专利名称：检测电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的方法
技术领域：
本发明涉及一种检测电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的方法，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，严重时会损坏这些设备；不利于分布式发电或微型电网的功率和频率控制
发明内容
本发明目的是提出一种检测电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的方法， 克服已有技术的缺点，以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压信号或电流信号频率和相位的方法，包括以下各步骤(1) 利用传感器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， 采集的信号记为va、vb、v。，利用克拉克变换将va、vb、v。变换为两路信号1、& ；若电力系统为单相系统，采集的信号记为Vin，并将Vin作为信号Va，利用希尔伯特变换得到信号V0 ；(2)设派克变换所需相位纟的初始值为0，对上述两路信号Va、ve进行派克变换得到信号VdnVtll ；(3)根据上述信号Vdl、V(ll，计算Vdl与Vdl延时f/4后信号的平均值Vd2，计算Vd2与Vd2 延时后信号的平均值Vd3，计算Vd3与Vd3延时力/16后的信号平均值Vd4，计算Vd4与Vd4延时 f/32后的信号求平均值Vd5，对Vd5进行低通滤波，得到Vd ；计算V与V延时f/4后信号的平均值、2，计算、2与、2延时后信号的平均值Vtl3，计算 与 延时f/16后的信号平均值 Vq4,计算Vtl4与Vtl4延时#32后的信号求平均值Vtl5，对Vtl5进行低通滤波，得到Vq，其中f为电力系统的工频周期；(4)设电力系统电压信号或电流信号的初相位检测值乡的初始值为0，将上述步骤 (3)得到的Vd与多的正弦值相乘，得到第一计算值，将上述步骤(3)得到的、与多的余弦值相乘，得到第二计算值，将第二计算值减去第一计算值，得到电力系统电压信号或电流信号初相位的实际值P与初相位检测值@的误差，记为 ；(5)对 进行比例积分，得到初相位检测值勞；(6)对上述步骤(3)的Vd求导，使导数与上述步骤(3)的Vq相乘，得到第三计算值，对上述步骤(3)的、求导，使导数与上述步骤(3)的Vd相乘，得到第四计算值，第三计算值减去第四计算值，得到电力系统电压信号或电流信号角频率实际值ω与检测值^的误差“己为βω ；(7)设定一个电力系统电压或电流的扰动阈值vth，对上述步骤(6)的 取绝对值，再求导，得到第五计算值，将第五计算值与扰动阈值Vth进行比较，若第五计算值大于 Vth,则扰动后的Tb时刻内，使 为0，若第五计算值小于或等于vth，则 维持不变，其中Tb 为扰动屏蔽时间；(8)对上述步骤(7)的进行比例积分，得到电力系统电压信号或电流信号角频率的检测值 ；(9)对上述步骤(8)的 进行积分，得到派克变换所需的相位&(10)使上述步骤(5)的初相位检测值乡与上述步骤(9)的斜目加，得到电力系统电压信号或电流信号相位的检测值θ ；(11)使用步骤(5)的电力系统电压信号或电流信号初相位的检测值多和步骤(9) 的派克变换所需相位^，重复步骤⑴ (10)，实现对电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的检测。本发明提出的检测电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的方法，其优点是1、本发明方法具有快速的响应速度和良好的滤波效果，能够在信号频率和相位发生变化后迅速跟踪新的频率和相位，能够在信号受到干扰和污染时准确的获得信号的频率和相位；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力系统的功率和频率控制。


