CN112260390A - 一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置，属于电气综合保护技术领域，旨在解决由于执行机构有动作时间从而导致的小相位差双电源切换不准的问题；包括电源模块、信号处理模块、硬件过零模块、相位监测模块、数据融合模块、相位预测模块、通信模块和功能附加模块；本发明中的设计，可实现相位的预测功能，为综合保护提前进行保护动作做数据基础；可避免由于未考虑执行机构的动作时间而进行双电源切换时的电力故障风险。

Description

一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置

技术领域

本发明涉及电气综合保护技术领域，具体为一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置。

背景技术

相位和相位差在高低压成套设备中是极其重要的一个电气量，其通常被使用在旋转负载停机时进行进线切换对旋转负载的母线电压和待切换进线电压的同期捕捉功能上，以及监测系统运行时是否有三相用电负荷不对称导致用电设备有危害。

目前综合保护对于相位的故障判断均是基于现在的鉴相设备，目前的鉴相设备均有鉴相时间长，鉴相条件苛刻，特别是面对旋转负载的应用环境，两路电源相位差过大进行切换即会导致电力故障的发生，由于现在的执行机构动作时间并不固定，如真空断路器20ms—40ms的切换时间，则在这种条件下利用实时相位做数据依据做切换是不合理的且是存在风险的。

发明内容

针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置，可实现相位的预测功能，为综合保护提前进行保护动作做数据基础；可避免由于未考虑执行机构的动作时间而进行双电源切换时的电力故障风险。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置，其特征在于，包括电源模块、信号处理模块、硬件过零模块、相位监测模块、数据融合模块、相位预测模块、通信模块和功能附加模块；

所述电源模块与信号处理模块、硬件过零模块、相位监测模块、数据融合模块、相位预测模块、通信模块和功能附加模块电性连接；

所述信号处理模块与电源模块、硬件过零模块电性连接；

所述硬件过零模块与电源模块、信号处理模块、相位监测模块进行连接；

所述相位监测模块与电源模块、硬件过零模块、数据融合模块和相位预测模块电性连接；

所述数据融合模块与电源模块、相位监测模块、相位预测模块、通信模块电性连接；

所述相位预测模块与电源模块、数据融合模块、相位监测模块、通信模块、功能附加模块电性连接；

所述通信模块与电源模块、相位监测模块、相位预测模块、功能附加模块电性连接。

优选地，所述信号处理模块包括电压互感器、整流模块。

优选地，所述硬件过零模块包括ADC采样器、电压比较器。

优选地，所述相位监测模块包括核心计算模块、通用输入输出模块。

优选地，所述相位预测模块包括核心计算模块、定时器模块、通用输入输出模块。

优选地，所述通信模块包括RS485通信模块、通用输出模块。

优选地，所述附加模块包括声光报警模块、人机交互模块。

本发明的有益效果在于：本发明中的设计，可实现相位的预测功能，为综合保护提前进行保护动作做数据基础；可避免由于未考虑执行机构的动作时间而进行双电源切换时的电力故障风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置的连接结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置的拓扑图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图2所示，一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置，包括电源模块、信号处理模块、硬件过零模块、相位监测模块、数据融合模块、相位预测模块、通信模块和功能附加模块；

电源模块的功能是为整个系统提供运行能量，电源模块与信号处理模块、硬件过零模块、相位监测模块、数据融合模块、相位预测模块、通信模块和功能附加模块电性连接；

信号处理模块是将实际索要监测的电压幅值如(高压10kV、低压380V等)进行硬件层面的转换，转换为硬件过零模块可使用的信号类型(如0—3.3V区间)。信号处理模块中包括的电压互感器是将高压信号进行同比例缩放缩放至所需的信号幅值范围内，信号处理模块中包括的整流模块是将整个信号基准点进行移动，使其不超过硬件过零模块可使用信号类型的量程。信号处理模块与电源模块、硬件过零模块电性连接；

硬件过零模块是将由信号处理模块转换后的电压信号进行二次处理，处理的目的是传送给相位监测系统进行实时相位计算做数据信号基础。硬件过零模块的工作原理是将待测交变电压的正半周期和负半周期进行转换，转换为3.3V对应正半周期、0V对应负半周期，即将正弦波整流为方波并传入AD采样器。硬件过零模块中包括的电压比较器是用来将待测电压信号与基准电压进行比较，从而实现上述所说的整流功能。AD采样器是将转换后的方波进行离散采样，将离散采样信号传入下一个所需模块。硬件过零模块与电源模块、信号处理模块、相位监测模块进行连接；

