CN110412364A - 一种基于软件的缺相检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于软件的缺相检测方法，属于缺相检测技术领域。该方法包括：电压采样模块(101)、Clark变换模块(102)、高通滤波模块(103)、Park变换模块(104)、锁相调节器Ⅰ(105)、信号延迟模块(106)、积分模块(107)、锁相调节器Ⅱ(108)、低通滤波器(109)、积分模块(110)、信号延迟模块(111)、绝对值模块(112)、阀值开关模块0/1(113)、三相变流器(114)、VA模块(115)、低通滤波模器(116)、阀值开关模块0/1(117)、阀值开关模块1/0(118)、阀值开关模块0/1(119)、阀值开关模块1/0(120)。本发明在不增加硬件电路的情况下，能够准确的判断出输入电压缺相故障，并且该算法，结构简单，计算量少，易于实现，抗干扰性强，同时还具备输入电压幅值、频率故障检测等功能。

Description

一种基于软件的缺相检测方法

技术领域

本发明属于缺相检测技术领域，涉及一种基于软件的缺相检测方法。

背景技术

传统缺相检测技术主要是通过判断单相电压小于阀值来检测，此种方法主要适用于三相四线制，而三相三线制由于线电压之间存在耦合关系，当输入电压出现缺相时，线电压一般还有交流电压存在，不为零。对于三相三线制，传统的检测方法不容易判断出缺陷故障。

当前的缺相检测主要分为硬件检测与软件检测。硬件检测主要是对输入电压进行检测，并通过RC电路与比较器转换为矩形波，再经过一定的逻辑电路判断是否缺相，此种缺相检测方法不仅增加了硬件成本，同时由于硬件参数不一致或者运行的自然老化，可能会造成误判的情况出现。软件检测有简单的判断输入电压是否小于阀值来检测，但此种方法的劣势在于只适用于三相四线制，对于三相三线制系统不适用；也有检测三相变流器直流侧母线电压最大波动值是否超过预设阀值，此种方法的劣势在于需要先启动三相变流器设备，可能会对变流器设备造成损坏；还有采用过零点检测两相电压幅值以及先后顺序方法，但当输入波形畸变或者输入波形重复的情况下，容易造成误判，并且逻辑比较复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于软件的缺相检测方法，该方法能够在不增加硬件电路的情况下，通过控制结构简单、计算量小、精确度高以及稳定性强的控制算法实现三相输入电压的缺相检测。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于软件的缺相检测方法，在该方法中，采用了电压采样模块(101)、Clark变换模块(102)、高通滤波模块(103)、Park变换模块(104)、锁相调节器Ⅰ(105)、信号延迟模块(106)、积分模块(107)、锁相调节器Ⅱ(108)、低通滤波器(109)、积分模块(110)、信号延迟模块(111)、绝对值模块(112)、阀值开关模块0/1(113)、三相变流器(114)、VA模块(115)、低通滤波模器(116)、阀值开关模块0/1(117)、阀值开关模块1/0(118)、阀值开关模块0/1(119)、阀值开关模块1/0(120)；

所述电流采样模块(101)用于采集输入电压，得到输入电压实际值V_a、V_b、V_c；

所述Clark变换模块(102)用于将输入电压实际值V_a、V_b、V_c，变换为α-β坐标系的输入电压V_n1、V_n2；

所述高通滤波模块(103)用于滤除α-β坐标系输入电压V_n1和V_n2的高次谐波，得到α-β坐标系电压V_α和V_β；

所述Park变换模块(104)用于将锁相得到的输入电压变换角θ^*以及α-β坐标系电压V_α和V_β，变换为d-q轴坐标系电压V_d和V_q；

所述锁相调节器Ⅰ(105)用于将d-q轴坐标系电压V_q和0做比较差值，处理得到输入电压频率f₀；

所述信号延迟模块(106)表示一个采样周期的延时，输入为当前电网频率值f₀，输出为上一采样周期电网频率值f_-1；

所述积分模块(107)用于将上一采样周期得到电压频率f_-1经过积分模块，处理得到输入电压锁相角给定值θ^*；

所述锁相调节器Ⅱ(108)用于将输入电压锁相角给定值θ^*与输入电压锁相角反馈值θ_n做差，处理得到的信号再经过低通滤波器(109)得到稳定的输入电压锁相频率f_n；

