CN113504406A - 一种过零检测方法及具有过零检测功能的智能开关 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能开关技术领域，具体涉及一种具有过零检测的智能开关。针对现有智能开关不具备过零检测或者过零检测不尽合理的不足，本发明采用如下技术方案：一种具有过零检测的智能开关，包括：交流输入模块；微控制器；继电输出模块，所述继电输出模块控制继电器的分合；电源模块；其中，所述交流输入模块将用电回路的电压采样信号和/或电流采样信号接入所述微控制器，所述微控制器根据接收到的所述电压采样信号和/或电流采样信号判断过零点，并在当前过零点的下一个过零点启动分合命令，控制所述继电输出模块。本发明的有益效果是：可以较为准确的在过零点时控制继电器的分合，继电器分合可靠，保证使用安全。

Description

一种过零检测方法及具有过零检测功能的智能开关

技术领域

本发明属于智能开关技术领域，具体涉及一种过零检测方法及具有过零检测功能的智能开关。

背景技术

目前，用电回路几乎都使用交流电，当开关闭合或者分断的时间点正好是交流电压或者电流的峰值时刻，容易产生各种脉冲干扰及拉弧现象，降低开关设备的电气使用寿命，严重时甚至直接导致开关本体触点直接相熔而失去分断功能。

为此，出现了具有过零检测功能的智能开关(合闸时电压过零点控制，分闸时电流过零点控制)，过零检测能有效减少损坏，提高开关本体电气寿命，保证用电回路的安全和可靠性。然而，现有智能开关的过零检测存在不合理之处，有待改进。此外，现有智能开关不能检测继电器是否分合到位，功能也不齐备。

发明内容

本发明针对现有智能开关不具备过零检测或者过零检测不尽合理的不足，提供一种一种过零检测方法以不同于现有技术实现过零检测，保证用电安全。本发明同时提供一种具有过零检测功能的智能开关，

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种过零检测方法，所述过零检测方法包括：

步骤一、设置模数转换器采样参数，采样参数包括采样频率、电压信号和/或电流信号，设一个交流电周期T内的采样点数量为N；

步骤二、进行采样，采集当前时刻t₀以及一个采样周期后的的电压信号和/或电流信号，每半个周波采样的样本点位不少于8个；

步骤三、获得最大时间误差Δt＝T/N；

步骤四、根据最大时间误差获得最大电压误差或最大电流误差，将最大电压误差与设定的电压误差阈值进行比较，或将最大电流误差与设定的电流误差阈值进行比较；

步骤五、当最大电压误差不大于电压误差阈值，或最大电流误差不大于电流误差阈值时，视为找到过零时刻；

步骤六、启动过零控制，从t0时刻开始启动定时器，在下一个过零点给继电输出模块发出指令，完成过零点开合。

作为方法的改进，步骤五中，当最大电压误差大于电压误差阈值，或最大电流误差大于电流误差阈值时，再次进行过零检测。

作为方法的改进，再次进行过零检测，具体为：构造经过当前时刻及一个采样周期后的电压信号和/或电流信号的直线，计算直线与T轴的交点T_X，以T_X来估计过零点时刻，并获得修正后的最大时间误差，根据修正后的最大时间误差得到最大电压误差或最大电流误差。

作为方法的改进，再次过零检测次数不超过三次；检测到当前过零点至启动时间不长于60ms。

作为方法的改进，下一个过零点为10ms。

作为方法的改进，以检测电压为例，

步骤一、设置模数转换器采样参数，采样参数包括采样频率、电压信号，设一个交流电周期T内的采样点数量为N；

步骤二、进行采样，采集当前时刻t₀以及一个采样周期后的的电压信号，假设交流输入模块经过处理后的交流电压信号可以表示为

U_m为交流电压峰值，ω为角速度，ω＝2πf＝2π/T，

为初始相位,f为交流电频率，T为交流电周期，假设k为当前时刻，其采样实时值为：

经过一个采样周期后，k+1时刻ADC采样值为

步骤三、根据交流电压随时间的变化情况，可以计算每个采样时刻对应的交流电压值U_k，根据交流正弦信号过零点特征，当满足下式时，可知由k到k+1之间的时刻，必有某一时刻电压值经过零点：

