CN104009614B - 基于滤波与相位协调的静态励磁系统同步信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于滤波与相位协调的静态励磁系统同步信号检测方法。该方法通过高压调理变压器及低压调理变压器，将阳极电压调理到同步电压检测板要求的范围内，通过数字采集单元将电压信号离散，进行带通滤波消除阳极电压的换相缺口，再以超前环节对引入滤波所带来的同步信号相位延迟进行补偿，通过多路相电压的相位协调，实现了多路冗余的同步信号检测，在该基础上进行过零检测，输出可控硅触发电路的同步信号，从而实现了同步信号的数字化检测，避免了采用模拟电路存在的检测精度低问题，避免了采用过零检测法存在的误判风险，保证了同步信号的实时性和准确性。

Description

基于滤波与相位协调的静态励磁系统同步信号检测方法

技术领域

本发明属于电力系统同步发电机静态励磁系统技术领域，特别涉及采用可控硅整流桥为功率整流装置的静态励磁系统的同步信号获取领域。

背景技术

励磁系统是电力系统中同步发电机的重要组成部分，是给发电机提供转子直流励磁电流的一种自动装置。

本发明所涉及的励磁系统承担着调节发电机输出电压及无功的责任，其主电路采用三相全控桥整流电路(也称整流桥)，主要元件是可控硅，其触发电路的同步电压信号由整流电路的阳极电压提供。同步电压信号相位的准确性决定了可控硅触发脉冲的准确性，直接影响到励磁系统的输出电流，进而决定发电机定子的输出电压，也即发电机的最终输出，可见准确检测该同步信号在励磁系统中的重要性。

目前，广泛采用的同步信号检测方法是过零检测法，即取同步信号的过零点为基准来确定可控硅的触发角度。此方法在发电机系统正常运行时可以保证稳定工作。然而，采用该方法存在一定的误判风险，具体体现在：由于系统的要求，控制信号会在一相可控硅仍然导通时，触发另一相可控硅，使得原来导通的可控硅由于承受反向电压而关断，而可控硅关断需要时间，并且主电路的负载为发电机的转子(相当于一个大电感)，电感电流不能突变，因此在某相可控硅关断的瞬间，主电路的电流不能立即降到零，使得换相过程中两相处于短路状态，导致整流桥的阳极电压出现跳变，形成了换相缺口，由于换相缺口的存在，导致阳极电压的波形多次穿过零点，已不再是标准的三角函数波形，这样就会导致触发脉冲错误，最终影响励磁系统的输出电压，导致发电机输出电压与所要求的不一致。因此，发明一种避免采用过零检测法存在的误判风险，保证同步信号的实时性和准确性的方法迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于改进原有过零检测方法的缺陷，避免整流电路阳极电压多过零点导致采用过零检测方法时存在触发脉冲错误的问题，使得到的同步信号具有冗余度，同时通过数字化的检测，提高同步信号的可靠性。

本发明的目的是通过以下步骤实现的：

1)高压调理变压器(1)接入励磁系统整流桥(4)的阳极电压，高压调理变压器(1)的输出接于低压调理变压器(2)的输入；低压调理变压器(2)接入同步信号检测板(3)；

2)对待检测的功率整流装置及其组成环节进行编号：将六个可控硅分别编号为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅和T₆，整流装置的三相交流输入信号分别用UA、UB、UC表示；

3)选择数字信号处理器：根据功率整流装置阳极信号的工作频率范围、检测同步信号算法的计算时间参数确定处理器的采样频率，保证f_s≥5f_u和f_s≥1/T_proc，其中，f_s为数字信号处理器的采样频率，f_u为阳极信号的最大工作频率，T_proc为算法的计算时间；

4)计算确定测量装置变压器的型号和参数：将整流装置的交流输入信号UA、UB、UC引出，分别接于变压器的一次侧，利用变压器的连接方式和变比设定，使其输出幅值为±10V的电压信号U_ab、U_bc、U_ca，变压器输出电压应满足数字采样板的输入范围要求，该要求根据数字信号处理器的技术参数确定；

5)将变压器的输出电压信号U_ab、U_bc、U_ca接在数字信号处理器的三个输入端口，通过数据采集端口的数字采样功能，处理得到离散化的电压信号，将其标记为并且存在以下关系

