一种电压暂降源判定方法和装置与流程

本发明涉及一种影响电网供电电能质量的污染源的自动监测和定位的方法及装置，特别是一种电网电压暂降源定位的自动监测方法及装置。

背景技术：

电压暂降，是指供电电压均方根值在短时间突然下降至额定电压幅值的90％～10％，典型持续时间为10ms～1min的一种现象。一些高度自动化设备很容易受到电压暂降的影响，几个周期的电压暂降都会对工业生产造成巨大经济损失。据国外调查，电能质量问题中电压暂降已成为主要的投诉原因，甚至占到投诉比重的80％。然而，电能是一种由电力部门向电力用户提供，并由供、用电双方共同保证质量的特殊产品。在导致电能质量下降的责任上，供、用电双方往往因为缺少对电能质量下降原因的判断而存在分歧甚至陷入经济纠纷。对电压暂降源诊断、定位，可界定供用电双方责任，也为制定缓和策略提供参考和依据。为此，近年来暂降源定位引起了国内外研究者的关注。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种能够实现对电网中的电压暂降源实现自动、准确监测的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种电压暂降源判定方法，用于判定电网中的电压暂降源所在方位，所述电压暂降源判定方法包括以下步骤：

步骤a：在监测点对所述电网的运行状态进行监测并获得监测数据，并判断所述电网是否发生电压暂降；

步骤b：若所述电网发生电压暂降，则根据所述监测数据分别计算所述电网发生电压暂降前一个基波周期的平均功率和所述电网发生电压暂降期间一个基波周期的平均功率；

步骤c：计算所述电网发生电压暂降期间一个基波周期的平均功率与所述电网发生电压暂降前一个基波周期的平均功率之差作为有功功率差；

步骤d：根据所述有功功率差的流向和预定义的参考方向，判定所述电网中的电压暂降源相对于所述监测点所在的方位。

所述步骤a中，在所述监测点对所述电网的三相电压和三相电流以每基波周期同步采样n个点而得到三相电压采样值和三相电压采样值，从而利用所述三相电压采样值计算所述监测点的各相对地电压的均方根值或各相对电网中性点电压的均方根值，并利用所述各相对地电压的均方根值或所述各相对电网中性点电压的均方根值判断所述电网是否发生电压暂降。

所述步骤a中，对中性点有效接地的电网，计算其所述监测点的各相对地电压的均方根值的方法为：

对中性点非有效接地的电网，计算其各相对电网中性点电压的均方根值的方法为：

其中，uami、ubmi，ucmi分别为所述监测点的各相对地电压的均方根值或所述各相对电网中性点电压的均方根值，uami(k)、ubmi(k)、ucmi(k)分别为在所述监测点对所述电网的三相电压以每基波周期同步采样n个点而得到的所述三相电压采样值，u0mi(k)、u0mi(k)、u0mi(k)分别为所述电网的各相零序电压。

所述电网的各相零序电压为：u0mi(k)＝[uami(k)+ubmi(k)+ucmi(k)]/3。

所述步骤a中，若所述监测点的任一相对地电压的均方根值或任一相对电网中性点电压的均方根值小于额定电压的90％，则判断所述电网发生电压暂降。

所述步骤b中，计算所述电网发生电压暂降前一个基波周期的平均功率的方法为：

其中，ppmi为所述电网发生电压暂降前一个基波周期的平均功率，uami(k-kn)、ubmi(k-kn)、ucmi(k-kn)分别为所述电网发生电压暂降前在所述监测点对所述电网的三相电压以每基波周期同步采样n个点而得到的所述三相电压采样值，iami(k-kn)、ibmi(k-kn)、icmi(k-kn)分别为所述电网发生电压暂降前在所述监测点对所述电网的三相电流以每基波周期同步采样n个点而得到的所述三相电流采样值；

计算所述电网发生电压暂降期间一个基波周期的平均功率的方法为：

其中，pdmi为所述电网发生电压暂降期间一个基波周期的平均功率，uami(k)、ubmi(k)、ucmi(k)分别为所述电网发生电压暂降期间在所述监测点对所述电网的三相电压以每基波周期同步采样n个点而得到的所述三相电压采样值，iami(k)、ibmi(k)、icmi(k)分别为所述电网发生电压暂降期间在所述监测点对所述电网的三相电流以每基波周期同步采样n个点而得到的所述三相电流采样值。

