CN104931850A - 一种基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法，将三相电压转变成一维的时变复变量，利用DFT构造出幅值、谐波和相角特征量可对电压暂降进行检测、表征并对引起暂降的扰动源进行辨识，空间矢量的三维可视化描述对暂降的全局进行详细表征，本发明每个阶段分析所用的变量少，计算量小，易于工程实现，对深入***地分析和研究电压暂降问题，进一步对电压暂降进行控制和治理，从而保证对用户的优质供电，提高和改善电能质量，促进智能电网的发展具有重要现实意义。

Description

一种基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法

技术领域

    本发明涉及一种电压暂降扰动源辨识法，具体是一种基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法。

背景技术

目前，己有的电压暂降扰动源辨识方法将三相电压看作为三个变量分析，与理想中的自动分析暂降分析方法还有不小的差距，本发明提出一种基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法，包括以下步骤：

（1）获得原始数据，包括三相电压瞬时值和***频率；

（2）利用公式 （1）对数据进行空间向量变换，得到电压空间矢量和零序分量x ₀ (t)；

（3）根据公式（7）得到相应参数r _maj、r _min和φ _inc；

（4）设定阈值r _min=0.9，利用基波参数对小于阈值的电压暂降用分割算法，进一步进行分析，确定副轴幅值突变点个数；

（5）副轴幅值突变点只有一个的为电动机启动或变压器激磁引起的电压暂降，否则，为故障引起的电压暂降，转入步骤（7）；

（6）形状因子SI没有明显变化的为电动机启动引起的暂降，否则，为感应电机启动引起的电压暂降；

（7） 进一步对由故障引起的电压暂降进行分类、描述，由SI判断是否是平衡故障引起的暂降，然后根据倾斜角判断暂降发生的相别，若角度相同，根据主轴和零序电压判断暂降类型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：将三相电压转变成一维的时变复变量，利用DFT构造出幅值、谐波和相角特征量可对电压暂降进行检测、表征并对引起暂降的扰动源进行辨识，空间矢量的三维可视化描述对暂降的全局进行详细表征，该方法每个阶段分析所用的变量少，计算量小，易于工程实现，对深入***地分析和研究电压暂降问题，进一步对电压暂降进行控制和治理，从而保证对用户的优质供电，提高和改善电能质量，促进智能电网的发展具有重要现实意义。

附图说明

图1为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中Clark变换图。

图2为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中电压空间矢量复平面轨迹形状图。

图3为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中两相故障引起暂降VSV的 rmin变化图。

图4为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中两相故障引起暂降VSV的SI变化图。

图5为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中A类型不平衡暂降的示意图。

图6为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中B类型不平衡暂降的示意图。

图7为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中C类型不平衡暂降的示意图。

图8为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中D类型不平衡暂降的示意图。

图9为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中E类型不平衡暂降的示意图。

图10为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中F类型不平衡暂降的示意图。

图11为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中G类型不平衡暂降的示意图。

图12为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中B类型电压暂降复平面轨迹图。

图13为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中变压器激磁引起暂降VSV的rmin 变化图。

图14为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中变压器激磁引起暂降VSV的SI变化图。

图15为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中感应电机启动引起暂降VSV的 rmin变化图。

图16为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中感应电机启动引起暂降VSV的SI变化图。

图17为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中倾斜角φinc对应的不平衡故障图。

图18为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中电压暂降仿真***图。

图19为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中电压暂降的可视化描述所测多级电压暂降波形图。

图20为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中电压暂降的可视化描述椭圆轨迹副轴变化情况图。

图21为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中电压暂降的可视化描述形状因子图。

图22为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中电压暂降的可视化描述柱状图。

图23为基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法中电压暂降的可视化描述极坐标图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例中，请参阅图1，Clark变换将三相瞬时变量变换到二维静止正交αβ坐标系中:

  (1)

表示为矢量形式：

  (2)

           (3)

其中，为电压空间矢量，x ₀ (t)为零序分量，系数2/3使得两个变换坐标系的幅值保持不变。假设在故障前中后各个阶段，三相***的电压基波和各次谐波是正弦量。通过欧拉公式变化，可将电压空间矢量分解成两个正交旋转分量：

