CN102062809A - 一种电网电压过零点的捕获与锁定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网电压过零点的捕获与锁定方法，通过将信号调理电路将电网电压信号转换成同频率的方波信号，暂态捕获过程中，捕获方波信号中符合电网周期误差范围内的边沿，确定为基准沿，即正确过零点，实现了暂态到稳态的过渡；在稳态锁定过程中，通过在误差允许范围±θ内加窗，若在误差允许范围内捕获成功，则当次捕获沿为基准沿，并锁定为下一次稳态捕获的起点，否则一旦在误差范围内捕获失败，则进入暂态过程重新捕获，通过加窗，实现了稳态过程的电网过零点监控，有效地避免了过零点的误捕获。通过实验证明，该方法能正确捕获和锁定电网电压过零点，并达到了预期捕获精度。

Description

一种电网电压过零点的捕获与锁定方法

技术领域

本发明属于电网电压检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种电网电压过零点的捕获与锁定方法。

背景技术

各国电力系统的标称频率不尽相同，我国为50Hz，GB/T15945-1995《电能质量一电力系统频率允许偏差》中规定：电力系统正常频率偏差允许值为±0.2Hz，当系统容量较小时，偏差值可放宽到±0.5Hz，标准中没有说明系统容量大小的界限。在《全国供用电规则》中规定″供电局供电频率的允许偏差：电网容量在300万千瓦及以上者为±0.2HZ；电网容量在300万千瓦以下者，为±0.5HZ。实际运行中，从全国各大电力系统运行看都保持在不大于±0.1HZ范围内。

电网频率不仅关系到千千万万的电器的用电安全，而且对电压频率要求较高的电力电子技术应用有着重要的参考价值，由此可见，监控电网频率已提升至国家标准，而对电网电压过零点的捕获与锁定技术是检测电网频率的关键技术。目前电网电压过零点大都采用硬件直接捕获，由于误捕获造成了用电器损坏、器件的误动作以及不必要的耗能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电网电压过零点的捕获与锁定方法，以有效地滤除了电网的不规则扰动，在误差允许范围内避免了误捕获，并达到了较高的捕获精度。

为实现上述目的，本发明电网电压过零点的捕获与锁定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、暂态捕获

1.1、信号调理电路将电网电压信号转换成同频率的方波信号；

1.2、检测相邻两个方波信号边沿，得到相邻两个方波信号边沿的时间间隔为Δt；

1.3、设电网电压周期为T，误差范围为θ，当时相邻两个方波信号边沿的时间间隔Δt满足：

$\frac{T}{2}-\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&Delta;t}<\frac{T}{2}+\mathrm{\&theta;}---\left(1\right)$

则认为进入稳态过程，捕获到的是正确的方波信号边沿，并作为基准沿，进入步骤(2)，否则认为捕获失败而继续捕获；

(2)、稳态锁定

2.1、将捕获到的基准沿所在时刻作为稳态锁定的时间起点，在T/2时刻加一个±θ的窗，窗以外不捕获方波信号边沿，窗内捕获方波信号边沿；

2.2、如果在窗内捕获到与基准沿极性相反的方波信号边沿，则为稳态锁定，锁定该次捕获的方波信号边沿作为基准沿，并返回步骤2.1，否则，进入暂态捕获，返回到步骤(1)的1.2步。

本发明的发明目的是这样实现的：

通过将信号调理电路将电网电压信号转换成同频率的方波信号，暂态捕获过程中，捕获方波信号中符合电网周期误差范围内的边沿，确定为基准沿，即正确过零点，实现了暂态到稳态的过渡；在稳态锁定过程中，通过在误差允许范围±θ内加窗，若在误差允许范围内捕获成功，则当次捕获沿为基准沿，并锁定为下一次稳态捕获的起点，否则一旦在误差范围内捕获失败，则进入暂态过程重新捕获，通过加窗，实现了稳态过程的电网过零点监控，有效地避免了过零点的误捕获。通过实验证明，该方法能正确捕获和锁定电网电压过零点，并达到了预期捕获精度。

