一种交流牵引供电的网压异常检测方法和系统与流程

1.本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种交流牵引供电的网压异常检测方法和系统。


背景技术：

2.动车组采用ac25kv的单相交流牵引供电网供电。25kv牵引供电网的电能从动车组的受电弓引到牵引变压器，经过牵引变压器的副边引入到牵引变流器，牵引变流器的牵引控制单元会会采集ac25kv的单相交流牵引供电网的供电电压，牵引变流器的四象限整流器对单相ac25kv的电能进行整流变换。交流牵引供电的网压异常工况主要有网压欠压、网压过压、网压频率异常和网压畸变/中断。当出现上述异常工况时，若动车组牵引变流器未能及时检测到牵引供电的网压工况，可能导致四象限整流器控制失稳，进而引起四象限整流器输入过流等故障，可能损坏牵引变流器器件。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种交流牵引供电的网压异常检测方法和系统，通过此方案，不用采集网侧电流、不用判断四象限整流器的控制参数，仅需采集网压瞬时值信号就能快速判断出网压的具体异常工况；避免了过多分析因素导致的网压异常误检测状况，提高了检测响应速度，能更好地避免发生过流故障。
4.有鉴于此，本发明实施例第一方面提供了一种交流牵引供电的网压异常检测方法，所述方法包括：
5.对交流牵引供电网的网压瞬时信号进行实时采集，生成对应的瞬时电压us；
6.对当前时刻的网压有效值进行计算生成对应的有效电压值u
s_rms
；
7.根据所述瞬时电压us和所述有效电压值u
s_rms
进行软件锁相计算处理，并根据计算结果设置网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
、网压相位角θ、频率异常标志位、欠压异常标志位、过压异常标志位和锁相幅值异常标志位；
8.在所述频率、欠压、锁相幅值异常标志位均被置为无效值时，设置锁相成功标志位为有效值；并在所述频率、欠压、过压或锁相幅值异常标志位被置为有效值时，生成第一脉冲封锁指令对所述四象限整流器的pwm脉冲进行封锁处理；
9.接收四象限整流器脉冲状态反馈信号，生成对应的脉冲状态反馈数据；
10.根据所述瞬时电压us、所述网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
、所述网压相位角θ、所述锁相成功标志位和所述脉冲状态反馈数据，进行网压重构和比对处理，并根据比对结果设置畸变/中断异常标志位；
11.在所述畸变/中断异常标志位被置为有效值时，生成第二脉冲封锁指令对所述四象限整流器的pwm脉冲进行封锁处理。
12.优选的，所述对当前时刻的网压有效值进行计算生成对应的有效电压值u
s_rms
，具体包括：
13.以所述当前时刻为起始点，按预设的滑窗时长t统计最近的n个所述瞬时电压us，生成序列u
s(k)
；n≥k≥1，n＝i*j，i为以当前时刻为起始点在最近的滑窗时长t内获得的工频周期总数，j为每个工频周期内网压瞬时信号的固定采样总数；
14.根据所述序列u
s(k)
计算生成所述有效电压值u
s_rms
,
15.优选的，所述根据所述瞬时电压us和所述有效电压值u
s_rms
进行软件锁相计算处理，并根据计算结果设置网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
、网压相位角θ、频率异常标志位、欠压异常标志位、过压异常标志位和锁相幅值异常标志位，具体包括：
16.对所述瞬时电压us进行静止坐标系分解运算，生成对应的α轴网压分量u
α
和β轴网压分量u
β
；并按静止坐标系与旋转坐标系的对应关系，对所述α轴网压分量u
α
和所述β轴网压分量u
β
进行旋转坐标系转换，生成对应的d轴网压分量ud和q轴网压分量uq；
17.根据所述d轴网压分量ud和所述q轴网压分量uq，进行网压锁相瞬时幅值计算，生成所述网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
，
18.根据所述q轴网压分量uq和预设的q轴给定值进行pi运算生成网侧电压角速度误差
△
ωs；并由所述侧电压角速度误差
△
ωs与预设的工频角速度相加，得到估算角速度ωs；
19.对所述估算角速度ωs进行积分运算得到所述网压相位角θ；
20.根据所述估算角速度ωs计算得到网压频率fs，fs＝ωs/2π；
21.当所述网压频率fs小于预设的最小频率阈值f
min
或大于预设的最大频率阈值f
max
时，设置所述频率异常标志位为有效值；当所述网压频率fs大于或等于所述最小频率阈值f
