP/IP通信程序等。

DSP通過(guò)對(duì)測(cè)頻方波信號(hào)上升沿的捕獲，并根據(jù)相鄰兩次捕獲值計(jì)算出電網(wǎng)周期，進(jìn)而得到電網(wǎng)頻率；同時(shí)在PLL電路的控制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的同步采樣。每當(dāng)DSP獲取到1個(gè)新的采樣數(shù)據(jù)，就執(zhí)行1次電壓暫降檢測(cè)程序，判斷是否有暫降發(fā)生并計(jì)算暫降的特征量。通信程序用于將測(cè)量與電壓暫降的相關(guān)信息送至后臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

根據(jù)上述電壓暫降檢測(cè)方法，單相電壓暫降的檢測(cè)流程如圖3所示。當(dāng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，記錄暫降發(fā)生時(shí)刻的事件，計(jì)算暫降深度、持續(xù)時(shí)間等特征量，并啟動(dòng)故障錄波，記錄電壓暫降波形。為保障暫降檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，每個(gè)信號(hào)周期采樣128點(diǎn)。

圖3 電壓暫降監(jiān)測(cè)程序流程Fig.3 Voltage dips monitoring program flow chart

3 電壓暫降檢測(cè)試驗(yàn)及其結(jié)果

通過(guò)三相功率信號(hào)源模擬電網(wǎng)中的短路故障，電壓有效值為100 V/50 Hz，分別給出了8種不同情況下的電壓暫降情況（見(jiàn)表1），以檢驗(yàn)文中所述方法及裝置的檢測(cè)效果。

表1 電壓暫降檢測(cè)條件Tab.1 Conditions for voltage dips detection test

檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，其中在情況7的條件下檢測(cè)波形如圖4所示。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，暫降深度及持續(xù)時(shí)間的檢測(cè)結(jié)果與預(yù)設(shè)值一致；檢測(cè)延時(shí)與暫降深度及暫降發(fā)生時(shí)間有關(guān)，檢測(cè)延時(shí)最小為0 ms，最大為2.5 ms。

表2 電壓暫降檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Detection results of voltage dips

圖4 情況7條件下的檢測(cè)波形Fig.4 Detection waveform under condition 7

4 結(jié)語(yǔ)

在有效值檢測(cè)算法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于滑動(dòng)數(shù)據(jù)窗的電壓暫降檢測(cè)方法；采用有效值計(jì)算暫降深度，差值電壓確定暫降發(fā)生時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間；并設(shè)計(jì)了電壓暫降監(jiān)測(cè)裝置，進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果表明，文中所述方法能夠?qū)﹄妷簳航档奶卣髁窟M(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)，檢測(cè)速度快、精度高；是一種簡(jiǎn)單可行的電壓暫降檢測(cè)方法。