U_k≥0且U_k+1≤0或当U_k≤0且U_k+1≥0

(3)

假设以k+1时刻来估计过零点时刻，由于k和k+1相差T/N的时间间隔，因此以K+1时刻来估计过零点，其最大误差Δt为：

Δt＝T/N

(4)

步骤四、在过零点控制的合闸的最大电压误差ΔU为：

ΔU＝U_msin(ωΔt)＝U_msin(2π/N)

(5)

将最大电压误差ΔU与设定的电压误差阈值U_d进行比较，

步骤五、当ΔU≤U_d时，微控制器视为找到过零点时刻，记为t₀＝k+1；

当ΔU＞U_d时，由于此时误差较大，则需要进一步计算过零点值：

以时间t为横坐标正方向，电压U为纵坐标正方向，计算经过U_k，S_k+1两点的直线为：

U＝(U_k+1-U_k)/(k+1-k)(t-k)+U_k

(6)

令U＝0V，代入计算公式(6)中，可以计算出直线与T轴的交点T_X，

T_X＝k-U_k/(U_k+1-U_k)

(7)

以T_X来估计k+1到k之间电压过零点的时刻，记U_max＝{U_k，U_k+1}，则该方法估计的最大误差为：

Δt＝|U_max/(U_k+1-U_k)|

(8)

注意到(8)式与实际采样值有关，将(8)式的值代入(5)式，可计算得到ΔU的值，再次判断过零点分断误差直到找到满足限值的过零时刻；

步骤六、从t₀时刻开始启动定时器，在下一个过零点给继电输出模块发出合闸指令，完成过零点合闸。

一种具有过零检测功能的智能开关，所述智能开关包括：

交流输入模块；

微控制器；

继电输出模块，所述继电输出模块控制继电器的分合；

电源模块，所述电源模块为所述智能开关提供直流电源；

其中，所述交流输入模块将用电回路的电压采样信号和/或电流采样信号接入所述微控制器，所述微控制器根据接收到的所述电压采样信号和/或电流采样信号判断过零点，并在当前过零点的下一个过零点启动分合命令，控制所述继电输出模块。

作为改进，启动时间为下一个工频半波。当前过零点的下一个最近的过零点为下一个工频半波。

作为改进，工频半波为10ms。通常市电为50Hz，一个工频波的时长为20ms。

作为改进，检测到当前过零点至启动时间不长于60ms。当启动时间过长，长于60ms时，考虑开关本体动作时间(由开关器件特性来决定)，则容易影响装置开关控制的实时性。

作为改进，所述智能开关还包括用于检测继电器后端负载电压的分压电路，所述分压电路与所述微控制器相连，所述微控制器通过检测所述分压电路是否掉电来判断分断是否成功，所述微控制器通过检测所述分压电路是否得电来判断闭合是否到位。

作为改进，所述智能开关还包括通信模块，所述微控制器通过所述通信模块和上层调度系统通信，所述微控制器接收到上层调度系统的远程分合指令控制所述继电输出模块。通信模块将数据信息传送到上层调度系统，数据输出的方式主要为串口通信方式，通信模块可以接收上层调度系统的数据，对装置的继电输出模块进行控制。

作为改进，所述智能开关还包括与所述微控制器相连的告警指示模块，所述告警指示模块包括绿灯和红灯。绿灯用于指示当前运行状态，红灯用于指示故障告警，故障告警包括开关分/合闸失败、过压告警、过流告警、欠压告警、功率告警等。

作为改进，所述智能开关还包括与所述微控制器相连的按键模块，所述按键模块用于操作输入，可以完成工作模式设置、复位、地址设定、开关分合等功能。

作为改进，所述智能开关还包括与所述微控制器通信的存储模块，所述存储模块存储告警信息及继电输出模块分合数据，供用户参考分析。存储模块主要存储智能开关自身参数(如过压、过流、欠压、过载、分合失败、分合次数等)以及计量的电能数据。

