专利名称：电网监测系统及相关方法
技术领域：
本发明涉及一种电网监测系统及相关方法，特别是能够对诸如单相或三相网络之类的电力系统中的例如电压和电流等电网变量进行实时监测的电网监测系统。
背景技术：
在诸如在线交互功率处理器、智能保护系统和功率质量监测器和分析器等先进电网连接设备的控制中，一个最重要的问题在于与功率信号，即电压信号和/或电流信号的同步。电网电压波形是正弦波并且在最佳操作条件下均衡，但是由于非线性负载对电网的影响或电网故障，电网电压波形易于失真和不均衡。在其部分上，线电流是完好的正弦波并且仅在由完好均衡的线性负载构成的理想电网的情况下均衡。因此，电网连接设备应该与电网变量正确同步以在广义操作条件下保持有效连接。在通信、军事和航空系统中几十年来使用了锁相技术以使本地振荡器与一些可识别的外部信号同步。根据这些示例，先进的电网连接设备传统上使用锁相环(PLL)以使其内部控制系统与电网电压或电流同步。在三相系统中，基于同步参考系的PLL(SRF-PLL)变为传统的电网同步技术。然而，在市电电压不均衡时，SRF-PLL的响应具有不可接受的缺陷。WO 2008/05M99公开了一种基于锁频环(FLL)的实时电网监测系统和方法。仍然存在对于改善的电网监测系统的需要。
发明内容
本发明目的在于提供一种具有改善的响应的改善的电网监测系统。根据本发明，通过一种电网监测系统实现上述和其它目的，所述电网监测系统包括均具有至少一个输入和至少一个输出的第一谐波检测单元和锁频环单元，所述第一谐波检测单元具有用于接收第一输入信号的第一输入，以及连接到所述锁频环单元以用于接收控制信号的第二输入。所述锁频环单元的输入连接到所述第一谐波检测单元的至少一个输出，以用于接收反馈信号，所述第一谐波检测单元被配置用于检测所述第一输入信号的第一频率分量和第二频率分量，其中所述第一谐波检测单元被配置用于分别向所述第一谐波检测单元的第一输出和第二输出馈送所述第一频率分量和所述第二频率分量。所述第一谐波检测单元包括第一信号生成器、第二信号生成器和交叉反馈网络。所述第一信号生成器具有连接到所述交叉反馈网络的第一输出的第一输入，以及连接到所述第一谐波检测单元的第一输出并且连接到所述交叉反馈网络的第一输入的第一输出。所述第二信号生成器具有连接到所述交叉反馈网络的第二输出的第二输入，以及连接到所述第一谐波检测单元的第二输出并且连接到所述交叉反馈网络的第二输入的第二输出。所述交叉反馈网络被配置成从所述第一输入信号减去所述第二频率分量并且将所得到的信号馈送到所述第一信号生成器的所述第一输入，并且所述交叉反馈网络可以被配置成从所述输入信号减去所述第一频率分量并且将所得到的信号馈送到所述第二信号生成器的所述第二输入。根据本发明的电网监测系统(GMS)的优点在于提供对功率信号中的谐波进行实时监测。根据本发明的GMS中的谐波检测的另一优点是不基于傅里叶分析，从而降低了计
算要求。另外，GMS提供对单相或三相电力系统的高精确监测，而与被处理的功率信号的谐波含量无关。该特征能够通过谐波监测单元来实现，该谐波监测单元允许独立处理功率信号的不同谐波。在现有的三相网络的监测方案中，谐波被认为待滤波的干扰。
通过下面参考附图对示范性实施例的详细描述，本发明的上述和其它特征和优点对于本领域的普通技术人员将变得显而易见。在附图中图1示出了本发明的电网监测系统的单相实现的方框图，图2示出了本发明的电网监测系统的单相实现的方框图，图3示出了谐波检测单元的方框图，图4示出了谐波检测单元的方框图，图5示出了本发明的电网监测系统的多相实现的方框图，图6示出了本发明的电网监测系统的多相实现的方框图，图7示出了本发明的电网监测系统的多相实现的方框图，图8示出了本发明的电网监测系统的多相实现的方框图，图9示出了本发明的电网监测系统的多相实现的方框图，图10示出了正负序列计算器单元的方框图，图11示出了正负序列计算器的方框图，图12示出了正交信号生成器的方框图，图13示出了二阶广义积分器(SOGI)的方框图，图14示出了锁频环单元的方框图，图15示出了锁频环单元的方框图，图16示出了谐波检测单元的频率响应，以及图17是示出实验结果的示意图。