所述积分模块(110)用于将稳定的输入电压锁相频率f_n经过积分模块，处理得到输入电压锁相角θ_n；

所述信号延迟模块(111)表示一个采样周期的延时，输入为当前电压锁相角θ_n，输出为上一采样周期电压锁相角θ_n-1；

所述绝对值模块(112)用于将上一采样周期算出的锁相角θ_n-1与当前采样周期算出的锁相角θ_n做差并取绝对值，处理得到前后相邻两个采样周期相角变化值Δθ；

所述阀值开关模块0/1(113)用于判断前后相邻两个采样周期相角变化值Δθ是否超过阀值，如果超过阀值，表明输入电压出现缺相故障；

所述VA模块(115)用于将α-β坐标系电压V_α和V_β经过幅值算法公式，求得输入相电压幅值，再经过低通滤波器(116)得到稳定的输入相电压幅值V_mo；

所述阀值开关模块0/1(117)用于判断输入相电压幅值V_mo是否超过设定阀值，如果超过设定阀值，表明输入电压出现过压故障；

所述阀值开关模块1/0(118)用于判断输入相电压幅值V_mo是否低于设定阀值，如果低于设定阀值，表明输入电压出现欠压故障；

所述阀值开关模块0/1(119)用于判断输入电压锁相频率f_n是否超过设定阀值，如果超过设定阀值，表明输入电压出现超频故障；

所述阀值开关模块1/0(120)用于判断输入电压锁相频率f_n是否低于设定阀值，如果低于设定阀值，表明输入电压出现欠频故障。

进一步，所述锁相调节器Ⅰ(105)为比例积分调节器，其比例系数为K_p1、积分时间常数为T_n1；所述锁相调节器Ⅱ(108)为比例积分调节器，其比例系数为K_p2、积分时间常数为T_n2；低通滤波器(109)的滤波时间常数T_i＝K_p2/T_n2。

进一步，输入电压锁相角给定值θ^*与输入电压锁相角反馈值θ_n做的差值Δθ^*，先进行锁相最优方向处理，处理后的数值再输入到锁相调节器Ⅱ(108)。

进一步，所述的积分模块(107)在对输入电压锁相频率f_-1进行积分后处理得到的相角θ^*需要进行角度限幅；所述的积分模块(110)在对输入电压锁相频率f_n进行积分后处理得到的相角θ_n需要进行角度限幅。

进一步，所述VA模块(115)为在α-β坐标系下求输入相电压幅值，其幅值算法表达式为：

进一步，差值Δθ^*的锁相最优方向处理表达式为：

进一步，θ^*的角度限幅表达式为：

进一步，θ_n的角度限幅表达式为：

本发明的有益效果在于：1)本发明提供的技术方案无需增加硬件成本；2)抗输入电压的波形畸变以及频率波动，不关注波形的本身的形变，只关注波形的相角偏移，对于多次过零点的波形不敏感；3)本检测算法功能性强，不仅能够检测输入电压缺相故障，同时还具备检测频率、幅值故障等功能；4)适用性广，既可以适用于带零线的三相四线制系统，又可适用于三相三线制系统。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明所述基于软件的缺相检测方法的控制结构图；

附图标记：101-电压采样模块、102-Clark变换模块、103-高通滤波模块、104-Park变换模块、105-锁相调节器Ⅰ、106-信号延迟模块、107-积分模块、108-锁相调节器Ⅱ、109-低通滤波器、110-积分模块、111-信号延迟模块、112-绝对值模块、113-阀值开关模块、114-三相变流器、115-VA模块、116-低通滤波模器、117-阀值开关模块0/1、118-阀值开关模块1/0、119-阀值开关模块0/1、120-阀值开关模块1/0。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

