基于滑動數(shù)據(jù)窗的電壓暫降檢測方法與裝置

秦 建 ，王 帥 ，李 劍 ，王 振 ，程遠(yuǎn)楚

（1.國網(wǎng)臺州供電公司，臺州 318000；2.國網(wǎng)浙江臨海市供電公司，臨海 317000；3.武漢大學(xué) 動力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072）

通常把對電氣參數(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)的問題越來越多，在美國每年因電能質(zhì)量產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)數(shù)百億[2]；同時，電能質(zhì)量問題還會影響電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，造成嚴(yán)重的社會影響[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，由電壓暫降造成的經(jīng)濟(jì)損失占全部電能質(zhì)量問題所造成的經(jīng)濟(jì)損失的70%～90%[4]。在歐洲所有關(guān)于電能質(zhì)量問題的投訴中，對電壓暫降的投訴占80%以上[5]。因此，及時檢測電壓暫降現(xiàn)象并加以治理，已成為一個重要的研究方向。

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

1 基于滑動窗的電壓暫降檢測方法

電壓暫降（voltage dip（sag）[9]）是指電壓有效值在很短的時間內(nèi)突然出現(xiàn)明顯下降的現(xiàn)象。美國電氣和電子工程師協(xié)會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。國際電工委員會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]。

對被測交流電壓信號進(jìn)行采樣，每個信號周期采樣M點(diǎn)，設(shè)得到的采樣值為Ui，其中i=0，…，M-1，對每個采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對值計算，即

通過一定的方法進(jìn)行計算，可得到電壓暫降的特征量——暫降深度、持續(xù)時間。

1.1 檢測信號的處理

開辟一個2M的數(shù)據(jù)窗，如圖1所示，用于存放2個采樣周期的采樣數(shù)據(jù)的絕對值。

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

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

計算應(yīng)采樣點(diǎn)相隔1個信號周期的差值為

計算1個周期內(nèi)信號的平均值為

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

前一個周期內(nèi)信號的平均值

同理，可得前一個周期信號的有效值為

1.2 暫降現(xiàn)象的檢測

當(dāng)信號穩(wěn)定無暫降時，ΔUi=0，U-Up=0。當(dāng)若

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

1.3 暫降深度的計算

當(dāng)發(fā)生暫降現(xiàn)象時，可根據(jù)電壓暫降深度（depth of voltage dips[9]）的定義計算暫降深度，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個信號周期的延遲。由于對稱信號的正負(fù)半周的絕對值是相同的，為加快檢測速度，可將數(shù)據(jù)窗長度縮短至M。此時相應(yīng)的計算公式為

1）計算當(dāng)前采樣信號絕對值與前半個周期信號絕對值的差值

或

2）計算當(dāng)前半周期內(nèi)信號的平均值

3）計算前半個周期內(nèi)信號的平均值

1.4 暫降持續(xù)時間計算

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

2 檢測裝置開發(fā)

2.1 檢測裝置硬件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述基于滑動窗的電壓暫降檢測的方法，設(shè)計了電壓暫降監(jiān)測裝置，如圖2所示。裝置的硬件系統(tǒng)由電力信號變換單元、測頻與同步單元、數(shù)據(jù)采集單元、計算處理單元、人機(jī)交互單元、通信單元、報警輸出等7個部分構(gòu)成。

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

電力信號變換單元使用電壓/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，并濾除高次雜波，同時提供方波信號給測頻與鎖相環(huán)電路。

測頻與同步單元將電壓信號變換方波信號，提供給DSP的高速輸入口，實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)頻率的監(jiān)測。同時，通過鎖相環(huán)PLL（phase lock loop）提供AD采樣啟動信號，實(shí)現(xiàn)對被測信號的M倍頻采樣。

數(shù)據(jù)采樣單元將電壓、電流等模擬信號轉(zhuǎn)換數(shù)字信號。為了提高采樣精度，且便于實(shí)現(xiàn)對交流信號的采樣，選用美國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，雙極性模擬信號輸入，輸入電壓范圍為-5～5 V或-10～10 V。

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

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)與后臺機(jī)的信息交互，方便通過后臺機(jī)進(jìn)行監(jiān)測信息的分析與處理。此外，還可通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時獲取各節(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。

報警輸出單元當(dāng)監(jiān)測到電壓暫降時，可通過報警輸出單元進(jìn)行報警提示。

2.2 檢測裝置軟件開發(fā)

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

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

根據(jù)上述電壓暫降檢測方法，單相電壓暫降的檢測流程如圖3所示。當(dāng)發(fā)生電壓暫降時，記錄暫降發(fā)生時刻的事件，計算暫降深度、持續(xù)時間等特征量，并啟動故障錄波，記錄電壓暫降波形。為保障暫降檢測的實(shí)時性，每個信號周期采樣128點(diǎn)。

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

3 電壓暫降檢測試驗(yàn)及其結(jié)果

通過三相功率信號源模擬電網(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（見表1），以檢驗(yàn)文中所述方法及裝置的檢測效果。

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

檢測結(jié)果見表2，其中在情況7的條件下檢測波形如圖4所示。

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

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

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

4 結(jié)語

在有效值檢測算法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于滑動數(shù)據(jù)窗的電壓暫降檢測方法；采用有效值計算暫降深度，差值電壓確定暫降發(fā)生時刻和持續(xù)時間；并設(shè)計了電壓暫降監(jiān)測裝置，進(jìn)行了相關(guān)測試試驗(yàn)。測試結(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，檢測速度快、精度高；是一種簡單可行的電壓暫降檢測方法。