具体实施例方式根据本发明的电网监测系统(GMS)包括均具有至少一个输入和至少一个输出的第一谐波检测单元和锁频环单元。电网监测系统可以包括具有至少一个输入和至少一个输出的第二谐波检测单元。此外，电网监测系统可以包括具有至少一个输入和至少一个输出的第三谐波检测单元。谐波检测单元可以包括用于向谐波检测单元馈送输入信号的第一输入，以及第二输入。相应谐波检测单元的第二输入可以直接或经由放大器单元连接到相应谐波检测单元中的第一信号生成器的控制输入，例如第一谐波检测单元的第二输入可以连接到第一谐波检测单元的第一信号生成器的控制输入。
谐波检测单元可以包括一个或多个放大器单元，所述放大器单元具有连接到相应谐波检测单元的第二输入的输入，以及连接到信号生成器的控制输入的输出。例如，第一谐波检测单元或第二谐波检测单元或上述二者可以包括放大器单元，所述放大器单元具有连接到相应谐波检测单元的第二输入的输入以及连接到第二信号生成器的控制输入的输出。 所述放大器单元可以具有不同的增益。一个或多个增益可以是整数，例如用于将信号生成器调谐到谐波频率。此外或可选地，一个或多个增益可以是非整数，从而能够对输入信号进行间谐波分析。系统中采用的信号生成器可以是任何适合的信号生成器。优选地，信号生成器是生成第一输出上的第一输出信号以及第二输出上的例如正交信号的第二输出信号的正交信号生成器。信号生成器的第二输出可以连接到谐波检测单元的相应的正交输出。例如，相应谐波检测单元的第一信号生成器可以是生成第一输出上的第一输出信号以及连接到相应谐波检测单元的第一正交输出的第二输出上的第二输出信号的正交信号生成器。正交信号生成器可以包括二阶广义积分器(SOGI)。信号生成器可以包括具有增益k的放大器单元。增益k可以是常数，例如Α; = ν 。对于不同的信号生成器可以选择不同值的k。例如，第一信号生成器可以具有第一 k值并且第二信号生成器可以具有第二 k值。 可以根据信号生成器的第一输入上的谐波频率来选择k值。在实施例中，下面给出信号生成器的增益Ici
ki=k1/i
其中i表示要在信号生成器中生成的谐波次数并且Ic1是常数，例如A1 = V^。信号生成器可以包括第三输出，例如用于向谐波检测单元的误差输出馈送误差信号。因此，相应谐波检测单元的第一信号生成器可以包括连接到相应谐波检测单元的第一误差输出的第三输出。电网监测系统可以包括具有至少一个输入和至少一个输出的第二谐波检测单元， 所述第二谐波检测单元具有用于接收第二输入信号的第一输入、连接到锁频环单元以用于接收控制频率的第二输入，其中所述锁频环单元的输入连接到第二谐波检测单元的至少一个输出以用于接收反馈信号，所述第二谐波检测单元被配置用于检测所述第二谐波检测单元的第一输入上的第二输入信号的第一频率分量和第二频率分量。所述第二谐波检测单元可以被配置用于分别向所述第二谐波检测单元的第一输出和第二输出馈送所述第一频率分量和所述第二频率分量。所述第二谐波检测单元可以包括第一信号生成器、第二信号生成器以及可选的交叉反馈网络，所述第一信号生成器具有连接到交叉反馈网络的第一输出的第一输入，以及连接到所述第二谐波检测单元的第一输出并且连接到交叉反馈网络的第一输入的第一输出。第二信号生成器可以具有连接到交叉反馈网络的第二输出的第二输入，以及连接到第二谐波检测单元的第二输出并且连接到所述交叉反馈网络的第二输入的第二输出。所述交叉反馈网络可以被配置成从第二输入信号减去第二频率分量，并且将所得到的信号馈送到第一信号生成器的第一输入，并且所述交叉反馈网络可以被配置成从第二输入信号减去第一频率分量，并且将所到得的结果馈送到第二信号生成器的第二输入。