CN108414816B

CN108414816B - 一种交流单相电压的解算方法及装置

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Publication number: CN108414816B
Application number: CN201810098743.5A
Authority: CN
Inventors: 李红刚; 王旭昊; 田素立; 刘德林; 王海明; 王艳领; 代兴华
Original assignee: Xuji Group Co Ltd; Xuchang Xuji Wind Power Technology Co Ltd
Current assignee: Xuji Group Co Ltd; Xuchang Xuji Wind Power Technology Co Ltd
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2020-08-11
Anticipated expiration: 2038-01-31
Also published as: CN108414816A

Abstract

本发明涉及一种交流单相电压的解算方法及装置，在上一周期的解算频率下，求解该解算频率对应解算周期下的低频量的平均值，得到当前周期的压差；所述低频量为采集的交流单相电压和上一周期解算余弦量的乘积；根据当前周期的压差，得到当前周期的角速度；将所述当前周期的角速度进行积分，得到当前周期的解算相位；求当前周期的解算相位的余弦值，得到当前周期的解算余弦量；根据所述当前周期的角速度，得到当前周期的解算频率。本发明采用一种闭环控制的思想，对交流单相电压进行解算，避免了现有技术解算过程中繁琐的锁相、傅里叶变换等过程，能够准确获取交流单相电压的相位、频率及正交波。

Description

一种交流单相电压的解算方法及装置

技术领域

本发明属于继电保护技术领域，具体涉及一种交流单相电压的解算方法及装置。

背景技术

随着科技的发展，电力在生活及生产的作用中日益突显。若能够准确、快速求解单相交流电压的频率、相位、正交向量，将大大提升电网运行控制的性能。

目前常采用锁相环技术来获得电网电压的幅值、频率和相位。现有的锁相环技术，主要有以下两种：

一种是通过构造电网电压信号的虚拟正交波形，通过旋转坐标变换将交流信号转换为直流信号进行控制。傅里叶变换则是根据函数由不同频率的正弦函数的叠加的原理，求取基波函数的过程。该方法基于理想单相交流电压模型，在输入的信号存在谐波干扰和直流偏移时就无法获得准确的频率、相位及正交信号信息。

一种是对单相交流电压信号直接进行锁相的，例如基于卡尔曼滤波的锁相环技术，传输延时锁相环技术，增强型锁相环技术，基于全通滤波器的锁相环技术等。

例如，授权公告号为CN103558436B的专利公开了一种基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法，该方法基于锁相环技术来对单相电压进行求解，在锁相环的输入侧加入延时移相环节，来消除直流偏移和奇次谐波。但是，该方法在计算需要数据多解算，时延较长，不能满足现在智能设备快捷的判断要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交流单相电压的解算方法及装置，用以解决现有技术的方法解算复杂、速度慢的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明的一种交流单相电压的解算方法，包括如下方法方案：

