CN103197130A - 一种电网电压过零点检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网电压过零点检测方法，包括步骤：1）将电网电压降低为输出电压信号UA，且保持信号UA与电网电压同相位；2）将信号UA中的高次谐波滤除；3）将信号UA中的低次谐波滤除；4）将信号UA转换为方波UB；5）滤除方波UB中毛刺，并输出同一频率的洁净信号UC；6）进行数据处理，并输出处理后的电网电压过零点信号。并提供了实现该检测方法的检测装置，在电网谐波含量较大时，依然能准确的检测出电网电压过零点，有效提高了电能质量监测与治理设备的稳定性、可靠性。

Description

一种电网电压过零点检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种过零点检测方法，具体涉及一种电网电压过零点检测方法及装置。属于电力电子技术领域。

背景技术

随着社会的进步，电能作为一种清洁、快捷、输送方便的可控型能源已经广泛应用各行各业，同时，各行业对电能质量的要求也在不断提高，相应的电能质量监测与治理设备应运而生，不论电能质量监测设备或者电能质量治理设备都需要对电网电压进行过零点检测，电能质量监测设备可以以此来确定相位、相序等参数，而电能质量治理设备，如有源电力滤波器(APF)、动态无功发生器(SVG)，都需要检测电网电压过零点，以便更好的补偿电网谐波或无功，电网电压过零点检测成为电能质量监测和治理领域一项重要技术。

为此，电能质量监测与治理行业的技术人员，提出了不同的电网电压过零点检测方法，这些方法大都比较复杂，对所用元件精度要求比较高，且在电网谐波含量比较大的情况下，很难准确检测出电网电压过零点。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种电网电压过零点检测方法及装置。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种电网电压过零点检测方法，包括步骤：

1）将电网电压降低为输出电压信号UA，且保持信号UA与电网电压同相位；

2）将信号UA中的高次谐波滤除；

3）将信号UA中的低次谐波滤除；

4）将信号UA转换为方波UB；

5）滤除方波UB中毛刺，并输出同一频率的洁净信号UC；

6）进行数据处理，并输出处理后的电网电压过零点信号。

所述步骤2）将信号UA中的高次谐波滤除，输出频率低于65Hz的低频信号U1；所述步骤3）将信号U1中的低次谐波滤除，使得频率小于40Hz的信号被滤除，输出频率大于40Hz且小于65Hz的信号U2；所述步骤4）将信号U2转换为同频率的方波信号UB。

所述步骤6）的具体方法为：

61）40μs一次开始计时；

62）读取相应引脚值，引脚值为0，进入步骤C）；引脚值不为0，返回步骤A）；

63）给出电网电压过零点信号，结束。

在步骤61）中，选择40μs一次计时是因为：

电网周期20ms，40μs读取电网电流一次，一个电网周期（傅里叶变换和瞬时无功理论要求必须一个周期才能计算电网电流的幅值）可读取500个点，合成谐波正弦波电流时，数据处理器（DSP或FPGA等）的计算量适中，假如20μs读取一次电网电流，则一个电网周期读取的点数为1000个，数据处理器的计算量会3倍或4倍或更高倍数的增加，数据处理器的容量也会成几何级数增加，所以选取40μs比较合适。

用于实现上述检测方法的检测装置，包括依次连接的：

同步变压单元，用于将电网电压降低为输出电压信号UA，且保持信号UA与电网电压同相位；

低通滤波单元，用于将信号UA中的高次谐波滤除；

高通滤波单元，用于将信号UA中的低次谐波滤除；

方波生成单元，用于将信号UA转换为方波UB；

滞回比较单元，用于滤除方波UB中毛刺，并输出同一频率的洁净信号UC；

数据处理和过零点输出单元，用于进行数据处理，并输出处理后的电网电压过零点信号。

所述同步变压单元为三相同步变压器或单相同步变压器。例如变比为390V:28V，功率为100W的三相同步变压器即可满足本发明需要，可将电网电压信号处理同频率的信号UA。

所述检测装置的具体电路包括电阻R1～R7，电容C1～C2，运放A1A以及比较器A2；信号UA经电阻R1连至电容C1，电阻R2一端接地，另一端分别与电阻R1和电容C1连接；电容C2一端连接至电阻R1和电阻R2的共同节点，另一端分别与电阻R3以及运放A1A的负极端连接；电阻R3和电容C2的共同节点连接至运放A1A的输出端，运放A1A的正极端与电阻R4连接，电阻R4接地；运放A1A的输出端经电阻R5分别与比较器A2的正极端以及电阻R6连接，比较器A2的负极端接地，比较器A2的输出端与电阻R6的共同节点与电阻R7连接，并输出信号UC，运放A1A和比较器A2均与15V电源连接，电阻R7与3.3V电源连接。

