CN117471169A - 一种三相电流相位差的检测系统和计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相电流相位差的检测系统和计算方法。检测系统包括分别安装于若干导线上的若干电流监测模块，以及分别与若干所述电流监测模块无线连接的对时模块；电流监测模块检测导线的正弦波形的第一电流信号，并将所述第一电流信号转换为第二电流信号，在接收到对时信号时开始计时，并在第二电流信号达到第一特征点时结束计时，将计时时间差发送给计时模块；计时模块在预定时间分别向各支路的电流监测模块发送对时信号；还根据接收的时间差计算对应的相位差。计算方法包括：检测电流的步骤、电流转换的步骤、计时的步骤和时间差和相位差计算的步骤。本发明可同时对多路线路的电流相位差进行检测，计算结果精准，客观性强。

Description

一种三相电流相位差的检测系统和计算方法

技术领域

本发明涉及电力配线领域，尤其是一种测量三相电流相位的系统和方法。

背景技术

目前在电力系统中有效的三相电流波形相位计算方法都是将三相电流信号引入同一个测量系统内部，由该系统内部统一的时钟为三相电流相位进行计算，得到三相电流的相位差。或者在户外无GPS信号遮挡的场景通过依次计算各路电流相位与GPS脉冲信号的时间差，得到三相电流信号的相对时间差，从而得到三相电流的相位差。

上述两种通用的计算方式在实际的应用中依然具有一定的缺陷，如果直接将输电线上的三相电流接入测量系统内部，会有相间高压差短路的危险。通过依次测量电流相位的方式，一次仅能测量一条支路的数据，测量多条支路数据时，一方面需要多次进行硬件的安装和拆除，施工麻烦，存在布线混乱的问题，另一方面，依次测试导致每条支路的测量环境不一致，进而影响每条支路所测试出的电流相位在同时进行比较时的客观性。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种三相电流相位差的检测系统和计算方法。以同时对三相电流相位差进行快速、精准的检测和计算。

本发明采用的技术方案如下：

一种三相电流相位差的检测系统，其包括分别安装于若干导线上的若干电流监测模块，以及分别与若干所述电流监测模块无线连接的对时模块，其中：

任一电流监测模块均被配置为：检测导线的正弦波形的第一电流信号，并将所述第一电流信号转换为第二电流信号，所述第二电流信号带有可测量特征点；电流监测模块还在接收到对时信号时开始计时T1，并在第二电流信号达到第一特征点时结束计时T2，将计时时间差△T＝T2–T1通过无线方式反馈给计时模块；

计时模块被配置为：在预定时间通过无线方式分别向各支路的电流监测模块发送对时信号；还根据各支路的电流监测模块发送的时间差△T，分别计算出对应的三相电流的相位差。即各路电路均有一个时间差△T，计时模块对每一相电路的时间差进行计算，得到对应的相位差。

本系统的计时模块以广播形式向各电流监测模块发送对时信号，精简了硬件的安装工序，所有的电流监测模块均能同时收到，使得系统时钟高度统一，可以同时对多条线路进行电流相位的测量，提高了测量效率，确保了测量环境的一致性。本系统将电流信号转换为带可测量特征点的信号，将其特征放大，以便于特征点的识别，进而使得对于电流信号在零点、极性转变点等节点处能够被快速、准确的识别出，进而提高时间差的计算精度。

进一步的，上述第二电流信号为矩形波信号。矩形波信号在极性转变时具备突变性质，便于计算机快速、准确地识别。

进一步的，上述可测量特征点为矩形波信号的上升沿或下降沿的时间点。上升沿或下降沿的时间点的特征明显，以此作为特征点，便于快速定位和识别。

进一步的，上述第一特征点为开始计时后首次达到上升沿或下降沿的时间点。

正弦波形的电压或电流信号，除幅值最大或最小点外，波形的斜率(最大值或最小值之间的波形的导数)为正值或者负值，在波形的变化过程中，必然会过零点，该零点可以作为周期波形的一个起始点(斜率为正的波形的零点作为正弦波的起始点)。将正弦波形转换成矩形波后，该零点对应于上升沿或下降沿。因此，设定矩形波信号的上升沿或下降沿为计时截止时间点，便于使电压、电流信号之间对时更加精准。至于设定以首个上升沿或下降沿作为计时截止时间点，一方面可以防止因电压不稳或导线的相互干扰导致电信号周期发生抖动或偏移，而影响电压、电流对时的一致性，另一方面也可以减小计时时长，减少系统时钟偏差带来的累计误差，提高计算精度和减小计算耗时。

