一种用于检测电压暂降的新方法

蒋素琼

（福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000）

一种用于检测电压暂降的新方法

蒋素琼

（福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000）

电压暂降问题严重影响电网的电能质量，对于此类问题的解决方案还未能同时兼顾实时性与准确性。故本文将通过PSCAD分析比较多种电压暂降检测的方法，并在单相电路瞬时电压dq0坐标变换检测法的基础上，将变换坐标并延迟60°，提出一种新的单相dq坐标变换检测法。最后采用PSCAD仿真三相电力系统发生单相接地的故障工况，分别采用快速傅里叶电压暂降检测法、单相电路瞬时电压dq0坐标变换检测法与新的单相dq坐标变换检测法进行电压暂降检测，从而对比分析得到新的方法检测的优越性。该检测方法为电压暂降的检测提供了新的思路和新的手段。

电压暂降；快速傅里叶；单相电路瞬时电压；单相dq坐标变换；PSCAD

近年来，随着各种敏感用电设备在工业中的广泛应用，电压暂降等电能质量扰动问题己成为各方面关注的焦点。当供电系统或用户内部发生短路故障时，或当大型电动机发生起动不当时，电网系统中就会造成电压暂降现象。电压暂降所带来的危害如同电压突然中断一样，这对电压敏感的用电设备造成巨大的伤害，给人民的工作生产生活带来严重的不良影响。

为了保证电力系统安全可靠的运行，必须重视电压暂降问题，通过仪器设备及早检测检测暂降现象，并进行有效预防，对维护电能质量直观重要。而研究电压暂降一大重点就是要及时地检测出暂降。目前，国内外大多学者对暂降检测方法做了很多的研究。常用的电压暂降检测方法主要有两种，一种是基于时频分析的暂降检测，比如快速傅里叶方法（FFT）、分段快速傅里叶方法等[5-6]。但这种检测算法还是有一定的适用性的，能够正确的检测出电压暂降过程，但延时时间较长，实时性较差；另一种是基于坐标变换的暂降检测。这种方法将 abc坐标系下的三相电量转换成为dq0坐标系下的相应分量[7-10]。在旋转 dq0坐标下研究交流电气参数就相当研究直流的电气电压进行检测分析，与此同时，还可用于检测由于电压暂降所带来的相位跳变现象，然而这一方法同样存在不足：其检测过程需进行三相变换，其计算量较大。

鉴于以上几种电压暂降检测方法的不足，提出一种新的基于PSCAD的单相dq坐标变换检测法，这种新的单相dq坐标变换法不仅原理上更为简单，实用性更强，其实现过程中也不需要进行三相变换，计算量较小，为解决电压暂降问题提供了新思路和新手段。

1 电压暂降

根据电气与电子工程师协会（IEEE）的相关规定：当供电电压的有效值快速下降到其额定值（Un%）的 90%～10%，而后又回升到该电压正常值时，这一电压变化过程定义为电压暂降。同时，国际电工委员会（IEC）也对其进行了规范定义：在持续 10ms～1min时间内，电压值下降到额定值的90%～1%的情况。而在电网系统中，这种电压暂降现象的持续时间大多是在0.5～1.5s之间。因而电压暂降现象的电压下降值较大，持续时间较短。故本文将在电压暂降定义的基础上，基于 PSCAD仿真软件来仿真研究传统的检测电压暂降的方法，从而取长补短提出新的电压暂降检测方法。

