CN107086584B - 一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器及方法，所述的静止型无功发生器包括电压传感器、电流传感器、采样电路、信号处理电路、主控MCU、电弧故障报警电路、开关量隔离输出电路、IGBT驱动电路和SVG主电路。将故障电弧的电流检测与无功发生器的电流检测部分进行共享，采用同一检测信号，使用共同的主控制单元同时进行故障电弧分析和无功电流计算，使装置能够在故障电弧特征电流被补偿前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。其中的故障电弧检测方法利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，可以有效排除非线性负载的干扰，同时采用四种判断手段进行判断，准确检测出故障电弧。

Description

一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器及方法
技术领域
本发明涉及电能质量检测管理技术领域，特别涉及一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器及方法。
背景技术
随着我国经济的不断发展，生产生活所需各种用电设备不断增多，相应的，电力***的组成部分越来越多，工作状态也更加复杂多变，这就极大地增大了电力***故障的发生概率。故障电弧在电气类火灾成因中占据了相当大的比例，因此，及时准确地发现故障电弧的出现对保障安全生产和百姓生活有着重要的作用。而静止无功发生器(static vargenerator,SVG)作为新型无功补偿设备，具有无功电流调节速度快、运行范围广、谐波含量低等优点，在改善电能质量和无功补偿方面起到了非常重要的作用。
电弧是一种气体放电现象，是电流通过某些绝缘介质所产生的瞬间火花。随着我国经济水平的提高，生活用电量增加迅速，配电***也越来越复杂。由于配电线路空间有限，配电箱中许多导线捆绑一起，当用电处于过负荷状态时会使得电缆绝缘受到损害，进而产生故障电弧引发电气火灾。另外，当线路与线路之间接触不良或环境因数的影响，出现用电通断情况时，连接点处会产生故障电弧进而引发火灾。由于故障电弧的电压有效值与非故障时电压有效值接近，当发生故障电弧时，保护装置将很难发现。
然而，由于静止型无功发生器的安装，电流中的高频谐波分量有可能被补偿掉导致原有故障电弧检测设备无法正常检测到故障电弧，影响故障电弧检测设备的正常工作。
同时，电容、电感、晶闸管、IGBT等非线性负载的使用，会引起电路中的电流谐波，也会使常规的故障电弧检测方法出现漏判、误判。而如果利用谐波含有率的变化率可以排除非线性负载的干扰，用这种方法，重点比较其变化率，若是电路中接入非线性负载，引发谐波含有率增加超限，但其变化率不会超限。只有发生故障电弧时，谐波含有率会剧烈变化，相邻两周期间谐波含有率的变化率会超限，从而判定为故障电弧。目前，还没有这种利用谐波含有率的变化率对故障电弧进行判定的方法。
发明内容
为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器及方法，将故障电弧的电流检测与无功发生器的电流检测部分进行共享，采用同一检测信号，使用共同的主控制单元同时进行故障电弧分析和无功电流计算，使装置能够在故障电弧特征电流被补偿前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。其中的故障电弧检测方法利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，可以有效排除非线性负载的干扰，同时采用四种判断手段进行判断，准确检测出故障电弧。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器，包括电压传感器、电流传感器、采样电路、信号处理电路、主控MCU、电弧故障报警电路、开关量隔离输出电路、IGBT驱动电路和SVG主电路；
所述的主控MCU通过信号处理电路和采样电路连接电压传感器和电流传感器，主控MCU将同一电压和电流采样信号分别经过故障电弧分析和无功电流计算后，分别进行故障电弧报警输出和IGBT控制输出；使装置能够在故障电弧特征电流被补偿掉前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。
所述的主控MCU在输出故障电弧报警的同时还通过开关量隔离输出电路控制电源断路器的断开，故障时切断电源。