所述低通滤波单元是由电阻R1、电阻R2、电容C1组成的低通滤波电路；所述高通滤波单元是由电容C2、电阻R3组成的高通滤波电路；所述方波生成单元是由运放A1A和电阻R4组成的方波生成电路；所述滞回比较单元是由电阻R5、电阻R6、比较器A2、电阻R7组成的滞回比较电路。

所述数据处理和过零点输出单元为DSP处理器。

本发明的有益效果是，本发明只需检测A相电网电压过零点，可根据B/C相与A相电压相位差，推导出B/C相相位，相应的硬件电路简单可靠，且在电网谐波含量较大时，依然能准确的检测出电网电压过零点，有效提高了电能质量监测与治理设备的稳定性、可靠性，从而有效降低了电能质量监测与治理设备的成本，有利于提高使用该技术的电能质量与治理设备市场竞争优势，有利于进一步清洁电网的电能质量。

附图说明

图1为本发明的装置原理图；

图2为本发明的整体电路连接图；

图3为低通滤波电路图；

图4为高通滤波电路图；

图5为滞回比较电路图；

图6为数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。

实施例1：

采用变比为390V:28V，功率为100W的三相同步变压器作为同步变压单元，将电网电压信号处理同频率的信号UA。

信号UA经电阻R1连至电容C1，电阻R2一端接地，另一端分别与电阻R1和电容C1连接；电容C2一端连接至电阻R1和电阻R2的共同节点，另一端分别与电阻R3以及运放A1A的2脚连接；电阻R3和电容C2的共同节点连接至运放A1A的1脚，运放A1A的3脚与电阻R4连接，电阻R4接地；运放A1A的1脚经电阻R5分别与比较器A2的2脚以及电阻R6连接，比较器A2的1脚、3脚接地，比较器A2的4脚、5脚、6脚、8脚接电源，比较器A2的7脚与电阻R6的共同节点与电阻R7连接，并输出信号UC。

具体如下：

低通滤波单元，是由电阻R1、电阻R2、电容C1组成的低通滤波电路，本发明中R1为240KΩ，R2为68KΩ，C1为47nF电容，该单元可将同步变压器降压后的信号UA中的高次谐波滤除，输出频率低于65Hz的低频信号U1；

高通滤波单元是由电容C2、电阻R3组成的高通滤波电路，本发明中电容C2为47nF，电阻R3为82KΩ，将经低通滤波单元处理后的信号U1中的低次谐波滤除，使得频率小于40Hz的信号被滤除，输出频率大于40Hz且小于65Hz的信号U2；

由电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1和电容C2组成低通滤波单元和高通滤波单元，其等效电路如图3低通滤波电路和图4高通滤波电路所示。

根据图3所示的低通滤波电路，设电阻R1=Z1，电阻R2=Z2，电容C1=Z3，A=U1/UA则有：

$A=\frac{\frac{Z2*Z3}{Z2+Z3}}{Z1+\frac{Z2*Z3}{Z2+Z3}}=\frac{1}{1+\frac{Z1}{Z2}+\frac{Z1}{Z3}}...\left(1\right)$

将图中电阻、电容值代入（1）式可得：

$A=\frac{1}{1+\frac{240}{68}+j240\mathrm{\ω}47*{10}^{-6}}=\frac{\frac{68}{308}}{1+j\left(\frac{240*68}{308}\right)\mathrm{\ω}47*{10}^{-6}}...\left(2\right)$

低通滤波单元的上限截止频率

，其中电阻R'=(240*68/308)KΩ，电容C=47nF，得到低通滤波单元的上限截止频率f0=63.9Hz。也就是说，当频率高于63.9Hz时，将被低通滤波电路滤除。

根据图4所示高通滤波电路，高通滤波器的下限截止频率

其中电阻R''=82KΩ，电容C=47nF，得到高通滤波器的下限截止频率f1=41.296Hz。

方波生成单元是由运放A1A和电阻R4组成的方波生成电路，本发明中运放A1A为集成芯片TL084ID，R4为51KΩ，将经高通滤波单元处理后的信号U2转换为同频率的方波信号UB。电阻R2和电容C1谐振中心点频率为49.798Hz，只有这一频率的信号会以最小阻抗通过由低通滤波电路和高通滤波电路组成的带通滤波电路，到达运放A1A的2脚，过零检测电路通带为（41.296Hz，63.9Hz），最小阻抗点为49.798Hz，能更好的将基波信号检测出来。