如图1所示，本发明所述一种基于软件的缺相检测方法，采用了：电压采样模块(101)、Clark变换模块(102)、高通滤波模块(103)、Park变换模块(104)、锁相调节器Ⅰ(105)、信号延迟模块(106)、积分模块(107)、锁相调节器Ⅱ(108)、低通滤波器(109)、积分模块(110)、信号延迟模块(111)、绝对值模块(112)、阀值开关模块0/1(113)、三相变流器(114)、VA模块(115)、低通滤波模器(116)、阀值开关模块0/1(117)、阀值开关模块1/0(118)、阀值开关模块0/1(119)、阀值开关模块1/0(120)。

在本实施例中，基于软件的缺相检测方法的工作流程为：

1)电压采样模块(101)采集输入三相电压，得到输入电压的实际值V_a、V_b、V_c；

2)将输入电压实际值V_a、V_b、V_c，输入到Clark变换模块(102)，产生α-β坐标系的电压V_n1和V_n2；

3)将电压V_n1和V_n2，输入到高通滤波模块(103)，滤除电压V_n1和V_n2的高次谐波，得到α-β坐标系的输入电压V_α和V_β；

4)将α-β坐标系的输入电压V_α、V_β以及坐标变换角θ^*输入到Park变换模块(104)，变换为d-q轴坐标系的电压V_d和V_q；

5)将d-q轴坐标系的电压V_q和0做比较的差值输入到锁相调节器Ⅰ(105)，处理得到输入电压频率f₀；

6)将输入电压频率f₀输入到信号延迟模块(106)，表示本采样周期使用的是上一采样周期处理得到的电压频率f_-1。

7)将输入电网频率f_-1经过积分模块(107)，处理得到输入电压锁相角给定值θ^*；然后对其限幅，θ^*的限幅表达式为：

8)将限幅后的输入电压锁相角给定值θ^*与输入电压锁相角反馈值θ做差，差值为Δθ^*，并对差值Δθ^*进行锁相最优方向处理，其表达式为：

9)将锁相最优方向处理后的差值Δθ^*，输入到锁相调节器Ⅱ(108)，处理得到的信号再输入到低通滤波器(109)得到稳定的输入电压锁相频率f_n；

10)将电压锁相频率f_n输入到积分模块(110)，处理得到输入电压锁相角θ_n；然后对其限幅，θ_n的限幅表达式为：

11)将上一个采样周期算出的锁相角θ_n-1与当前采样周期算出的锁相角θ_n做差，差值输入到绝对值模块(112)，得到前后相邻两个采样周期输入电压相角变化值Δθ；

12)将输入电压相角变化值Δθ输入到阀值开关模块0/1(113)，如果超过预设阀值，则表明输入电压出现缺相故障。

13)将α-β坐标系的输入电压V_α和V_β输入到VA模块(115)，求得输入相电压幅值，再经过低通滤波器(116)得到稳定的输入相电压幅值V_mo；

14)将输入相电压幅值V_mo输入到阀值开关模块0/1(117)，如果超过预设阀值，则表明输入电压出现过压故障。

15)将输入相电压幅值V_mo输入到阀值开关模块1/0(118)，如果低于预设阀值，则表明输入电压出现欠压故障。

16)将输入电压锁相频率f_n输入到阀值开关模块0/1(119)，如果超过预设阀值，则表明输入电压出现超频故障。

17)将输入电压锁相频率f_n输入到阀值开关模块1/0(119)，如果低于预设阀值，则表明输入电压出现欠频故障。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于软件的缺相检测方法，其特征在于：在该方法中，采用了电压采样模块(101)、Clark变换模块(102)、高通滤波模块(103)、Park变换模块(104)、锁相调节器Ⅰ(105)、信号延迟模块(106)、积分模块(107)、锁相调节器Ⅱ(108)、低通滤波器(109)、积分模块(110)、信号延迟模块(111)、绝对值模块(112)、阀值开关模块0/1(113)、三相变流器(114)、VA模块(115)、低通滤波模器(116)、阀值开关模块0/1(117)、阀值开关模块1/0(118)、阀值开关模块0/1(119)、阀值开关模块1/0(120)；