图1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是频率控制滤波的流程图。图4是频率误差重构的流程图。图5是输入三相电压对称且不含谐波时，用本发明方法获得的相位。图6是输入三相电压含有谐波时，用本发明方法获得的相位。图7是输入三相电压含有谐波时，用本发明方法获得的相位。图8是输入三相电压在20ms时刻相位跳变30度，用本发明方法获得的相位。图9是输入三相电压频率在20ms时刻增加1赫兹时，用本发明方法获得的频率。
具体实施例方式本发明提出的检测电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的方法，其流程框图如图1所示，包括以下各步骤(1)利用传感器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， 采集的信号记为Va、Vb, v。，利用克拉克(Clarck)变换将va、vb、vc变换为两路信号να、V0 ； 克拉克变换矩阵为
2( 1 -1/2 -1/2 )C =;丨丨(1)
3^0 V3/2 -V3/2J若电力系统为单相系统，采集的信号记为Vin，并将Vin作为信号να，利用希尔伯特 (Hilbert)变换得到信号V0，如图2所示(2)设派克变换所需相位^的初始值为0，对上述两路信号Va、ve进行派克(Park) 变换得到信号vdl、V(ll，派克变换矩阵为
f ，^ Λ
- cos 汐 sin ^ (θ)=,(2)
、一sin 汐 cos^y式⑵中，力=而，可以利用^通过积分获得，应先将 设为电力系统的额角频率，然后通过闭环不断修正，以得到系统角频率的准确值；(3)根据上述信号vdl、Vtll,延时信号消除算法较之于普通的滤波器具有更好地滤波效果和更快的响应速度，非常适合于滤除直流信号中的低频干扰，多次重复使用延时信号消除算法可以滤除某频率以下的所有谐波，然后再结合低通滤波器，滤除高次谐波和噪声，具体过程如图3所示，首先计算Vdl与Vdl延时f/4后信号的平均值Vd2，计算Vd2与Vd2延时后信号的平均值Vd3，计算Vd3与Vd3延时印6后的信号平均值Vd4，计算Vd4与Vd4延时#32 后的信号求平均值Vd5对Vd5进行低通滤波，得到Vd ；计算 与 延时力/4后信号的平均值 Vq2,计算Vtl2与Vtl2延时f/8后信号的平均值Vtl3，计算Vtl3与Vtl3延时f/16后的信号平均值ν 4， 计算 与 延时#32后的信号求平均值、5，对、进行低通滤波，得到V其中f为电力系统的工频周期(4)设电力系统电压信号或电流信号的初相位检测值多的初始值为0，将上述步骤 (3)得到的Vd与多的正弦值相乘，得到第一计算值，将上述步骤(3)得到的、与多的余弦值相乘，得到第二计算值，将第二计算值减去第一计算值，得到电力系统电压信号或电流信号初相位的实际值P与初相位检测值乡的误差，记为 ；(5)对 进行比例积分，得到初相位检测值勞；(6)对上述步骤(3)的Vd求导，使导数与上述步骤(3)的Vq相乘，得到第三计算值，对上述步骤(3)的、求导，使导数与上述步骤(3)的Vd相乘，得到第四计算值，第三计算值减去第四计算值，得到电力系统电压信号或电流信号角频率实际值ω与检测值 的误差，记为 ，如图4所示；(7)输入信号发生相位突变和频率突变时，频率误差检测环节的输出具有不同的特性，发生相位跳变时具有较陡的上升沿，输入信号幅值突变时，βω同样会产生陡峭的上升沿，这种特性可以用来剔除干扰，保证频率检测的准确性。具体做法是设定一个电力系统电压或电流的扰动阈值vth，对上述步骤(6)的^取绝对值，再求导，得到第五计算值，将第五计算值与扰动阈值Vth进行比较，若第五计算值大于vth，则扰动后的Tb时刻内，使 βω为0，若第五计算值小于或等于vth，则 维持不变，其中Tb为扰动屏蔽时间；(8)对上述步骤(7)的进行比例积分，得到电力系统电压信号或电流信号角频率的检测值 ；(9)对上述步骤(8)的 进行积分，得到派克变换所需的相位&(10)使上述步骤(5)的初相位检测值乡与上述步骤(9)的斜目加，得到电力系统电压信号或电流信号相位的检测值θ ；(11)使用步骤(5)的电力系统电压信号或电流信号初相位的检测值多和步骤(9) 的派克变换所需相位^，重复步骤⑴ (10)，实现对电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的检测。通过仿真结果可以看出1、无论是电压中含有谐波，还是因电网故障造成的电压信号不对称，本发明都能准确地检测输入信号基波正序的相位，图5所示为输入三相电压对称且不含谐波时，使用本发明方法检测得到的相位。图6所示为输入三相电压含有谐波时，使用本发明方法检测得到的相位。图7所示为输入三相电压含有谐波时，使用本发明方法检测得到的相位。2、当输入电压信号相位发生跳变时，仅需IOms左右就可以准确地检测出变化后的相位，如图8所示；输入电压信号频率发生变化时，需要30ms左右就可以准确地检测出频率。图9所示是输入三相电压频率在20ms时刻增加1赫兹时，使用本发明方法检测得到的频率。
