CN111856163B - 一种非接触式单杆异步核相方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高压核相技术领域，具体涉及一种非接触式单杆异步核相方法。首先，单杆核相器依次异步非接触式感应参考端和待测端电压信号，并通过核相信号调理得到与感应波形同频的方波，在手机APP配合下采集并分析得到参考端频率数据包和两待核相端异步正向过零点时间差；接着，通过核相实验结合补偿算法补偿参考端和待测端异步核相测量误差；最后，根据异步正向过零点时间差与电网频率的关系，计算得到待测端与参考端之间的核相相位差，并进行核相结果显示，完成核相操作。本发明的方法可以降低核相接触电压，避免同步核相误差，简化核相操作步骤，清晰显示核相结果，可大大提高核相的便捷性和安全性。

Description

一种非接触式单杆异步核相方法

技术领域

本发明属于高压核相技术领域，具体涉及一种非接触式单杆异步核相方法。

背景技术

核相是指用仪表或者其他手段核对两端电源或环网供电相位、相序是否相同。电力系统中电力设备更新、电网的并网以及输电线路改造扩建，在线路检查完毕后都要进行核相试验，保证输电线路相序和用户三相负载要求的相序一致才能向用户送电，避免因核相错误而造成重大的经济损失。

传统的高压核相方法大多采用双杆接触式核相，对不同电压等级电力线路进行核相时，需要两位操作人员利用绝缘抽拉杆分别将对应电压等级的核相器的接触电极与待测线路相接触，通过判断两待测电网幅值或相位差，完成核相操作。这些方法在实际操作过程中存在以下问题：

1.核相器接触电极直接与高压电力线路相接触，阴雨天时由于空气潮湿等因素，核相器绝缘手柄可能会导电，对作业人员安全造成威胁；

2.核相时，只能针对同一电压等级的电力线路，对于不同电压等级电力线路核相较为复杂；

3.两待核相线路电压或相位信号需要同时采集，这导致参与核相试验人员较多，如遇到授时同步失败，频率波动等影响，对核相结果有较大影响。

因此现有技术中核相器存在同步性要求较高，操作电压高且核相电压等级单一，可操作性不强等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，为解决上述问题，提供一种非接触式单杆异步核相方法。

本发明的技术方案：

一种非接触式单杆异步核相方法，包括以下步骤：

步骤一：单杆核相器依次异步非接触式感应参考端和待测端电压信号，并通过核相信号调理得到与感应波形同频的方波，然后分析得到参考端和待测端频率和相位信息；其中：

非接触式感应，是指根据电力线路周围电场变化趋势与电力线路电压变化趋势相同的性质，利用平板电容型电场传感器感应电力线路周围电场变化，进而得到与电网电压变化趋势相同的正弦波；

频率和相位信息，包括参考端电网频率数据包以及参考端和待测端异步正向过零点时间差；通过供电运营规则结合核相经验可知，两分钟内电网频率波动对核相结果影响可近似忽略且单次核相测量时间应小于5s，因此，采集参考端电网频率a次并存储作为参考端电网频率数据包，用于在异步核相过程中出现相位信号持续输出高电平锁定的时间空档时模拟参考端波形，其中，1≤a＜250，a∈N⁺；参考端和待测端异步正向过零点时间差，是指不同核相时刻下参考端和待测端电压波形经调理后所得方波的正向过零点时间间隔，单杆核相器通过手机APP配合核相器处理器实现异步正向过零点时间差测量，具体过程如下：

首先，以便携式移动终端手机为支撑编写单杆核相管理APP，通过低功耗蓝牙实现核相器与手机的无线互联，单杆核相管理APP通过向核相器处理器发出指令，实现对处理器GPIO输出电平的控制；接着，开始测量异步正向过零点时间差，具体分为以下三步：第一步，核相器感应参考端电压信号：核相器在感应到与电网电压变化趋势相同的正弦波后，经核相信号调理得到与电网同频的方波信号，以方波信号与核相器处理器GPIO信号为输入，经过或门逻辑判别输出相位信号；第二步，处理器初始化控制GPIO默认输出高电平，相位信号受控持续输出高电平；在频率测量完毕后，处理器自动控制GPIO输出低电平，此时相位信号与调理后方波输出信号相同，即或门判别输出的相位信号电平恢复；当捕获到参考端相位信号正向过零点时，处理器启动核相计时并自动控制GPIO输出高电平，相位信号输出保持高电平锁定状态；第三步，异步感应待测端电压信号：在准备就绪后，单杆核相管理APP向处理器发出GPIO复位指令，进而使处理器控制GPIO输出低电平，此时，相位信号与调理后方波输出信号相同，或门判别输出的相位信号电平再次恢复，处理器在捕获到待测端相位信号正向过零点时，结束核相计时，同时处理器自动控制GPIO输出高电平，相位信号重新被锁定保持输出高电平。上述过程所得核相计时即为参考端与待测端异步正向过零点时间差。

