基于正弦波波形的电网电压监测.pdf 6页

'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn法才基于正弦波波形的电网电压监测*秦松林（上海交通大学电子信息与电气工程学院200030）5摘要：本文提出了基于正弦波波形的工频电压在线监测方法。这是一种能同时监测由于工频电压的幅值、频率、相位的变化或外来干扰产生的实时工频电压畸变的方法。同时文章还提出一个关于实时电压监测的一个新概念-有效监测时间。这应该是一个关于各类监测仪或监测方法是否能真正实现全面有效监测的一个性能参数。10关键词：高电压技术，工频电压监测，正弦波形，有效监测时间中图分类号：TM835GridvoltagemoniteringbasedonSinewavewaveformQINSonglin15(SchoolofElectronicinformationandElectricalengineering,ShanghaiJiaoTongUniversity200030)Abstract:Inthispaperpresentsamethodofon-linemonitoringofpowerfrequencyvoltagebasedonsinewavewaveform.Thisisamethodthatcansimultaneouslymonitorthereal-timefrequencyvoltagedistortionduetothemagnitude,frequency,phasechangeorexternaldisturbanceofthepower20frequencyvoltage.Atthesametimethearticlealsopresentsareal-timevoltagemonitoringonanewconcept-effectivemonitoringtime.Thisshouldbeaperformanceparameteronwhetheravarietyofmonitorsormonitoringmethodscantrulyachievefullandeffectivemonitoring.Keywords:Highvoltageengineering;ACvoltagemonitoring;Sinewave;effectivemonitoringtime250引言电能质量是供电方和用电方都很关心的一个话题。目前电能质量的监督是以频域测量为基础的，以交流电压所包含的高次谐波的多少和幅值大小以及它们的总和来衡量。频域测量[1]一般用于稳态的连续的信号，对于暂态的电能质量问题难于有效地监测。电力系统提供的交流电源是50Hz正弦波，所以电能质量也是可以用时域测量来处理。30基于正弦波波形的电网电压监测就是利用时域测量来实现监测。它是以标准正弦波波形为样板与被监测信号进行比较来实现监测。如果被监测信号内包含高次谐波多，且谐波幅值大；则该信号的正弦波波形必然失真也大，就不容易通过上述的实时波形比较而触发报警信号。毫无疑问，这种方式具有最及时的响应，更能满足暂态的电能质量的监测。351基本原理1.1一般直流电压的监测直流电压监测只有一个参数即幅值，相对比较容易实现，其数学表达式如下：U−δU≤U≤U+δU(1)cic作者简介：秦松林（1949-），男，高级工程师，主要研究方向：高电压试验、高电压测量的方法及设备和新技术在高电压工程中的应用.E-mail:slqin@sjtu.edu.cn-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn这里Uc是基准值，输入Ui的合理波动范围为2δU，如果被监测输入电压超限，监测系统至40少应该发出报警信号，并记录在案。要实现式（1）使用“双限比较器”即可，见图1；(a)双限比较器(b)双限比较器的v-t图(a)Doublelimitcomparator(b)Thev-tgraphofthedoublelimitcomparator图1直流电压监测原理图45Fig.1DCvoltagemonitoringschematic[2]这里的“双限比较器”可以是由模拟电子器件组成的模拟功能模块，也可以是单片机组成的数字功能模块。只要输入电压值超出“双限比较器”预置的下限VR1或上限VR2即可输出报警信号VC，而输出的报警信号就可以驱动继电器或触发数字模块。1.2一般交流电压的监测50对于交流电压至少有幅值、频率和相位三个参数可用于监测。