所述电流采样模块(101)用于采集输入电压，得到输入电压实际值V_a、V_b、V_c；

所述Clark变换模块(102)用于将输入电压实际值V_a、V_b、V_c，变换为α-β坐标系的输入电压V_n1、V_n2；

所述高通滤波模块(103)用于滤除α-β坐标系输入电压V_n1和V_n2的高次谐波，得到α-β坐标系电压V_α和V_β；

所述Park变换模块(104)用于将锁相得到的输入电压变换角θ^*以及α-β坐标系电压V_α和V_β，变换为d-q轴坐标系电压V_d和V_q；

所述锁相调节器Ⅰ(105)用于将d-q轴坐标系电压V_q和0做比较差值，处理得到输入电压频率f₀；

所述信号延迟模块(106)表示一个采样周期的延时，输入为当前电网频率值f₀，输出为上一采样周期电网频率值f_-1；

所述积分模块(107)用于将上一采样周期得到电压频率f_-1经过积分模块，处理得到输入电压锁相角给定值θ^*；

所述锁相调节器Ⅱ(108)用于将输入电压锁相角给定值θ^*与输入电压锁相角反馈值θ_n做差，处理得到的信号再经过低通滤波器(109)得到稳定的输入电压锁相频率f_n；

所述积分模块(110)用于将稳定的输入电压锁相频率f_n经过积分模块，处理得到输入电压锁相角θ_n；

所述信号延迟模块(111)表示一个采样周期的延时，输入为当前电压锁相角θ_n，输出为上一采样周期电压锁相角θ_n-1；

所述绝对值模块(112)用于将上一采样周期算出的锁相角θ_n-1与当前采样周期算出的锁相角θ_n做差并取绝对值，处理得到前后相邻两个采样周期相角变化值Δθ；

所述阀值开关模块0/1(113)用于判断前后相邻两个采样周期相角变化值Δθ是否超过阀值，如果超过阀值，表明输入电压出现缺相故障；

所述VA模块(115)用于将α-β坐标系电压V_α和V_β经过幅值算法公式，求得输入相电压幅值，再经过低通滤波器(116)得到稳定的输入相电压幅值V_mo；

所述阀值开关模块0/1(117)用于判断输入相电压幅值V_mo是否超过设定阀值，如果超过设定阀值，表明输入电压出现过压故障；

所述阀值开关模块1/0(118)用于判断输入相电压幅值V_mo是否低于设定阀值，如果低于设定阀值，表明输入电压出现欠压故障；

所述阀值开关模块0/1(119)用于判断输入电压锁相频率f_n是否超过设定阀值，如果超过设定阀值，表明输入电压出现超频故障；

所述阀值开关模块1/0(120)用于判断输入电压锁相频率f_n是否低于设定阀值，如果低于设定阀值，表明输入电压出现欠频故障。

2.根据权利要求1所述的一种基于软件的缺相检测方法，其特征在于：所述锁相调节器Ⅰ(105)为比例积分调节器，其比例系数为K_p1、积分时间常数为T_n1；所述锁相调节器Ⅱ(108)为比例积分调节器，其比例系数为K_p2、积分时间常数为T_n2；低通滤波器(109)的滤波时间常数T_i＝K_p2/T_n2。

3.根据权利要求1所述的一种基于软件的缺相检测方法，其特征在于：输入电压锁相角给定值θ^*与输入电压锁相角反馈值θ_n做的差值Δθ^*，先进行锁相最优方向处理，处理后的数值再输入到锁相调节器Ⅱ(108)。

4.根据权利要求1所述的一种基于软件的缺相检测方法，其特征在于：所述的积分模块(107)在对输入电压锁相频率f_-1进行积分后处理得到的相角θ^*需要进行角度限幅；所述的积分模块(110)在对输入电压锁相频率f_n进行积分后处理得到的相角θ_n需要进行角度限幅。

5.根据权利要求1所述的一种基于软件的缺相检测方法，其特征在于：所述VA模块(115)为在α-β坐标系下求输入相电压幅值，其幅值算法表达式为：

6.根据权利要求3所述的一种基于软件的缺相检测方法，其特征在于：差值Δθ^*的锁相最优方向处理表达式为：

7.根据权利要求4所述的一种基于软件的缺相检测方法，其特征在于：θ^*的角度限幅表达式为：

8.根据权利要求4所述的一种基于软件的缺相检测方法，其特征在于：θ_n的角度限幅表达式为：