作为本发明的改进，为了防止毛刺信号干扰，提高捕获的可靠性，当时连续N个相邻两个方波信号边沿满足公式(1)时，才认为进入稳态过程，捕获到的第N个方波信号边沿为作为基准沿；若满足公式(1)的边沿捕获次数小于N，则回到暂态起始状态，重新对满足公式(1)的边沿捕获次数进行计数，并判断是否有N个，如果有，则作为基准沿，没有，则再次回到暂态起始阶段，继续捕获并判断，依此类推，直到找到符合公式(1)的连续N个相邻两个方波信号边沿，进入稳态，并将捕获到的第N个方波信号边沿为作为基准沿，作为最佳选择，N≥4。

附图说明

图1是本发明中电网电压信号转换成同频率的方波信号波形图；

图2是相邻两个方波信号边沿时间间隔示意图；

图3是捕获基准沿示意图；

图4是有干扰情况下，暂态过程捕获基准沿示意图；

图5是本发明中的加窗示意图；

图6是稳态过程锁定方波信号边沿的示意图；

图7是本发明具体实施方式下的实时捕获电网电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明中电网电压信号转换成同频率的方波信号波形图。

如图1所示，在本实施例中，假定电网频率为50HZ的工频，即电网电压周期T＝20ms。利用信号调理电路将工频电网电压信号转换成同频率的方波信号，半波周期T/2为10ms。

图2是相邻两个方波信号边沿时间间隔示意图。

如图2所示，在本实施例中，电网电压周期误差范围为±θms，相邻两个方波信号边沿时间间隔为Δt。根据周期误差范围，相邻两个方波信号边沿时间间隔为Δt满足(10-θ)ms＜Δt＜(10+θ)ms时，则认为捕获到的是正确的边沿，否则认为捕获失败而继续捕获。在本实施例中，T/2＝10ms。

图3是捕获基准沿示意图。

为了防止毛刺信号干扰，提高捕获的可靠性，当时连续N个相邻两个方波信号边沿满足公式(1)时，才认为进入稳态过程，捕获到的第N个方波信号边沿为作为基准沿；若满足公式(1)的边沿捕获次数小于N，则回到暂态起始状态，重新对满足公式(1)的边沿捕获次数进行计数，并判断是否有N个，如果有，则作为基准沿，没有，则再次回到暂态起始阶段，继续捕获并判断，依此类推，直到找到符合公式(1)的连续N个相邻两个方波信号边沿，进入稳态，并将捕获到的第N个方波信号边沿为作为基准沿，作为最佳选择，N≥4。

在本实施例中，如图3所示，有连续4个相邻两个方波信号边沿满足(10-θ)ms＜Δt＜(10+θ)ms，因此，将将捕获到的第4个方波信号边沿为作为基准沿。

图4是有干扰情况下，暂态过程捕获基准沿示意图。

在本实施例中，如图4所示，误差θ＝0.5ms，则当相邻两个方波信号边沿时间间隔为Δt满足9.5ms＜Δt＜10.5ms时，认为捕获到的是正确的边沿。

如图4所示，t＝8.0ms时刻捕获到第一个边沿，Δt＝8.0ms，捕获失败；t＝26.0ms时刻捕获到第二个边沿，Δt＝18.0ms，捕获失败；t＝30.0ms时刻捕获到第三个边沿，Δt＝6.0ms，捕获失败；t＝40.0ms时刻捕获到第四个边沿，Δt＝10.0ms，捕获成功，得到第1个正确沿；t＝50.0ms、t＝60.0ms、t＝70.0ms依次捕获到第2、3、4个正确沿，由此得到进入稳态过程的基准沿，即t＝70.0ms时刻的方波信号边沿。

图5是本发明中的加窗示意图。

在本实施例中，如图5所示，当电网电压信号处于稳态过程时，为避免毛刺信号干扰造成的误捕获，捕获到的基准沿所在时刻作为稳态锁定的时间起点，即时刻0秒，在T/2时刻，t＝10.0ms时刻加一个±θ的窗，窗以外不捕获方波信号边沿，窗内捕获方波信号边沿。

这样一方面起到了滤除干扰的作用误差精度范围±θ。如果在窗内捕获到与基准沿极性相反的方波信号边沿，则为稳态锁定，锁定该次捕获的方波信号边沿作为基准沿，并返回步骤2.1，否则，进入暂态捕获，返回到步骤(1)的1.2步。

如图5所示，t＝10.0ms时刻捕获的方波信号边沿作为下一次捕获的基准沿，继续进行稳态过程的下一次捕获，否则，重新回到暂态过程的捕获。在图5中第四个窗内未能捕获方波信号边沿，标志着捕获从稳态过程进入暂态过程。