进一步的，上述电流监测模块包括电流传感单元、第一控制单元和第一无线通信单元；

电流传感单元用于检测导线的正弦波形的第一电流信号；

第一控制单元用于将第一电流信号转换为带有可测量特征点的第二电流信号；还在接收到第一脉冲信号时，开始计时T1，在第二电流信号达到第一特征点时结束计时T2，计算计时时间差△T＝T2–T1，将该时间差△T通过第一无线通信单元发送给所述对时模块；

第一无线通信单元等待接收对时信号，在接收到对时信号时，向第一控制单元发送第一脉冲信号。

第一无线通信单元具备脉冲响应的功能，可快速对广播的对时信号做出响应，可以提高对时的及时性。

进一步的，上述对时模块包括第二控制单元和第二无线通信单元，所述第二控制单元在预定时间通过第二无线通信单元广播对时信号；所述第二无线通信单元接收电流监测模块发送的时间差数据，将该时间差传输给第二控制单元；所述第二控制单元基于所述时间差计算对应的相位差。

本发明还提供了一种三相电流相位差的计算方法，其包括以下步骤：

A.分别获取各条支路导线的正弦波形的第一电流信号，并分别将各支路的第一电流信号转换为第二电流信号，所述第二电流信号带有可测量特征点；

B.在某一时刻开始计时；

C.分别在各支路的第二电流信号到达第一特征点时结束计时，再分别计算各条支路的时间差：结束计时时与开始计时时间的时间差；

D.基于各支路的时间差，分别计算对应的相位差。

本发明方法利用同步计时的方式，同时对多路线路的电流的相位进行采集，可以实现多路支路电流信号在时钟上的高度对齐，并确保测量环境的一致性，进而可以确保相位差的运算结果具备极高的精度。再有，该方法可以同时测量多路线路的电流相位，大幅提高了检测效率。本发明将电流信号转换为带可测量特征点的信号，将其特征放大，以便于特征点的识别，进而使得对于电流信号在零点、极性转变点等节点处能够被快速、准确的识别出，进而提高时间差的计算精度。

进一步的，上述第二电流信号为矩形波信号。

进一步的，上述可测量特征点为矩形波信号的上升沿或下降沿的时间点。

进一步的，上述第一特征点为开始计时后，首次达到上升沿或下降沿的时间点。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明以无线对时方式，周期性地在同一时间为每一条支路上的电流监测设备(模块)提供对时信号，多个独立工作系统的工作的模块建立时间上的精确关联，使得当前相测量环境的所有电流传感设备在时钟上保持高度统一，在环境上保持一致，提高了检测效率，确保了检测精度和结果的客观性。

2、本发明将电流信号的特征放大化，可以以较小的运算量，快速、准确地识别出电流信号的特征点，

3、本发明方案可以为非GPS覆盖区的嵌入式设备校准运行时钟，且不依赖某一专用的硬件设备。

4、本发明方案在三相电流波形相位的测量上具有非常大的灵活性，可以任意选择测量电流波形设备的安装位置。相对于有线方式节省安装布线工序。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是三相电流相位差的检测系统的构造图。

图2是三相电流相位差的检测系统安装的一个实施例。

图3是电流监测模块的构造图。

图4是对时模块的构造图。

图5是三相电流相位差的检测系统构造的一个实施例。

图6是将第一电流信号转换为第二电流信号的效果图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例一

如图1所示，本实施例公开了一种三相电流相位差的检测系统，其包括分别安装若干导线上的若干电流监测模块(一一对应)和分别与该若干电流监测模块无线连接的对时模块。其中：

