一种UPS快速切换判别方法.pdf

第 4 2卷 第 8期 2 0 1 6年 8月 工矿 自 动化 I n dus t r y a n d M i ne Aut oma t i on Vo 1 ． 4 2 No ． 8 Au g．2 0 1 6 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 8 0 0 6 5 0 5 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 8 ． 0 1 6 房绪鹏 ， 李辉 ， 庄见伟 ， 等． 一种 UP S快速切换判别方法E J - ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 8 6 5 6 9 ． 一 种 UP S快速切换判别方法 房绪鹏 ， 李辉 ， 庄见伟 ， 陈志巧 。 1 ． 山东科技大学 电气与 自动化工程学院，山东 青岛 2 6 6 5 9 0 ； 2 ． 山东科技大学 矿 山灾害预防控制省部共建 国家重点实验室培育基地 ，山东 青岛 2 6 6 5 9 0 摘要 针对现有的 UP S切换判别方法会导致误 动作 的问题， 采用 D S P技术设计 了一种 UP S快速切换 判 别方 法 。该方 法采 用软 件锁 相 方式 ， 根 据 D S P采 集并处 理得 到 的交 流 电压 幅值 和相 位进 行 掉 电检 测 和 电 压跌落检测 ， 当检测值超过设定范围时进行 UP S切换 。实验结果表明 ， 该方法能够快速、 准确地判断出交流 掉电和电压跌 落， 在 1 ms左右时间内实现 UP S切换。 关键 词 UP S切 换 ；交流掉 电 ；电压跌 落 中图分 类号 TD 6 1 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 - 0 8 0 3 1 0 0 7 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 8 0 3 ． 1 0 0 7 ． 0 1 6 ． h t m1 An i d e nt i f i c a t i o n me t h o d f o r UPS r a pi d s wi t c h i ng FANG Xu p e n g 一， LI Hu i 一， Z HUANG J i a n we i 一， CHEN Z h i q i a o ’ 1． Co l l e ge o f El e c t r i c a l Eng i ne e r i ng an d Aut oma t i o n，Sha n do ng Uni v e r s i t y o f Sc i e n c e a nd Te c hn ol o g y Qi n g d a o 2 6 6 5 9 0，Ch i n a；2 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y Br e e d i n g Ba s e f o r Mi n i n g Di s a s t e r P r e v e n t i o n a n d Co nt r o l ，Sha nd ong Pr o v i nc e a nd M i ni s t r y o f Ed uc a t i o n，Sha n do ng Uni ve r s i t y o f Sc i e nc e a nd Te c h n o l o g y，Qi n g d a o 2 6 6 5 9 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Fo r i n c o r r e c t o p e r a t i o n o f e x i s t i n g i d e n t i f i c a t i o n me t h o d s f o r UPS s wi t c h i n g， a n i d e n t i f i c a t i on me t h od f or U PS r a p i d s wi t c hi ng wa s d e s i g ne d by us e o f DSP t e c hn ol o gy．