CN1742208A - 用于确定闪变源方向的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于确定具有交流电的电网中闪变源相对于测量点的方向的方法，该交流电具有网络频率(f_c)，有来自于闪变源的低频振幅变动。本发明特征在于该方法包含下列步骤：记录调幅电流信号(i(n))，它包含来源于电流信号(i(n))中的网络频率(f_c)和低频振幅变动的信号；记录调幅电压信号(u(n))，它包含来源于电压信号(u(n))中的网络频率(f_c)和低频振幅变动的信号；通过见该点流信号中的低频振幅变动和电压信号中的低频振幅变动相乘得到具有正负号值的闪变功率，正负号值指示在测量点的哪个方向上可以找到闪变源。该方法还包含在实现该方法时所用到的装置。

Description

用于确定闪变源方向的测量方法

技术领域

本发明涉及用于确定具有交流电的电网中闪变源相对于测量点的方向的方法，该交流电具有网络频率，有来自于闪变源的低频振幅变动。本发明还涉及包含用于实行本发明的工具的装置。

背景技术

在发电过程中，使用发电机产生某一频率附近的交流电。电力用户知道电网上包括了什么频率和提供了什么电压。电网用户需要尽可能干净的典礼，也就是需要恰好确定在特定频率和特定电压处的电力。然而，在供应城镇和工厂的普通电网中，通常电网都会包含低频电压变形。当各种器件循环连接到网络中时会发生电压变形，这些器件包含，例如，电容和电感。

大型的大功耗设备——例如感应炉、压缩机、电梯马达、泵等——增加了电网中电压变形量。这些负载经常引起电压有效值的低频(＜25Hz)和周期性波动。这一现象通常称作闪变。闪变最值得注意的影响是白炽灯的光强随闪变所造成的电压变动而波动时所感到的烦扰。研究显示人们对于重复频率在0.5Hz到25Hz范围内的光波动尤为敏感。在最大敏感水平(大约9Hz)处，相对电压变化只需0.25％，人们就能够觉察到白炽灯光在闪烁。闪变问题主要出现在具有超重工业(铁工厂和造纸厂，等)的地区中，但是也会出现在具有弱电网络的地区中以及风力设备附近。

如果是包含闪变的脏电网，那么希望知道闪变源位于何处。电力生产商想显示是用户使得电网变脏并且，在这样的情形中，能够要求用户缴付罚款或纠正这一问题。另一方面，用户当然想表明不是他引起这一问题。另外，用户希望物有所值从而希望表明是电力生产商提供了脏电力。

纠正闪变问题常常是一个昂贵的工作，全部或部分电网需要用，例如，新的和更大的电缆来重新建设以使电网内部阻抗得以减小。纠正这一问题的另一个方法是安装防范措施以应对可疑的闪变。这样的防范措施通常非常昂贵。防范措施的一个例子是“静态无功补偿(SVC)”，它动态控制***中的变化。

存在用于确定电压闪变量的方法，在标准IEC-6100-4-15中有所描述。根据这一标准记录电压闪变的工具通过计算和显示参数lfl、Pst和Plt来显示电压闪变的出现。然而，在该标准或现有测量工具中没有示出闪变源相对于测量点的方向。

因此急需要一种能够确定闪变传播方向的方法和装置。闪变传播方向显示出闪变源是在测量点之上还是之下，从而当要追踪闪变源时极为有用。

发明内容

本发明要解决上面所描述的导致电压有效值周期性波动的低频闪变问题。下面，这种周期性波动称作低频变动或闪变。

通过确定具有交流电的电网中闪变源相对于测量点的方向的方法解决了该问题，该交流电具有网络频率f_c，有来自于闪变源的低频振幅变动。该方法特征在于记录了调幅电流信号和调幅电压信号。调幅电流信号和调幅电压信号都以这样的方式处理：电流和电压中的低频振幅变动都以电流的闪变成分和电压的闪变成分的形式从载波中分离出来。之后电流的闪变成分与电压的闪变成分相乘得到乘积。处理乘积得到闪变功率II，它具有正负号值指示闪变源相对于测量点的方向。

根据本发明实施方案，测量点处闪变功率的正负号值在闪变源位于测量点下方时为负而在闪变源位于测量点上方时为正。

该方法具有两个重要优点：

1.确定了测量点处的闪变功率。通过这一方法可以追踪闪变源。

2.当通过安装在网络中的电压和电流变换器进行测量时该方法也精确。具有闪变的信号的频谱由载波(例如50或60Hz)和位于载波两侧的边带组成，边带频率与载波频率之间的距离相应于闪变频率。整个信号波包(载波和低频信号)的频谱为环绕载波的窄频带，这意味着可通过现有的电流和电压变换器进行测量，因为它们是设计用于网络频率附近最高精度的。