任一电流监测模块均被配置为：检测导线的正弦波形的第一电流信号，并将该第一电流信号转换为第二电流信号，该第二电流信号带有可测量特征点。在一个实施例中，电流监测模块通过硬件调制电路将正弦波转换为方波，具体而言，通过比较电路实现波形的转换：设定一直流电平(通常为零点电平)，将正弦波中达到该直流电平的部分转换为高电平，其余部分(未达到部分)转换为低电平，从而将正弦波转换为矩形波。电流监测模块还在接收到对时信号时开始计时T1，并在第二电流信号达到第一特征点时结束计时T2，将计时时间差△T＝T2–T1通过无线方式反馈给计时模块。

将正弦波转换为方波后，第二电流信号的高、低电平边界则具备很强的突变性质，因此，可以将高低电平的边界作为特征点。在一个实施例中，上述的第一特征点为：开始计时后，首次达到上升沿或下降沿的时间点，即开始计时后达到第一个上升沿或第一个下降沿的时间点。

对时模块被配置为：在预定时间通过无线方式向电流监测模块发送对时信号，通常该对时信号为一脉冲触发信号。还根据电流监测模块发送的时间差△T计算出三相电流的相位差。具体而言，相位差θ＝△T/T_工频*360°，T_工频为电网工频。

如图2所示，4组电流监测模块分别安装到4条导线上，对时模块与该4组电流监测模块无线双向通信。

实施例二

如图3所示，本实施例公开了电流监测模块的结构，其包括电流传感单元、第一控制单元、第一无线通信单元和取能单元。其中，取能单元通过设置电源或通过电磁互感方式取电以为电流监测模块的电子元器件供电。

电流传感单元用于检测导线的正弦波形的第一电流信号。

第一控制单元用于将第一电流信号转换为带有可测量特征点的第二电流信号。还在接收到第一脉冲信号时，开始计时T1，在第二电流信号达到第一特征点时结束计时T2，计算计时时间差△T＝T2–T1，将该时间差△T通过第一无线通信单元发送出去(发送给对时模块)。

第一无线通信单元等待接收对时信号，即保持在工作状态，并在接收到对时信号时开始响应，具体而言，在接收到对时信号时，向第一控制单元发送第一脉冲信号。即第一无线通信单元具备接收到对时信号(脉冲触发信号)时，硬件IO口进行脉冲输出的功能(作用对象为控制模块)。

实施例三

如图4所示，本实施例公开了对时模块的结构，其包括第二控制单元和第二无线通信单元。其中，第二控制单元在预定时间通过第二无线通信单元发出对时信号，基于实施例二，即为以广播形式向电流监测模块的第一无线通信单元发送对时信号。第二无线通信单元还接收时间差数据-电流监测模块的第一控制单元所计算出并通过第一无线通信单元发出的时间差△T，将该时间差△T传输给第二控制单元。第二控制单元接收时间差△T，并基于该时间差计算对应的相位差：相位差θ＝△T/T_工频*360°，T_工频为电网工频。

第二控制单元还连接有远程数据传输接口，第二控制单元通过该远程数据传输接口，将从第二无线通信单元接收到的数据，或者将计算的数据(相位差)通过该远程数据传输接口发送给远端(进行后续应用或处理)。

参见附图5，为以3个电流监测模块的与本实施例的对时模块构成的三相电流相位差的检测系统的结构图。第二无线通信单元分别与各电流监测模块的第一无线通信单元无线连接。

实施例四

本实施例公开了一种三相电流相位差的计算方法，包括以下步骤：

A.分别获取各条支路导线的正弦波形的第一电流信号，并分别将各支路的第一电流信号转换为第二电流信号，所谓第二电流信号，为带有可测量特征点的周期信号，其周期与第一电流信号相同或相应。

在一个实施例中，上述第二电流信号为矩形波信号。将第一电流信号转换为第二电流信号的过程为：设置一直流电平(通常为零点电平)，将正弦波中达到该直流电平的部分转换为高电平，其余部分(未达到部分)转换为低电平，从而将正弦波转换为矩形波。效果参见图6。转换过程通常借助于比较电路实现，比较电路有硬件电路的种类，也有通过软件模拟的比较电路。将正弦波转换为矩形波后，第二电流信号的高、低电平边界则具备很强的突变性质，因此，可以将高低电平的边界作为特征点(即上述可测量特征点)。