Th e m e t ho d u s e s s o f t wa r e l o c k mo d e ，a n d a d o p t s AC v o l t a g e a mp l i t u d e a n d p h a s e s i g n a l s c o l l e t e d a n d p r o c e s s e d b y DS P t o me a s ur e po we r f a i l a nd v ol t a ge d r o p． W he n t he me a s ur e d v a l u e e x c e e ds t he s e t t i ng o ne ， USP wo ul d be s wi t c h e d ．Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s h o ws t h e me t h o d c a n d e t e r mi n e AC p o we r f a i l a n d v o l t a g e d r o p，a n d a c hi e ve UPS s w i t c h i ng i n a b ou t 1 m s ． Ke y wo r d s U PS s wi t c hi n g；AC p owe r f a i l ；v ol t a g e dr o p 0 引 言 UP S Un i n t e r r u p t i b l e P o we r S u p p l y ， 不 间断 电 源 发展初期只是作为一种备用电源 。随着计算机 及其他通信设备的发展 ， 电能质量及供 电中断易引 起设备受干扰甚至无法正常工作 ， 从而造成巨大经 济损失。根据中国煤矿相关规定 ， 井下监控及通信 等设备在 电网停 电后 必须 继续 工作 2 h 。这使 得 UP S在 煤矿 的应 用 日益受 到 重 视 ， 并 发展 成 为 一种 具有改善电能质量 功能的 电力保护设备 。UP S系 统在 电能质量不满足要求或交流供 电中断时能否准 确 、 及 时地 切 换 ， 是 衡 量 UP S系统 的一 个 重 要 性 能 指标 。目前 UP S正朝着数字化与智能化方 向发展 ， D S P D i g i t a l S i g n a l P r o c e s s o r ， 数字信号处理器 在 UP S系统 中得到大量使用。参考文献 [ 1 ] 提出了基 于模拟和数字混合瞬时值的交流掉 电检测方法 ， 但 收藕 日期 2 0 1 6 0 3 1 1 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 7 1 1 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 中国博 士后科学 基金 资助项 目 2 0 0 9 0 4 6 1 2 5 4 ； 山东科技 大学研究 生教育创新计划资助项 目 2 0 1 4 B K0 2 3 。 作者简 介 房绪鹏 1 9 7 1 一 ， 男 ， 山东汶上人 ， 副教授 ， 博 士， 主要研究方 向为阻抗源变流器及其应用 ， 现代 电力 电子技术在电力系统 、 电气传动 、 新 能源方 面的应 用等 ， E ma i l x p f a n g 6 9 1 6 3 ． c o m。 6 6 工矿 自动 化 2 0 1 6年 第 4 2卷 该方法在 电压相位发生 突变时会误动作 。参 考文 献[ 2 ] 提出了一种以 D S P为核心的基于电压瞬时值 的数 字检测 方法 ， 但未 对 电压 的计 算做 出详 细 阐述 。 本文采 用 D S P技 术 ， 设计 了一 种 UP S快 速切换 判别方 法 ， 减少 了外 围 电路 ， 提 高 了 UP S系统 的 可靠性 。 1 软 件锁 相方法 为 同步采集电网电压 ， 需要使用硬件锁相环或 软件锁相环 。硬件锁相环使得 电路过分依赖硬件 ， 增加系统成本 。一般的软件锁相环需要大量数据计 算 ， 占用大量的系统资源 ， 还需要不断地调整采样频 率 ， 以进行同步采样 。参考文献[ 3 3 提出了一种计算 量 小 、 采样 频率 恒 定 、 适 用性 强 的 电压 采样 方 法 ， 如 图 1所示 。 “ ‘ C B 图 1 电 j 盘米 样 方 法 图 1中 ， A ， A， C， C ， D ， D， F， F 为 电 压 采 样 点 ， 但 不 是 电压 过 零 点 ； B， E 为 电压 过 零 点 。假 设 B点到 C点 的 时间 间隔为 t ， D 点 到 E 点 的 时 间 间 隔为 t ， 在 A， C， D， F点 的采 样 电压 分 别 为 乱 A ， “ C ， “ D ， F 。