相位监测模块的功能是将由硬件过零模块传送的信号进行计算整理，计算为实时的相位信号，该相位的计算算法可以为傅里叶分解算法或过零算法。相位监测模块与电源模块、硬件过零模块、数据融合模块和相位预测模块电性连接；

数据融合模块的功能是整合所有数据，并将其转换为相位预测模块所需要的数据传输给相位预测模块使用。相位预测模块所需要的数据分别为相位的一阶导数和二阶导数，数据融合模块利用相位监测模块传送的历史相位和实时相位将一阶导数和二阶导数计算后传送给相位预测模块。数据融合模块与电源模块、相位监测模块、相位预测模块、通信模块电性连接；

相位预测模块为整个系统的核心模块，实现将所有数据进行算法处理，最终得到整定时间后的相位预测值。该模块的核心算法为二阶导数算法，利用计算好的一阶导数即该相位的变化速度和二阶导数即该相位的加速度以及结合目标执行机构固有的动作时间进行计算预测值。相位预测模块与电源模块、数据融合模块、相位监测模块、通信模块、功能附加模块电性连接；

通信模块是实现将所预测的相位信息进行传输的模块。通信模块中的RS485通信模块是实现协议传输面对系统外的可处理协议信号的设备进行传输数据。通信模块中的通用输入输出模块是对系统外接收系统不正常信号的开出点，即当该系统出现故障时会通过该开出点通知其它设备。通信模块与电源模块、相位监测模块、相位预测模块、功能附加模块电性连接。

附加模块其作用是实现该设备核心功能外的其它功能模块。附加模块中包括的人机交互模块是作为使用人员对其进行调试和相关值整定。附加模块中包括的声光报警模块的作用是对整个系统的正常运行进行显示，若系统运行状态出现问题，其对系统外部进行声光提示。

进一步的，信号处理模块包括电压互感器、整流模块。

进一步的，硬件过零模块包括ADC采样器、电压比较器。

进一步的，相位监测模块包括核心计算模块、通用输入输出模块。

进一步的，相位预测模块包括核心计算模块、定时器模块、通用输入输出模块。

进一步的，通信模块包括RS485通信模块、通用输出模块。

进一步的，附加模块包括声光报警模块、人机交互模块。

基于二阶导数算法的电气相位预测装置的运行机制，包括如下步骤：

步骤1：将测电压数据接入信号处理模块，由信号处理模块中的电压互感器进行信号变比，变比要求为正常运行的电压(如10KV)变比为100V。电压变比系＝正常运行电压/100；变比后的信号接入整流模块进行电压的缩小和滤波。将采集到的电压通过模拟电路组合整理为0—3.3V可供硬件过零模块使用的信号，并将该信号送入硬件过零模块。

步骤2：硬件过零模块将由信号处理模块传入的数据通过硬件与1.65V进行比对，具体比对流程为使用电压比较器，比较两个电压的大小，当正输入端电压高于负输入端电压时，电压比较器输出高电平，当正输入电压低于负输入电压时，电压比较器输出低电平，通过该模块将0—3.3V的的正弦波信号变为同频率的矩形波，该矩形高电平为3.3V,低电平为0V。并将转换后的信号传入相位监测模块。

步骤3：相位监测模块接收到来自硬件过零模块转换后的矩阵波信号后根据每次信号的跳变沿所经历的时间与起始时间进行对比的方法对实时相位进行计算。并将所计算出的相位数据存储到相应的相位数据矩阵中。该数据矩阵是长度为所监测电压信号数的一维数据矩阵，计算结束后将该数据矩阵传送至数据融合模块、相位预测模块以及通过通信模块进行数据传输。

步骤4：数据融合模块接收到来自相位监测模块的一维数据矩阵后，将该数据矩阵与上个周期由相位监测模块传送的相位数据矩阵对应做差，得到离散数据下的相位一阶导数和相位二阶导数；

步骤5：相位预测模块的定时器模块实现10ms定时即相位预测模块10ms进行一个周期的运行，不断调整预测值并通过得到的相位一阶导数数据和相位二阶导数数据，以及执行机构的动作整定时间进行如下计算：