B.在某一时刻开始计时；

C.分别在各支路的第二电流信号到达第一特征点时结束计时，再分别计算各条支路的时间差：结束计时时与开始计时时间的时间差。以一条支路为例，开始计时时的时刻为T1，在该支路的第二电流信号到达第一特征点时的时刻为T2，则该条支路的时间差为△T＝T2–T1，其余支路同理。

将正弦波转换为方波后，第二电流信号的高、低电平边界则具备很强的突变性质，因此，可以将高低电平的边界作为特征点。在一个实施例中，上述的第一特征点为：开始计时后，首次达到上升沿或下降沿的时间点，即开始计时后达到第一个上升沿或第一个下降沿的时间点。

D.基于各支路的时间差，分别计算对应的相位差。相位差θ＝△T/T_工频*360°，T_工频为电网工频。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种三相电流相位差的检测系统，其特征在于，包括分别安装于若干导线上的若干电流监测模块，以及分别与若干所述电流监测模块无线连接的对时模块，其中：

任一所述电流监测模块均被配置为：检测导线的正弦波形的第一电流信号，并将所述第一电流信号转换为第二电流信号，所述第二电流信号带有可测量特征点；所述电流监测模块还在接收到对时信号时开始计时T1，并在第二电流信号达到第一特征点时结束计时T2，将计时时间差△T＝T2–T1通过无线方式反馈给计时模块；

所述计时模块被配置为：在预定时间通过无线方式分别向各支路的所述电流监测模块发送对时信号；还根据各支路的电流监测模块发送的时间差△T，分别计算出对应的三相电流的相位差。

2.如权利要求1所述的三相电流相位差的检测系统，其特征在于，所述第二电流信号为矩形波信号。

3.如权利要求2所述的三相电流相位差的检测系统，其特征在于，所述可测量特征点为矩形波信号的上升沿或下降沿的时间点。

4.如权利要求3所述的三相电流相位差的检测系统，其特征在于，所述第一特征点为开始计时后首次达到上升沿或下降沿的时间点。

5.如权利要求1-4之一所述的三相电流相位差的检测系统，其特征在于，所述电流监测模块包括电流传感单元、第一控制单元和第一无线通信单元；

所述电流传感单元用于检测导线的正弦波形的第一电流信号；

所述第一控制单元用于将第一电流信号转换为带有可测量特征点的第二电流信号；还在接收到第一脉冲信号时，开始计时T1，在第二电流信号达到第一特征点时结束计时T2，计算计时时间差△T＝T2–T1，将该时间差△T通过第一无线通信单元发送给所述对时模块；

所述第一无线通信单元等待接收对时信号，在接收到对时信号时，向第一控制单元发送第一脉冲信号。

6.如权利要求1-4之一所述的三相电流相位差的检测系统，其特征在于，所述对时模块包括第二控制单元和第二无线通信单元，所述第二控制单元在预定时间通过第二无线通信单元广播对时信号；所述第二无线通信单元接收电流监测模块发送的时间差数据，将该时间差传输给第二控制单元；所述第二控制单元基于所述时间差计算对应的相位差。

7.一种三相电流相位差的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.分别获取各条支路导线的正弦波形的第一电流信号，并分别将各支路的第一电流信号转换为第二电流信号，所述第二电流信号带有可测量特征点；

B.在某一时刻开始计时；

C.分别在各支路的第二电流信号到达第一特征点时结束计时，再分别计算各条支路的时间差：结束计时时与开始计时时间的时间差；

D.基于各支路的时间差，分别计算对应的相位差。

8.如权利要求7所述的三相电流相位差的计算方法，其特征在于，所述第二电流信号为矩形波信号。

9.如权利要求8所述的三相电流相位差的计算方法，其特征在于，所述可测量特征点为矩形波信号的上升沿或下降沿的时间点。

10.如权利要求9所述的三相电流相位差的计算方法，其特征在于，所述第一特征点为开始计时后，首次达到上升沿或下降沿的时间点。