2 基于PSCAD的新的单相dq坐标检测算法

本文设定一个电压函数，利用 PSCAD仿真软件对其进行电压暂降检测仿真。其电压函数如下所示：

式中，电压函数模型在0.1s时发生电压暂降，本文设置其电压暂降值额定值的75%，即将电压幅值从原来的100V降到75V，持续0.1s后，电压恢复正常值。

2.1 基于时频的FFT电压暂降检测法

时域分析可以得出信号随时间的变化特性，频域分析可以得到其频率分量。利用FFT算法将时域和频域结合起来，能够有效地检测出信号中基波和各次谐波的幅值以及相角。

FFT检测算法直接接在电压输出侧，通过时频分解，可以得出基波的幅值和相角，以及各次谐波的幅值和相角。

FFT检测法的仿真图如图1所示。

图1 FFT检测法仿真图

将图1中经过FFT检测算法后基波、三次、五次、七次谐波的电压幅值变化图（其中横坐标为时间变量，单位为s；纵坐标为电压变量，单位为V。以下波形图的单位都相同）。

图2 FFT检测后电压波形

从图2中可以看出，在0.1s和0.2s附近基波幅值从 100V跳变到 75V，而在电压发生暂降时，也就是0.1s和0.2s附近出现了各次谐波。三次谐波最大幅值达到 18.74V，五次谐波最大幅值达到10.89V，七次谐波最大幅值达到11.89V，稳定后各次谐波消失，整个检测能够正确地反应电压的模型。但是以FFT的基波的幅值分析，它在0.12s左右检测出电压暂降的幅值，在 0.22s左右检测出电压恢复，大概都延时0.02s。

同时，经过FFT检测后的电压相角随时间变化的曲线如图3所示。

图3 FFT检测后相角波形

从图3可以看出，在0.1s附近随着电压暂降，电压相角从0°变化到60°，在0.2s左右相角从60°恢复到0°，在约0.12s处检测出电压暂降的相角，在 0.22s左右检测出电压恢复后的相角。因而，检测到故障与检测到恢复正常的延时都约为0.02s。

综上可知，FFT检测算法具有一定的适用性的，能够正确的检测出电压暂降过程，但其延时时间较长，实时性较差。

2.2 基于新的单相dq坐标变换的电压暂降检测

因FFT检测算法的实用性差，因而本节将提出新的基于坐标变化的电压暂降检测算法。

以单相电压为参考电压构造出一个虚拟三相系统，这就是单相电路的瞬时电压dq0变换法。首先将介绍下单相电路的瞬时电压dq0变换检测法。

首先将A相电压Ua延时60°得到与C相电压等值却反向的电压−Uc，然后由式（2）得到Ub。

在式（2）的基础上，将此虚拟的三相电压按数学特性变换到dq坐标系，同时用低通滤波器提取出电压中的直流分量Ud0和Uq0。可得到如下式的Ud0和Uq0的计算式，即

式中，U为基波电压幅值；ϕ 为电压暂降发生的相位跳变值。

而直接通过实测可以得到已知量Ud0和Uq0，因此通过变换式（3）可得到基波电压幅值 U和相位跳变值ϕ 的计算式，即

在上述基础上，以下将提出一种新的新的单相dq坐标变换检测法。

在式（4）的基础上将电压暂降后的基波电压向量U.在αβ静止坐标系的两个坐标轴上的投影，投影值为

式（5）为电压量的瞬时值，dq旋转坐标系相对于αβ静止坐标系以角速度ω旋转，则电压向量U.于dq旋转坐标系同步旋转，其在dq旋转坐标系的投影如下：

对αβ静止坐标系中 Uα和 Uβ进行坐标变换可以得到两个分量Ud和Uq，变换式如下：

因此，根据实际所测量的单相电压以在αβ静止坐标系中构造Uα和Uβ分量，即令分量Uβ为

将超前 90°的 Uβ作为当前分量 Uα，然后按式（8）变换到dq轴上，通过低通滤波器得到电压的直流分量Ud0和Uq0，则可以得到基波电压的幅值和相位，即

本文所提出的新的单相 dq坐标变换检测仿真图如图4所示。

图4 新的单相dq坐标变换检测仿真图

通过如图4所示的仿真图，得到经过变换后直流电压分量Ud0和Uq0波形，如图5所示。

图5 电压中的直流分量Ud0和Uq0波形

从图5可以看出，在0.1s附近，电压直流分量Ud0从100变化到37.54V，Uq0从0V变化到64.89V；在 0.2s左右，电流直流分量 Ud0从 37.54变化到100V，Uq0从64.89V变化到0V。