作为改进，所述交流输入模块还采集用电回路的有功功率、无功功率、谐波电流。交流输入模块主要将用电回路的电压信号和电流信号接入到微控制器的ADC输入端，一方面用于微控制器的交流测量计算和电能的计量，另一方面，为微控制器的过零点检测和控制提供采样样本信号。

本发明的过零检测方法的有益效果是：通过算法实现交流电过零分析，从而实现继电器开关的过零点控制，提升开关设备电气性能，增强用电设备的可靠性。

附图说明

图1是本发明实施例的过零检测方法的流程图。

图2是本发明实施例的智能开关的结构框图。

图3是本发明实施例的智能开关的分压电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合本发明创造实施例的附图，对本发明创造实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明创造的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明创造的保护范围。

过零检测方法的实施例

参见图1，本发明的一种过零检测方法，所述过零检测方法包括：

步骤一、设置模数转换器采样参数，采样参数包括采样频率、电压信号和/或电流信号，设一个交流电周期T内的采样点数量为N；

步骤二、进行采样，采集当前时刻t₀以及一个采样周期后的的电压信号和/或电流信号，每半个周波采样的样本点位不少于8个；

步骤三、获得最大时间误差Δt＝T/N；

步骤四、根据最大时间误差获得最大电压误差或最大电流误差，将最大电压误差与设定的电压误差阈值进行比较，或将最大电流误差与设定的电流误差阈值进行比较；

步骤五、当最大电压误差不大于电压误差阈值，或最大电流误差不大于电流误差阈值时，视为找到过零时刻；

步骤六、启动过零控制，从t0时刻开始启动定时器，在下一个过零点给继电输出模块发出指令，完成过零点开合。

本实施中，以下以采集电压为例，对如何获取过零点时刻进行说明。

第一步：ADC(模数转换器)初始化。

微控制器设置ADC的采样通道、采样点数等参数，对交流电压信号进行采样。采样频率需要根据微控制器工作频率和过零点控制误差来设定。采样频率一般采用6.4KHz，即在输入信号是f＝50Hz的正弦交流信号下，一个正弦周期内的采样点N为128，每半个周波采样的样本点位64个。

第二步：进行ADC采样。

微控制器启动ADC采样，从交流输入模块中提取电压或者电流模拟信号输入到微控制器中。

假设交流输入模块经过处理后的交流电压信号可以表示为

U_m为交流电压峰值(一般为311V)，ω为角速度，ω＝2πf＝2π/T，

为初始相位，f为交流电频率，T为交流电周期。假设k为当前时刻，其ADC采样实时值为：

经过一个采样周期后，k+1时刻ADC采样值为

第三步：过零点初步判定。

根据交流电压随时间的变化情况，可以计算每个采样时刻对应的交流电压值U_k，根据交流正弦信号过零点特征，当满足下式时，可知由k到k+1之间的时刻，必有某一时刻电压值经过零点：

U_k≥0且U_k+1≤0或当U_k≤0且U_k+1≥0 (3)

假设以k+1时刻来估计过零点时刻，由于k和k+1相差T/N的时间间隔，因此以K+1时刻来估计过零点，其最大误差Δt为：

Δt＝T/N (4)

第四步：计算过零点控制误差。

以电压为例，由于过零点最大检查误差为Δt＝T/N，因此在过零点控制的合闸的最大电压误差为：

ΔU＝U_msin(ωΔt)＝ U_msin(2π/N) (5)

当N为128点时，ΔU≈0.05U_m，当U_m为310V(有效值220V)其ΔU＝15.5V。

通常情况下过零点电压或者电流误差越小越好，由于采样和计算的误差无法精确到零值，该误差限值主要根据用户需求来确定，假设用户设定的电压误差限值为U_d(该值可根据不同需求在线设定)。