min
且小于或等于所述最大频率阈值f
max
时，设置所述频率异常标志位为无效值；
22.当所述有效电压值u
s_rms
小于预设的最小网压阈值u
s_min
时，设置所述欠压异常标志位为有效值；当所述有效电压值u
s_rms
大于或等于所述最小网压阈值u
s_min
时，设置所述欠压异常标志位为无效值；
23.当所述有效电压值u
s_rms
大于预设的最大网压阈值u
s_max
时，设置所述过压异常标志位为有效值；当所述有效电压值u
s_rms
小于或等于所述最大网压阈值u
s_max
时设置所述过压异常标志位为无效值；
24.计算当所述第一比较值大于预设的最大锁相幅值阈值u
err_max
时，设置所述锁相幅值异常标志位为有效值；当所述第一比较值小于或等于所述最大锁相幅值阈值u
err_max
时，设置所述锁相幅值异常标志位为无效值。
25.优选的，所述根据所述瞬时电压us、所述网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
、所述网压相位角θ、所述锁相成功标志位和所述脉冲状态反馈数据，进行网压重构和比对处理，并根据比对结果设置畸变/中断异常标志位，具体包括：
26.根据所述网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
和所述网压相位角θ，进行网压目标信号重构处理，得到对应的目标信号u
s_ref
,u
s_ref
＝pll_u
inp
×
sinθ；
27.根据所述瞬时电压us和所述目标信号u
s_ref
，计算第一信号差值＝|u
s_ref-us|；
28.当最近持续得到的多个所述第一信号差值均大于预设的最大关断幅值u
shut_max
时，计算对应的持续时间；
29.当所述持续时间大于预设的时长阈值t
shut
，且所述锁相成功标志位和所述脉冲状态反馈数据均为有效值时，设置所述畸变/中断异常标志位为有效值；当所述持续时间小于或等于所述时长阈值t
shut
，或所述锁相成功标志位为无效值，或所述脉冲状态反馈数据为无效值时，设置所述畸变/中断异常标志位为无效值。
30.进一步的，所述时长阈值t
shut
小于半个工频周期。
31.本发明实施例第二方面提供了一种用于实现上述第一方面提供的交流牵引供电的网压异常检测方法的系统，所述系统包括：网压信号采集模块、软件锁相运算及判断模块、网压重构及对比检测模块和四象限pwm脉冲控制模块；
32.所述网压信号采集模块分别与所述软件锁相运算及判断模块和所述网压重构及对比检测模块连接；所述网压信号采集模块用于对交流牵引供电网的网压瞬时信号进行实时采集，生成对应的瞬时电压us；并对当前时刻的网压有效值进行计算生成对应的有效电压值u
s_rms
；并将所述瞬时电压us和所述有效电压值u
s_rms
向所述软件锁相运算及判断模块发送；并将所述瞬时电压us向所述网压重构及对比检测模块发送；
33.所述软件锁相运算及判断模块分别与所述网压重构及对比检测模块和所述四象限pwm脉冲控制模块连接；所述软件锁相运算及判断模块用于根据所述瞬时电压us和所述有效电压值u
s_rms
进行软件锁相计算处理，并根据计算结果设置网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
、网压相位角θ、频率异常标志位、欠压异常标志位、过压异常标志位和锁相幅值异常标志位；并在所述频率、欠压、锁相幅值异常标志位均被置为无效值时，设置锁相成功标志位为有效值；并在所述频率、欠压、过压或锁相幅值异常标志位被置为有效值时，生成第一脉冲封锁指令；并将所述网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
、所述网压相位角θ和所述锁相成功标志位向所述网压重构及对比检测模块发送；并将所述第一脉冲封锁指令向所述四象限pwm脉冲控制模块发送；
34.所述网压重构及对比检测模块与所述四象限pwm脉冲控制模块连接；所述网压重构及对比检测模块用于接收所述四象限pwm脉冲控制模块发送的四象限整流器脉冲状态反馈信号，生成对应的脉冲状态反馈数据；并根据所述瞬时电压us、所述网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
、所述网压相位角θ、所述锁相成功标志位和所述脉冲状态反馈数据，进行网压重构和比对处理，并根据比对结果设置畸变/中断异常标志位；并在所述畸变/中断异常标志位被置为有效值时，生成第二脉冲封锁指令；并将所述第二脉冲封锁指令向所述四象限pwm脉冲控制模块发送；