根据式（9）可得到电压幅值、相角，具体的电压幅值波形如图6所示，相角波形如图7所示。

图6 基波电压的幅值波形

从图6可以看出，在0.1s附近，电压幅值从100V降到75V，0.2s左右，恢复成100V，这与原本设置的电压模型完全相符。同时，从图中测量可得到从发生电压暂降到检测发现电压暂降的稳定电压幅值所需要的延时时间约为0.008s。

图7 基波电压的相位波形

从图7可以看出，在0.1s附近，基波相位角从0°变到60°，而在 0.2s左右，其相角又恢复为原来的 0°，这一系列变化过程完全符合原本模型的设置。与此同时，从发生电压暂降到检测到电压暂降的稳定相角变化所需的延时时间约为0.008s。

因此，综合以上仿真结果可知，当在0.1s附近发生电压骤降，而在0.2s附近解除故障电网系统恢复正常运行时，检测延时时间约为0.008s。

在检测过程产生延时是因αβ坐标变换会产生的延时及低通滤波器也会产生延时共同造成的。因而，在对检测精度要求较高的情况下，可以通过选取合适的低通滤波器来尽量缩短延迟时间。

此方法与 2.1节中所阐述的方法相比，二者的延时相差不多，但 2.1节中检测得到的暂降波形变化并不是很稳定，需要额外添加滤波功能。但本2.2小节所提出的新的单相 dq坐标变换法不需要，同时，其在原理上更为简单，并且实现过程中不需要进行三相变换，计算量较小。为其在工程上的实现奠定了良好的基础。

3 举例应用

3.1 故障设置

针对三相系统发生单相接地故障进行仿真，A相在0.1s发生单相接地故障，在0.2s的时候故障消除，恢复正常供电。单相接地故障仿真图如图8所示。

图8 单相接地故障

图8中的A相电压波形如图9所示。

图9 A相接地故障电压暂降波形

分别采用FFT检测法、单相电路的瞬时电压dq0变换法与新的单相 dq坐标变换检测法对上述系统进行检测。

3.2 仿真结果分析

采用FFT检测，得到的电压幅值和相角波形如图10所示。

图10 FFT检测后电压和相角波形

从图 10中可以看出，在 0.1s附近，基波幅值从 179.63V跳变到 90.73V，相角从−30.00°变为−32.26°；在0.2s附近，基波幅值从90.73V跳变到179.63V，相角从−32.26°变为−30.00°而在电压发生暂降时，也就是0.1s和0.2s附近出现了各次谐波。三次谐波最大幅值达到17.04V，五次谐波最大幅值达到9.34，七次谐波最大幅值达到10.77V。但是采用FFT的基波分析，检测到电压暂降延时时间约为0.02s。

1）单相电路瞬时电压dq0变换检测法

采用单相瞬时电压dq0变换检测法对其故障进行仿真分析，得到的电压幅值和相角波形如图11所示。

从图11中可以看出，在0.1s附近，基波幅值从180.23V跳变到90.54V，相角从−31.20°变为−33.45°；在0.2s附近，基波幅值从90.54V跳变到180.23V，相角从−33.45°变为−31.20°。采用瞬时电压 dq0的基波分析，检测到电压暂降延时约为0.008s。

2）新的单相dq坐标变换检测法

采用新的单相dq检测，得到的电压幅值和相角波形如图12所示。

图11 单相瞬时电压dq0检测后电压和相角波形

图12 新的单相dq检测后电压和相角波形

从图 12中可以看出，在 0.1s附近，基波幅值从 179.63V跳变到 90.67V，相角从−29.13°变为−33.16°；在0.2s附近，基波幅值从90.67V跳变到179.63V，相角从−33.16°变为−29.13°。采用瞬时电压dq0的基波分析，检测到电压暂降延时时间约为0.008s。