所述的SVG主回路为电力电子变流器，包括多组IGBT单元，组成两电平或三电平三相电压源型换流器拓扑，还可以组成分相H桥结构拓扑，所述的主控MCU通过IGBT驱动电路输出IGBT的触发脉冲，实时补偿电网中的无功电流。
一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、***初始化，装置上电；
步骤二、采集***三相电压和三相电流，并将信号送至信号调制处理电路；
步骤三、信号调制处理电路分别对电压和电流信号进行调制处理，并将调制过后的信号送至主控MCU单元；
步骤四、主控MCU单元由采样电流、电压参数计算出***的无功电流数值；同时，对电流信号处理，提取电弧电流特征值；
步骤五、主控MCU单元根据计算的无功电流，得出SVG需要的补偿电流量，生成触发脉冲，控制IGBT，实时补偿电网中无功电流；
同时，主控MCU单元根据经过逻辑计算，对提取电弧电流特征值进行分析判断，如符合故障电弧信号，则向故障电弧预警模块发出指令，并通过输出信号切断电源断路器，切断故障电弧；如不符合则不发出指令，并返回步骤二。
一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器中的故障电弧检测方法，采用四种条件共同判断，并且其中一种判定条件利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，能够在复杂情况下有效检测出故障电弧，包括如下步骤：
步骤1：持续对电流进行采样(根据实际硬件情况，每周期采64或128个点)；
步骤2：电流的采样值为128点每周期或64点每周期。以64点为例，将电流采样值记为I0、I1、……、I63，正常周期电流记为In0、In1、……、In63(采样值和正常值均为标幺值)。计算当前的采样周期电流与正常周期电流的差异参数：
Figure BDA0001311491190000031
将Iper与阈值S1比较，若Iper＞S1，则将采样电流值幅给正常周期电流值，更新正常周期电流值；若Iper＞S1，则进行进一步的分析计算来判断是否由故障电弧发生；
步骤3：计算电流的平均值：
Figure BDA0001311491190000032
用电流的平均值来判断电流的正负半周是否对称。若Iave大于给定阈值S2，则认为波形对称性不满足要求，为波形对称指示参数m1赋值1，否则为m1赋值0；
步骤4：计算采样电流相邻两个采样值的差值：
ΔIk＝Ik+1-Ik(k＝0,1,2……62) (3)
用该差值的最大值Kv＝max[ΔI0，ΔI1，...，ΔI62]来表示电流的最大变化率。若Kv大于阈值S3，则认为电流变化率过大，为电流变化率参数m2赋值1，否则m2赋值为零；
步骤5：计算电流的波型参数：
Figure BDA0001311491190000033
Figure BDA0001311491190000034
其中，α根据实际电流进行设置，一般取正常电流峰值。用电流的波型参数可以表示出电流是否含有平肩部。若Kp大于阈值S4，则认为电流含有平肩部，为平肩部指示参数m3赋值1，否则m3赋值为零；
步骤6：用FFT检测采样电流谐波，计算采样电流高次谐波(此处计算第3、5、7、9次谐波)含有率变化率ΔPn，若ΔPn大于阈值S4，则认为采样电流谐波含量不正常，为谐波指示参数m4赋值为1，否则赋值为0；
步骤7：计算上述步骤3～步骤6中四个指示参数的和，即m＝m1+m2+m3+m4；若m>＝2,故障电弧周波数指示参数sum＝sum+1，若sum>＝6，则触发报警信号；若sum<6，则返回步骤2继续判别；若m<2,则认为没有故障电弧发生，为sum赋值0，并将正常电流更新为此时的采样电流。
步骤6的具体步骤如下：
步骤601.计算出采样周期奇次谐波含有率变化率ΔPn和设定阈值ΔPth比较；谐波含有率定义为
Figure BDA0001311491190000041
其中I1为基波电流，Ih为第h次谐波电流的均方根值，
Figure BDA0001311491190000042
Xh1为第h次谐波电流采样值，M为采样点数，本例中取3、5、7、9次谐波，计算奇次谐波含有率为
Figure BDA0001311491190000043
步骤602.以步骤2判断出的第1个正常工频采样周期电流奇次谐波含有率P为基础值，计算相邻两个工频采样周期电流奇次谐波含有率变化率ΔPn，ΔPn＝Pn-P，两次采样周期之间电流奇次谐波含有率之差为采样周期奇次谐波含有率变化率ΔPn。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器，将故障电弧的电流检测与无功发生器的电流检测部分进行共享，采用同一检测信号，使装置能够在故障电弧特征电流被补偿前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。