θ＝Vφ×T+0.5×Aφ×T²

其中θ是执行机构动作时间的预测相位与当前实时相位的差值

T是整定的执行机构动作时间

Vφ是相位的一阶导数数据、在这代表相位的变换速度；

Aφ是相位的二阶导数数据、在这代表相位的加速度；

本实例中的电源模块采用开关电源方案为整个系统供电，应用场景为正常运行工况：380V；故信号处理模块中的电压互感器的参数为380：100。硬件过零模块采用由LM2091电压比较器为主组成的模拟电路和采用STM32F4329IGT6单片机所带的12位AD采样器。数据融合模块和相位监测模块以及相位预测模块中的核心计算模块、定时器模块、通用输入输出模块均为STM32F429IGT6单片机集成。该实例中我们采用RS485通讯与触摸电容屏作为人机交互模块。采用蜂鸣器和LED灯作为声光报警模块。该系统的连接方式位信号处理模块的输入和待测量进行连接，STM32F429IGT6单片机的AD采样器和信号处理模块的输出进行连接。STM32F429IGT6的ADC采样模块的输出和中央处理器(COTEX-M内核)连接。中央处理器将串口调制信息通过RS485通讯向显示屏模块发送进行人机交互。STM32F429IGT6的通用输入输出模块与蜂鸣器模块和LED模块连接。

将要进行相位差检测的电压接入相应端子后，将整个系统进行交流220V供电，并使用人机交互设备设定对哪些通道进行相位预测，以及执行机构的动作时间为20ms。整个工作的准备即结束。

在正常运行的情况下，待测的电压首先经过信号处理模块进行相应的变比和调节，在本实例中380V正弦电压经过电压互感器后变比为100V正弦电压信号，经过模拟电路调整为以1.65V为零点基准的幅值为1.5V的正弦信号，将处理后的信号送入硬件过零模块，该信号通过ADC进行采样，采样值为正弦信号信号通过硬件过零模块中的电压比较器与1.65V进行电压比较，若该信号的值大于1.65V则硬件过零模块输出3.3V。若该信号的值小于1.65V则硬件过零模块输出0V。则实现硬件过零模块将正弦信号转换为矩形波信号。将矩形波信号传送至相位监测模块，相位监测模块通过判断起始时间点与矩形波信号的跳变沿之间的时间差值从而得到实时的相位数据为20度。将该实时相位数据发送至数据融合模块，数据融合模块计算该相位的一阶导数和二阶导数，上一次由相位监测模块传输的相位为10度，上上次由相位监测模块传输的相位为5度，则可得该相位信号的一阶导数为10度(20度-10度)该相位信号的二阶导数为5度((20度-10度)-(10度-5度))。数据融合模块将一阶导数和二阶导数传送至相位预测模块，相位预测模块根据实时相位数据、该相位的一阶导数、该相位的2阶导数以及整定的执行机构动作时间进行计算。由于定时器10ms进行一次实时相位判断，则一阶导数对应的间隔时间为10ms，则该相位的变化速度为1000°/s，相位的变化加速度为500°/s方。则相位预测结果为20ms后相对于当前实时相位变化20.1度即预测相位差为40.1°。相位预测模块将该信息通过485传送至所需该信息的设备供该设备使用，或显示在触摸电容屏对操作人员显示。

本发明中的设计，可实现相位的预测功能，为综合保护提前进行保护动作做数据基础；可避免由于未考虑执行机构的动作时间而进行双电源切换时的电力故障风险。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置，其特征在于，包括电源模块、信号处理模块、硬件过零模块、相位监测模块、数据融合模块、相位预测模块、通信模块和功能附加模块；

所述电源模块与信号处理模块、硬件过零模块、相位监测模块、数据融合模块、相位预测模块、通信模块和功能附加模块电性连接；

所述信号处理模块与电源模块、硬件过零模块电性连接；

所述硬件过零模块与电源模块、信号处理模块、相位监测模块进行连接；

所述相位监测模块与电源模块、硬件过零模块、数据融合模块和相位预测模块电性连接；

所述数据融合模块与电源模块、相位监测模块、相位预测模块、通信模块电性连接；

所述相位预测模块与电源模块、数据融合模块、相位监测模块、通信模块、功能附加模块电性连接；

所述通信模块与电源模块、相位监测模块、相位预测模块、功能附加模块电性连接。

2.如权利要求1所述的一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括电压互感器、整流模块。

3.如权利要求1所述的一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置，其特征在于，所述硬件过零模块包括ADC采样器、电压比较器。

4.如权利要求1所述的一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置，其特征在于，所述相位监测模块包括核心计算模块、通用输入输出模块。

5.如权利要求1所述的一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置，其特征在于，所述相位预测模块包括核心计算模块、定时器模块、通用输入输出模块。

6.如权利要求1所述的一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置，其特征在于，所述通信模块包括RS485通信模块、通用输出模块。

7.如权利要求1所述的一种基于二阶导数算法的电气相位预测装置，其特征在于，所述附加模块包括声光报警模块、人机交互模块。

Images