第五步：判断过零点分断误差。

微控制器判断过零误差，当ΔU＜U_d时，微控制器视为找到过零点时刻，记为t₀＝k+1；当ΔU＞U_d时，由于此时误差较大，则需要进一步计算过零点值：

以时间t为横坐标正方向、电压U为纵坐标正方向，构造经过U_k、U_k+1两点的直线为：

U＝(U_k+1-U_k)/(k+1-k)(t-k)+U_k (6)

令U＝0V，代入计算公式(6)中，可以计算出直线与T轴的交点T_X，

T_X＝k-U_k/(U_k+1-U_k) (7)

以T_X来估计k+1到k之间电压过零点的时刻，记U_max＝{U_k，U_k+1}，则该方法估计的最大误差为：

Δt＝|U_max/(U_k+1-U_k)| (8)

注意到式(8)与实际采样值有关，将式(8)的值代入式(5)，可计算得到ΔU的值，再次第五步判断过零点分断误差直到找到满足限值的过零时刻。

第六步，启动过零控制。

从t₀时刻开始启动定时器，定时时间为10ms，预计在下一个半波过零点给继电输出模块发出合闸指令，完成过零点合闸。

如果微控制器接收到的是分闸模式，则主要是电流过零点分断，方法与合闸模式电压过零检测和控制一样，此处不再叙述。

本发明实施例的过零检测方法的有益效果是：通过算法实现交流电过零分析，实现对继电器的过零点控制，可以较为准确的在过零点时控制继电器的分合，继电器分合可靠，保证使用安全。

参见图2和图3，本发明的一种具有过零检测功能的智能开关，所述智能开关包括：

交流输入模块；

微控制器；

继电输出模块，所述继电输出模块控制继电器的分合；

电源模块，所述电源模块为所述智能开关提供直流电源；

其中，所述交流输入模块将用电回路的电压采样信号和/或电流采样信号接入所述微控制器，所述微控制器根据接收到的所述电压采样信号和/或电流采样信号判断过零点，并在当前过零点的下一个过零点启动分合命令，控制所述继电输出模块。

本实施例中，启动时间为下一个工频半波。当前过零点的下一个最近的过零点为下一个工频半波。

本实施例中，一个工频半波为10ms。通常市电为50Hz，一个工频波的时长为20ms。

本实施例中，检测到当前过零点至启动时间不长于60ms。当启动时间过长，长于60ms时，考虑开关本体动作时间(由开关器件特性来决定)，则容易影响装置开关控制的实时性。

本实施例中，交流输入模块主要将用电回路的电压信号和电流信号接入到微控制器的ADC(模数转换器)输入端，一方面用于微控制器的交流测量计算和电能的计量，另一方面，为微控制器的过零点检测和控制提供采样样本信号。

本实施例中，微控制器是智能开关的核心模块，需要对交流数据进行电测控和电计量，因此微控制器采用计量型单片机HT5019。

本实施例中，电源模块输入侧是用电回路的交流220V电信号，电源模块输出3.3V和5V直流信号，3.3V直流信号主要为微控制器提供系统电源输入，5V主要为继电输出模块和告警指示模块提供外接电源。

本实施例中，所述智能开关还包括用于检测继电器后端负载电压的分压电路，所述分压电路与所述微控制器相连，所述微控制器通过检测所述分压电路是否掉电来判断分断是否成功，所述微控制器通过检测所述分压电路是否得电来判断闭合是否到位。

本实施例中，分压电路包括与用电回路火线相连的接头N2、与用电回路零线相连的接头LS，接头N2和接头LS间设有超快恢复整流二极管ES1JF600V，接头N2和超快恢复整流二极管ES1JF600V间设有多个串联的精密电阻750k/1％。接头N2和接头LS分别连接至晶体管输出光耦LTV-356T-D的1、2两个输入端，晶体管输出光耦LTV-356T-D的输出端4连接微控制器，输出端3分别接地两次，输出端3与其中一个接地间设有精密电阻680K/1％，输出端3与另一个接地间设有电容1nF/10V。