35.所述四象限pwm脉冲控制模块用于对四象限整流器的脉冲状态反馈信号进行实时采集，生成所述四象限整流器脉冲状态反馈信号向所述网压重构及对比检测模块发送；所述四象限pwm脉冲控制模块还用于在接收到所述第一或第二脉冲封锁指令时，对所述四象限整流器的pwm脉冲进行封锁处理。
36.本发明实施提供的一种交流牵引供电的网压异常检测方法和系统，给出了一种软件锁相环判定处理流程，根据网压频率和有效电压值对频率、欠压、过压、锁相幅值异常标志位的取值进行判定，从而快速获得动车组的实时异常工况；并在频率、欠压和锁相幅值异
常标志位均为无效值时判定锁相成功。给出了一种根据软件锁相结果重构网压目标信号的处理流程，并对重构的目标信号与网压瞬时值信号的绝对差值进行判断，若该差值过大则表明网压发生严重畸变或者网压中断。本发明方案充分利用了软件锁相的滤波延迟效果使得网压重构可行并将重构结果用作对实时网压信号的比对参考；本发明方案仅采集网压瞬时值信号进行判断，避免了过多分析因素导致的网压异常误检测状况，提高了检测响应速度，能更好地避免发生过流故障。
附图说明
37.图1为本发明实施例一提供的一种交流牵引供电的网压异常检测方法示意图；
38.图2为本发明实施例一提供的锁相运算过程示意图；
39.图3为本发明实施例二提供的一种交流牵引供电的网压异常检测系统的结构示意图。
具体实施方式
40.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
41.在动车组处于工作状态时，通过本发明实施例一提供的一种交流牵引供电的网压异常检测方法对车组上的牵引变流器进行实时保护，本发明实施例方法通过采集网压瞬时值信号来判断网压异常工况，若发现异常则产生脉冲封锁指令来对牵引变流器的四象限整流器进行pwm脉冲封锁，从而避免了因异常网压工况造成的四象限整流器输入过流故障对牵引变流器的损害；图1为本发明实施例一提供的一种交流牵引供电的网压异常检测方法示意图，如图1所示，本方法包括以下步骤：
42.步骤1，对交流牵引供电网的网压瞬时信号进行实时采集，生成对应的瞬时电压us。
43.步骤2，对当前时刻的网压有效值进行计算生成对应的有效电压值u
s_rms
；
44.具体包括：步骤21，以当前时刻为起始点，按预设的滑窗时长t统计最近的n个瞬时电压us，生成序列u
s(k)
；
45.其中，n≥k≥1，n＝i*j，i为以当前时刻为起始点在最近的滑窗时长t内获得的工频周期总数，j为每个工频周期内网压瞬时信号的固定采样总数；
46.步骤22，根据序列u
s(k)
计算生成有效电压值u
s_rms
,
[0047][0048]
这里，为了增强有效值计算的抗干扰能力，采用滑窗方式进行数据统计，并对统计数据进行均方根计算；滑窗时长固定为滑窗时长t。
[0049]
例如，t为0.1秒，工频周期t为20毫秒，单个工频周期t内的采样总数j为100次，那么i＝t/t＝100/20＝5个工频周期，n＝i*j＝5*100＝500次采样总数，则当前时刻的网压有
效值为最近500次瞬时电压us幅值的均方根计算结果。
[0050]
步骤3，根据瞬时电压us和有效电压值u
s_rms
进行软件锁相计算处理，并根据计算结果设置网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
、网压相位角θ、频率异常标志位、欠压异常标志位、过压异常标志位和锁相幅值异常标志位；
[0051]
具体包括：步骤31，对瞬时电压us进行静止坐标系分解运算，生成对应的α轴网压分量u
α
和β轴网压分量u
β
；并按静止坐标系与旋转坐标系的对应关系，对α轴网压分量u
α
和β轴网压分量u
β
进行旋转坐标系转换，生成对应的d轴网压分量ud和q轴网压分量uq；
[0052]
步骤32，根据d轴网压分量ud和q轴网压分量uq，进行网压锁相瞬时幅值计算，生成网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
，
[0053][0054]
步骤33，根据q轴网压分量uq和预设的q轴给定值进行pi运算生成网侧电压角速度误差
△
ωs；并由侧电压角速度误差
△
ωs与预设的工频角速度相加，得到估算角速度ωs；
[0055]
步骤34，对估算角速度ωs进行积分运算得到网压相位角θ；
[0056]
步骤35，根据估算角速度ωs计算得到网压频率fs，fs＝ωs/2π；
[0057]
这里，上述步骤31-35为软件锁相计算的数据计算过程，如图2为本发明实施例一提供的锁相运算过程示意图所示；下述步骤36-39则是根据软件锁相计算结果网压频率fs、有效电压值u