在 电压 过 零 点 附 近 ， 曲线 AC， DF可近似视为直线 ， 则有 t l u C - - u A 1 一 1 z 一 二 ．_ 2 式 中 t 。 为采样 时 间间 隔 。 在采样频率 较高时 ， 为减小干扰 的影 响， t ， t 。 可根据式 3 、 式 4 计算 一 ㈣ 一 I 一 J s 3 一 。㈤ 式 中 A ， C ， D ， F 分 别为 A ， C ， D ， F 点 的采样 电压 。 如果在 1个周期内采样 N个点 ， 则电压周期为 T t 1 t 2 N 一 1 t 。 5 由此 得采 样频 率为 厂 一 告 6 相应 的采样角频率为 叫一 2 7 【 厂 7 第 尼个采样 点 对应相 位 为 是 一 E t 1 忌 一 1 t ] U 8 该方法在不改变采样频率 的前提下 ， 无需硬件 锁相环锁相， 只通过少量的运算即可实现电压采集。 2 掉 电及 电压 跌落 检测 2 ． 1掉 电 检 测 交流掉电使输入交流电压值变为 0 。常用的交 流掉电数字判别方法是检测 当前时刻的电压值 ， 如 果检 测值 接 近 0 ， 则 认 为 发 生 了交 流 掉 电 。但 在 电 压过零 点 附近 出现 掉 电 时 ， 上述 方 法 因 采样 电路 所 受 的随 机 性 干 扰 及 锁 相 的 截 尾 误 差 ， 不 能 够 正 确 判别 。 在交 流 电压 过 零 点 附近 ， 电压 变化 率 在整 个 周 期内最大 ， 可采用斜率判别方法。在电压过零点附 近， 若采集到的一组 电压值 U 忌 一9 ， 尼 一8 ， ⋯， M 志 足 为第 k个 采样 点 电压 近似 为 0 ， 按 照 愚 一9 与 U 忌 一4 、 “ 一 8 与 k 一 3 、 是 一 7 与u k 一2 、 u k 一6 与 u k 一1 、 u k 一5 与 愚 组 合， 计算 出 5个电压随时间变化的斜率。为排除外 界干扰影响， 计算 的 5个斜率 中如果有 3个及 以上 在对应时刻预定的电压斜率变化范围内， 则认为供 电未 中断 ， 否则认 为交 流掉 电 ， UP S系统应 切换 。 在 电 网电压 非 过零 点 附 近 出现 交流 掉 电时 ， 因 干扰造成的影响较小 ， 若采集 的电压值 U k 一9 ， u k 一8 ， ⋯， “ 尼 近似为 0 ， 按 u k 一9 与 u k 一4 、 U 忌 一8 与 忌 一3 、 k 一 7 与 k 一 2 、 一6 与u k 一1 、 U 是 一5 与 愚 进行 组 合 ， 计 算 出 5个 电压随时间变化的斜率 目的是排除因电压相位突 变 对掉 电判 断造 成 的 干扰 。如 果 电压 非 过 零 点 附 近连续 采集 的 1 0个点 中 ， 有 8个及 以上 点 的电压 近 似为 0 ， 且计算 的 5个斜率中有 3个及 以上不在 电 压过零点处预定的斜率范围内， 则认为此时发生交 流掉电并进行 UP S系统切换。 2 ． 2 电压跌 落检 测 电网电压在运行过程中， 大功率负荷 的投入会 造成一定的电压跌落， 此时 UP S系统不应切换 。但 若因供 电系统 故 障导 致 电 网的 电压 降为 原来 的 6 O 以下 ， 某些 UP S系统为保证供 电质量 ， 需根据 设定的电能指标参数判断是否应进行切换动作 。 电网电压未发生跌落时， 设第 k 个采样点电压为 是 一Us i n I t 】 t 。 志一1 I 9 2 0 1 6年 第 8期 房 绪 鹏等 一种 UP S快速切 换 判 别方 法 6 7 式中 己 ， 为电压跌落前的电压幅值 。 假设 电网电压在第 忌 1 个采样点发生跌落 ， 此 时 电压 幅值 为 u 一 ≠ 1 0 s i nL L t l十 t 3 宠儿u j 常用的电压跌落判别方 法 判断根据连续采样 点计算 出的电压 幅值是否超出设定 范围， 如在连续 采集 的 1 O个点 中， 有 6个 点的 电压不 在合理范 围 内， 即认为电压发生 了异常， 需要进行 UP S系统切 换 。该方法适用于电网电压发生跌落、 相位未发生 突变的情况 。 图 2为相位突变时发生电压跌落的波形 。 “ 一 一 ／ f ● ， 一 ／ ＼ ⋯ ． ／ a U 一8 0 U， 瞬时不连续 b U 5 0 U， 瞬时连续 图 2 相位 突变时发生电压跌落波形 跌落前的电网电压为 U Us i n t 1 1 跌落后 电网电压为 “ 一 U s i n t 1 2 式中 为电压相位突变角 。 