电网监测系统可以包括连接到第一和第二谐波检测单元的输出并且被配置成以第一和第二频率提供正负序列分量的正负序列计算器单元。锁频环单元向电网监测系统的一个或多个谐波检测单元提供控制频率。锁频环的一个或多个输入可以连接到第一谐波检测单元的正交输出的所选择部分或全部。此外，锁频环单元的一个或多个输入可以连接到第二和/或第三谐波检测单元的正交输出的所选择部分或全部。因而，可以基于形成闭环反馈环的一个或多个正交信号来修改控制频率。可以将锁频环单元的一个或多个输入连接到第一谐波检测单元的误差输出中的所选择部分或全部。此外，锁频环单元的一个或多个输入可以连接到第二和/或第三谐波检测单元的误差输出中的所选择部分或全部。因而，可以基于形成闭环反馈的一个或多个误差信号来修改控制频率。锁频环单元可以是线性化锁频环单元。线性化锁频环单元(LFLL)可以具有适当的传递函数，以用于根据期望的动态参数来设置频率自适应环的性能。LFLL可以具有连接到谐波检测单元的一个或多个正交输出的多个正交输入，以及连接到谐波检测单元的一个或多个误差输出的多个误差输入。根据谐波的数量、到系统的输入信号的数量以及到LFFL的期望反�。梢园凑詹煌呐渲昧诱皇淙牒�/或误差输入。LFLL可以包括在对所监测的三相输入向量的α和β分量上感兴趣的频率处的一系列部分频率误差检测器。用于α和β分量的该部分频率误差检测器可以通过乘法器实现，具有其上耦合有来自以感兴趣频率进行调谐的QSG的减法器的同相误差信号的第一输入端口、其上耦合有以感兴趣频率进行调谐的QSG的滤波正交输出信号的第二输入端口、 以及提供部分内部频率误差信号的输出端口，其中所述乘法器的输出端口耦合到频率误差聚集�？�(FEA)。电网监测系统可以包括变换单元，所述变换单元具有至少一个输入和至少一个输出，并且被配置用于根据变换将至少一个输入上的信号变换为至少一个输出上的信号。变换单元的输出可以连接到谐波检测单元的输入。附图是示意性的，出于清晰目的是简化的，并且仅示出了对于理解本发明基础的细节，而省去了其它细节。在整个附图中，相同的附图标记用于相同或相对应的部件。图1示出了本发明的电网监测系统的单相实现的方框图。电网监测系统2包括第一谐波检测单元(HDN) 4和锁频环单元(FLL) 6。将第一输入信号ν馈送到第一谐波检测单元4的第一输入8，并且将第二输入10连接到锁频环6的第一输出12以用于接收控制信号 ω ’，即控制频率。在电网监测系统的操作期间修改控制频率ω ’，并且控制频率ω’可以是大约· ·，其中f例如为大约50Hz或大约60Hz。第一谐波检测单元具有用于分别输出第一频率分量信号V1和第二频率分量信号V2的第一输出和第二输出(表示为向量化输出14)。第一谐波检测单元4可以被配置用于检测任何数量的频率分量信号Λν··νη。此外在所说明的实施例中，第一谐波检测单元4在正交输出16上以控制频率ω’的整数倍的频率或大约以该频率生成多个正交信号，并且在第一谐波检测单元4的误差输出18 上生成多个误差信号ε V ε vn。HDN的一个或多个正交输出连接到FLL的输入，以用于向 FLL馈送一个或多个信号qVl"'qVn。HDN的一个或多个误差输出连接到FLL的输入，以用于向FLL馈送一个或多个误差信号ε^ν·· ενη。为了简化，将谐波检测单元4的输出14、正交输出16和误差输出18示出为向量。图2示出了本发明的电网监测系统的单相实现的方框图。电网监测系统2’包括第一谐波检测单元(HDN)4和线性化锁频环单元(LFLL)6’。图3示出了在根据本发明的GMS中采用的谐波检测单元的实施例。第一谐波检测单元(HDN) 4包括多个信号生成器QSG (1)…QSG (η)，所述多个信号生成器QSG (1)…QSG (η) 包括第一信号生成器20、第二信号生成器22以及交叉反馈网络对。