${\stackrel{\‾}{U}}_{ab}\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{U}_{ab}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{nT}}_s)---\left(1\right)$

${\stackrel{\‾}{U}}_{ca}\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{U}_{ca}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{nT}}_s)---\left(2\right)$

${\stackrel{\‾}{U}}_{bc}\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{U}_{bc}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{nT}}_s)---\left(3\right)$

其中，T_s为信号的采样周期，δ(t-nT_s)为采样函数，且满足

$\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{nT}}_s)=\left\{\begin{array}{cc}1& t={\mathrm{nT}}_s\\ 0& t\≠{\mathrm{nT}}_s\end{array}\right.---\left(4\right)$

6)滤除三路离散相电压信号中的高次谐波：根据阳极电压信号的工作频率范围选择带通滤波器的通带宽度，滤波器选用压控电压源二阶带通滤波器，其传递函数表达式为

$Y\left(s\right)=X\left(s\right)\frac{sRC}{1+\[3-X\left(s\right)\]sRC+{\left(sRC\right)}^2}---\left(5\right)$

其中，X(s)为三相电压信号的象函数，也即，X(s)为滤波后信号的象函数，滤波器的中心频率为根据滤波器的中心频率和通带范围，确定相应的滤波器参数R和C，上限频率和下限频率的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{p1}=\frac{f_0}{2}\[\sqrt{{(3-K)}^2+4}-(3-K)\]\\ f_{p2}=\frac{f_0}{2}\[\sqrt{{(3-K)}^2+4}+(3-K)\]\\ K=1+\frac{R_f}{R}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，f_p1为下限频率，f_p2为上限频率，K为放大倍数，R_f为反馈电阻值，R为前馈电阻值；

7)将步骤6中的S域传递函数，转化为Z域上的传递函数

$H\left(z\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{M}{\Σ}}{b}_k{z}^{-k}}{1-\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_k{z}^{-k}}=\frac{Y\left(z\right)}{X\left(z\right)}---\left(7\right)$

将其表示为差分方程为

$y\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\Σ}}{a}_{k}y(n-k)+\underset{k=0}{\overset{M}{\Σ}}{b}_{k}x(n-k)---\left(8\right)$

其中，x(n)是数字采样板采集得到的三路离散相电压信号序列，y(n)是经过滤波后的三路离散相电压信号序列，a_k和b_k为相应的系数，N和M为差分方程的阶次，阶次的确定以及系数的设计需要根据不同的滤波器设计方法得到；

8)设计数字滤波器：a.将数字滤波器的技术指标，转换为相应的模拟滤波器技术指标；b.按照转换后的的技术指标，设计得到模拟带通滤波器H(s)；c.将H(s)转换为H(z)，将经过数字滤波后的信号记为

9)将经过滤波后的三路相电压信号进行相位补偿：补偿采用数字式超前环节，其相应的模拟传递函数为

$G\left(s\right)=\frac{1+{\mathrm{aT}}_{c}s}{1+T_{c}s}---\left(9\right)$

其中，a和T_c为待设计的参数，根据相位补偿多少来确定，将传递函数转化为z域的传递函数，得到

$H\left(z\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{M}{\Σ}}{b}_k{z}^{-k}}{1-\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_k{z}^{-k}}=\frac{Y_c\left(z\right)}{X_c\left(z\right)}---\left(10\right)$

进一步将其转化为差分方程，可得

$y_c\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\Σ}}{a}_k{y}_c(n-k)+\underset{k=0}{\overset{M}{\Σ}}{b}_k{x}_c(n-k)---\left(11\right)$

其中，y_c(n)为超前环节的输出序列，x_c(n)为超前环节的输入序列，并将补偿后的三路相电压信号记为和

10)将补偿后的两路相电压信号进行相位协调，实现冗余的信号检测，具体公式如下：

其中，y_o(n)是相位协调后的输出信号序列；N[·]为故障判断函数，当其输入的信号存在故障时，其输出为0，否则输出为1，T_d1和T_d2分别是信号和相对于的超前相位，T_s为数字信号处理器的采样时间，T_d1和T_d2应为T_s的整数倍；