2、本发明的一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器及其控制方法，利用同一主控MCU对同一电流数据进行处理，分别计算故障电弧特征值和无功电流值，分别对故障电弧报警电路和SVG的IGBT驱动电路进行控制，完美的实现了用单个设备实现两种功能的同时兼顾使用，有效解决由于无功发生器的使用而造成故障电弧被漏判、误判的问题。
3、本发明的一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器的故障电弧检测方法，利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，可以有效排除非线性负载的干扰，同时采用四种判断手段进行判断，准确检测出故障电弧。
附图说明
图1为本发明的一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器的结构示意图；
图2为本发明的一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器的主控MCU控制结构示意图；
图3为本发明的一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器的实施例的两电平SVG主回路结构图；
图4为本发明的一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器的实施例的三电平SVG主回路结构图；
图5为本发明的一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器的实施例的分相H桥结构SVG主回路结构图；
图6为本发明的一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器中的故障电弧检测方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器，包括电压传感器、电流传感器、采样电路、信号处理电路、主控MCU、电弧故障报警电路、开关量隔离输出电路、IGBT驱动电路和SVG主电路；
如图2所示，所述的主控MCU通过信号处理电路和采样电路连接电压传感器和电流传感器，主控MCU将同一电压和电流采样信号分别经过故障电弧分析和无功电流计算后，分别进行故障电弧报警输出和IGBT控制输出；使装置能够在故障电弧特征电流被补偿掉前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。
所述的主控MCU在输出故障电弧报警的同时还通过开关量隔离输出电路控制电源断路器的断开，故障时切断电源。
所述的SVG主回路为电力电子变流器，包括多组IGBT单元，组成两电平或三电平三相电压源型换流器拓扑，还可以组成分相H桥结构拓扑，所述的主控MCU通过IGBT驱动电路输出IGBT的触发脉冲，实时补偿电网中的无功电流。
如图3所示，为实施例中采用两电平三相电压源型换流器拓扑。拓扑中包含六组IGBT单元。
如图4所示，为实施例中采用三电平三相电压源型换流器拓扑。拓扑中包含十二组IGBT单元。
如图5所示，为实施例中采用分相H桥结构三相电压源型换流器拓扑。拓扑中包含三组IGBT单元。
一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、***初始化，装置上电；
步骤二、采集***三相电压和三相电流，并将信号送至信号调制处理电路；
步骤三、信号调制处理电路分别对电压和电流信号进行调制处理，并将调制过后的信号送至主控MCU单元；
步骤四、主控MCU单元由采样电流、电压参数计算出***的无功电流数值；同时，对电流信号处理，提取电弧电流特征值；
步骤五、主控MCU单元根据计算的无功电流，得出SVG需要的补偿电流量，生成触发脉冲，控制IGBT，实时补偿电网中无功电流；
同时，主控MCU单元根据经过逻辑计算，对提取电弧电流特征值进行分析判断，如符合故障电弧信号，则向故障电弧预警模块发出指令，并通过输出信号切断电源断路器，切断故障电弧；如不符合则不发出指令，并返回步骤二。
如图6所示，一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器中的故障电弧检测方法，采用四种条件共同判断，并且其中一种判定条件利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，能够在复杂情况下有效检测出故障电弧，包括如下步骤：