第一信号生成器20具有连接到交叉反馈网络的第一输出的第一输入ν，以及连接到第一谐波检测单元的第一输出并且连接到交叉反馈网络的第一输入的第一输出ν’。第二信号生成器22具有连接到交叉反馈网络的第二输出的第二输入ν，以及连接到第一谐波检测单元的第二输出并且连接到交叉反馈网络的第二输入的第二输出ν’。交叉反馈网络M被配置成从第一输入信号ν 减去第二频率分量，且将所得到的信号馈送到第一信号生成器的第一输入V，并且交叉反馈网络M被配置成从输入信号ν减去第一频率分量且将所得到的信号馈送到第二信号生成器22的第二输入ν。第一谐波检测单元4可以包括任何数量的η个信号生成器，例如，根据谐波或频率分量的期望数量，信号生成器的数量可以是两个、三个、四个、五个、六个或更多。交叉反馈网络M可以被配置成实现频率分量信号的任何适合的减法。交叉反馈网络包括一个或多个减法器，并且被配置用于实现期望的交叉反馈结构。在图3示出的交叉反馈网络的实施例中，来自交叉反馈网络M的向量形式的输出为
权利要求
1.一种电网监测系统，所述电网监测系统包括均具有至少一个输入和至少一个输出的第一谐波检测单元和锁频环单元，所述第一谐波检测单元具有用于接收第一输入信号的第一输入、以及连接到所述锁频环单元以用于接收控制信号的第二输入，其中所述锁频环单元的输入连接到所述第一谐波检测单元的至少一个输出以用于接收反馈信号，所述第一谐波检测单元被配置成用于检测所述第一输入信号的第一频率分量和第二频率分量，其中所述第一谐波检测单元被配置成用于分别向所述第一谐波检测单元的第一输出和第二输出馈送所述第一频率分量和所述第二频率分量，所述第一谐波检测单元包括第一信号生成器、第二信号生成器和交叉反馈网络，所述第一信号生成器具有连接到所述交叉反馈网络的第一输出的第一输入、以及连接到所述第一谐波检测单元的第一输出并且连接到所述交叉反馈网络的第一输入的第一输出，并且所述第二信号生成器具有连接到所述交叉反馈网络的第二输出的第二输入、以及连接到所述第一谐波检测单元的第二输出并且连接到所述交叉反馈网络的第二输入的第二输出，其中所述交叉反馈网络被配置成从所述第一输入信号减去所述第二频率分量，并且将所得到的信号馈送到所述第一信号生成器的所述第一输入，并且其中所述交叉反馈网络被配置成从所述输入信号减去所述第一频率分量，并且将所得到的信号馈送到所述第二信号生成器的所述第二输入。
2.根据权利要求1所述的电网监测系统，其中所述第一谐波检测单元的所述第二输入连接到所述第一信号生成器的控制输入。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的电网监测系统，其中所述第一谐波检测单元包括放大器单元，所述放大器单元具有连接到所述第一谐波检测单元的所述第二输入的输入以及连接到所述第二信号生成器的控制输入的输出。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的电网监测系统，其中所述第一信号生成器是正交信号生成器，所述正交信号生成器在所述第一输出上生成第一输出信号并且在连接到所述第一谐波检测单元的第一正交输出的第二输出上生成第二输出信号。
5.根据权利要求4所述的电网监测系统，其中所述正交信号生成器包括二阶广义积分ο