11)对协调后的相电压输出信号序列y_o(n)进行过零检测，得到同步信号y_out(n)：过零检测环节的表达式为

$y_{out}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{y}_{max}& \left|y_o\left(n\right)\right|\≤y_{o\min }\\ 0& \left|y_o\left(n\right)\right|>y_{o\min }\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中，y_max表示信号过零时的输出，y_omin为根据需要设定的阈值；

12)控制可控硅整流装置的门极电压：在检测得到的同步信号y_out(n)基础上，叠加由励磁系统自动电压调节器所计算得到的控制角，作为可控硅整流装置的触发脉冲信号，用以控制可控硅的门极电压。

工作原理

可控硅整流装置的阳极电压，通过变压器的转换，降到指定的电压范围内，得到可以被数字信号处理器采集的电信号；数字信号处理器的输入端口，通过模拟量到连续量的转换，采集得到离散化的阳极电压信号序列；该信号序列在数字信号处理器中，经过非线性滤波环节、相位补偿环节和相位协调环节的处理，得到去除换相缺口影响的离散阳极电压信号序列；最后，该信号序列通过具有过零检测功能的环节的处理，检测得到最终需要的阳极电压同步信号序列。其中，阳极电压信序列的采集、非线性滤波、相位补偿、相位协调以及过零检测均是通过数字信号处理器实现，而阳极电压的测量则通过变压器实现。

技术效果

本发明与传统的过零检测法的区别在于引入了滤波与相位协调，避免了以往单纯采用过零检测方法所带来的同步信号检测错误问题。采用本发明进行同步信号检测后的序列如附图3所示，从中可以看到同步信号的频率为50Hz，滤除了信号的换向缺口，正确的反映了阳极电压的过零情况，没有出现误判的现象。从上述实施过程可以看到，本发明通过带通滤波器，滤除了高次谐波，消除了阳极电压的换相缺口；通过相应的超前环节进行了相位补偿，克服了由于引入滤波所带来的同步信号相位延迟；通过对三路阳极电压的相位协调，实现了三路冗余的同步信号检测，提高了同步信号的检测质量和冗余度。最后，通过对同步信号过零点的检测，输出可控硅触发电路的同步信号，避免了以往单纯采用过零检测方法容易造成检测错误的问题，降低励磁系统的故障概率，提高了励磁系统的运行安全性。

附图说明

附图1：可控硅整流装置同步信号检测原理图

附图2：三相可控硅整流桥原理图

附图3：某型发电机阳极电压同步信号检测结果图

附图4：基于滤波与相位协调的静态励磁系统同步信号检测方法流程图

具体实施方式

以135MW发电机的静态励磁系统为例，说明本发明的具体实施方式。此发电机的工作频率是50Hz，在45Hz～55Hz之间变动，励磁系统的阳极电压为450V。其励磁系统的功率整流装置采用三相可控硅整流电路，为实现对其阳极电压的检测，建立如图1所示的同步信号检测电路，按照如图4所示的流程，具体的实施方式为：

1)对待检测的功率整流装置及其组成环节进行编号，如图2所示：六个可控硅分别编号为1、2、3、4、5和6，整流装置的三相交流输入信号分别用UA、UB、UC表示；

2)由于发电机的工作频率在45Hz～55Hz之间变动，确定采用TMS320F28335型号的数字信号处理器，其主频为150MHz，如图1所示，U1为数字采集单元，U2为滤波单元，U3为相位补偿单元，U4为相位协调段元，U5为过零检测单元；

3)考虑到励磁系统的阳极电压为450V，而数字信号处理器采集的信号应该为幅值±10V，所以选取1#变压器450/220(△-Y11)和2#变压器220V/10V(△-Y-1)两级变压器。将整流装置的交流输入信号UA、UB、UC引出，分别接于1#变压器的一次侧，并将输出接到2#变压器上，使2#变压器输出幅值为±10V的电压信号U_ab、U_bc、U_ca，如图1所示；

4)将变压器的输出电压信号U_ab、U_bc、U_ca，分别接在数字信号处理器的三个输入端口，以10kHz为采样周期，通过数据采集端口的数字采样功能，处理得到离散化的电压信号，从初始时刻开始，将其标记为得到离散化的电压信号序列；

