28 配电网电压暂降检测算法的仿真比较

1 各种电压暂降检测算法原理
1.1 有效值算法基本原理
根据连续周期信号有效值的定义，对信 号进行数字化处理之后，计算一个周期数据 序列的滑动平均值如下 [9] ：
U k
1 i k 2 ui N i k N 1
(1)
式中， N 为一个周期中总的采样点数； ui 为
U (k ) 为第 k 个采样电压的有效值。 采样电压；
为了实时检测电压有效值的瞬间变化， 当采集到新样本点时，顺序将最早采集到的 样本点去除，然后用一个周期的滑动采样值 求出一个新的均方根值 [10] 。其检测原理如图 1 所示，图中， u 为待检测电压，U 为所检测电压 基波有效值。
1109
重庆市电机工程学会 2012 年学术会议论文
u
有效值计算
图1 有效值算法电压检测框图
0.4 0.05
0.1
0.15
0.2 t/s
0.25
0.3
0.35
(b) 不同算法对电压有效值检测效果 (1-有效值算法 2-瞬时dq变换法 3-αβ变换法)
40 30 20 10 0 -10 0.05 2
/°
1
0.1
0.15
0.2 t/s
0.25
0.3
0.35
(c) 不同算法对电压相位跳变检测效果
0
-200
而，与 αβ 变换法的动态响应能力相比，瞬时 dq 变换法动态响应能力较弱，其原因是该算法构建 虚拟三相系统的 b、 c 相电压是通过将 a 相电压延 时 60° 得到，因此，在电压暂降和恢复时刻存在 一定的延时。 αβ 变换法则由于采用求导运算代替 相位延时来构造虚拟两相系统，明显加快了检测 速度，克服了短时扰动，实时性好、准确度高。 另外，与图 5(b)无相位跳变仿真结果相比，电网 电压相位跳变将使得电压有效值大小在电压暂 降的起止时刻产生波动，将对有效值的检测精度 有一定的影响，采用瞬时 dq 变换法时尤为明显。
(1-瞬时dq变换法 2-αβ变换法) 图6 电压暂降含相位跳变的仿真结果
2.3 抗谐波干扰能力的检测效果比较
假设被测电压含有 10%的 5 次谐波分量，在 0.12s 到 0.24s 之间发生 50%幅值跌落并伴随 30° 相位跳变。在以下仿真中 αβ 变换法和瞬时 dq 变 换法的低通滤波器选用相同的截止频率。待测电 压的波形和所检测的电压有效值、相位结果如图 7 所示。
2.2 电压暂降时有相位跳变情况比较
假设被测电压在 0.12s 到 0.24s 之间发生 50% 幅值暂降的同时相位发生 30° 的跳变。待测电压 的波形和所检测的电压有效值、相位结果如图 6 所示。 由图 6(b)和图 6(c)可知，当电网电压暂降且 存在相位跳变时，有效值算法无法检测其相位跳 变信息，而瞬时 dq 变换法和 αβ 变换法可以较准 确地检测出被测电压幅值跌落和相位跳变。然
u b [11-12] 。然后将构造的虚拟三相电压从 abc
三 相 坐 标 系 变 换 到 dq 两 相 同 步 旋 转 坐 标 系 中，通过低通滤波器得到 dq 电压的直流分量 则所测基波电压的有效值 U 和相角 U d 和gnal
rm s
-KGain Scope
Voltage Source
暂降故障时，以 a 相电压为参考，将其延时 60°得 到 u c ， 由 ub ua uc可 以 计 算 出
以 a 相电压为例，假设待检测电压为
2 三种电压暂降检测算法模型及仿 真
根据上述检测算法的基本原理，利用 Matlab/Simulink 软件分别建立了其仿真模型，如 图 4(a)-(c)所示。其中，compute 模块的作用是根 据 dq 轴电压分量计算基波电压的有效值和相角。
0.8 0.6 0.4 0.2 0.05
0.1
0.15
0.2 t/s
0.25
0.3
0.35
for fast online detection classification veracity of fault-induced voltage sags [J]. Jilin Electric Power, 2006, 34(3): 12-24. [2] Gu Y H, Styvaktakis E. Bridge the gap: signal processing for power quality applications [J]. Electric Power Systems Research, 2003, 66(1): 83-96. [3] Barros J, Perez E. A combined wavelet - Kalman filtering scheme for automatic detection and analysis of voltage dips in power systems [C]. Power Tech 2005 IEEE Russia, 27-30 June 2005. [4] Choi S S，Li J D，Vilathgamuwa D M．