但目前对交流电压的监测一般是基于交流有效值测量，所以其实际功能是仅能监测幅值变化产生的影响。其数学表达式如下：U−δU≤U≤U+δU(2)cirmsc图2、图3实际都是基于交流有效值测量的方案。前者是使用AD536、AD736等有效55值-直流电压变换集成电路模块并加上“双限比较器”的技术路线；后者是使用交流采样加上[3]数值计算有效值和数字比较，实际就是数字化测量的技术路线。由于有效值测量有一个平均过程，所以有效值测量一定会有时间滞后，同时输入端上的短时暂态异常很可能被忽略。对于图3的方案还有一个问题是：假设数字化技术使用的MCU是单核芯片，同时ADC是非智能A/D转换芯片，则当ADC完成一定时长的A/D转换后，MCU将转而进行数值计算60和数值处理工作，此时ADC会停止工作。而在ADC停止工作期间内输入端的信号就不会通过ADC进入系统，也就意味着这个电压监测系统在这个时间段内是停止了对被监测信号进行监测。假设MCU数值计算和数值处理的时间与ADC转换所用时间相当，则意味着这个系统实际上只有50%的时间在进行有效的监测。65图2基于交流有效值测量的交流电压监测Fig.2ACvoltagemonitoringBasedonACRMSmeasurement-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn图3基于交流采样的交流电压监测Fig.3ACvoltagemonitoringisbasedonACsampling701.3基于正弦波波形的工频电压监测基于正弦波波形的工频电压监测的数学表达式是一个带有时间参数t的表达式，如下：Usin(ωt)−δU≤Usin(ωt)≤Usin(ωt)+δU(3)cic图4就是基于式(3)原理的工频电压监测，75图4(a)v-t图图4(b)示波图Fig.4(a)V-tdiagramFig.4(b)Oscillogram图(4)c放大的v-t图1图(4)d放大的v-t图2Fig.4(c)Magnifiedv-tdiagram1Fig.4(d)Magnifiedv-tdiagram280图4基于正弦波波形的交流电压检测原理图Fig.4TheprincipleofACvoltagemonitoringbasedonSinewaveform从图4可以很容易理解基于正弦波波形的工频电压监测的原理和工作方式。对于每一个测量点都有相应的一对上、下限值，这些上下限值是通过标准正弦函数计算得来，所以这样的监测方式是最快、最灵敏得。这样的监测可以是每一次测量（一次AD转换）后就进行，85也可以是记录若干个周波后对整个数组（测量点）统一进行。前者的及时性最好，而后者的方式在时效上会慢一点，但所记录的一定时长波形更便于用于事后的分析。1.4同步与触发正弦波有幅值、频率和相位三个参数，图４的三个正弦波波形只要频率和相位相同就可以实现三个正弦波波形的同步。只有当三个波形同步后才能正确地实现一个一个测量点的90比较。但在实际的电压监测仪中上、下两个正弦波是由计算机通过正弦函数计算得来，而中-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn间的监测信号是由实际被监测电压通过仪器的输入电路和ADC转换得到。为了实现这样三个波形的同步就需要使用示波器的触发技术来实现。[4][5]一般示波器触发的主要功能就是捕获特定的波形和确定时间参考零点。从图4(c),(d)可见被监测信号的上升沿过零点就是参考时间零点。所以所有的上下限值点的计算起点就是95这个上升沿过零点，因此这个点也就是ADC采样的触发点（起点）。如果是三相电压监测则可以选用A相为触发源和同时以这个触发点为A相的计算起点；B、C相的计算起点则作±120度的相移即可。通常中、高端的数据采集卡就可能具有这样的触发功能。只有具有稳定的触发才可能进行有效的基于正弦波波形的交流电压监测。1.5采样率与采样长度100从图4可以看出对于采样率要求：首先是要有足够的稳定性。因为每一对比较点的数值是计算出来的，如果采样点不稳定就会产生太多误报导致监测失败。其次，为了监测工频电压需要多大的采样率呢？如果采样率高，就可能使记录数据太长，而采样率低了可能不能满足监测频域的需要。如果仅要求监测电能质量则15~20ks/s即可，而要求监测外过电压的影响就需要50ks/s以上。105由于需要进行触发采样所以数据转换是一种有限长度采样。长度是指每一次采样转换的数据长度。对于工频电压来讲可以用工频周波数来表达，例如5个周波或10个周波。