电 网 电压 跌 落后 ， 电压 的相 位 角 是 否发 生 突 变 是无法预知的， 电压幅值变化量为 △L ，一 1 3 即 △ 己 ， 一uu， 盟旦 l_ S1 n 1 4 进一步化简得 △U U U C O S 一 U s i n c o t ￡ 1 5 对式 1 5 求导 ， 得 dt一 s i n t ， ∞ 式 1 5 、 式 1 6 表明 ， 若 电网电压发生相位 突 变 ， 由式 1 3 得 到 的 I △ 己 ，f 会 不 断 增 大 ， 在 接 近 7 c ∈z 时 ， l △ 【 ， l 近似于无穷。此时对于 图 2 a 所 示 的不 应切 换 的 电压 跌 落 ， 采 用 该 方 法 会 造 成 误 动作 。而对于 图 2 b 所示 情况 ， 在 电网电压 突变 后 ， 因突变前后 的电压 瞬时值恰好相等 ， UP S系统 会等待 △ U超过某一值后再进行切换 动作 ， 存在一 段时间延迟 ， 而不能够迅速切换。 本文采用 的 电网电压跌 落判别 方法如下 。首 先 令 U。一 Us i n 1 7 U口一 Us i n t 0 ． 5 丌 1 8 式 中 u ， 分 别 为 U 在 a 一』9 坐 标 系 下 a轴 、 轴 上 的分量 。 假设第 足个采 样点 的电压值 为 乱 足 ， 第 忌 1个采样点的电压值为 u k 1 ， 令 “ 愚 1 一 Us i n t 1 ∞乜 1 9 由于三 角关 系 c s c Us i n t mt 。 一 c o t wt Us i n w 一 Us i n t 0 ． 5 7 c 2 O 对式 2 O 进行离散化 ， 得 U 一 C S C t “ 足 1 一 c o t t U 忌 2 1 则 有 U一 ／ u ； 2 2 一ar ct an 2 3 式中 0为电压相位角。 当采样频率很高时， 为进一步减小计算误差 ， 可 将式 2 1 变为 U8一 c s c n t 忌 一 c o t n t 愚 2 4 假设在采样点 与 u k 1 之间发生电压跌 落 ， 如图 3 所示。令 一2 ， 在发生电压跌落前 ， 采用 愚 之前 的采样点计算得到 的电压 幅值相 等且相 位连续 ； 在发生电压跌落后 ， 采用 志 1 之后采样 点计算得到的电压幅值相等且相位连续 。 _’i_ 跌落前 跌落后 。 图 3 采样点组合 采样过程 中干扰时刻存在 ， 通 常采样时的高频 干扰为 肚 s 级 。假设采样点 u k 4 受到干扰 ， 此时 使用 “ 愚 2 ， 忌 4 和 忌 4 ， “ 愚 6 计算得 到的电压幅值与由其邻近点计算得到的电压幅值不 相等且相位不连续 ， 由此可初步判断 忌 4 为受 干扰的采样点。但若 七 2 与 志 6 为受干扰 点 ， u k 4 未受干扰 ， 此时使用 U 愚 2 ， U 4 和 u k 4 ， u k 6 计算得到的电压幅值与由其邻 近点计算得到的电压幅值也不相等且相位不连续 。 为提高抗干扰性 ， 改变 取值 ， 若不 同 值下采用某 点计算 出的电压幅值与采用其邻近点计算得到的电 压 幅值均不相等且相位不连续 ， 则可判断该点为受 干扰的采样点 ， 并得到更多的采样点 电压幅值与相 第 4 2卷 第 8期 2 0 1 6年 8月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 8 Au g ． 2 01 6 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 8 0 0 6 9 0 5 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 6 ． 0 8 ． 0 1 7 周熠贤，陈永刚． 一种适用于三相 电压 不对称情况 下的改进 i i 。 谐 波检测算法 E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 8 6 9 7 3 ． 一 种适用于三相电压不对称情况下的 改进 i d -- i q谐波检测算法 周 熠 贤 ， 陈永 刚 兰 州交 通大 学 自动 化 与 电气 工程 学 院 ，甘肃 兰 州 7 3 0 0 7 0 摘要 由于传统 一 i 。 谐波检测法在 电网电压不对称与畸变时锁相环测得相 角与电网基波正序电压存 在相位差 ， 同时， 在传统 i 一 i 。 谐 波检 测法 中使 用的低 通滤波器性能会影响 算法准确 性与 实时性， 提 出了 一 种改进的 一 i 。 谐波检测算法， 即利 用对称性较好的基 波正序电流代替电网瞬时电压进行锁相 ， 从 而消除 测得电网相角的相位差， 并利用平均值理论实现低通滤波器功能， 在降低算法延时的同时提 高了算法的实时 性 和检 测 精度 。Ma t l a b ／ S i mu l i n k仿 真结 果证 实了算 法的正 确性 。 