方法方案一，包括如下步骤：

在上一周期的解算频率下，求解该解算频率对应解算周期下的低频量的平均值，得到当前周期的压差；所述低频量为采集的交流单相电压和上一周期解算余弦量的乘积；

根据当前周期的压差，得到当前周期的角速度；

将所述当前周期的角速度进行积分，得到当前周期的解算相位；

求当前周期的解算相位的余弦值，得到当前周期的解算余弦量；

根据所述当前周期的角速度，得到当前周期的解算频率。

方法方案二，在方法方案一的基础上，解算频率的初值为50Hz，解算余弦量的初值为1。

方法方案三，在方法方案一的基础上，将当前周期的压差经过PID控制器进行调节控制，得到所述当前周期的角速度。

方法方案四，在方法方案一的基础上，还包括将得到的当前周期的解算相位映射到[0,2π)区间的步骤。

方法方案五，在方法方案四的基础上，将得到当前周期的解算相位对2π取余。

方法方案六，在方法方案四的基础上，还包括将映射到[0,2π)区间后的相位经过正弦生成器，得到当前周期的解算正弦量的步骤。

方法方案七，在方法方案一的基础上，将所述当前周期的角速度除以2π，得到所述当前周期的解算频率。

方法方案八，在方法方案七的基础上，还包括将得到的当前周期的解算频率依次进行斜率限制、低通滤波的步骤。

方法方案九，在方法方案八的基础上，斜率为：

k为斜率，x_r为当前采样值，x_s为最近历史数据，a为步长。

方法方案十，在方法方案八的基础上，低通滤波的频率为交流单相电压理论频率的一半。

本发明还提供了一种交流单相电压的解算装置，包括如下装置方案：

装置方案一，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：

根据当前周期的压差，得到当前周期的角速度；

根据所述当前周期的角速度，得到当前周期的解算频率。

装置方案二，在装置方案一的基础上，解算频率的初值为50Hz，解算余弦量的初值为1。

装置方案三，在装置方案一的基础上，将当前周期的压差经过PID控制器进行调节控制，得到所述当前周期的角速度。

装置方案四，在装置方案一的基础上，还包括将得到的当前周期的解算相位映射到[0,2π)区间的步骤。

装置方案五，在装置方案四的基础上，将得到当前周期的解算相位对2π取余。

装置方案六，在装置方案四的基础上，还包括将映射到[0,2π)区间后的相位经过正弦生成器，得到当前周期的解算正弦量的步骤。

装置方案七，在装置方案一的基础上，将所述当前周期的角速度除以2π，得到所述当前周期的解算频率。

装置方案八，在装置方案七的基础上，还包括将得到的当前周期的解算频率依次进行斜率限制、低通滤波的步骤。

装置方案九，在装置方案八的基础上，斜率为：

k为斜率，x_r为当前采样值，x_s为最近历史数据，a为步长。

装置方案十，在装置方案八的基础上，低通滤波的频率为交流单相电压理论频率的一半。

本发明的有益效果：

本发明的交流单相电压的解算方法及装置，设定解算频率的初值为50Hz，设定解算余弦量的初值为1，采用一种闭环控制的思想，对交流单相电压进行解算，得到交流单相电压的解算相位、解算频率和解算余弦量(即正交波)，避免了现有技术解算过程中繁琐的锁相、傅里叶变换等过程，不仅能够准确获取交流单相电压的相位、频率及正交波，而且具备计算速度快、连续性好的优点，能够广泛应用于交流单相电源并网及电能变换领域，具有较高的实用性。

附图说明

图1是本发明的交流单相电压的解算方法控制框图；

图2是本发明的交流单相电压的解算方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种交流单相电压的解算装置，该装置包括处理器，所述处理器用于执行指令实现本发明的交流单相电压的解算方法，该方法的最佳实施例的流程图如图2所示。

Step1，在系统初始化的过程中，完成“频率＝50、余弦量＝1”的初始值的赋值，即设定频率为50，设定余弦量为1，以该设定频率为解算频率、以该设定余弦量为解算余弦量进行解算工作，进入Step2。

Step2，判断解算频率是否小于0.000001：若小于，则说明频率太小，甚至有可能是0，若直接使用0的话将导致周期计算错误，故此时直接使频率为0.000001(该值可变化，根据需求设定)的解算频率；若大于等于，直接使用当前解算频率即可。根据得到的解算频率，计算得到解算周期，周期为频率的倒数。

Step3，在上一周期的解算周期下，求解该解算频率对应解算周期下的低频量的平均值，得到当前周期的压差；其中，低频量为采集的交流单相电压和上一周期的解算余弦量的乘积。具体的，可采用如下方法获得压差：

1)计算第一低频量并积分，得到第一低频量积分；低频量＝电压采样值*解算余弦，即

2)计算第二低频量积分，第二低频量积分为第一低频量积分延时一个周期，即

3)计算周期平均值，周期平均值＝第一低频量积分—第二低频量积分；

4)计算当前周期的压差，压差＝周期平均值*频率。

Step4，将当前周期的压差经过PID控制器进行PID控制，计算得到当前周期的角速度。

Step5，将当前周期的角速度进行积分，得到当前周期的初始解算相位。判断当前周期的初始解算相位是否在[0,2π)范围内，若不在该范围内，则将其映射到[0,2π)范围内。具体方法可为以下两种：

1)使初始解算相位减去k*2π(k值根据初始相位的大小进行设定)，使得初始解算相位减去k*2π后的结果在[0,2π)范围内，即为解算相位。

2)对初始解算相位除以2π并取余，便可得到映射到[0,2π)范围内的解算相位。

Step6，将得到的当前周期的解算相位分别经过余弦生成器、正弦生成器，得到当前周期对应的解算余弦量(解算正交波形)、解算正弦量。

Step7，将得到的当前周期的角速度除以2π，得到当前周期的初始解算频率，并将初始解算频率经过斜率限制、低通滤波，从而得到当前周期的解算频率。

Step8，重复Step2至Step7，即可得到整个交流单相电压的解算频率、解算相位和解算余弦量。

为了实现该方法，具体设计了一种如图1所示的解算方法控制框图，整体采用一种闭环控制的思想，不停的循环计算。

交流单相电压采样值和解算余弦量一起输入至乘法器1，乘法器1的输出与解算频率一起输入至周期平均解算器2，周期平均解算器2根据输入的解算频率信号自动求出最近一个周期的乘法器1输出的平均值，即为压差，将该值输入至PID控制器3。