权利要求
1. 一种检测电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的方法，其特征在于该方法包括以下各步骤(1)利用传感器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，采集的信号记为va、vb、v。，利用克拉克变换将va、vb、v。变换为两路信号1、& ；若电力系统为单相系统，采集的信号记为Vin，并将Vin作为信号Va，利用希尔伯特变换得到信号V0 ；(2)设派克变换所需相位纟的初始值为0，对上述两路信号Va、V0进行派克变换得到信号 Vdl、Vql ；(3)根据上述信号vdl、、，计算Vdl与Vdl延时以4后信号的平均值Vd2，计算Vd2与Vd2延时以8后信号的平均值Vd3，计算Vd3与Vd3延时f/16后的信号平均值Vd4，计算Vd4与Vd4延时f/32 后的信号求平均值Vd5，对Vd5进行低通滤波，得到Vd ；计算 与 延时力/4后信号的平均值 Vq2,计算Vtl2与Vtl2延时f/8后信号的平均值Vtl3，计算Vtl3与Vtl3延时f/16后的信号平均值ν 4， 计算 与 延时力/32后的信号求平均值Vtl5，对Vtl5进行低通滤波，得到V其中f为电力系统的工频周期；(4)设电力系统电压信号或电流信号的初相位检测值乡的初始值为0，将上述步骤(3) 得到的Vd与乡的正弦值相乘，得到第一计算值，将上述步骤(3)得到的、与乡的余弦值相乘， 得到第二计算值，将第二计算值减去第一计算值，得到电力系统电压信号或电流信号初相位的实际值P与初相位检测值@的误差，记为 ；(5)对 进行比例积分，得到初相位检测值勞；(6)对上述步骤(3)的Vd求导，使导数与上述步骤(3)的、相乘，得到第三计算值，对上述步骤(3)的、求导，使导数与上述步骤(3)的Vd相乘，得到第四计算值，第三计算值减去第四计算值，得到电力系统电压信号或电流信号角频率实际值ω与检测值^的误差，记为βω ；(7)设定一个电力系统电压或电流的扰动阈值vth，对上述步骤(6)的 取绝对值，再求导，得到第五计算值，将第五计算值与扰动阈值Vth进行比较，若第五计算值大于vth，则扰动后的Tb时刻内，使 为0，若第五计算值小于或等于vth，则 维持不变，其中Tb为扰动屏蔽时间；(8)对上述步骤(7)的^进行比例积分，得到电力系统电压信号或电流信号角频率的检测值 ；(9)对上述步骤(8)的 进行积分，得到派克变换所需的相位&(10)使上述步骤(5)的初相位检测值多与上述步骤(9)的^相加，得到电力系统电压信号或电流信号相位的检测值θ ；(11)使用步骤(5)的电力系统电压信号或电流信号初相位的检测值乡和步骤(9)的派克变换所需相位^，重复步骤(1) (10)，实现对电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的检测。
全文摘要
本发明涉及一种检测电力系统中电压信号或电流信号频率和相位的方法，属于电力信号检测技术领域。首先，利用传感器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，利用派克变换和频率控制滤波，然后，分别得到初相位检测值和频率检测值并对积分，得到最后，和相加得到电力系统电压信号或电流信号相位的检测值θ。本方法能够在信号频率和相位发生变化后迅速跟踪新的频率和相位，能够在信号受到干扰和污染时准确的获得信号的频率和相位；有利于电力系统的控制和稳定，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G01R25/00GK102385003SQ201110347668
公开日2012年3月21日 申请日期2011年11月7日 优先权日2011年11月7日
发明者姜齐荣, 王亮 申请人:清华大学