         (4)

其中，*表示共轭，进一步表示为：

     (5)

     (6)

如式(4)所述，电压空间矢量在复平面的轨迹由正交的两个旋转分量的幅值和初始角决定。正常情况下，三相平衡***电压的空间矢量只有正序旋转分量，其电压空间矢量在复平面的轨迹是半径为标准电压的圆。

若***因发生不平衡故障产生电压暂降，由于正负序旋转分量的幅值不相等，复平面的轨迹为椭圆。如图2所示，其主轴、副轴以及倾斜角的定义如下：

          (7)

若发生三相平衡暂降，负序分量的幅值为零，r _min= r _maj，其电压空间矢量在复平面的轨迹是半径小于标准电压的圆。正负序分量的幅值相同时，r _min=0，对应的轨迹为一条直线。为了能简单的描述电压空间矢量的轨迹，引入形状因子SI(shape index)：

       (8)

短路故障引起的电压暂降在开始和结束时刻均有幅值的突变，且同时通常会伴有较大的相位跳变。对于单相或者两相故障，非故障相也会出现一定的幅值下跌。此外，故障类型的变化或继电保护动作导致的***结构的改变，会进而引起多级电压暂降。由故障引起的电压暂降较深，幅值一般低于0.7pu。图3-4为两相故障引起的电压暂降电压空间矢量r _min与SI变化的仿真结果。

如图5-11所示，将短路故障造成的暂降分为7个类型。其中暂降A类型、B类型、C类型和E类型是四种基本暂降类型分别由三相短路、单相短路、相间短路和两相接地故障引起；D类型由B类型或C类型经过变压器的传输引起；F类型和G类型是由E类型经过变压器的传输引起。参数d表示暂降深度，根据发生电压暂降比较严重的相别数，将其分为单相暂降(B类型、D类型、F类型)、两相暂降(C类型、E类型、G类型)和三相暂降(A类型)。

不同故障类型引起的暂降，其VSV特征量不同。以a相发生故障的B类型暂降为例：

             (9)

对(9)进行欧拉公式变换，利用式(2)和(3)可得：

    (10)

由式(7)可得：

r _maj=V，r _min=(1-2/3d)V，φ _inc =π/2

其电压空间矢量在复平面的轨迹如图12(a)所示。当b相和c相发生电压暂降时，轨迹如图12(b) 和12(c)，椭圆主轴和副轴大小相同，仅倾斜角φ _inc不同。

利用电压空间矢量表示的由故障引起的各种暂降类型的参数见表1。表中d与图5-11中的d相同，均表示暂降深度；n代表相别：单相故障时n表示故障相，两相故障时n表示非故障相，且相别a、b、c分别对应1、2、3。

表1不同故障引起电压暂降的空间矢量特征

由于谐波的影响，变压器激磁引起的电压暂降电压空间矢量r _min与SI变化的仿真结果如图13-14所示，由于变压器投运时三相电压初相角始终相差120^o和正负半周不对称，故变压器激磁在引起暂降的同时会形成较大谐波分量，且三相暂降幅值始终是不平衡的。其电压暂降程度与开关合闸时刻、铁心中的剩磁和网络阻尼有关，电压暂降幅值不会低于0.85pu。根据实际试验所得数据可知，变压器激磁产生的电压暂降波形中有大量的二次、三次和四次谐波。

图15-16为感应电机启动引起的电压暂降电压空间矢量r _min与SI变化的仿真结果，感应电动机的启动电流接近于其稳态运行时的5~10倍，可造成电压暂降。启动电流大是引起电压暂降的根本原因，但它并不是电压暂降程度的决定因素，电压暂降的程度还与感应电动机的容量、上级变压器容量、启动方式及负荷等因素有关，电压暂降幅值不会低于0.8pu。由于它是平衡负荷，引起的电压暂降三相基本均衡。电压是随着启动电流的逐渐恢复而恢复的，因此该类电压暂降只具有一次幅值突变。