所述步骤d中，若所述有功功率差为正，则所述电网中的电压暂降源相对于所述监测点在所述参考方向的相反方向，若所述有功功率差为负，则所述电网中的电压暂降源相对于所述监测点在所述参考方向的相同方向。

预定义所述电网中负荷消耗有功功率的方向为所述参考方向的正方向。

本发明还提供一种能够实现对电网中的电压暂降源实现自动、准确监测的装置，其方案是：

一种电压暂降源判定装置，用于判定电网中的电压暂降源所在方位，所述电压暂降源判定装置包括：

采样单元，所述采样单元用于在监测点对所述电网的运行状态进行监测并获得监测数据；

数据处理单元，所述数据处理单元与所述采样单元相连接，用于判断所述电网是否发生电压暂降；若所述电网发生电压暂降，则根据所述监测数据分别计算所述电网发生电压暂降前一个基波周期的平均功率和所述电网发生电压暂降期间一个基波周期的平均功率；计算所述电网发生电压暂降期间一个基波周期的平均功率与所述电网发生电压暂降前一个基波周期的平均功率之差作为有功功率差；根据所述有功功率差的流向和预定义的参考方向，判定所述电网中的电压暂降源相对于所述监测点所在的方位。

所述采样单元包括：

三相电压互感器，所述三相电压互感器用于在所述监测点对所述电网的三相电压进行采样；

三相电流互感器，所述三相电路互感器用于在所述监测点对所述电网的三项电流进行采样；

锁相环，所述锁相环用于控制所述三相电压互感器和所述三相电流互感器的采样频率。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明能够对电网中的电压暂降源实现自动、准确监测，适用范围广泛。

附图说明

附图1为本发明的电压暂降源判定方法中在故障前后的同步采样示意图。

附图2为f点发生故障时电网等值电路的f点短路故障图。

附图3为f点发生故障时电网等值电路的f点短路故障等值电路图。

附图4为电网发生故障期间等值电路的故障扰动前(即电网正常运行)的等效电路图。

附图5为电网发生故障期间等值电路仅在短路扰动源激励下的等值电路图。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：一种用于判定电网中的电压暂降源所在方位的电压暂降源判定方法包括以下步骤：

步骤a：在监测点(一般在变电所的各条馈出线和供电网与用户的便捷等设置监测点)对电网的运行状态进行监测并获得监测数据，并判断电网是否发生电压暂降。

该步骤a中，在监测点mi对电网的三相电压uami(t)、ubmi(t)、ucmi(t)和三相电流iami(t)、ibmi(t)、icmi(t)以每基波周期同步采样n个点而得到三相电压采样值uami(k)、ubmi(k)、ucmi(k)和三相电流采样值iami(k)、ibmi(k)、icmi(k)，则三相电压采样值uami(k)、ubmi(k)、ucmi(k)和三相电流采样值iami(k)、ibmi(k)、icmi(k)构成监测数据。

利用三相电压采样值uami(k)、ubmi(k)、ucmi(k)计算监测点的各相对地电压的均方根值或各相对电网中性点电压的均方根值。对中性点有效接地的电网，计算其监测点的各相对地电压的均方根值的方法为：

对中性点非有效接地的电网，计算其各相对电网中性点电压的均方根值的方法为：

其中，uami、ubmi，ucmi分别为监测点的各相对地电压的均方根值或各相对电网中性点电压的均方根值，uami(k)、ubmi(k)、ucmi(k)分别为在监测点对电网的三相电压以每基波周期同步采样n个点而得到的三相电压采样值，u0mi(k)、u0mi(k)、u0mi(k)分别为电网的各相零序电压，电网的各相零序电压为：u0mi(k)＝[uami(k)+ubmi(k)+ucmi(k)]/3。

利用各相对地电压的均方根值或各相对电网中性点电压的均方根值uami、ubmi，ucmi判断电网是否发生电压暂降。若监测点的任一相对地电压的均方根值或任一相对电网中性点电压的均方根值小于额定电压的90％，则判断电网发生电压暂降。