为了便于分析比较，将以上分析的检测方法工况仿真结果列于表1中进行比较，以得到直观清晰的结果。

由表1得到结论：新的单相dq坐标变换检测法相较于单相电路瞬时电压dq0变换检测法延时时间要短；且电压相角很快就达到稳定，具有一定的优越性。

4 结论

本文通过对目前常用电压暂降特征量检测算法的研究，以提出新的单相dq坐标变换检测法，通过仿真对比分析两种方法，结果也验证了所提方法的优势。研究表明：

1）FFT检测可以很容易得出暂降前后谐波量的变化，但是算法过于复杂，计算量过大，所需的延时最大，实时性能不好，不能明确地给出暂降的起止时刻和反应出可能出现的相位跳变。

表1 工况仿真对比

2）用瞬时dq0检测时，延时时间很短，仅微秒级。过程中所产生的延时是由于dq0坐标变换产生的延时和低通滤波器产生的延时。此方法不只用于三相电路，其对任一相电压进行检测，并且可以检测出电压暂降时可能的相位跳变，但需要进行三相变换，计算量较大。而且可以看出检测暂降波形变化并不是很稳定，需要额外添加滤波功能。

3）用单相dq检测时，其所产生的延时是由于αβ坐标变换产生的延时及低通滤波器产生的延时共同造成的，延时时间很短，也只要微秒级。在考虑检测精度的情况下，可以通过选取合适的低通滤波器来尽量降低延迟时间。这种新的单相dq坐标变换法原理上更为简单，实现过程中不需要进行三相变换，计算量较小。总体来说，考虑到实时性能和准确性，采用单相dq检测更好。

[1]肖湘宁.电能质量分析与控制[M].北京:中国电力出版社,2010.

[2]肖湘宁,徐永海,刘昊.电压凹陷特征量检测算法研究[J].电力自动化设备,2002,22(1):19-22.

[3]杨亚飞,颜湘武,娄尧林.一种新的电压骤降特征量检测方法[J].电力系统自动化,2004,28(2):41-44.

[4]陈磊.电力市场环境下的电能质量评估研究[D].北京:华北电力大学,2005.

[5]高雯,王慧霞,姚翠兰.基于概率和矢量代数的电能质量综合评估[J].山西电力,2009(6):65-67.

[6]电能质量,GB/T 15945—1995.电力系统频率允许偏差[S].

[7]电能质量,GB/T 15543—1995.三相电压允许不平衡度[S].

[8]Caramia P,Carpinelli G,Russo A,et al.Power Quality Assessment in Liberalized Market:Probabilistic System Indices for Distribution Networks with Embedded Generation[C]//Proceedings of The International Conference on Probabilistic Methods Applied to Power Systems,Sweden,2005.

[9]Mansoor A,Grady WM,Thallam RS,et al.Effect of supply voltage harmonics on the input current of single-phase diode bridge rectifier loads[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1995,10(3):1416-1422.

[10]张媛.基于灰色系统理论的电力设备全寿命周期成本评估及模型[D].重庆:重庆大学,2008.

The New Method of Analyzing Voltage Sags Detection

Jiang Suqiong
(Fujian College of Water Conservancy and Electric Power,Yongan,Fujian 366000)

Voltage sag problems affect the quality of power grid seriously,for solutions to these problems have not been able to take into account the timeliness and accuracy at the same time.This paper focuses on single-phase circuit instantaneous voltage dq0 detection changed method of voltage sags detection method based on the PSCAD,on this basis,transformed and delayed the coordinate by 60°,presents a new single-phase dq coordinate transformation assay.Finally,the advantages of method for the detection of three-phase power system simulation PSCAD single-phase fault this condition were analyzed,through comparing the Fast Fourier、single-phase dq coordinate transformation assay and the new single-phase dq coordinate transformation assay for detecting Voltage Sags.It provides a new way for voltage sags detection method.

voltage sag;fast fourier;single-phase circuit instantaneous voltage;single-phase dq0 detection change;PSCAD

蒋素琼（1988-），女，福建莆田人，汉族，教师，主要从事电力技术类专业的教学与研究工作。