滞回比较单元是由电阻R5、电阻R6、比较器A2、电阻R7组成的滞回比较电路，本发明中电阻R5为4.7KΩ，电阻R6为2.2MΩ，电阻R7为2KΩ，比较器A2为集成芯片LM211D，如图5所示，滞回比较电路将方波信号UB中毛刺滤除，避免震荡，并将处理过的信号送至数据处理和过零点输出单元。

程序处理和过零点输出单元采用快速处理器DSP，进行数据处理，并输出处理后的电网电压过零点信号，以供使用本发明的设备的其它部分使用，数据处理的流程图如图6所示，实现电网电压过零点信号的判定。

谐波是指50Hz的整数倍的谐波电流，例如100Hz谐波电流，为2次谐波电流，150Hz谐波电流为3次谐波电流，其中0Hz～50Hz、50Hz～100Hz为间谐波，电网正常情况下只考虑谐波，而不考虑间谐波，所以，选取谐波电流频率范围为25Hz～75Hz作为通频带，集成芯片TL084ID去电流很小，先固定R1为240KΩ，电容C1选取常规电容47nF，根据公式（1），而后进行电路仿真，并根据公式（2）进行验证，最终得到R2为68KΩ，并进行了实际测试，高通滤波选取过程类似，而后进行综合仿真，便可得到想要的数值，进行实际测试，效果很好。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种电网电压过零点检测方法，其特征在于，包括步骤：

1）将电网电压降低为输出电压信号UA，且保持信号UA与电网电压同相位；

2）将信号UA中的高次谐波滤除；

3）将信号UA中的低次谐波滤除；

4）将信号UA转换为方波UB；

5）滤除方波UB中毛刺，并输出同一频率的洁净信号UC；

6）进行数据处理，并输出处理后的电网电压过零点信号。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤2）将信号UA中的高次谐波滤除，输出频率低于65Hz的低频信号U1；所述步骤3）将信号U1中的低次谐波滤除，使得频率小于40Hz的信号被滤除，输出频率大于40Hz且小于65Hz的信号U2；所述步骤4）将信号U2转换为同频率的方波信号UB。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，所述步骤6）的具体方法为：

61）40μs一次开始计时；

62）读取相应引脚值，引脚值为0，进入步骤C）；引脚值不为0，返回步骤A）；

63）给出电网电压过零点信号，结束。

4.用于实现上述任一项权利要求所述的检测方法的检测装置，其特征在于，包括依次连接的：

同步变压单元，用于将电网电压降低为输出电压信号UA，且保持信号UA与电网电压同相位；

低通滤波单元，用于将信号UA中的高次谐波滤除；

高通滤波单元，用于将信号UA中的低次谐波滤除；

方波生成单元，用于将信号UA转换为方波UB；

滞回比较单元，用于滤除方波UB中毛刺，并输出同一频率的洁净信号UC；

数据处理和过零点输出单元，用于进行数据处理，并输出处理后的电网电压过零点信号。

5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述同步变压单元为三相同步变压器或单相同步变压器。

6.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置的具体电路包括电阻R1～R7，电容C1～C2，运放A1A以及比较器A2；信号UA经电阻R1连至电容C1，电阻R2一端接地，另一端分别与电阻R1和电容C1连接；电容C2一端连接至电阻R1和电阻R2的共同节点，另一端分别与电阻R3以及运放A1A的负极端连接；电阻R3和电容C2的共同节点连接至运放A1A的输出端，运放A1A的正极端与电阻R4连接，电阻R4接地；运放A1A的输出端经电阻R5分别与比较器A2的正极端以及电阻R6连接，比较器A2的负极端接地，比较器A2的输出端与电阻R6的共同节点与电阻R7连接，并输出信号UC。

7.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述低通滤波单元是由电阻R1、电阻R2、电容C1组成的低通滤波电路；所述高通滤波单元是由电容C2、电阻R3组成的高通滤波电路；所述方波生成单元是由运放A1A和电阻R4组成的方波生成电路；所述滞回比较单元是由电阻R5、电阻R6、比较器A2、电阻R7组成的滞回比较电路。

8.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于，所述数据处理和过零点输出单元为DSP处理器。

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