本发明可通过下面所描述的许多方法来实现。

在根据本发明实施方案的第一方法(方法1)中，该方法特征在于下列步骤：

-记录调幅电流信号i(n)，它包含来源于电流信号i(n)中的网络频率f_c和低频振幅变动的信号；

-记录调幅电压信号u(n)，它包含来源于电压信号u(n)中的网络频率f_c和低频振幅变动的信号；

-电流信号i(n)的信号处理，只有低频振幅变动以电流信号i(n)闪变成分保留下来；

-电压信号u(n)的信号处理，只有低频振幅变动以电压信号u(n)闪变成分保留下来；

-将电流闪变成分与电压闪变成分相乘得到乘积；

-处理乘积，得到闪变功率II，它具有正负号值，指示闪变源相对于测量点所处的方向。

第一方法的优点在于它不需要大的计算机容量，可以在合适的设备中容易地执行。

根据方法1另一实施方案，该方法包含：

-电流信号i(n)的信号处理包含下列步骤：

-通过解调电流信号i(n)产生第一解调信号；

-过滤掉来源于第一解调信号中的网络频率f_c的信号，只有低频变动以电流闪变成分保留下来；

-电压信号u(n)的信号处理包含下列步骤：

-通过解调电压信号产生第二解调信号；

-过滤掉来源于第二解调信号中的网络频率f_c的信号，只有低频变动以电压闪变成分保留下来。

根据方法1另一实施方案，该方法包含下列步骤：

-过滤掉来源于第一解调信号中的网络频率f_c的信号，只有与电流闪变成分相关的低频变动以电流闪变信号I_LF(n)的形式保留下来；

-过滤掉来源于第二解调信号中的网络频率f_c的信号，只有与电压闪变成分相关的低频变动以电压闪变信号U_LF(n)的形式保留下来；

-乘积通过电流闪变信号I_LF(n)与电压闪变信号U_LF(n)相乘得到瞬间功率信号II；

-通过产生瞬间功率信号II(n)的平均值来处理乘积，从而产生具有正负号值的闪变功率II。

根据方法1又一实施方案，该方法包含：

-第一解调信号通过电流信号平方解调产生；

-第二解调信号通过电压信号平方解调产生。

根据方法1实施方案，用具有0.1Hz下限和35Hz上限的带通滤波器进行滤波。然而，优选的上限为25Hz。

在根据本发明实施方案的第二方法(方法2)中，该方法特征在于下列步骤：

-记录调幅电流信号i(n)，它包含来源于电流信号i(n)中的网络频率f_c和低频振幅变动的信号；

-记录调幅电压信号u(n)，它包含来源于电压信号u(n)中的网络频率f_c和低频振幅变动的信号；

-通过N点DFT分析(离散Fourier变换)对电压信号u(n)的波形进行频率分析，产生电压矢量U，含有电压信号u(n)的频谱，形式为N个复电压；

-通过N点DFT分析(离散Fourier变换)对电流信号i(n)的波形进行频率分析，产生电流矢量I，含有电流信号i(n)的频谱，形式为N个复电流；

-通过将电压矢量U和电流矢量I的分量逐个相乘得到功率矢量P；

-将功率矢量P与加权矢量W相乘，消除来源于网络频率的功率成分，功率矢量P包含与来自闪变源的功率成分相关的分功率P_k。

-通过将分功率P_k相加得到具有正负号值的闪变功率II，以及

-分析正负号值，正负号值指示在测量点的哪个方向上可以找到闪变源。

在第二方法中，利用上面描述的频率分析方法对电压信号u(n)和电流信号i(n)进行信号处理。方法1给出的乘积相应于方法2中的功率矢量P的产生。方法1中的电流和电压闪变成分和在方法2中并没有直接相应的东西，但是闪变成分以功率成分P_k的形式出现，功率成分P_k与闪变源在功率矢量P与包含分量w_k的加权矢量W逐个分量相乘之后的功率成分相关。方法1中描述的处理相应于方法2中分功率P_k求和。

根据方法2实施方案，闪变功率II由下列步骤产生：

-通过下面的公式对分工率P_k求和：

$\mathrm{\Π}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\{\frac{1}{2}{W}_k\·U_k\·{I_k}^{*}\}$

这一方法的优点在于不会出现解调残余。

根据方法2另一实施方案，闪变功率II通过下列步骤产生：

-电压信号u(n)平方解调x²；

-电流信号i(n)平方解调x²；

-通过N点DFT分析(离散Fourier变换)计算经平方解调的电压信号的频谱，给出电压矢量(U)；

-通过N点DFT分析(离散Fourier变换)计算经平方解调的电流信号的频谱，给出电流矢量(I)；

-通过利用下式将对闪变现象有贡献的分功率P_k求和产生闪变功率II：

$\mathrm{\Π}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Re}\{\frac{1}{2}{w1}_k\·U_k\·{w2}_k\·I_k^{*}\}$

其中分量w1_k和w2_k代替W_k并消除了来源于网络频率的功率成分且根据下式加权了频率成分U_k和I_k的适当振幅：

${w1}_k=\left\{\begin{array}{ccc}\frac{1}{U_c}& \mathrm{for}& 1\≤k\≤i\\ 0& \mathrm{for}& k>i\end{array}\right\}$

${w2}_k=\left\{\begin{array}{ccc}\frac{1}{I_c}& \mathrm{for}& 1\≤k\≤i\\ 0& \mathrm{for}& k>i\end{array}\right\}$

其中假设会在一个上至且包括音频i的频带内找到低频闪变(0＜f flicker＜i)。

如上所示，方法1和方法2都产生了根据本发明的闪变功率II，该闪变功率II具有指示闪变源相对于测量点的方向的正负号值。从而有可能对电流信号和电压信号在时间平面和频率平面中进行信号处理以获得所需的闪变功率II。

本发明还涉及包含用于实现上述方法的工具的装置。

本据本发明实施方案，该装置包含用于确定具有交流电的电网中闪变源相对于测量点的方向的工具，该交流电具有网络频率f_c，有来自于闪变源的低频振幅变动。该装置特征在于它还包含：