5)将离散化后的电压序列进行带通滤波，得到滤波后的三路相电压信号由于阳极电压的中心工作频率为50Hz，频率的变动范围为正负5Hz，因此，选择中心频率为50Hz，通带宽度为20Hz的带通滤波器，通频带范围为40Hz-60Hz，便于滤除工作频率以外的杂波；

6)对滤波后的三路相电压信号序列进行相位补偿，得到补偿后的三路相电压信号和具体公式为：

$G\left(s\right)=\frac{1+0.1s}{1+0.02s}---\left(14\right)$

以10kHz为采样频率，将此传递函数转化为z域的传递函数，得到

$H\left(z\right)=\frac{4.99-4.985z^{-1}}{1-0.995z^{-1}}---\left(15\right)$

进一步将其转化为差分方程，可得

$y_c\left(n\right)=\underset{k=1}{\overset{1}{\Σ}}{a}_k{y}_c(n-k)+\underset{k=0}{\overset{1}{\Σ}}{b}_k{x}_c(n-k)---\left(16\right)$

其中，a₁＝0.995，b₀＝4.99，b₁＝-4.985；

7)对同步信号进行协调：检测和的可靠性，判断其是否故障，并且对相应的判断函数进行赋值，如果某路信号发生故障，则令其对应的故障判断函数值为0，否则为1，根据信号的故障判断函数，计算相位协调后的输出，计算公式为

T_d1和T_d2分别是信号和的超前相位，T_s为数字信号处理器的采样时间，本实例中为0.0001s，T_d1为0.0002s，T_d2为0.0004s。

8)对协调后的相电压输出信号序列y_o(n)，进行过零检测，得到过零检测后的信号序列{y(1),y(2),y(3),…}，过零检测函数的形式为：

$y_{out}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{y}_{max}& \left|y_o\left(n\right)\right|\≤0\\ 0& \left|y_o\left(n\right)\right|>0\end{array}\right.$

y_max为可以驱动功率装置门极的信号幅值，过零检测后的序列如附图3所示；

9)在检测得到的信号基础上，叠加由励磁系统自动电压调节器所计算得到的控制角，作为可控硅整流装置的触发脉冲信号，用于可控硅整流装置的门极控制。

Claims (1)

1.一种基于滤波与相位协调的静态励磁系统同步信号检测方法，其特征是：该方法包括如下步骤：

1)高压调理变压器(1)接入励磁系统整流桥(4)的阳极电压，高压调理变压器(1)的输出接于低压调理变压器(2)的输入；低压调理变压器(2)接入同步信号检测板(3)；

2)对待检测的功率整流装置及其组成环节进行编号：将六个可控硅分别编号为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅和T₆，整流装置的三相交流输入信号分别用UA、UB、UC表示；

3)选择数字信号处理器：根据功率整流装置阳极信号的工作频率范围、检测同步信号算法的计算时间参数确定处理器的采样频率，应保证f_s≥5f_u和f_s≥1/T_proc，其中，f_s为数字信号处理器的采样频率，f_u为阳极信号的最大工作频率，T_proc为算法的计算时间；

4)计算确定测量装置变压器的型号和参数：将整流装置的交流输入信号UA、UB、UC引出，分别接于变压器的一次侧，利用变压器的连接方式和变比设定，使其输出幅值为±10V的电压信号U_ab、U_bc、U_ca，变压器输出电压应满足数字采样板的输入范围要求，该要求根据数字信号处理器的技术参数确定；

5)将变压器的输出电压信号U_ab、U_bc、U_ca接在数字信号处理器的三个输入端口，通过数据采集端口的数字采样功能，处理得到离散化的电压信号，将其标记为并且存在以下关系

${\stackrel{\‾}{U}}_{ab}\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{U}_{ab}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{nT}}_s)---\left(1\right)$

${\stackrel{\‾}{U}}_{ca}\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{U}_{ca}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{nT}}_s)---\left(2\right)$

${\stackrel{\‾}{U}}_{bc}\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{U}_{bc}\left({\mathrm{nT}}_s\right)\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{nT}}_s)---\left(3\right)$

其中，T_s为信号的采样周期，δ(t-nT_s)为采样函数，且满足

$\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{nT}}_s)=\left\{\begin{array}{cc}1& t={\mathrm{nT}}_s\\ 0& t\≠{\mathrm{nT}}_s\end{array}\right.---\left(4\right)$