步骤b：若电网发生电压暂降，则根据监测数据分别计算电网发生电压暂降前一个基波周期的平均功率和电网发生电压暂降期间一个基波周期的平均功率。

该步骤b中，计算电网发生电压暂降前一个基波周期的平均功率的方法为：

其中，ppmi为电网发生电压暂降前一个基波周期的平均功率，uami(k-kn)、ubmi(k-kn)、ucmi(k-kn)分别为电网发生电压暂降前在监测点对电网的三相电压以每基波周期同步采样n个点而得到的三相电压采样值，iami(k-kn)、ibmi(k-kn)、icmi(k-kn)分别为电网发生电压暂降前在监测点对电网的三相电流以每基波周期同步采样n个点而得到的三相电流采样值。

计算电网发生电压暂降期间一个基波周期的平均功率的方法为：

其中，pdmi为电网发生电压暂降期间一个基波周期的平均功率，uami(k)、ubmi(k)、ucmi(k)分别为电网发生电压暂降期间在监测点对电网的三相电压以每基波周期同步采样n个点而得到的三相电压采样值，iami(k)、ibmi(k)、icmi(k)分别为电网发生电压暂降期间在监测点对电网的三相电流以每基波周期同步采样n个点而得到的三相电流采样值。

也就是说，如附图1所示，在发生电压暂降后，可以向前推kn个采样点获得对应基波周期的三相电压采样值uami(k-kn)、ubmi(k-kn)、ucmi(k-kn)和三相电流采样值iami(k-kn)、ibmi(k-kn)、icmi(k-kn)，并据此计算电压暂降前一个基波周期的平均功率ppmi。这里ppmi即是电网正常运行时监测点mi的传输功率。同时，继续采样生电压暂降期间的三相电压采样值uami(k)、ubmi(k)、ucmi(k)和三相电流采样值iami(k)、ibmi(k)、icmi(k)，并据此计算电压暂降期间一个基波周期的平均功率pdmi。上述k是采样点的编号，是序数，k＝1，2，…；n是基波一个周期的采样点数；k取一正整数，k＝1或2或3，是电压暂降期间采样点滞后电压暂降前采样点的基波周期数；下标p表示电压暂降发生前(即电网正常运行时)；下标d表示电压暂降期间；下标mi为第i个监测点，i为序数，i＝1，2，…；下标a、b、c分别表示a、b、c三相。下标顺序：相(a、b或c)-电压暂降发生前p或电压暂降发生期间d-监测点mi。

步骤c：计算电网发生电压暂降期间一个基波周期的平均功率与电网发生电压暂降前一个基波周期的平均功率之差作为有功功率差：

δpmi＝pdmi-ppmi(5)

这个有功功率差δpmi实际上就是仅有短路扰动源激励下的监测点mi的传输功率，显然，它只与短路发生点与监测点的相对位置有关，与电网的拓扑结构(辐射式、环式、单回路、双回路等)、电压暂降源的类型(单相短路、两相短路、三相短路或是电容的投切等)无关，因此，可以用来准确地判定电压暂降源(即短路点)的位置。

步骤d：根据有功功率差的流向和预定义的参考方向，判定电网中的电压暂降源相对于监测点所在的方位。

可以任意定义一个参考方向，这个定义是由电压和电流互感器的同名端决定的，一般预定义电网中负荷消耗有功功率的方向为参考方向的正方向。若有功功率差为正，则电网中的电压暂降源相对于监测点在参考方向的相反方向，也称“上游”，若有功功率差为负，则电网中的电压暂降源相对于监测点在参考方向的相同方向，也称“下游”。

在电力系统中，电压暂降是因为电网中发生扰动(如：短路故障、大电机启动、电容的投切等)引起的。以最典型的电力系统短路故障扰动为例，一般说来，在电力系统中同时出现两个以上的短路故障的概率还是很低的，因此，这里只考虑电力系统中只发生一个短路故障，并且认为电力系统中的元件是线性的，简化等值电路如图2所示，可等效为如图3所示电路。图中：us1(t)＝[uas1(t),ubs1(t),ucs1(t)]^t，zs1为供电侧等效电源和内阻抗，us2(t)＝[uas2(t),ubs2(t),ucs2(t)]^t，zs2为用电侧等效电源和内阻抗，下方“→”表示该监测点mi的参考方向，下标d表示发生短路故障期间；mi为第i个监测点，li表示第i条线路，si表示电源，i为序数，i＝1，2，…；a，b，c分别表示a、b、c三相。下标顺序：相(a、b或c)-短路故障发生前p或短路故障发生期间d-监测点mi。