-用于记录包含来源于电流信号i(n)的网络频率f_c和低频振幅变动的信号的调幅电流信号i(n)的工具；

-用于记录包含来源于电压信号u(n)的网络频率f_c和低频振幅变动的信号的调幅电压信号u(n)的工具；

-用于对电流信号i(n)进行信号处理的工具，只有低频振幅变动以电流信号i(n)闪变成分保留下来；

-用于对电压信号u(n)进行信号处理的工具，只有低频振幅变动以电压信号u(n)闪变成分保留下来；

-用于通过将电流闪变成分与电压闪变成分相乘得到乘积的工具；

-用于处理乘积的工具，得到闪变功率II，它具有正负号值，指示闪变源相对于测量点所处的方向。

根据本发明另一实施方案：

-用于对电流信号i(n)进行信号处理的工具包含：

-用于通过解调电流信号i(n)产生第一解调信号的工具；

-用于过滤掉来源于第一解调信号中的网络频率f_c的信号的工具，只有低频变动以电流闪变成分保留下来；

-用于对电压信号u(n)进行信号处理的工具包含：

-用于通过解调电压信号产生第二解调信号的工具；

-用于过滤掉来源于第二解调信号中的网络频率f_c的信号的工具，只有低频变动以电压闪变成分保留下来。

根据本发明另一实施方案，该装置包含：

-用于通过N点DFT分析(离散Fourier变换)对电压信号u(n)的波形进行频率分析的工具，产生电压矢量U，含有电压信号u(n)的频谱，形式为N个复电压；

-用于通过N点DFT分析(离散Fourier变换)对电流信号i(n)的波形进行频率分析的工具，产生电流矢量I，含有电流信号i(n)的频谱，形式为N个复电流；

-用于通过将电压矢量U和电流矢量I的分量逐个相乘得到功率矢量P的工具；

-用于将功率矢量P与加权矢量W相乘的工具，消除来源于网络频率的功率成分，功率矢量P包含与来自闪变源的功率成分相关的分功率P_k。

-用于通过将分功率P_k相加得到具有正负号值的闪变功率II的工具，以及

-用于分析正负号值的工具，正负号值指示在测量点的哪个方向上可以找到闪变源。

附图说明

下面将参考若干附图以若干实施方案的形式描述本发明，其中：

图1示出根据本发明的电网的等效两端网络；

图2a示出电压有效值U_L的变动；

图2b示出电流有效值I_L的变动；

图3示出只具有一个低频成分的调幅电压信号的频谱；

图4示出根据本发明实施方案的测量方法的信号流程图；

图5示出根据本发明第二实施方案的测量方法的信号流程图；

图6示出根据本发明又一实施方案的测量方法的信号流程图；

图7示出用于结合图6描述的实施方案中的带通滤波器的振幅特性；

图8示出可用于不同实施方案中描述的方法的装置的大致框图；

图9示意性示出包含闪变源F1、负载L1、用于产生交流电的发电机G的网络，以及

图10示意性示出若干取样点n的闪变功率II图。

具体实施方式

下面将描述一般理论和若干实施方案。一般理论对于理解下面描述的实施方案是必要的。在所述等式中，等式中两个字母之间的点表示矢量逐个分量相乘。

如上所述，本发明涉及确定闪变源相对于测量点方向的方法。为了确定低频变动——例如闪变——的方向，必须以相位记录要确定方向处的电压和电流的波形。之后，根据下面信号流程图中所描述的实施方案中的任一实施方案对所记录的信息进行信号处理。信号处理的结果为具有正负号值的闪变功率II。正负号值指示闪变源相对于测量点的方向。

图1示出根据已知技术的电网的等效两端网络。电网可以示意性分为三个部分，通常称作发电机1、传输线2和负载3。当连接了负载3时，会有电流I在电路中流动。这导致在内部阻抗Z_T上的电压降U_ZT从而负载两端的电压U_L下降。如果负载周期性(循环地)连接和断开，那么电流I也将周期性增大和减小，从而电压U_L周期性减小和增大(假设发电机电压U_G保持常数)。

图1示出测量点17和标记一个在测量点17之上——即上游——的点的点18，以及标记一个在测量点17之下——即下游——的点的点19。措词在测量点17之上和之下是很重要的，因为必须指明闪变源相对于测量点的方向。

根据本发明，在测量点处记录调幅电流信号i(n)，它包含来源于电流信号i(n)的网络频率f_c和低频振幅变动的信号。低频振幅变动来源于闪变源。另外，还记录调幅电压信号u(n)，它包含来源于电压信号u(n)的网络频率f_c和低频振幅变动的信号。这里，低频振幅变动也来源于闪变源。

图2a和2b示出电压U_L有效电压值U_RMS和电流I有效电流值I_RMS的变动的略图。根据本发明，电流和电压有效值U_RMS和I_RMS的变化涉及来自闪变源的低频振幅变动所引起的电压和电流瞬间变化。图2a和2b没有示出来源于网络频率的信号。然而，众所周知低频振幅变动调制网络频率f_c。电流和电压的任何来源于网络频率的变化都是可以忽略的。从而有效值变化U_RMS和I_RMS反应了源自低频变动的电流和电压瞬间变化。在图2a和2b中，从发明的角度考虑，只需要示出电压有效值U_RMS和电流有效值I_RMS的变动。根据根据下述本发明的方法，电压有效值U_RMS和电流有效值I_RMS的变动取决于闪变源位于测量点17之上还是之下。

图2a示出闪变功率从负载向发电机传播的情形，电流和电压有效值I_RMS和U_RMS的变化瞬间且反相发生。当负载增大时，电流I增大，从而电压降U_ZT增大，意味着U_L瞬间减小。

图2b示出闪变功率从发电机向负载传播的情形，电流和电压有效值I_RMS和U_RMS的变化瞬间且同相发生。U_G的增大导致电流I的瞬间增大，导致U_L的瞬间增大，从而导致电流和电压的同步变化。

在对闪变的理论探讨中，权益之计是以振幅调制来描述电流信号和电压信号u(t)、i(t)。这种信号的数学表达式由[1]和[2]给出：

$u\left(t\right)=(U_c+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{\mathrm{mk}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{k}t+{\mathrm{\β}}_k))\cos ({\mathrm{\ω}}_{c}t+{\mathrm{\β}}_c)\·\·\·\left[1\right]$

$i\left(t\right)=(I_c+\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{mk}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{k}t+{\mathrm{\α}}_k))\cos ({\mathrm{\ω}}_{c}t+{\mathrm{\α}}_c)\·\·\·\left[2\right]$