关 键 词 瞬 时无功 功率 理论 ； 谐 波检 测 ； 锁 相环 ；相位 差 ；无 功补偿 ；坐标 变换 中 图分类 号 TD6 1 1 文献 标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 6 0 8 0 3 1 0 0 8 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 8 0 3 ． 1 0 0 8 ． 0 1 7 ． h t ml An i mp r o v e d i d i 口ha r mo ni c c ur r e n t de t e c t i o n a l go r i t h m f o r t hr e e p ha s e v o l t a g e a s y mme t r y ZH OU Zha o xi a n， CH EN Yo ng ga n g S c h o o l o f Au t o ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，L a n z h o u J i a o t o n g Un i v e r s i t y，La n z h o u 7 3 0 0 7 0 ， Ch i n a Ab s t r a c t Due t o ph a s e a ngl e me a s ur e d b y p ha s e l o c ke d l o o p ha s pha s e di f f e r e nc e wi t h g r i d p os i t i v e s e q ue n c e f u nd a m e nt a l v ol t a ge o f t r a d i t i o na l i a i 口h a r m o ni c de t e c t i o n me t ho d i n gr i d v o l t a g e a s y mme t r y a n d 收稿 日期 2 0 1 6 0 1 2 9 ； 修 回日期 2 0 1 6 - 0 3 - 1 6 ； 责任编辑 张强 。 作者简介 周熠贤 1 9 9 0 一 ， 男 ， 甘肃 兰州 人 ， 硕 士 研究 生 ， 研究 方 向为 电力 系统 电能 质量 及 电 力 电子 技术 在 电力 系统 中的应 用 ， E - ma i l z z x7 2 9 4 0 99 1 9 1 6 3 ．c o rn。 1 ms ； 图 5 c 为电压非过零点处的电压 幅值跌落 为 正常幅值的 6 O 且相位未突变时的切换输出波形 ， 切 换 时间 略小 于1 ms ； 图 5 d 为 电压 非 过零 点 处 电 压幅值跌落 为正常值 的 5 0 且相位发生突变 时的 切 换输 出波形 ， 切换 时 间 略大 于 1 ms 。从 图 5可 看 出， 系统可在 1 ms左右准确做 出 UP S系统是否需 要 切换 的判 断并完 成切 换 动作 。 5 结语 UP S快速切换判别方法采用软件锁相 ， 避免 了 对硬件锁相环的依赖 ， 增强了软件移植性 ； 采用幅值 与相位结合的方法进行 掉电检测 ， 根 据电压跌落程 度判别是否进行 UP S切换 。实验结果表明 ， 该方法 能够快速、 准确地判断出交流掉 电和电压跌落 ， 从而 实 现 UP S切换 。 参考文献 [ 1 ] 吴鸿 霞 ， 皮大能． 基于 D S P在 线互动式 UP S掉 电检测 电路 的设 计 [ J ] ． 黄 石 理 工 学 院 学 报 ， 2 0 0 7 ， 2 3 4 9 12 ． E 2 ] 王俊伟 ， 俞冬冬 ， 吴秋轩． 基于 DS P的新型掉 电快 速检 测系统 [ J ] ． 杭 州 电 子 科 技 大 学 学 报 ， 2 0 1 1 ， 3 1 4 1 88 一 l 9 1． I- 3 - 1 贺博林． 一 种频率变 化时 电气信号 参数 的测量方 法及 其装置 的研究E D ] ． 长沙 长沙理工大学 ， 2 0 1 3 ． E 4 3 王 归新 ， 段 善 许 ， 康 勇 ， 等． 一 种 新 型 软硬 件 结 合 的 UP S切换技术E J ] ． 电力 电子技术 ， 2 0 0 3 ， 3 7 6 3 9 4 1 ． E s ] 曹立志 ， 王 小君 ， 和敬 涵 ， 等 ． 基 于 D S P的 电压暂 降检 测 方 法 研 究 [ J ] ．电 力 系 统 保 护 与 控 制 ， 2 0 1 2 ， 4 O1 3 78 83 ．