6)滤除三路离散相电压信号中的高次谐波：根据阳极电压信号的工作频率范围选择带通滤波器的通带宽度，滤波器选用压控电压源二阶带通滤波器，其传递函数表达式为

$Y\left(s\right)=X\left(s\right)\frac{sRC}{1+\[3-X\left(s\right)\]sRC+{\left(sRC\right)}^2}---\left(5\right)$

其中，X(s)为三相电压信号的象函数，也即X(s)为滤波后信号的象函数，滤波器的中心频率为根据滤波器的中心频率和通带范围，确定相应的滤波器参数R和C，上限频率和下限频率的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{p1}=\frac{f_0}{2}\[\sqrt{{(3-K)}^2+4}-(3-K)\]\\ f_{p2}=\frac{f_0}{2}\[\sqrt{{(3-K)}^2+4}+(3-K)\]\\ K=1+\frac{R_f}{R}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，f_p1为下限频率，f_p2为上限频率，K为放大倍数，R_f为反馈电阻值，R为前馈电阻值；

7)将步骤6中的S域传递函数，转化为Z域上的传递函数

$H\left(z\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{M}{\Σ}}{b}_k{z}^{-k}}{1-\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_k{z}^{-k}}=\frac{Y\left(z\right)}{X\left(z\right)}---\left(7\right)$ 将其表示为差分方程为

$y\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\Σ}}{a}_{k}y(n-k)+\underset{k=0}{\overset{M}{\Σ}}{b}_{k}x(n-k)---\left(8\right)$

其中，x(n)是数字采样板采集得到的三路离散相电压信号序列，y(n)是经过滤波后的三路离散相电压信号序列，a_k和b_k为相应的系数，N和M为差分方程的阶次，阶次的确定以及系数的设计需要根据不同的滤波器设计方法得到；

8)设计数字滤波器：a.将数字滤波器的技术指标，转换为相应的模拟滤波器技术指标；b.按照转换后的的技术指标，设计得到模拟带通滤波器H(s)；c.将H(s)转换为H(z)，将经过数字滤波后的信号记为

9)对经过滤波后的三路相电压信号进行相位补偿：补偿采用数字式超前环节，其相应的模拟传递函数为

$G\left(s\right)=\frac{1+{\mathrm{aT}}_{c}s}{1+T_{c}s}---\left(9\right)$

其中，a和T_c为待设计的参数，根据相位补偿多少来确定，将传递函数转化为z域的传递函数，得到

$H\left(z\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{M}{\Σ}}{b}_k{z}^{-k}}{1-\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{a}_k{z}^{-k}}=\frac{Y_c\left(z\right)}{X_c\left(z\right)}---\left(10\right)$

进一步将其转化为差分方程，可得

$y_c\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\Σ}}{a}_k{y}_c(n-k)+\underset{k=0}{\overset{M}{\Σ}}{b}_k{x}_c(n-k)---\left(11\right)$

其中，y_c(n)为超前环节的输出序列，x_c(n)为超前环节的输入序列，并将补偿后的三路相电压信号记为和

10)将补偿后的两路相电压信号进行相位协调，实现冗余的信号检测，具体公式如下：

其中，y_o(n)是相位协调后的输出信号序列；N[·]为故障判断函数，当其输入的信号存在故障时，其输出为0，否则输出为1，T_d1和T_d2分别是信号和相对于的超前相位，T_s为数字信号处理器的采样时间，T_d1和T_d2应为T_s的整数倍；

11)对协调后的相电压输出信号序列y_o(n)进行过零检测，得到同步信号y_out(n)：过零检测环节的表达式为

$y_{out}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{y}_{\max }& \left|y_o\left(n\right)\right|\≤y_{o\min }\\ 0& \left|y_o\left(n\right)\right|>y_{o\min }\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中，y_max表示信号过零时的输出，y_omin为根据需要设定的阈值；

12)控制可控硅整流装置的门极电压：在检测得到的同步信号y_out(n)基础上，叠加由励磁系统自动电压调节器所计算得到的控制角，作为可控硅整流装置的触发脉冲信号，用以控制可控硅的门极电压。