信号分别部分由载波U_ccos(ω_ct)和I_ccos(ω_ct)以及低频闪变信号U_mkcos(ω_kt)和I_mkcos(ω_kt)组成。下标c相关于载波成分而下标m相关于低频变动成分。下标k相关于从k＝1到N的求和。

图3示出只具有一个低频成分(单音调制)的调幅电压信号的频谱。低频成分在这里相关于导致电流和电压振幅变动的低频音。低频音在这里指的是低频信号。

图3示出低频变动引起的频带。在图3中，f_c相关于载波频率而f_m相关于低频变动的频率。在频率f_c、f_c-f_m和f_c+f_m处能找到具有单音调制的频率成分。

图3还示出载波频率f_c的电压的振幅U_c和来自低频变动f_m的电压成分的振幅U_m/2。

图3示出调制音的频谱形成上边带f_c+f_m和下边带f_c-f_m，每个边带处振幅为原始振幅U_m的一半，与载波频率f_c之间的距离相应于调制频率f_m。低的频率——例如低频闪动——引起靠近载波频率的边带。闪变的频率越高，调制频率与载波频率相距越远。

闪变频率II是起源于调制音的功率，可表达为：

$\mathrm{\Π}=\frac{1}{T}\underset{0}{\overset{\mathrm{\τ}}{\∫}}\left(\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{\mathrm{mk}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{k}t+{\mathrm{\β}}_k)\right)\left(\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{mk}}\cos ({\mathrm{\ω}}_{k}t+{\mathrm{\α}}_k)\right)\mathrm{dt}=\left\{\mathrm{orthogonally}\right\}=$

[3]

公式[3]示出，在相乘和积分之后，电流和电压中的各低频音产生闪变功率。为了确定这一功率，必须知道电压和电流中低频信号的振幅和相位，并且必须能够从信号波包[1]和[2]中分离出低频信号。这可以用几种不同方法来进行，结果是一样的。下面描述不同方法的实施例，作为本发明的不同实施方案。

下面将描述的两个实施方案基于要通过进行N点DFT分析(DFT＝离散Fourier变换)来确定的取样波形u[n]和i[n]的频谱。在实际情形中，可使用FFT分析(FFT＝快速Fourier变换)，它是一种计算法则，给出与Fourier变换相同的信息。分析的输出数据为两个复值电压和电流矢量U和I，以k＝N个复电压U_k和电流I_k的形式包含u[n]和i[n]的频谱。所得频率分辨率取决于选定的取样频率(f_s)和包括在计算中的样本数N，依照关系Δf＝f_s/N。

数学上，矢量U和I可表达为：

U＝[U₁，U₂，U₃，...U_N，]＝[|U₁|∠β₁|U₂|∠β₂，|U₃|∠β₃，...，|U_N|∠β_N，]     [4]

I＝[I₁，I₂，I₃，...，I_N，]＝[|I₁|∠α₁，|I₂|∠α₂，|I₃|∠α₃，...，|I_N|∠α_N，] [5]

复功率S根据矢量U和I产生，依照下式每音频包含功率量P(平均功率)和Q(无功功率)：

$S=[S_1,S_2,S_3,...S_N,]=[\frac{1}{2}{U}_1\·I_1^{*},\frac{1}{2}{U}_2\·I_2^{*},\frac{1}{2}{U}_3\·I_3^{*},...,\frac{1}{2}{U}_N\·I_N^{*}]=$

$=\left[\frac{1}{2}\right|U_1|\∠{\mathrm{\β}}_1\·|I_1|\∠-{\mathrm{\α}}_1,\frac{1}{2}|U_2|{\∠\mathrm{\β}}_2\·|I_2|\∠-{\mathrm{\α}}_2,\frac{1}{2}|U_3|\∠{\mathrm{\β}}_3\·|I_3|\∠-{\mathrm{\α}}_3,...,\frac{1}{2}|U_N|\∠{\mathrm{\β}}_N\·|I_N|\∠-{\mathrm{\α}}_N]=$

＝[P₁+jQ₁，P₂+jQ₂，P₃+jQ₃，...，P_N+jQ_N]

                                         [6]

有功功率P₁为S₁的实部，如下式：

P₁＝Re{S₁}＝Re{P₁+jQ₁}                   [7]

矢量U、I和S含有角频率f＝0Hz至f＝f_s Hz的的频谱。常常需要对信息进行加权和/或使某些频率取零。一个简单有效的进行这一处理的方法是引入加权矢量W，如下式：

W＝[w₁，w₂，w₃，...，w_N，]

                                          [8]

加权矢量W含有分量w_k，它们含有与U、I和S逐个分量相乘的常数。如果要对处于取样频率一半以上的频率的电压矢量U取零，则进行下面的操作([9]中的点符号相关于逐个分量相乘)：

U_mod＝U·W

                                       [9]

其中

$w_k=\left\{\begin{array}{ccc}1& \mathrm{for}& 1\&le;k\&le;\frac{N}{2}\\ 0& \mathrm{for}& \frac{N}{2}<k\&le;N\end{array}\right\}$

U_mod为修正电压矢量，含有上至取样频率一半的频谱。电压矢量在该点之上的分量都为零。

可选择加权矢量的分量w_k从而得到所需结果。例如，通过选择分量w_k的合适值可得到滤波特性。另外，为了获得所需结果，可以为U、I和S引入不同加权矢量。

通过将对闪变现象有贡献的功率P_k求和得到闪变功率II。也就是说：

$\mathrm{\&Pi;}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Re}\{\frac{1}{2}{W}_k\&CenterDot;U_k\&CenterDot;I_k^{*}\}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left[10\right]$