步骤1：持续对电流进行采样(根据实际硬件情况，每周期采64或128个点)；
步骤2：电流的采样值为128点每周期或64点每周期。以64点为例，将电流采样值记为I0、I1、……、I63，正常周期电流记为In0、In1、……、In63(采样值和正常值均为标幺值)。计算当前的采样周期电流与正常周期电流的差异参数：
Figure BDA0001311491190000061
将Iper与阈值S1比较，若Iper≤S1，则将采样电流值幅给正常周期电流值，更新正常周期电流值；若Iper＞S1，则进行进一步的分析计算来判断是否由故障电弧发生；
步骤3：计算电流的平均值：
Figure BDA0001311491190000062
用电流的平均值来判断电流的正负半周是否对称。若Iave大于给定阈值S2，则认为波形对称性不满足要求，为波形对称指示参数m1赋值1，否则为m1赋值0；
步骤4：计算采样电流相邻两个采样值的差值：
ΔIk＝Ik+1-Ik(k＝0,1,2……62) (3)
用该差值的最大值Kv＝max[ΔI0，ΔI1，...，ΔI62]来表示电流的最大变化率。若Kv大于阈值S3，则认为电流变化率过大，为电流变化率参数m2赋值1，否则m2赋值为零；
步骤5：计算电流的波型参数：
Figure BDA0001311491190000071
Figure BDA0001311491190000072
其中，α根据实际电流进行设置，一般取正常电流峰值。用电流的波型参数可以表示出电流是否含有平肩部。若Kp大于阈值S4，则认为电流含有平肩部，为平肩部指示参数m3赋值1，否则m3赋值为零；
步骤6：用FFT检测采样电流谐波，计算采样电流高次谐波(此处计算第3、5、7、9次谐波)含有率变化率ΔPn，若ΔPn大于阈值S4，则认为采样电流谐波含量不正常，为谐波指示参数m4赋值为1，否则赋值为0；
步骤7：计算上述步骤3～步骤6中四个指示参数的和，即m＝m1+m2+m3+m4；若m>＝2,故障电弧周波数指示参数sum＝sum+1，若sum>＝6，则触发报警信号；若sum<6，则返回步骤2继续判别；若m<2,则认为没有故障电弧发生，为sum赋值0，并将正常电流更新为此时的采样电流。
步骤6的具体步骤如下：
步骤601.计算出采样周期奇次谐波含有率变化率ΔPn和设定阈值ΔPth比较；谐波含有率定义为
Figure BDA0001311491190000073
其中I1为基波电流，Ih为第h次谐波电流的均方根值，
Figure BDA0001311491190000074
Xh1为第h次谐波电流采样值，M为采样点数，本例中取3、5、7、9次谐波，计算奇次谐波含有率为
Figure BDA0001311491190000075
步骤602.以步骤2判断出的第1个正常工频采样周期电流奇次谐波含有率P为基础值，计算相邻两个工频采样周期电流奇次谐波含有率变化率ΔPn，ΔPn＝Pn-P，两次采样周期之间电流奇次谐波含有率之差为采样周期奇次谐波含有率变化率ΔPn。
本发明的一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器，将故障电弧的电流检测与无功发生器的电流检测部分进行共享，采用同一检测信号，使装置能够在故障电弧特征电流被补偿前被采样出来，保证故障电弧的准确检测。
本发明的一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器及其控制方法，利用同一主控MCU对同一电流数据进行处理，分别计算故障电弧特征值和无功电流值，分别对故障电弧报警电路和SVG的IGBT驱动电路进行控制，完美的实现了用单个设备实现两种功能的同时兼顾使用，有效解决由于无功发生器的使用而造成故障电弧被漏判、误判的问题。
本发明的一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器的故障电弧检测方法，利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，可以有效排除非线性负载的干扰，同时采用四种判断手段进行判断，准确检测出故障电弧。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (1)

1.一种具有故障电弧检测功能的静止型无功发生器的控制方法，所述的静止型无功发生器包括电压传感器、电流传感器、采样电路、信号处理电路、主控MCU单元、故障电弧预警模块、开关量隔离输出电路、IGBT驱动电路和SVG主电路；