A generalized voltage compensation strategy for mitigating the impact of voltage sags/swells [J]. IEEE Trans on Power Delivery，2005, 20(2): 2289-2297. [5] Naidoo R M, Pillay P. A new algorithm for voltage sag analysis and mitigation [C]. Power Engineering Society General Meeting, 12-16 June 2005. [6] 张庆超，肖玉龙．一种改进的电压暂降检测方法 [J]．电工技术学报，2006(2)：123-126． ZHANG Qing-chao, XIAO Yu-long. An improved detection method of voltage sag [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2006(2): 123-126. [7] 王克星，宋政湘，陈德桂，等．基于小波变换的配 电网电压暂降的干扰源辨识[J]．中国电机工程学报， 2003，23(6)：29-34． WANG Ke-xing, SONG Zheng-xiang, CHEN De-gui, et al. Interference source identification of voltage sag in distribution system based on wavelet transform [J]. Proceedings of the CSEE, 2003, 23(6) 29-34. [8] 周林，吴红春，孟婧，等．电压暂降分析方法研究 [J]．高电压技术，2008，34（5） ：1010-1016． ZHOU Lin, WU Hong-chun, MENG Jing, et al. Study
0.35
1.4
(a) 待测动态电压波形
1.2 3
(b) 不同算法对基波电压有效值检测效果
U / p.u.
(1-有效值法 2-瞬时dq变换法 3-αβ变换法) 图5 电压暂降无相位跳变的仿真结果
1 0.8
1 2
0.6
由仿真结果可以看出，对于无相位跳变的电 压暂降，三种检测算法都能检测出电压暂降后基 波的有效值大小。但是，从动态响应能力比较可 以看出，有效值算法的动态检测效果最差，这是 由于该算法需要利用一个周期的采样数据，在电 压暂降开始和消失后都有约一个周期的过渡时 间； 而瞬时 dq 变换法和 αβ 变换法的实时性更好， 能够迅速而准确地检测到电压暂降的起止时刻 和有效值大小。
400
-400 0.05
0.1
0.15
0.2 t/s
0.25
0.3
0.35
(a) 待测动态电压波形
1.4
200
U/V
3 1 2
1.2
0
U / p.u.
1 0.8 0.6 0.4 0.05
-200
-400 0.05
0.1
0.15
0.2 t/s
0.25
0.3
0.35
0.1
0.15
0.2 t/s
0.25
0.3
法可以检测出电压跌落的深度和基波正序分量 的相位跳变。文献[6]在两相静止 αβ 变换和两相 同步旋转 dq 变换的基础上研究了 αβ 变换法，避 免相位延迟提高了检测精度。然而，上述文献大 都围绕某一种检测算法针对特定的电压暂降故 障进行分析，对电网电压暂降时相位跳变、电网 含谐波时的响应能力分析和比较还不够深入。此 外，虽然有文献提及基于现代信号处理的检测方 法如小波变换[7]、 S 变换[8]等， 但是这些方法往往 计算量大，导致工程应用及实现相对困难。 基于此，本文在分析电网电压有效值算法、 瞬时 dq 变换法和 αβ 变换法基本检测原理的基础 上，应用Matlab/Simulink仿真软件分别建立其电 压暂降检测的仿真模型。在配电网单相电压暂降 时有无相位跳变和电网含谐波等不同情况下，对 基波电压有效值、相位检测的准确性和抗谐波干 扰能力进行了比较研究。
1110
配电网电压暂降检测算法的仿真比较
2.1 电压暂降时无相位跳变情况比较
假设被测电压在 0.12s 到 0.24s 之间发生 50% 的幅值暂降且不含相位跳变。待测电压的波形和 所检测的电压有效值结果如图 5 所示。其中，图 5(b)标幺值计算时其基值选为电压有效值 220 V。
400
200
U/V
配电网电压暂降检测算法的仿真比较
配电网电压暂降检测算法的仿真比较
杨春，刘霞，洪毅
（重庆市江津区供电有限责任公司， 402260）