图4示出用于根据本发明实施方案的测量方法用于第一测量方法的信号流程图。闪变功率II的计算通过对电压和电流的波形进行频率分析来实现。

图4中的信号流程图的输入信号由两个输入信号矢量u[n]和i[n]组成，含有电压和电流的取样波形。输入信号矢量中两个指数(n和n+1)之间的时间距离相应于1/f_s，其中f_s相关于取样频率。

通过对图4所描述的信号流程图使用前面描述的理论，可计算闪变功率。图4示出两个指定DFT的框，指的是通过所谓离散Fourier变换方法对电流信号和电压信号i(n)和u(n)分别进行变换。对电压信号u(n)进行DFT得到的信号称作U且包含相关于不同角度β_k的若干值的成分U_k∠β_k，其中下标k表示DFT中所指的点。对电流信号i(n)进行DFT得到的信号称作I且包含相关于不同角度_k若干值的成分I_k∠_k，其中下标k表示DFT中所指的点。图4示出乘法器，矢量U、I和W在其中相乘。乘法器的输出信号称作P且相关于包含成分分功率P_k的功率矢量，分工率P_k描述根据[7]描述根据[6]和[7]作为复功率S的实部的有功功率。

P_k＝Re{0.5·w_k·|U_k|∠β_k·|I_k|∠-_k}

                                              [10a]

图4还示出求和点∑，表示依照[10a]对有功功率P_k求和得到闪变功率II，其中：

波形u[n]和i[n]的频谱用N点DFT分析来计算。之后，利用[10]计算闪变功率II。加权矢量W的内容对于最终结果来说是决定性的。要选择W中的分量以使载波中的功率取零从而只包括来源于闪变的音频。这可以以三种方式来进行。所用信息来自1)上边带，2)下边带，或3)两个边带中的信息的每个频率存在一个求和，之后利用[10]计算功率。

为了示例如何进行计算，我们假设在矢量U和I的分量M中发现载波信号。我们还假设在分量k中发现矢量U和I中的低频闪变音频，k满足：

M-i≤k＜M and M＜k≤M+i

闪变音频的数量由常数i给出。如果选择是利用下边带中的信息来计算闪变功率，那么根据下式选择加权矢量W中的分量w_k：

$w_k=\left\{\begin{array}{ccc}0& \mathrm{for}& 1\&le;k<M-i\\ 2& \mathrm{for}& M-i\&le;k<M\\ 0& \mathrm{for}& M\&le;k\&le;N\end{array}\right\}$

之后利用公式[10]得到闪变功率。

如果选择是利用上边带中的信息来计算闪变功率，那么根据下式选择加权矢量W中的分量w_k：

$w_k=\left\{\begin{array}{ccc}0& \mathrm{for}& 1\&le;k\&le;M\\ 2& \mathrm{for}& M<k\&le;M+i\\ 0& \mathrm{for}& M+i<k\&le;N\end{array}\right\}$

之后利用公式[10]得到闪变功率。

如果选择是利用两个边带中的信息来计算闪变功率，那么根据下式选择加权矢量W中的分量w_k：

$w_k=\left\{\begin{array}{ccccc}0& \mathrm{for}& 1\&le;k<M-i& & \\ 1& \mathrm{for}& M-i\&le;k<M& \mathrm{and}& M<k\&le;M+i\\ 0& \mathrm{for}& k=M& & \end{array}\right\}$

之后利用下面的公式得到闪变功率II：

$\mathrm{\&Pi;}=\underset{k=0}{\overset{i-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Re}\{\frac{1}{2}{w}_k\&CenterDot;(U_{(M-i+k)}+U_{(M+i-k)})\&CenterDot;(I_{(M-i+k)}+I_{(M+i-k)}){*}^{}\}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left[10c\right]$

图5示出用于根据本发明另一实施方案的第二测量方法的信号流程图，其中在进行低频信号的DFT分析之后通过电压和电流的平方解调进行闪变功率的计算。

该方法令人联想到结合图4描述的第一测量方法，不同之处在于，在计算频谱之前，信号被平方解调，这在图5中标为X²。通过这一方法，根据下面的表达式将低频信号从载波中分离出来：

$u^2\left(t\right)={(U_c+\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{mk}}\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{k}t+{\mathrm{\&beta;}}_k))}^2\mathrm{co}{s}^2({\mathrm{\&omega;}}_{c}t+{\mathrm{\&beta;}}_c)=$

$=({U_c}^2+2\&CenterDot;U_c\&CenterDot;\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{mk}}\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{k}t+{\mathrm{\&beta;}}_k)+{\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{mk}}\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{k}t+{\mathrm{\&beta;}}_k)\right)}^2)\&CenterDot;\frac{1}{2}(1+\cos ({2\mathrm{\&omega;}}_{c}t+{2\mathrm{\&beta;}}_c))=$

$=\{\frac{{U_c}^2}{2}+\frac{1}{2}\&CenterDot;2\&CenterDot;U_c\&CenterDot;\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{mk}}\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{k}t+{\mathrm{\&beta;}}_k)+\frac{1}{2}{\&CenterDot;\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{mk}}\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{k}t+{\mathrm{\&beta;}}_k)\right)}^2\}+$

$+\{$ $\frac{{U_c}^2}{2}+\frac{1}{2}$ $\&CenterDot;2$ $\&CenterDot;U_c\&CenterDot;\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{mk}}\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{k}t+{\mathrm{\&beta;}}_k)+\frac{1}{2}$ ${\&CenterDot;\left(\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{mk}}\cos ({\mathrm{\&omega;}}_{k}t+{\mathrm{\&beta;}}_k)\right)}^2$ $\}$ $\&CenterDot;\frac{1}{2}\cos ({2\mathrm{\&omega;}}_{c}t+{2\mathrm{\&beta;}}_c)\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left[11\right]$