s_rms
、网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
及对应的比对阈值对频率异常标志位、欠压异常标志位、过压异常标志位和锁相幅值异常标志位这四个标志位的状态进行判断；
[0058]
步骤36，当网压频率fs小于预设的最小频率阈值f
min
或大于预设的最大频率阈值f
max
时，设置频率异常标志位为有效值；当网压频率fs大于或等于最小频率阈值f
min
且小于或等于最大频率阈值f
max
时，设置频率异常标志位为无效值；
[0059]
这里，有效值常规为1，无效值常规为0；当前步骤是对频率异常标志位的状态进行判断，若该频率异常标志位为1说明当前检测发现网压频率有异常，对应的异常工况为网压频率异常工况；
[0060]
步骤37，当有效电压值u
s_rms
小于预设的最小网压阈值u
s_min
时，设置欠压异常标志位为有效值；当有效电压值u
s_rms
大于或等于最小网压阈值u
s_min
时，设置欠压异常标志位为无效值；
[0061]
这里，当前步骤是对欠压异常标志位的状态进行判断，若该欠压异常标志位为1说明当前检测发现网压出现持续欠压异常，对应的异常工况为网压欠压异常工况；
[0062]
步骤38，当有效电压值u
s_rms
大于预设的最大网压阈值u
s_max
时，设置过压异常标志位为有效值；当有效电压值u
s_rms
小于或等于最大网压阈值u
s_max
时设置过压异常标志位为无效值；
[0063]
这里，当前步骤是对过压异常标志位的状态进行判断，若该过压异常标志位为1说明当前检测发现网压出现持续过压异常，对应的异常工况为网压过压异常工况；
[0064]
步骤39，计算当第一比较值大于预设的最大锁相幅值阈值u
err_max
时，设置锁相幅值异常标志位为有效值；当第一比较值小于或等于最大锁相幅值阈值u
err_max
时，设置锁相幅值异常标志位为无效值。
[0065]
这里，当前步骤是对锁相幅值异常标志位的状态进行判断，若该锁相幅值异常标志位为1说明当前检测发现本次网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
过高，对应的异常工况为锁相幅值异常工况。
[0066]
步骤4，在频率、欠压、锁相幅值异常标志位均被置为无效值时，设置锁相成功标志位为有效值；并在频率、欠压、过压或锁相幅值异常标志位被置为有效值时，生成第一脉冲封锁指令对四象限整流器的pwm脉冲进行封锁处理。
[0067]
这里，在上述频率异常标志位、欠压异常标志位、过压异常标志位和锁相幅值异常标志位这四个标志位中任一个标志位为1则说明当前牵引变流器的工况为异常工况，这种情况下需要立即产生脉冲封锁指令对四象限整流器进行pwm脉冲封锁操作。
[0068]
步骤5，接收四象限整流器脉冲状态反馈信号，生成对应的脉冲状态反馈数据。
[0069]
这里，四象限整流器脉冲状态反馈信号用于表征四象限整流器的故障状态，若其为有效值1则说明四象限整流器出现故障，若其为无效值0则说明四象限整流器工作正常。
[0070]
步骤6，根据瞬时电压us、网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
、网压相位角θ、锁相成功标志位和脉冲状态反馈数据，进行网压重构和比对处理，并根据比对结果设置畸变/中断异常标志位；
[0071]
这里，实际是对一段时间内是否持续出现重构网压目标信号与瞬时电压信号的差值异常进行识别，若是则进一步结合锁相成功标志位和脉冲状态反馈数据对网压工况是否处于畸变或中断状态进行判断；
[0072]
具体包括：步骤61，根据网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
和网压相位角θ，进行网压目标信号重构处理，得到对应的目标信号u
s_ref
,u
s_ref
＝pll_u
inp
×
sinθ；
[0073]
步骤62，根据瞬时电压us和目标信号u
s_ref
，计算第一信号差值＝|u
s_ref-us|；
[0074]
步骤63，当最近持续得到的多个第一信号差值均大于预设的最大关断幅值u
shut_max
时，计算对应的持续时间；
[0075]
步骤64，当持续时间大于预设的时长阈值t
shut
，且锁相成功标志位和脉冲状态反馈数据均为有效值时，设置畸变/中断异常标志位为有效值；当持续时间小于或等于时长阈值t
shut
，或锁相成功标志位为无效值，或脉冲状态反馈数据为无效值时，设置畸变/中断异常标志位为无效值；其中，时长阈值t