一种基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法，包括以下步骤：

（1）获得原始数据，包括三相电压瞬时值和***频率；

（2）利用公式（1）对数据进行空间向量变换，得到电压空间矢量和零序分量x ₀ (t)；

（3）根据公式（7）得到相应参数r _maj、r _min和φ _inc；

（4）设定阈值r _min=0.9，利用基波参数对小于阈值的电压暂降用分割算法，进一步进行分析，确定副轴幅值突变点个数；

（5）副轴幅值突变点只有一个的为电动机启动或变压器激磁引起的电压暂降，否则，为故障引起的电压暂降，转入步骤（7）；

（6）形状因子SI没有明显变化的为电动机启动引起的暂降，否则，为感应电机启动引起的电压暂降；

（7） 进一步对由故障引起的电压暂降进行分类、描述，由SI判断是否是平衡故障引起的暂降，然后根据倾斜角判断暂降发生的相别，若角度相同，根据主轴和零序电压判断暂降类型；

如图17所示，对于不平衡暂降，倾斜角φ _inc可以确定发生暂降的具体相别。S(single)表示单相，D(double)表示两相。

在Matlab/Simulink下建立的仿真***如图18所示。电压等级配置为110/10.5/0.38 kV。负荷均为恒功率模型，无功为感性无功，功率因数为0.9。变压器T1、T2采用Yn/Y型接线，T3、T4 采用 Y/Y 型接线方式，T2考虑了变压器的铁心饱和特性。线路上F表示故障点； K1、K2表示三相开关；负载端的M表示感应电机(PN=15kW转，转速为1460r/min)，电压波形数据采至低压侧(0.4 kV)的M1 测量点。

通过改变仿真***的参数仿真三类电压暂降情况，对于短路故障，改变故障位置、线路负荷、故障起始时刻及过渡电阻的大小；对于感应电动机启动，改变启动时刻、线路负荷及上级变压器容量；对于变压器 T2 投运，改变投运时刻、线路负荷及变压器容量，分别获取了三类电压暂降共400个样本数据。从表2的仿真结果可以看出本发明提出的暂降源的辨识法准确率完全满足电压暂降扰动源的辨识要求。

表3仿真结果

为了更详细的描述暂降的全过程，将电压空间矢量在复平面的轨迹随时间的变化用三维效果表示。如图19所示，电压信号一开始为不平衡的三相电压暂降，随着电压的继续变化逐渐演变为平衡暂降。如图20所示，三个幅值变化点将空间矢量的副轴分为四个阶段，可知为短路故障造成的多级暂降。

进一步分析由DFT可得，暂降第一阶段，SI=0.78可判断为非平衡暂降，正负旋转分量分别为和，φ _inc=88^o，对照图17可知发生暂降的相别为a，x ₀ (t)=0，主轴副轴分别为r _maj=1pu和r _min=0.78pu，综上可判断暂降类型为B，暂降幅值为0.33pu。暂降第二阶段，SI=1可判断为三相平衡暂降，r _maj= r _min =0.5pu,暂降类型为A，暂降幅值为0.5pu。

如图22-23所示，可直观地了解暂降的变化过程以及暂降的严重程度。极坐标图中倾斜角将近为90^o的椭圆和半径为0.5pu的圆验证了上述分析方法的正确性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方。

Claims (1)

1.一种基于电压空间矢量的电压暂降扰动源辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）获得原始数据，包括三相电压瞬时值和***频率；

（2）利用公式 （1）对数据进行空间向量变换，得到电压空间矢量和零序分量x ₀ (t)；

（3）根据公式（7）得到相应参数r _maj、r _min和φ _inc；

（4）设定阈值r _min=0.9，利用基波参数对小于阈值的电压暂降用分割算法，进一步进行分析，确定副轴幅值突变点个数；

（5）副轴幅值突变点只有一个的为电动机启动或变压器激磁引起的电压暂降，否则，为故障引起的电压暂降，转入步骤（7）；

（6）形状因子SI没有明显变化的为电动机启动引起的暂降，否则，为感应电机启动引起的电压暂降；

（7） 进一步对由故障引起的电压暂降进行分类、描述，由SI判断是否是平衡故障引起的暂降，然后根据倾斜角判断暂降发生的相别，若角度相同，根据主轴和零序电压判断暂降类型。