其特征在于，所述的控制方法为：主控MCU单元通过信号处理电路和采样电路连接电压传感器和电流传感器，主控MCU单元将同一电压和电流采样信号分别经过故障电弧分析和无功电流计算后，分别进行故障电弧报警输出和IGBT控制输出；使装置能够在故障电弧特征电流被补偿掉前被采样出来，保证故障电弧的准确检测；
包括以下步骤：
步骤一、***初始化，装置上电；
步骤二、采集***三相电压和三相电流，并将信号送至信号调制处理电路；
步骤三、信号调制处理电路分别对电压和电流信号进行调制处理，并将调制过后的信号送至主控MCU单元；
步骤四、主控MCU单元由采样电流、电压参数计算出***的无功电流数值；同时，对电流信号处理，提取电弧电流特征值；
步骤五、主控MCU单元根据计算的无功电流，得出SVG需要的补偿电流量，生成触发脉冲，控制IGBT，实时补偿电网中无功电流；
同时，主控MCU单元经过逻辑计算，对提取的电弧电流特征值进行分析判断，如符合故障电弧信号，则向故障电弧预警模块发出指令，并通过输出信号切断电源断路器，切断故障电弧；如不符合则不发出指令，并返回步骤二；
所述的控制方法还包括故障电弧检测方法：采用四种条件共同判断，并且其中一种判定条件利用电流差异参数的判定结果作为前提，采用谐波含有率变化率对故障电弧进行判断，能够在复杂情况下有效检测出故障电弧，包括如下步骤：
步骤1：持续对电流进行采样，根据实际硬件情况，每周期采64或128个点；
步骤2：电流的采样值为128点每周期或64点每周期；将电流采样值记为I0、I1、……、IM-1，M为64或128，M为每周期采样点数，正常周期电流记为In0、In1、……、In(M-1)，采样值和正常值均为标幺值；计算当前的采样周期电流与正常周期电流的差异参数：
Figure FDA0002531965230000011
将Iper与阈值S1比较，若Iper≤S1，则将采样电流值赋给正常周期电流值，更新正常周期电流值；若Iper＞S1，则进行进一步的分析计算来判断是否由故障电弧发生；
步骤3：计算电流的平均值：
Figure FDA0002531965230000021
用电流的平均值来判断电流的正负半周是否对称；若Iave大于给定阈值S2，则认为波形对称性不满足要求，为波形对称指示参数m1赋值1，否则为m1赋值0；
步骤4：计算采样电流相邻两个采样值的差值：
ΔIk＝Ik+1-Ik(k＝0,1,2……M-2) (3)
用该差值的最大值Kv＝max[ΔI0，ΔI1，……，ΔIM-2]来表示电流的最大变化率；若Kv大于阈值S3，则认为电流变化率过大，为电流变化率参数m2赋值1，否则m2赋值为零；
步骤5：计算电流的波型参数：
Figure FDA0002531965230000022
Figure FDA0002531965230000023
其中，α根据实际电流进行设置，用电流的波型参数可以表示出电流是否含有平肩部；若Kp大于阈值S4，则认为电流含有平肩部，为平肩部指示参数m3赋值1，否则m3赋值为零；
步骤6：用FFT检测采样电流谐波，计算采样电流奇次谐波含有率变化率，计算第3、5、7、9次谐波含有率变化率ΔPn，若ΔPn大于阈值ΔPth，则认为采样电流谐波含量不正常，为谐波指示参数m4赋值为1，否则赋值为0；
步骤601.计算出采样周期奇次谐波含有率变化率ΔPn和设定阈值ΔPth比较；谐波含有率定义为
Figure FDA0002531965230000024
其中I1为基波电流，Ih为第h次谐波电流的均方根值，
Figure FDA0002531965230000025
xh1、xh2……xhM为第h次谐波电流采样值，M为每周期采样点数，取3、5、7、9次谐波，计算奇次谐波含有率为
Figure FDA0002531965230000026
步骤602.以步骤2判断出的第1个正常工频采样周期电流奇次谐波含有率P为基础值，计算相邻两个工频采样周期电流奇次谐波含有率变化率ΔPn，ΔP1＝P1-P，ΔPn＝Pn-Pn-1，n>1， 两次采样周期之间电流奇次谐波含有率之差为采样周期奇次谐波含有率变化率ΔPn；
步骤7：计算上述步骤3～步骤6中四个指示参数的和，即m＝m1+m2+m3+m4；若m>＝2,故障电弧周波数指示参数sum＝sum+1，若sum>＝6，则触发报警信号；若sum<6，则返回步骤2继续判别；若m<2,则认为没有故障电弧发生，为sum赋值0，并将正常周期电流更新为此时的采样电流。
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