在其它实施例中，分压电路也可以采用其它结构。

本实施例中，所述智能开关还包括通信模块，所述微控制器通过所述通信模块和上层调度系统通信，所述微控制器接收到上层调度系统的远程分合指令控制所述继电输出模块。通信模块将数据信息传送到上层调度系统，数据输出的方式主要为串口通信方式，通信模块可以接收上层调度系统的数据，对装置的继电输出模块进行控制。

本实施例中，所述智能开关还包括与所述微控制器相连的告警指示模块，所述告警指示模块包括绿灯和红灯。绿灯用于指示当前运行状态，红灯用于指示故障告警，故障告警包括开关分/合闸失败、过压告警、过流告警、欠压告警、功率告警等。

本实施例中，所述智能开关还包括与所述微控制器相连的按键模块，所述按键模块用于操作输入，可以完成工作模式设置、复位、地址设定、开关分合等功能。

本实施例中，所述智能开关还包括与所述微控制器通信的存储模块，所述存储模块存储告警信息及继电输出模块分合数据，供用户参考分析。存储模块主要存储智能开关自身参数(如过压、过流、欠压、过载、分合失败、分合次数等)以及计量的电能数据。

本实施例中，所述交流输入模块还采集用电回路的有功功率、无功功率、谐波电流。交流输入模块主要将用电回路的电压信号和电流信号接入到微控制器的ADC输入端，一方面用于微控制器的交流测量计算和电能的计量，另一方面，为微控制器的过零点检测和控制提供采样样本信号。

本发明实施例的具有过零检测功能的智能开关的工作原理是：先需要根据交流输入模块中电压或者电流采样信号来判断过零点，其次启动定时器在当前过零点的下一个工频半波(一般10ms)启动分合命令，最后通过检测分压回路反馈电压来判断是否分合到位，最后形成该次分合闸命令的数据存档(即将该次分合闸命令信息写入存储模块中)。

本发明实施例的具有过零检测功能的智能开关的有益效果是：通过检测过零点，并在检测到过零点的下一个过零点启动分合命令，可以较为准确的在过零点时控制继电器的分合，继电器分合可靠，保证使用安全；设有检测是否掉电和是否来电的分压电路。

以上所述，仅为本发明创造的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明创造包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明创造的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种过零检测方法，用于检测流经一交流电线路上的交流电信号的过零时刻，其特征在于：所述过零检测方法包括：

步骤一、设置模数转换器采样参数，采样参数包括采样频率、电压信号和/或电流信号，设一个交流电周期T内的采样点数量为N；

步骤二、进行采样，采集当前时刻t₀以及一个采样周期后的的电压信号和/或电流信号，每半个周波采样的样本点位不少于8个；

步骤三、获得最大时间误差Δt＝T/N；

步骤四、根据最大时间误差获得最大电压误差或最大电流误差，将最大电压误差与设定的电压误差阈值进行比较，或将最大电流误差与设定的电流误差阈值进行比较；

步骤五、当最大电压误差不大于电压误差阈值，或最大电流误差不大于电流误差阈值时，视为找到过零时刻；

步骤六、启动过零控制，从t₀时刻开始启动定时器，在下一个过零点给继电输出模块发出指令，完成过零点开合。

2.根据权利要求1所述的一种过零检测方法，其特征在于：步骤五中，当最大电压误差大于电压误差阈值，或最大电流误差大于电流误差阈值时，再次进行过零检测。

3.根据权利要求2所述的一种过零检测方法，其特征在于：再次进行过零检测具体为：构造经过当前时刻及一个采样周期后的电压信号和/或电流信号的直线，计算直线与T轴的交点T_X，以T_X来估计过零点时刻，并获得修正后的最大时间误差，根据修正后的最大时间误差得到最大电压误差或最大电流误差。