在图3中，udf(t)＝[uadf(t),ubdf(t),ucdf(t)]^t是故障期间故障点的对地电压，可分解为短路故障发生前(即电网正常运行时)f点电压upf(t)＝[uapf(t),ubpf(t),ucpf(t)]^t和故障扰动电压δuf(t)＝udf(t)-upf(t)＝[δuaf(t),δubf(t),δucf(t)]^t两部分，因此，依据线性电路的叠加原理，用图4、5的和来等效。图4是短路故障扰动前(即电网正常运行时)的等效电路，图5则是仅有短路扰动电压δuf(t)源激励下的等值电路。

图4、5说明，当电网中发生短路故障时，可以由一个短路故障扰动前(即电网正常运行时)的等效电路和一个仅在短路故障扰动电压δuf(t)源激励下的等值电路的叠加来替代。仅在扰动电压δuf(t)源激励下，由图5可直观看出，若以从左向右，即检测点mi下方“→”为正功率流方向，则当有功功率差δpmi为正时，电压暂降源(即短路故障点)在上游，当有功功率差δpmi为负时，电压暂降源在下游。这就是本方案对电压暂降源定位的理论依据。

由于图4、5中监测点mi的有功功率差δpmi的方向和大小仅与短路故障点在网架结构的位置和网架结构及网架中各支路的阻抗有关，与电源、实际潮流方向和用电负荷无关，因此，这一判断依据适用于任何网架结构(单电源辐射式、双电源辐射式、环形电网等)。这里的“功率流从左向右为正参考”也不再是扰动前的“实际潮流”方向，而是可以任意定义的参考方向，实际上是由电压和电流互感器的同名端决定的，一般定义负荷消耗有功功率流为“正”。

用于实现上述电压暂降源判定方法的电压暂降源判定装置包括采样单元和与采样单元相连接的数据处理单元。采样单元用于在监测点对电网的运行状态进行监测并获得监测数据。采样单元包括三相电压互感器、三相电流互感器和锁相环。三相电压互感器用于在监测点对电网的三相电压进行采样。三相电路互感器用于在监测点对电网的三项电流进行采样。锁相环用于控制三相电压互感器和三相电流互感器的采样频率，根据三相电压的采样数据调整锁相环。数据处理单元则用于判断电网是否发生电压暂降；若电网发生电压暂降，则根据监测数据分别计算电网发生电压暂降前一个基波周期的平均功率和电网发生电压暂降期间一个基波周期的平均功率；计算电网发生电压暂降期间一个基波周期的平均功率与电网发生电压暂降前一个基波周期的平均功率之差作为有功功率差；根据有功功率差的流向和预定义的参考方向，判定电网中的电压暂降源相对于监测点所在的方位。具体方法如前所述。

本发明提供了一种电网中电压暂降源判定的新方法。电压暂降源判定，就是确定引起电压暂降的扰动源位于监测装置的哪一侧。本发明依据线性电路的叠加原理，将故障扰动(其他电网扰动也同样)分解为电网正常运行和仅有扰动源激励的2个电网。当电网中仅有一个扰动电压源激励时，扰动有功功率流在电网中的分布是确定性的，因此，它的方向就确定性地确定了引起电压暂降的扰动源位于监测装置的哪一侧。通过同一电力网模型的仿真试验证明，它能确定性地定位电压暂降源，即定位正确率100％。因此，是一种很有实用价值的电压暂降源定位方法。该电压暂降源判定方法需要对监测点的电压和电流进行同步采样。

本方案的优点是：

该电压暂降源判定方法能确定性地定位由各种电网故障引起的电压暂降，适用于辐射式、环式、单回路、双回路、单电源和多电源网架结构电网，也适用于电容投切、变压器投切、大电机启动扰动引起的电压暂降源定位。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。