PID控制器3由三个参数构成，分别为比例、积分、微分(这里三个参数分别为180、3200、1)，其输出为角速度。输出一方面输入至积分器4(这里为1/(2π))，另一方面输入至比例器9。

积分器4的输出和常数5(这里为2π)一起输入至相位划分器6。相位划分器6以2π为周期自动把积分器4输出相位映射到[0,2π)区间范围内，其输出为解算相位。

将相位划分器6的输出，一方面输入至正弦生成器7，得到解算正弦量；另一方面输入至余弦生成器(正交波形生成器)8，得到解算余弦量，得到解算正交波形。

比例器9的输出分别经过斜率限制器10、低通滤波器11，便可得到解算频率。

在这里，斜率限制器设定值设为(—12,12)，其目的是把两点数据变化的幅值控制在设定范围内。令斜率为：

k为斜率，x_r为当前采样值，x_s为最近历史数据，a为步长，比较计算斜率是否在设定斜率范围内：

若k＞12，则输出为：x_r+12a；其中，x_r为当前采样值，a为步长；

若k＜-12，则输出为：x_r-12a；

若-12≤k≤12，则输出为当前采样值x_r。

低通滤波器11的设置频率为交流单相电源理论频率的一半。

Claims

1.一种交流单相电压的解算方法，其特征在于，包括如下步骤：

具体的，可采用如下方法获得压差：

3)计算周期平均值，周期平均值＝第一低频量积分-第二低频量积分；

4)计算当前周期的压差，压差＝周期平均值*频率；

将当前周期的压差经过PID控制器进行调节控制，得到所述当前周期的角速度；

将所述当前周期的角速度进行积分，得到当前周期的初始解算相位，将得到的当前周期的初始解算相位对2π取余，得到当前周期的解算相位；

根据所述当前周期的角速度，得到当前周期的解算频率。

2.根据权利要求1所述的交流单相电压的解算方法，其特征在于，解算频率的初值为50Hz，解算余弦量的初值为1。

3.根据权利要求1所述的交流单相电压的解算方法，其特征在于，还包括将得到的当前周期的解算相位映射到[0,2π)区间的步骤。

4.根据权利要求3所述的交流单相电压的解算方法，其特征在于，还包括将映射到[0,2π)区间后的相位经过正弦生成器，得到当前周期的解算正弦量的步骤。

5.根据权利要求1所述的交流单相电压的解算方法，其特征在于，将所述当前周期的角速度除以2π，得到所述当前周期的解算频率。

6.根据权利要求5所述的交流单相电压的解算方法，其特征在于，还包括将得到的当前周期的解算频率依次进行斜率限制、低通滤波的步骤。

7.根据权利要求6所述的交流单相电压的解算方法，其特征在于，斜率为：

k为斜率，x_r为当前采样值，x_s为最近历史数据，a为步长。

8.根据权利要求6所述的交流单相电压的解算方法，其特征在于，低通滤波的频率为交流单相电压理论频率的一半。

9.一种交流单相电压的解算装置，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：

具体的，可采用如下方法获得压差：

4)计算当前周期的压差，压差＝周期平均值*频率；

根据所述当前周期的角速度，得到当前周期的解算频率。

10.根据权利要求9所述的交流单相电压的解算装置，其特征在于，解算频率的初值为50Hz，解算余弦量的初值为1。

11.根据权利要求9所述的交流单相电压的解算装置，其特征在于，还包括将得到的当前周期的解算相位映射到[0,2π)区间的步骤。

12.根据权利要求11所述的交流单相电压的解算装置，其特征在于，还包括将映射到[0,2π)区间后的相位经过正弦生成器，得到当前周期的解算正弦量的步骤。

13.根据权利要求9所述的交流单相电压的解算装置，其特征在于，将所述当前周期的角速度除以2π，得到所述当前周期的解算频率。

14.根据权利要求13所述的交流单相电压的解算装置，其特征在于，还包括将得到的当前周期的解算频率依次进行斜率限制、低通滤波的步骤。

15.根据权利要求14所述的交流单相电压的解算装置，其特征在于，斜率为：

k为斜率，x_r为当前采样值，x_s为最近历史数据，a为步长。

16.根据权利要求14所述的交流单相电压的解算装置，其特征在于，低通滤波的频率为交流单相电压理论频率的一半。