6.根据前述权利要求中的任一项所述的电网监测系统，其中所述第一信号生成器具有连接到所述第一谐波检测单元的第一误差输出的第三输出。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的电网监测系统，包括具有至少一个输入和至少一个输出的第二谐波检测单元，所述第二谐波检测单元具有用于接收第二输入信号的第一输入、连接到所述锁频环单元以用于接收控制频率的第二输入，其中所述锁频环单元的输入连接到所述第二谐波检测单元的至少一个输出以用于接收反馈信号，所述第二谐波检测单元被配置成用于检测所述第二谐波检测单元的所述第一输入上的所述第二输入信号的第一频率分量和第二频率分量，其中所述第二谐波检测单元被配置成用于分别向所述第二谐波检测单元的第一输出和第二输出馈送所述第一频率分量和所述第二频率分量，所述第二谐波检测单元包括第一信号生成器、第二信号生成器和交叉反馈网络，所述第一信号生成器具有连接到所述交叉反馈网络的第一输出的第一输入、以及连接到所述第二谐波检测单元的第一输出并且连接到所述交叉反馈网络的第一输入的第一输出，并且所述第二信号生成器具有连接到所述交叉反馈网络的第二输出的第二输入、以及连接到所述第二谐波检测单元的第二输出并且连接到所述交叉反馈网络的第二输入的第二输出，其中所述交叉反馈网络被配置成从所述第二输入信号减去所述第二频率分量，并且将所得到的信号馈送到所述第一信号生成器的所述第一输入，并且其中所述交叉反馈网络被配置成从所述第二输入信号减去所述第一频率分量，并且将所得到的信号馈送到第二信号生成器的所述第二输入。
8.根据权利要求7所述的电网监测系统，包括正负序列计算器单元，所述正负序列计算器单元连接到所述第一谐波检测单元和所述第二谐波检测单元的输出并且被配置成以第一频率和第二频率提供正负序列分量。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的电网监测系统，其中所述锁频环单元的一个或多个输入连接到所述第一谐波检测单元的一个或多个正交输出。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的电网监测系统，其中所述锁频环单元的一个或多个输入连接到所述第一谐波检测单元的一个或多个误差输出。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的电网监测系统，其中所述锁频环单元是线性化锁频环单元。
12.根据权利要求11所述的电网监测系统，其中所述锁频环单元包括具有连接到频率误差聚集�？楹头蠢∠咝曰低车ピ囊桓龌蚨喔鍪涑龅亩喔龀朔ㄆ�。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的电网监测系统，包括变换单元，所述变换单元具有至少一个输入和至少一个输出，并且被配置成用于根据变换来将所述至少一个输入上的信号变换为所述至少一个输出上的信号。
14.一种用于操作电网监测系统的方法，所述电网监测系统包括具有第一输入和控制输入的谐波检测单元，并且所述谐波检测单元包括响应于控制信号和输入信号而生成至少一个第一输出信号的第一信号生成器，所述谐波检测单元还包括响应于控制信号和输入信号而生成至少一个第二输出信号的第二信号生成器，所述方法包括向所述谐波检测单元的所述第一输入馈送输入信号，从所述输入信号减去来自所述第一信号生成器的输出信号，以及将所得到的信号作为输入信号馈送到所述第二信号生成器。
15.根据权利要求14所述的方法，包括从所述输入信号减去来自所述第二信号生成器的输出信号，并且将所得到的信号作为输入信号馈送到所述第一信号生成器。
全文摘要
本发明涉及一种电网监测系统，特别是能够对例如单相或三相网络中的电力系统中的例如电压和电流的电网变量进行实时监测的电网监测系统。所述电网监测系统包括谐波检测单元，所述谐波检测单元适合于在向所述谐波检测单元中的多个信号生成器馈送输入信号之前减去输入信号的谐波。
文档编号G01R19/25GK102483432SQ200980154037
公开日2012年5月30日 申请日期2009年10月31日 优先权日2008年11月7日
发明者P·罗德里格斯, R·特奥多雷斯库 申请人:维斯塔斯风力系统集团公司
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