shut
小于半个工频周期。
[0076]
这里，当持续时间大于预设的时长阈值t
shut
时说明在一段时间内持续出现重构网压目标信号与瞬时电压信号的差值异常，若锁相成功标志位为1、脉冲状态反馈数据为1则设置畸变/中断异常标志位为1，畸变/中断异常标志位为1说明网压工况处于畸变或中断状态；这里时长阈值t
shut
小于半个工频周期是为了能保证在半个工频周期内能检测到牵引供电网压的严重畸变或者中断。
[0077]
步骤7，在畸变/中断异常标志位被置为有效值时，生成第二脉冲封锁指令对四象限整流器的pwm脉冲进行封锁处理。
[0078]
这里，在畸变/中断异常标志位为1时说明当前牵引变流器的工况为异常工况，这种情况下需要立即产生脉冲封锁指令对四象限整流器进行pwm脉冲封锁操作。
[0079]
用于实现上述实施例一提供的交流牵引供电的网压异常检测方法的系统，其结构如图3为本发明实施例二提供的一种交流牵引供电的网压异常检测系统的结构示意图所示，该系统包括：网压信号采集模块201、软件锁相运算及判断模块202、网压重构及对比检测模块203和四象限pwm脉冲控制模块204。
[0080]
网压信号采集模块201分别与软件锁相运算及判断模块202和网压重构及对比检测模块203连接；网压信号采集模块201用于对交流牵引供电网的网压瞬时信号进行实时采集，生成对应的瞬时电压us；并对当前时刻的网压有效值进行计算生成对应的有效电压值u
s_rms
；并将瞬时电压us和有效电压值u
s_rms
向软件锁相运算及判断模块202发送；并将瞬时电压us向网压重构及对比检测模块203发送。
[0081]
软件锁相运算及判断模块202分别与网压重构及对比检测模块203和四象限pwm脉冲控制模块204连接；软件锁相运算及判断模块202用于根据瞬时电压us和有效电压值u
s_rms
进行软件锁相计算处理，并根据计算结果设置网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
、网压相位角θ、频率异常标志位、欠压异常标志位、过压异常标志位和锁相幅值异常标志位；并在频率、欠压、锁相幅值异常标志位均被置为无效值时，设置锁相成功标志位为有效值；并在频率、欠压、过压或锁相幅值异常标志位被置为有效值时，生成第一脉冲封锁指令；并将网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
、网压相位角θ和锁相成功标志位向网压重构及对比检测模块203发送；并将第一脉冲封锁指令向四象限pwm脉冲控制模块204发送。
[0082]
网压重构及对比检测模块203与四象限pwm脉冲控制模块204连接；网压重构及对比检测模块203用于接收四象限pwm脉冲控制模块204发送的四象限整流器脉冲状态反馈信号，生成对应的脉冲状态反馈数据；并根据瞬时电压us、网压锁相瞬时幅值pll_u
inp
、网压相位角θ、锁相成功标志位和脉冲状态反馈数据，进行网压重构和比对处理，并根据比对结果设置畸变/中断异常标志位；并在畸变/中断异常标志位被置为有效值时，生成第二脉冲封锁指令；并将第二脉冲封锁指令向四象限pwm脉冲控制模块204发送。
[0083]
四象限pwm脉冲控制模块204用于对四象限整流器的脉冲状态反馈信号进行实时采集，生成四象限整流器脉冲状态反馈信号向网压重构及对比检测模块203发送；四象限pwm脉冲控制模块204还用于在接收到第一或第二脉冲封锁指令时，对四象限整流器的pwm脉冲进行封锁处理。
[0084]
本发明实施例二提供的一种交流牵引供电的网压异常检测系统，可以执行上述方法实施例中的方法步骤，其实现原理和技术效果类似，在此不再赘述。
[0085]
综上所述，本发明实施例中提供的一种交流牵引供电的网压异常检测方法和系统的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：1)充分利用了软件锁相的滤波延迟效果使得网压重构可行并将重构结果用作对实时网压信号的比对参考；2)采集网压瞬时值信号进行判断，避免了过多分析因素导致的网压异常误检测状况，提高了检测响应速度，能更好地避免发生过流故障。
[0086]
专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现
不应认为超出本发明的范围。
[0087]
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
[0088]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。