步骤二：补偿参考端和待测端异步核相测量误差；

参考端和待测端异步核相测量误差，包括处理器利用定时器测量核相时长时带来的溢出误差，以及核相信号调理时带来的信号延时和相位偏移。核相时长溢出误差是由于核相时间太长超出定时器计数限制，导致计时溢出误差，该误差与处理器溢出次数成正相关，可通过检测不同延时条件下同一线路核相信息情况并且结合最小二乘法，拟合得到溢出误差与溢出次数的一次函数关系，根据溢出次数完成误差补偿；信号延时和相位偏移属于电路固有误差，可在补偿定时器溢出误差后通过n次同相实验得到固有误差值，完成误差补偿。

步骤三：计算得到待测端与参考端之间的核相相位差，并进行核相结果显示，完成核相操作。

计算核相相位差过程：首先，记录参考端和待测端异步正向过零点时间差Δt，接着，通过存储的参考端电网频率数据包进行周期迭代，设所测a次电网周期为T_n(1≤n≤a，n∈N⁺)，通过

进行迭代，直到待核相高压电力线路异步正向过零点时间差Δt在一个电网周期内，其中“[]”为取整；最后，根据公式

求得两线路核相相位差。

核相结果显示，是指通过不同颜色LED灯和蜂鸣器不同鸣叫频率进行同相、超前、滞后等相序信息显示，通过液晶屏和手机核相管理APP的UI界面进行具体相位差值相量图动态显示。

本发明的有益效果：

本发明通过平板电容型电场传感器实现非接触式电压信号输入，通过信号调理将待核相电网正弦电压信号转换为同频率方波，屏蔽了电压幅值对核相的影响，实现多电压等级核相；通过测量电网频率及异步正向过零点时间差得出两待核相端相位差，实现单杆核相目的；通过补偿算法，修正核相测量误差，提高测量精度。本发明的方法可以降低核相接触电压，避免同步核相误差，简化核相操作步骤，清晰显示核相结果，可大大提高核相的便捷性和安全性。

附图说明

图1是本发明的算法理示意图；

图2是本发明的核相信号调理的电路结构示意图；

图3是本发明的核相工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本发明的一种非接触式单杆异步核相方法的算法原理，首先，测量核相参考端电网频率50次(a＝50)进行打包处理；在测量参考端电网信号频率时，处理器GPIO输出置位，经或门逻辑判别后，相位信号输出被锁定保持高电平；在50次频率采集完毕后，处理器自动控制GPIO输出为零，相位信号输出变化趋势同参考端信号保持一致，在检测到参考端方波上升沿时，相位信号输出变化为高电平，此时，控制GPIO电平置位，相位信号输出恢复锁定状态，保持为高电平；接着，异步测量待测端正向过零点信息；在异步测量时，核相管理APP发出复位指令控制处理器GPIO输出为零，此时，相位信号输出恢复，其变化趋势同待测端信号保持一致，在检测到待测端方波上升沿时，相位信号输出变化为高电平，之后，处理器自动控制GPIO电平置位，相位信号输出重新恢复锁定状态，保持为高电平；通过上述电平变化，即可得到两待核相高压电力线路异步正向过零点时间差Δt。根据全网同频原则，假设参考端和待测端电网频率短时间内变化趋势相同，根据所测得的50次频率样本，统计参考端电网频率变化趋势并生成频率数据包，模拟参考端电压波形。根据公式

进行迭代，直到Δt在一个电网周期内，其中“[]”为取整；最后，根据公式

求得两线路核相相位差。

分析核相算法结合硬件因素影响，在实际测量时，核相测量误差主要分为两部分：一部分是处理器利用定时器测量异步正向过零点时间差Δt存在溢出误差；另一部分是核相信号调理电路会导致信号延时和相位偏移。

对于定时器溢出误差，是因为所测Δt时间过长超出定时器计数限制，导致Δt存在线性误差，且与定时器溢出次数成正相关。可通过检测不同延时条件下同一线路核相信息情况并且结合最小二乘法，拟合得到溢出误差与溢出次数的一次函数关系，根据溢出次数完成误差补偿。具体来说，测量n次不同延时条件下同一线路正向过零点时间差Δt_k、定时器溢出次数m_k和实测周期数组T[i_k]，其中，k＝1,2,…,n。假设定时器溢出误差为Δt'，最小二乘法得到的拟和系数和常数项分别为

和

则：

实际测量时，处理器可以具体记录定时器溢出次数为N，由此可以校正异步正向过零点时间间隔

对于信号延时和相位偏移，两次核相操作均存在，这是电路固有误差，可在补偿定时器溢出误差后通过n次同相实验得到固有误差值

(k＝1,2,…,n)，并在处理器程序编写中完成误差补偿。假设信号延时或相位偏移造成的相位误差为

则

如图3所示，本发明的一种非接触式单杆异步核相方法的工作流程，首先，系统初始化，对参考端电网进行50次频率(或周期)测量，若满足要求，则开始核相工作。接着，核相器开始检测参考端电压信号，若捕获到参考端正向过零点时，定时器启动核相计时，GPIO置“1”，此时，参考端信号检测完毕，相位信号输出被锁定保持高电平；之后，核相器准备检测待测端电压信号，待准备完毕，利用编写的单杆核相管理APP通过低功耗蓝牙发送复位指令，使处理器控制GPIO输出为“0”，此时，相位信号输出电平恢复，当处理器捕获待测端异步正向过零点时，定时器结束核相计时，GPIO置“1”，相位信号再次被锁定为高电平，定时器所记录的定时时间即为两待核相电网异步正向过零点时间差Δt。之后，补偿Δt溢出误差，并以之前测得的50次频率为一个数据包迭代计算两线路核相相位差为