图6是稳态过程锁定方波信号边沿的示意图。

在本实施例中，如图6所示，误差θ＝0.5ms，则窗口大小为±0.5ms。t＝70ms时刻为暂态过程捕获的基准沿，t＝79.7ms时刻捕获到稳态过程第一个边沿，且该边沿与基准沿极性相反，由于该边沿在窗内，故可作为第二次捕获的基准沿；t＝19.9时刻捕获到第二个边沿，且该边沿与前一个边沿极性相反，仍然在窗内，可继续作为基准沿进行第三次捕获。第三次捕获依然如此。到t＝36.0ms时刻，捕获到第四个边沿，由于该边沿不在窗内，故进入暂态捕获，返回到步骤(1)的1.2步，重新回到暂态过程进行捕获，暂态过程起始时刻为t＝106.0ms时刻。

在本实施例中，以德州仪器公司生产的TMS320F2812数字信号处理器及辅助外围电路为捕获装置和计时装置，通过软件语言实时存储捕获到的边沿，并通过Matlab输出其波形。

图7是本发明具体实施方式下的实时捕获电网电压波形图。

如图7所示，已将电网电压信号转换成同频率的方波信号，周期误差范围为±0.5ms，每0.1ms采样一次电网波形，在t＝46.8ms时刻捕获到第1个正确沿，t＝76.8ms时刻捕获到第4个正确沿，进入稳态锁定过程，直到t＝196.8ms时刻锁定失败，重新回到暂态捕获过程，当t＝233.0ms时刻重新捕获到第1个正确沿，但由于在t＝250.0ms时刻未能捕获到第3个正确沿，故须立即回到暂态过程起始状态开始捕获；当t＝269.8ms时刻捕获到第1个正确沿，t＝298.8ms时刻捕获到第4个正确沿，又进入稳态锁定过程。

从图7中，可以看出，在本实施中，暂态过程中，通过连续4次捕获电网正确的边沿，确定了基准沿，即正确过零点，实现了暂态到稳态的过渡；稳态过程中，通过在误差允许范围±0.5ms内加窗，若在误差允许范围内捕获成功，则锁定当次捕获沿为下一次捕获的起点，否则一旦在误差范围内捕获失败，则进入暂态过程重新捕获，通过加窗，实现了稳态过程的电网过零点监控，有效地避免了过零点的误捕获。通过实验证明，该算法能正确捕获和锁定电网电压过零点，并达到了预期捕获精度。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种电网电压过零点的捕获与锁定方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、暂态捕获

1.1、信号调理电路将电网电压信号转换成同频率的方波信号；

1.2、检测相邻两个方波信号边沿，得到相邻两个方波信号边沿的时间间隔为Δt；

1.3、设电网电压周期为T，误差范围为θ，当时相邻两个方波信号边沿的时间间隔Δt满足：

$\frac{T}{2}-\mathrm{\&theta;}<\mathrm{\&Delta;t}<\frac{T}{2}+\mathrm{\&theta;}---\left(1\right)$

则认为进入稳态过程，捕获到的是正确的方波信号边沿，并作为基准沿，进入步骤(2)，否则认为捕获失败而继续捕获；

(2)、稳态锁定

2.1、将捕获到的基准沿所在时刻作为稳态锁定的时间起点，在T/2时刻加一个±θ的窗，窗以外不捕获方波信号边沿，窗内捕获方波信号边沿；

2.2、如果在窗内捕获到与基准沿极性相反的方波信号边沿，则为稳态锁定，锁定该次捕获的方波信号边沿作为基准沿，并返回步骤2.1，否则，进入暂态捕获，返回到步骤(1)的1.2步。

2.根据权利要求1所述的电网电压过零点的捕获与锁定方法，其特征在于，在步骤(1)的1.3中，当时连续N个相邻两个方波信号边沿满足公式(1)时，才认为进入稳态过程，捕获到的第N个方波信号边沿为作为基准沿；若满足公式(1)的边沿捕获次数小于N，则回到暂态起始状态，重新对满足公式(1)的边沿捕获次数进行计数，并判断是否有N个，如果有，则作为基准沿，没有，则再次回到暂态起始阶段，继续捕获并判断，依此类推，直到找到符合公式(1)的连续N个相邻两个方波信号边沿，进入稳态，并将捕获到的第N个方波信号边沿为作为基准沿，作为最佳选择，N≥4。

Images