基于滑動數據窗的電壓暫降檢測方法與裝置

秦 建 ，王 帥 ，李 劍 ，王 振 ，程遠楚

（1.國網臺州供電公司，臺州 318000；2.國網浙江臨海市供電公司，臨海 317000；3.武漢大學 動力與機械學院，武漢 430072）

通常把對電氣參數變化比較敏感的用電設備稱為“敏感性負荷”，如高性能、高智能的自動化設備和新型電力電子設備。這些新型高精設備電壓敏感性更強，因此對電能質量提出了更嚴格的要求[1]。隨著這些敏感性負荷的增加，由電能質量引發的問題越來越多，在美國每年因電能質量產生的直接經濟損失高達數百億[2]；同時，電能質量問題還會影響電網的安全可靠運行，造成嚴重的社會影響[3]。

在影響電能質量的眾多因素中，電壓暫降是最主要的因素。據統計，由電壓暫降造成的經濟損失占全部電能質量問題所造成的經濟損失的70%～90%[4]。在歐洲所有關于電能質量問題的投訴中，對電壓暫降的投訴占80%以上[5]。因此，及時檢測電壓暫降現象并加以治理，已成為一個重要的研究方向。

為實現電壓暫降的檢測，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的改進算法、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，實時性較差；αβ變換法容易引起短時擾動，同樣實時性較差；短時傅里葉變換對暫降信號的分析準確度不高，難以實現高效算法；瞬時無功功率理論僅局限于暫降信號持續時間較短的情況[8]。對此文中探討了基于滑動數據窗的電壓暫降檢測方法與裝置開發。

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突然出現明顯下降的現象。美國電氣和電子工程師協會IEEE給出的電壓暫降定義是：供電系統中某一點的工頻電壓有效值突然下降，并達到原額定值的10%～90%，而且在短暫的持續期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大為 1%～90%[10]。

對被測交流電壓信號進行采樣，每個信號周期采樣M點，設得到的采樣值為Ui，其中i=0，…，M-1，對每個采樣數據進行絕對值計算，即

通過一定的方法進行計算，可得到電壓暫降的特征量——暫降深度、持續時間。

1.1 檢測信號的處理

開辟一個2M的數據窗，如圖1所示，用于存放2個采樣周期的采樣數據的絕對值。

每采樣1個數據，將該采樣點對應數據窗中的數據Di′送至后半個數據窗對應位置（i-M）；將此次采樣值的絕對值Di放入前半個數據窗對應位置（i），如圖 1 所示。

圖1 滑動數據窗Fig.1 Sliding data window

計算應采樣點相隔1個信號周期的差值為

計算1個周期內信號的平均值為

由正弦信號平均值與有效值的關系，可得當前周期信號的有效值為

前一個周期內信號的平均值

同理，可得前一個周期信號的有效值為

1.2 暫降現象的檢測

當信號穩定無暫降時，ΔUi=0，U-Up=0。當若

即滿足式（7）的條件時，表明發生電壓暫降。當采用有效值進行檢測時，必然會有一定時間的滯后，而采用文中的差值方法進行檢測時，每采樣1個數據，由進行上述計算可知，當發生電壓暫降時，在1/M個被測信號周期內即可檢測出電壓暫降現象。

1.3 暫降深度的計算

當發生暫降現象時，可根據電壓暫降深度（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半周的絕對值是相同的，為加快檢測速度，可將數據窗長度縮短至M。此時相應的計算公式為

1）計算當前采樣信號絕對值與前半個周期信號絕對值的差值

或

2）計算當前半周期內信號的平均值

3）計算前半個周期內信號的平均值

1.4 暫降持續時間計算

根據差值計算公式（2）或（9），當電壓出現暫降時，會出現負的差值信號，當差值信號幅值滿足式（7）時，記錄發生電壓發生暫降事件的時間為T1；當電壓恢復時，會出現正的差值信號，當差值信號幅值滿足式（7）時，記錄電壓恢復的時間為T2，則可得電壓暫降持續時間T為

2 檢測裝置開發

2.1 檢測裝置硬件實現

根據上述基于滑動窗的電壓暫降檢測的方法，設計了電壓暫降監測裝置，如圖2所示。裝置的硬件系統由電力信號變換單元、測頻與同步單元、數據采集單元、計算處理單元、人機交互單元、通信單元、報警輸出等7個部分構成。

圖2 電壓暫降檢測裝置硬件構成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上的三相電壓/電流經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，實現對電網頻率的監測。同時，通過鎖相環PLL（phase lock loop）提供AD采樣啟動信號，實現對被測信號的M倍頻采樣。

數據采樣單元將電壓、電流等模擬信號轉換數字信號。為了提高采樣精度，且便于實現對交流信號的采樣，選用美國ADI公司的16位獨立A/D轉換器AD7606。該芯片可實現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測大量的數據計算要求，保證數據處理的實時性，選用美國TI公司的TMS320F28335型DSP，它可以滿足32位浮點型數字信號處理的需要。

人機交互單元選用DWIN公司的觸摸屏DMT48270作為人機接口單元，其為彩色高分辨率觸摸屏，用于監測參數與曲線顯示。

通信單元采用W5300硬協議棧以太網通信芯片進行擴展，實現與后臺機的信息交互，方便通過后臺機進行監測信息的分析與處理。此外，還可通過網絡實時獲取各節點的電壓暫降信息，便于電網故障分析及電能質量綜合管理。

報警輸出單元當監測到電壓暫降時，可通過報警輸出單元進行報警提示。

2.2 檢測裝置軟件開發

電壓暫降監測裝置的軟件包括初始化程序、主程序、頻率測量與數據采集程序、電壓暫降監測程序、人機交互程序與TCP/IP通信程序等。

DSP通過對測頻方波信號上升沿的捕獲，并根據相鄰兩次捕獲值計算出電網周期，進而得到電網頻率；同時在PLL電路的控制下，實現對交流信號的同步采樣。每當DSP獲取到1個新的采樣數據，就執行1次電壓暫降檢測程序，判斷是否有暫降發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信息送至后臺計算機系統。

根據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。當發生電壓暫降時，記錄暫降發生時刻的事件，計算暫降深度、持續時間等特征量，并啟動故障錄波，記錄電壓暫降波形。為保障暫降檢測的實時性，每個信號周期采樣128點。

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

3 電壓暫降檢測試驗及其結果

通過三相功率信號源模擬電網中的短路故障，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。

由試驗結果可知，暫降深度及持續時間的檢測結果與預設值一致；檢測延時與暫降深度及暫降發生時間有關，檢測延時最小為0 ms，最大為2.5 ms。

表2 電壓暫降檢測結果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 結語

在有效值檢測算法的基礎上，提出了一種基于滑動數據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生時刻和持續時間；并設計了電壓暫降監測裝置，進行了相關測試試驗。測試結果表明，文中所述方法能夠對電壓暫降的特征量進行準確檢測，檢測速度快、精度高；是一種簡單可行的電壓暫降檢測方法。