如果采样率50ks/s，则上述5或10个周波就变为5000或10000个数据。采样长度太长对于被监测电压的频率变化会太敏感。例如，工频5个周波的长度就可能响应02~0.3Hz的变化。1.6有效监测时间110使用电压监测仪对某个特定电压进行监测的一个隐含要求是：100%实时有效进行。但在使用数字化测量技术后这个要求有点困难了，例如1.2节所描述的情况，但至少需要尽可能地接近100%。提出有效监测时间的概念就是为了有一个参数用于描述电压监测仪在这方面的性能。有效监视时间主要取决于监测仪中ADC转换器的工作时间。下面以一个具体案例来说明。115如果一个工频电压监测仪的采样长度为5个周波，即100mS。当一次采样结束后，下一次的采样要等待一个周波后才开始下一次的采样。这样每六个周波才有一个5周波的采样，所以有效监测时间为5/6，即0.83。原因是100mS采样结束点就是采样触发点，ADC转换器错过采样触发点后，ADC转换器必须等待一个周波才能有下一个触发点开始采样。但如果让采样提前结束，例如96mS结束，则等待4mS后就有下一个采样触发点可以开始120采样。这样每100mS有96mS的采样，所以有效监测时间为0.96，大大提高了有效监测时间。这仅是一个从设计人员角度看有效监测时间。而更重要的是用户根据监测仪的数据判断被监测电压状态是需要参考这台监测仪的有效监测时间。2实验和实验结果实验的监测对象为实验室三相380V动力电源。通过三相调压器将输入电压降低到100V125标准电压为输入电压。输入电压通过信号调理电路进一步降低到10V以下供数据采集卡进行AD转换。最后输出的数据是幅值为1的正弦波。作为比较基准的也同样是幅值为1的正弦波。实验时的容差(δU)为7%图5是一个完整波形记录，总长96.5mS，5个周波差一点。由于有一个小脉冲超过限-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn值才产生了这个记录。图中红点标示超限位置，根据这个位置点和文件名的时间可以精确计130算这个脉冲发生的时间。图6是这个脉冲的局部放大图。图5一个完整的实验波形记录Fig.5Acompleteexperimentalwaveformrecord135图6图5记录波形的局部放大图Fig.6ThepartialmagnificationofthewaveformofFig.5容差(δU)的数值对产生的异常波形数据记录的数量有很大得影响。容差(δU)的数值偏小，被监测信号的波动大，就可能产生大量的数据记录。容差(δU)数值大一点，产生的数据记录会少一点。所以容差(δU)的数值应根据具体的情况而定。对于图5的实例，如果容差(δU)140设为9%，则图5的记录可能就不会产生。图7是一个两相电压同时超过限值产生的记录，由于B相电压并没有超过限值所以没有记录。这很可能是某个单相380V用电设备合闸瞬间产生的电压波动。-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn(a)A相记录(b)C相记录(c)C相局部放大145(a)Aphaserecord(b)Cphaserecord(c)Cphasepartialamplification图7一个两相波形记录Fig.7Atwo-phasewaveformrecord3结论基于正弦波波形的电网电压监测技术具有实时、全面捕获被监测电网电压在运行过程中150产生的异常现象，并有效记录发生的时间和具体波形。无论是由于幅值、频率或相位引起的电压异常，在记录的波形图上都可以直接显示。基于正弦波波形的工频电压监测更是特别适合暂态异常现象的捕获和记录。有效监测时间应该成为评价一台监测仪性能的一个重要参数。不仅监测仪设计人员需要注意，监测仪的用户也应该重视这个参数。155[参考文献](References)[1]刘伟伟,王巍,李宁,杨刚.基于Hilbert变换的暂态扰动信号定位方法研究[OL].[2010-4-27].http://www.paper.edu.cn/html/releasepaper/2010/04/1000/[2]李清泉,黄昌宁,集成运算放大器原理与应用[M].北京，科学出版社，1980年[3]刘军,陈静.基于交流采样的电网电压智能监测仪设计[J].电子设计工程2009，17（6）：16059-60页[4]孙灯亮.数字示波器原理和应用[M].上海，上海交通大学出版社，2012年[5]韩广兴.图解示波器使用方法和应用技巧[M].北京，中国电力出版社，2007年-6-'