4.根据权利要求2所述的一种过零检测方法，其特征在于：再次过零检测次数不超过三次；检测到当前过零点至启动时间不长于60ms。

5.根据权利要求1所述的一种过零检测方法，其特征在于：下一个过零点为10ms。

6.根据权利要求1所述的一种过零检测方法，其特征在于：以检测电压为例，

步骤一、设置模数转换器采样参数，采样参数包括采样频率、电压信号，设一个交流电周期T内的采样点数量为N；

步骤二、进行采样，采集当前时刻t₀以及一个采样周期后的的电压信号，假设交流输入模块经过处理后的交流电压信号可以表示为

U_m为交流电压峰值，ω为角速度，ω＝2πf＝2π/T，

为初始相位,f为交流电频率，T为交流电周期，假设k为当前时刻，其采样实时值为：

经过一个采样周期后，k+1时刻ADC采样值为

步骤三、根据交流电压随时间的变化情况，可以计算每个采样时刻对应的交流电压值U_k，根据交流正弦信号过零点特征，当满足下式时，可知由k到k+1之间的时刻，必有某一时刻电压值经过零点：

U_k≥0且U_k+1≤0或当U_k≤0且U_k+1≥0 (3)

假设以k+1时刻来估计过零点时刻，由于k和k+1相差T/N的时间间隔，因此以K+1时刻来估计过零点，其最大误差Δt为：

Δt＝T/N (4)

步骤四、在过零点控制的合闸的最大电压误差ΔU为：

ΔU＝U_msin(ωΔt)＝U_msin(2π/N) (5)

将最大电压误差ΔU与设定的电压误差阈值U_d进行比较，

步骤五、当ΔU≤U_d时，微控制器视为找到过零点时刻，记为t₀＝k+1；

当ΔU＞U_d时，由于此时误差较大，则需要进一步计算过零点值：

以时间t为横坐标正方向，电压U为纵坐标正方向，计算经过U_k，S_k+1两点的直线为：

U＝(U_k+1-U_k)/(k+1-k)(t-k)+U_k (6)

令U＝0V，代入计算公式(6)中，可以计算出直线与T轴的交点T_X，

T_X＝k-U_k/(U_k+1-U_k) (7)

以T_X来估计k+1到k之间电压过零点的时刻，记U_max＝{U_k，U_k+1}，则该方法估计的最大误差为：

Δt＝|U_max/(U_k+1-U_k)| (8)

注意到(8)式与实际采样值有关，将(8)式的值代入(5)式，可计算得到ΔU的值，再次判断过零点分断误差直到找到满足限值的过零时刻；

步骤六、从t₀时刻开始启动定时器，在下一个过零点给继电输出模块发出合闸指令，完成过零点合闸。

7.一种具有过零检测功能的智能开关，其特征在于：采用权利要求1至6任一所述的过零检测方法，所述智能开关包括：

交流输入模块；

微控制器；

继电输出模块，所述继电输出模块控制继电器的分合；

电源模块，所述电源模块为所述智能开关提供直流电源；

其中，所述交流输入模块将用电回路的电压采样信号和/或电流采样信号接入所述微控制器，所述微控制器根据接收到的所述电压采样信号和/或电流采样信号判断过零点，并在当前过零点的下一个过零点启动分合命令，控制所述继电输出模块。

8.根据权利要求1所述的一种具有过零检测功能的智能开关，其特征在于：所述智能开关还包括用于检测继电器后端负载电压的分压电路，所述分压电路与所述微控制器相连，所述微控制器通过检测所述分压电路是否掉电来判断分断是否成功，所述微控制器通过检测所述分压电路是否得电来判断闭合是否到位。

9.根据权利要求1所述的一种具有过零检测功能的智能开关，其特征在于：所述智能开关还包括通信模块，所述微控制器通过所述通信模块和上层调度系统通信，所述微控制器接收到上层调度系统的远程分合指令控制所述继电输出模块；所述智能开关还包括与所述微控制器相连的告警指示模块，所述告警指示模块包括绿灯和红灯；所述智能开关还包括与所述微控制器相连的按键模块，所述按键模块用于操作输入。

10.根据权利要求1所述的一种具有过零检测功能的智能开关，其特征在于：所述智能开关还包括与所述微控制器通信的存储模块，所述存储模块存储告警信息及继电输出模块分合数据，供用户参考分析；所述交流输入模块还采集用电回路的有功功率、无功功率、谐波电流。

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