平方解调意味着产生两个频率分开的信号波包。一个信号波包由直接成分、调制频率和平方调制信号组成。后者是不想要的组合乘积。第二信号波包含有相同的项但是中心位于大约为载波频率两倍的频率处。为了计算闪变功率，只有[11]中标有双下划线的项被包括在内。一项含有低频闪变音频乘载波振幅，而另一项为平方调制信号。就大小而言，第一项比第二项大得多，这意味着平方项对结果的影响非常小。当对电流信号i(t)平方时得到相应的表达式。

用于图5的信号流程图的输入信号由两个输入信号矢量u[n]和i[n]组成，含有电压和电流的取样波形。输入信号矢量的两个指数(n和n+1)之间的时间距离相应于1/f_s。在X²，输入信号矢量的每个分量都被平方并组成N点离散Fourier变换DFT的输入数据各DFT的输出信号为复值矢量U和I，包含u[n]和i[n]的频率分辨率Δf＝f_s/N的频谱(振幅信息和相位信息)。U和I中的内容由下式表示：

U＝[U₁，U₂，U₃，...U_N，]＝[|U₁|∠β₁，|U₂|∠β₂，|U₃|∠β₃，...，|U_N|∠β_N，]

I＝[I₁，I₂，I₃，...，I_N，]＝[|I₁|∠α₁，|I₂|∠α₂，|I₃|∠α₃，...，|I_N|∠α_N，]

复功率S由下式计算：

$S=\frac{1}{2}{\mathrm{wl}}_k\&CenterDot;U\&CenterDot;{w2}_k\&CenterDot;I^{*}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left[12\right]$

然后通过下述公式得到所求的闪变功率II：

$\mathrm{\&Pi;}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Re}\{\frac{1}{2}{\mathrm{wl}}_k\&CenterDot;U_k\&CenterDot;{w2}_k\&CenterDot;I_k^{*}\}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left[13\right]$

分量w1_k和w2_k根据下式使不引起闪变的频率分量取零并对频率分量U_k和I_k的恰当振幅加权：

${\mathrm{wl}}_k=\left\{\begin{array}{ccc}\frac{1}{U_c}& \mathrm{for}& 1\&le;k\&le;i\\ 0& \mathrm{for}& k>i\end{array}\right\}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left[14\right]$

${w2}_k=\left\{\begin{array}{ccc}\frac{1}{I_c}& \mathrm{for}& 1\&le;k\&le;i\\ 0& \mathrm{for}& k>i\end{array}\right\}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left[15\right]$

在[13]、[14]和[15]中，假设在上至并包括音频i(0＜f_flicker≤i)的频带中发现闪变音频。通过研究[11]可确定加权因子的恰当值。该方法并不局限于上面给定的加权因子，加权矢量中的其它常数也可用于获得所需滤波效果。

图6示出根据本发明又一实施方案用于第三测量方法的信号流程图，其中由电压u(n)和电流i(n)的平方解调计算闪变功率，其中低频音频分别通过使用带通滤波器2A和2B来过滤。

在这一测量方法中使用带通滤波器2A、2B来过滤低频闪变音频，而不是向结合图4喝5描述的两个前述实施方案中描述的那样使用DFT分析和加权矢量。

输入信号矢量u[n]和i[n]含有电压和电流的取样波形。在成分1A和1B中，通过将每个样本平方来分离载波(来自网络频率的信号)和低频闪变音频，与结合图5描述的测量方法类似。只有低频闪变信号可以通过带通滤波器2A和2B。作为输入乘法器4的输入信号，只有电压和电流的低频闪变音频u_LF[n]和i_LF[n]。乘法器4输出的输出信号为瞬间闪变功率II[n]＝u_LF[n]×i_LF[n]。由积分器5产生瞬间功率II(n)的平均值来得到闪变功率II。这可以用数字滤波器以，例如，低通滤波器的形式来进行。

调整带通滤波器2A和2B的尺寸以得到0.1Hz的下限频率和25Hz的上限频率。作为替代，可以使用描述闪变算法的标准IEC61000-4-15中确定的带通滤波器。

IEC标准中的滤波器的传输方程可表达为：

$H\left(s\right)=\frac{{\mathrm{k\&omega;}}_{1}s}{s^2+2\mathrm{\&lambda;s}+{\mathrm{\&omega;}}^2}\&CenterDot;\frac{1+s/{\mathrm{\&omega;}}_2}{(s+1/{\mathrm{\&omega;}}_3)(s+1/{\mathrm{\&omega;}}_4)}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left[16\right]$

[16]中的系数具有根据下表的值。

               表1

k＝1.74802	λ＝2π·4.05981
		ω1＝2π·9.15494	ω3＝2π·1.22535
ω2＝2π·2.27979	ω4＝2π·21.9

图7示出具有根据[16]的传输方程和根据表1的系数的带通滤波器的振幅特性。

还有可能选择具有不同于[16]所描述的特性的带通滤波器。例如，可选择第M阶Butterworth或Chebishev滤波器。

图8示出用于该装置的硬件的框图。该装置围绕信号处理器7构建，信号处理器7根据图4-6和9中描述的测量方法管理信息并进行必要的计算。信号处理器7还控制将模拟信号转换成数字信号(A/D转换)的取样过程。所记录的信号——电流和电压的波形——通过网络中的电流变换器和电压变换器来得到，也可来自装置中所能找到的测量传感器。信号处理器可以是计算机或逻辑电路，或某些其它用于控制器件和进行信号处理的合适器件。

图8示出用于已记录的电压信号的信号调节器件8。测得的电压通过电阻分压方法来进行信号匹配，从而为下面的步骤——消锯齿滤波器10——获得适当的输入信号电平。

图8还示出用于已记录的电流信号的信号调节器件9。电流通道的信号电平通过低阻分流器与装置匹配，降落在分流器两端的电压被放大变成用于后续步骤——消锯齿滤波器11——输入电平；或者可从与装置相连的电流钳得到电流信号。