最后，补偿硬件电路信号延时和相位偏移误差，并根据相位差判断两线路同(异)相进行液晶显示和声光报警，并通过蓝牙无线传输到手机单杆核相管理APP进行UI显示。

本发明通过引入手机APP结合或门逻辑判别无线控制核相信号调理电路相位信号输出，实现非接触式单杆异步核相，可有效提高核相工作效率。该方法通过补偿算法，修正核相测量误差，提高测量精度；通过声光模块，液晶屏以及手机APP多重显示，核相结果清晰明了，方便核相人员判断调试。

Claims (1)

1.一种非接触式单杆异步核相方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：单杆核相器依次异步非接触式感应参考端和待测端电压信号，并通过核相信号调理得到与感应波形同频的方波，然后分析得到参考端和待测端频率和相位信息；其中：

非接触式感应，是指根据电力线路周围电场变化趋势与电力线路电压变化趋势相同的性质，利用平板电容型电场传感器感应电力线路周围电场变化，进而得到与电网电压变化趋势相同的正弦波；

频率和相位信息，包括参考端电网频率数据包以及参考端和待测端异步正向过零点时间差；采集参考端电网频率a次并存储作为参考端电网频率数据包，用于在异步核相过程中出现相位信号持续输出高电平锁定的时间空档时模拟参考端波形，其中，1≤a＜250，a∈N⁺；参考端和待测端异步正向过零点时间差，是指不同核相时刻下参考端和待测端电压波形经调理后所得方波的正向过零点时间间隔，单杆核相器通过手机APP配合核相器处理器实现异步正向过零点时间差测量，具体过程如下：

首先，以便携式移动终端手机为支撑编写单杆核相管理APP，通过蓝牙实现核相器与手机的无线互联，单杆核相管理APP通过向核相器处理器发出指令，实现对处理器GPIO输出电平的控制；接着，开始测量异步正向过零点时间差，具体分为以下三步：第一步，核相器感应参考端电压信号：核相器在感应到与电网电压变化趋势相同的正弦波后，经核相信号调理得到与电网同频的方波信号，以方波信号与核相器处理器GPIO信号为输入，经过或门逻辑判别输出相位信号；第二步，处理器初始化控制GPIO默认输出高电平，相位信号受控持续输出高电平；在频率测量完毕后，处理器自动控制GPIO输出低电平，此时相位信号与调理后方波输出信号相同，即或门判别输出的相位信号电平恢复；当捕获到参考端相位信号正向过零点时，处理器启动核相计时并自动控制GPIO输出高电平，相位信号输出保持高电平锁定状态；第三步，异步感应待测端电压信号：在准备就绪后，单杆核相管理APP向处理器发出GPIO复位指令，进而使处理器控制GPIO输出低电平，此时，相位信号与调理后方波输出信号相同，或门判别输出的相位信号电平再次恢复，处理器在捕获到待测端相位信号正向过零点时，结束核相计时，同时处理器自动控制GPIO输出高电平，相位信号重新被锁定保持输出高电平；所得核相计时即为参考端与待测端异步正向过零点时间差；

步骤二：补偿参考端和待测端异步核相测量误差；

参考端和待测端异步核相测量误差，包括处理器利用定时器测量核相时长时带来的溢出误差，以及核相信号调理时带来的信号延时和相位偏移；核相时长溢出误差通过检测不同延时条件下同一线路核相信息情况并且结合最小二乘法，拟合得到溢出误差与溢出次数的一次函数关系，根据溢出次数完成误差补偿；信号延时和相位偏移属于电路固有误差，在补偿定时器溢出误差后通过n次同相实验得到固有误差值，完成误差补偿；

步骤三：计算得到待测端与参考端之间的核相相位差，并进行核相结果显示，完成核相操作；

计算核相相位差过程：首先，记录参考端和待测端异步正向过零点时间差Δt，接着，通过存储的参考端电网频率数据包进行周期迭代，设所测a次电网周期为T_n，其中1≤n≤a，n∈N⁺，通过

进行迭代，直到待核相高压电力线路异步正向过零点时间差Δt在一个电网周期内，其中符号[]为取整；最后，根据公式

求得两线路核相相位差；

核相结果显示，是指通过不同颜色LED灯和蜂鸣器不同鸣叫频率进行同相、超前、滞后的相序信息显示，通过液晶屏和手机核相管理APP的UI界面进行具体相位差值相量图动态显示。

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