消锯齿滤波器10、11的任务是防止已记录信号具有超过取样频率一半的信号成分时所产生的加权畸变(见取样法则的理论)。消锯齿滤波器可以是根据图7的模拟Sallen-Key低通滤波器形式并具有相应于取样频率一般的限制频率。

在取样器12、13中以取样频率——例如6400Hz——对已经进行过电平匹配和滤波的信号进行取样。取样振幅值形式的数字原始数据保存在测量存储器14中，之后构成上述测量方法的输入数据。

控制信号处理器7的软件可以在程序存储器15中找到。完成的结果——即具有信号值和内部阻抗的闪变功率——可以在显示器16中以数字或图像显示出来。显示器可以是任何已知的用于数字或图像显示的器件，例如VDU。

图9示意性示出包含闪变源F1、负载L1、用于产生交流电压的发电机G的网络。在图9中，电流I的电流方向由连接线中的箭头显示。电流从发电机G流向闪变源F1和负载L1。图9还示出第一测量点M1。与M1相关，标有位于测量点M1之上的点18和位于测量点M1之下的点19。图9还示出第二测量点M2。与M2相关，标有位于测量点M2之上的点18和位于测量点M2之下的点19。闪变源F1向网络中发射一个低频振幅变动，沿图9中实线箭头所示方向传播。

在根据上述本发明描述的方法中，闪变功率II指示闪变源相对于测量点的方向。根据本发明实施方案闪变功率的正负号值在闪变源位于测量点之下19时为负，而在闪变源位于测量点之上18时为正。

在第一测量点M1，闪变功率II为具有负号，因为闪变源F1位于第一测量点之下19。这是因为在第一测量点M1处电流和电压的低频变动反相。

另一方面，在第二测量点M2，闪变功率II为具有正好，因为闪变源F1位于第二测量点M2之上18。这是因为在第二测量点M2处电流和电压的低频变动同相。

图10示意性示出当对调制电流信号和电压信号i(n)、u(n)进行记录时某段时间内若干取样点n的闪变功率II图。

图10示出位于图负的下半部分的第一曲线K1。该图还示出位于图的上半部分的第二曲线K2。第一曲线K1相应于生成平均值之后使闪变功率II具有负值的功率信号，从而相应于在图9中的第一测量点处获得的闪变功率II。第二曲线K2相应于生成平均值之后使闪变功率II具有正值的功率信号，从而相应于在图9中的第二测量点处获得的闪变功率II。

图10还示出K1关于取样轴n反转即相应于K2。这在实验中已有演示，解释是当低频闪变的传播从与基音频的功率方向相反变化为与基音频的功率方向相同时闪变功率II改变正负号，反过来也一样。从而，为了能以适当方式说明符号值，就必须知道发电机和负载分别相对于测量点的方向。图中示出零点与K1和K2开始位置之间的时间段的部分示出闪变源F1没有连上时的一段时间。

Claims (12)

1.用于确定具有交流电的电网中闪变源相对于测量点的方向的方法，该交流电具有网络频率(f_c)，有来自于闪变源的低频振幅变动，其特征在于该方法包含下列步骤：

-记录调幅电流信号(i(n))，它包含来源于电流信号(i(n))中的网络频率(f_c)和低频振幅变动的信号；

-记录调幅电压信号(u(n))，它包含来源于电压信号(u(n))中的网络频率(f_c)和低频振幅变动的信号；

-电流信号(i(n))的信号处理，使得只有低频振幅变动以电流信号(i(n))闪变成分的形式保留下来；

-电压信号(u(n))的信号处理，使得只有低频振幅变动以电压信号(u(n))闪变成分的形式保留下来；

-将电流闪变成分与电压闪变成分相乘得到乘积；

-处理乘积，得到闪变功率(II)，它具有正负号值，指示闪变源相对于测量点所处的方向。

2.根据权利要求1的方法，特征在于闪变功率的正负号值在闪变源位于测量点(17)之下(19)时为负而该正负号值在闪变源位于测量点(17)之上(18)时为正。

3.根据权利要求1或2的方法，特征在于：

-电流信号(i(n))的信号处理包含下列步骤：

-通过解调电流信号(i(n))产生第一解调信号；

-过滤掉来源于第一解调信号中的网络频率(f_c)的信号，使得只有低频变动以电流闪变成分的形式保留下来；

-电压信号(u(n))的信号处理包含下列步骤：

-通过解调电压信号产生第二解调信号；

-过滤掉来源于第二解调信号中的网络频率的信号，使得只有低频变动以电压闪变成分的形式保留下来。

4.根据权利要求3的方法，特征在于该方法包含下列步骤：

-过滤掉来源于第一解调信号中的网络频率(f_c)的信号，使得只有与电流闪变成分相关的低频变动以电流闪变信号(I_LF(n)的形式保留下来；

-过滤掉来源于第二解调信号中的网络频率的信号，使得只有与电压闪变成分相关的低频变动以电压闪变信号U_LF(n)的形式保留下来；

-乘积通过电流闪变信号(I_LF(n))与电压闪变信号(U_LF(n))相乘得到瞬间功率信号(II(n))；

-通过产生瞬间功率信号II(n)的平均值来处理乘积，从而产生具有正负号值的闪变功率(II)。

5.根据权利要求3-4中任何一个的方法，特征在于：

-第一解调信号通过电流信号平方解调产生；

-第二解调信号通过电压信号平方解调产生。

6.根据权利要求3或4中任何一个的方法，特征在于利用具有0.1Hz下限和35Hz上限但是优选上限25Hz的带通滤波器来进行滤波。

7.在具有交流电的电网中的测量点处进行诊断的方法，该交流电具有网络频率(f_c)，有来自于闪变源的低频振幅变动，特征在于该方法包含下列步骤：

-记录调幅电流信号(i(n))，它包含来源于电流信号(i(n))中的网络频率(f_c)和低频振幅变动的信号；

-记录调幅电压信号(u(n))，它包含来源于电压信号(u(n))中的网络频率(f_c)和低频振幅变动的信号；

-通过N点DFT分析(离散Fourier变换)对电压信号(u(n))的波形进行频率分析，产生电压矢量(U)，含有电压信号(u(n))的频谱，形式为N个复电压；

-通过N点DFT分析(离散Fourier变换)对电流信号(i(n))的波形进行频率分析，产生电流矢量(I)，含有电流信号(i(n))的频谱，形式为N个复电流；

-通过将电压矢量(U)和电流矢量(I)的分量逐个相乘得到功率矢量(P)；

-将功率矢量(P)与一个加权矢量(W)相乘，使得消除来源于网络频率的功率成分，功率矢量(P)包含与来自闪变源的功率成分相关的分功率P_k。

-通过将分功率(P_k)相加得到具有正负号值的闪变功率(II)，以及

-分析正负号值，正负号值指示在测量点的哪个方向上可以找到闪变源。

8.根据权利要求6的方法，特征在于闪变功率(II)通过下列步骤产生：

-通过下述公式对分功率(P_k)求和

$\mathrm{\&Pi;}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Re}\{\frac{1}{2}{W}_k\&CenterDot;U_k\&CenterDot;{I_k}^{*}\}$

9.根据权利要求6的方法，特征在于闪变功率(II)通过下列步骤产生：

-电压信号(u(n))的平方解调(x²)；

-电流信号(i(n))的平方解调(x²)；

-通过N点DFT分析(离散Fourier变换)计算经平方解调的电压信号的频谱，给出电压矢量(U)；

-通过N点DFT分析(离散Fourier变换)计算经平方解调的电流信号的频谱，给出电流矢量(I)；

-通过利用下式将对闪变现象有贡献的分功率(P_k)求和产生闪变功率(II)：

$\mathrm{\&Pi;}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{Re}\{\frac{1}{2}{w1}_k\&CenterDot;U_k\&CenterDot;{{w2}_k\&CenterDot;I_k}^{*}\}$

其中分量wi_k和w2_k代替W并消除了来源于网络频率的功率成分且根据下式加权了频率成分U_k和I_k的适当振幅：

${w1}_k=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{U_c}& \mathrm{for}1\&le;k\&le;i\\ 0& \mathrm{for\; k}>i\end{array}\right\}$

${w2}_k=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{I_c}& \mathrm{for}1\&le;k\&le;i\\ 0& \mathrm{for\; k}>i\end{array}\right\}$

其中假设会在一个上至且包括音频i的频带内找到低频闪变(0＜f_flicker＜i)。

10.包含在具有交流电的电网中的确定闪变源相对于测量点的方向的工具的装置，该交流电具有网络频率(f_c)，有来自于闪变源的低频振幅变动，特征在于该装置包含：

-用于记录包含来源于电流信号(i(n))的网络频率(f_c)和低频振幅变动的信号的调幅电流信号(i(n))的工具；

-用于记录包含来源于电压信号(u(n))的网络频率(f_c)和低频振幅变动的信号的调幅电压信号(u(n))的工具；

-用于用这种方式对电流信号(i(n))进行信号处理的工具，使得只有低频振幅变动以电流信号(i(n))闪变成分的形式保留下来；

-用于用这种方式对电压信号(u(n))进行信号处理的工具，使得只有低频振幅变动以电压信号(u(n))闪变成分的形式保留下来；

-用于通过将电流闪变成分与电压闪变成分相乘得到乘积的工具；

-用于用这种方式处理乘积的工具，使得得到闪变功率(II)，它具有正负号值，指示闪变源相对于测量点所处的方向。

11.根据权利要求10的装置，特征在于：

-用于对电流信号(i(n))进行信号处理的工具包含：

-用于通过解调电流信号(i(n))产生第一解调信号的工具；

-用于用这种方式过滤掉来源于第一解调信号中的网络频率(f_c)的信号的工具，使得只有低频变动以电流闪变成分的形式保留下来；

-用于对电压信号(u(n))进行信号处理的工具包含：

-用于通过解调电压信号产生第二解调信号的工具；

-用于用这种方式过滤掉来源于第二解调信号中的网络频率(f_c)的信号的工具，使得只有低频变动以电压闪变成分的形式保留下来。

12.在具有交流电的电网中的测量点处进行诊断的装置，该交流电具有网络频率(f_c)，有来自于闪变源的低频振幅变动，特征在于该装置包含：

-用于记录包含来源于电流信号(i(n))的网络频率(f_c)和低频振幅变动的信号的调幅电流信号(i(n))的工具；

-用于记录包含来源于电压信号(u(n))的网络频率(f_c)和低频振幅变动的信号的调幅电压信号(u(n))的工具；

-用于通过N点DFT分析(离散Fourier变换)对电压信号(u(n))的波形进行频率分析的工具，产生电压矢量(U)，含有电压信号(u(n))的频谱，形式为N个复电压；

-用于通过N点DFT分析(离散Fourier变换)对电流信号(i(n))的波形进行频率分析的工具，产生电流矢量(I)，含有电流信号(i(n))的频谱，形式为N个复电流；

-用于通过将电压矢量(U)和电流矢量(I)的分量逐个相乘得到功率矢量(P)的工具；

-用于将功率矢量(P)与一个加权矢量(W)相乘的工具，使得消除来源于网络频率的功率成分，功率矢量(P)包含与来自闪变源的功率成分相关的分功率(P_k)。

-用于通过将分功率(P_k)相加得到具有正负号值的闪变功率(II)的工具，以及

-用于分析正负号值的工具，正负号值指示在测量点的哪个方向上可以找到闪变源。

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