WO2013155844A1

WO2013155844A1 - 一种三相交流电相序检测方法及装置

Info

Publication number: WO2013155844A1
Application number: PCT/CN2012/085962
Authority: WO
Inventors: 郑平
Original assignee: 京东方科技集团股份有限公司; 北京京东方能源科技有限公司
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2013-10-24
Also published as: CN102680806A; US9429604B2; US20140062457A1

Abstract

本发明提供一种三相交流电相序检测方法，包括如下步骤：1）对三相交流电信号的瞬时值进行实时采样；2）采用坐标变换的方式将所述瞬时值转换为两相静止坐标系下的电信号分量；3）对所述电信号分量进行反正切计算，得出输出信号值；4）执行步骤1）~3）一次或多次，从而得出一个或多个输出信号值；5）将步骤3）得出的输出信号值与步骤4）得出的一个或多个输出信号值组成周期函数，若所述周期函数在一个最小正周期内为增函数，则判断所述三相交流电相序为正序；反之为负序。相应地，还提供一种采用上述检测方法的三相交流电相序检测装置。本发明所述三相交流电相序检测方法及装置具有简单实用、无需反馈回路及参数调整等优点。

Description

一种三相交流电相序检测方法及装置技术领域

本发明涉及三相交流电技术领域，具体涉及一种三相交流电相序检测方法，以及釆用所述检测方法的三相交流电相序检测装置。背景技术

三相交流电相序对三相用电设备能否正常运转有着至关重要的影响。一般情况下，三相用电设备的三相交流电源要求为正序（如图 1所示 ), 而不允许出现负序（如图 2所示）。以电力传动设备为例，三相交流电源一旦相序错误，会造成电力传动设备反向运转，导致电力传动设备出现故障，甚至造成操作人员的人身伤害。因此，在电力传动设备的控制中需要引入三相交流电相序检测和判别功能。

现有技术中，釆用提取三相交流电的角频率信息，通过判断所述角频率信息来确定三相交流电的相序。该方法虽然能够实现相序的准确检测，但是由于需要提取三相交流电的角频率信息，且在角频率提取过程中存在反馈回路以及误差信号的调节，其控制系统较为复杂。发明内容一种简单实用、无需反馈回路及参数调整，并能够快速、准确检测出三相交流电相序的三相交流电相序检测方法，以及釆用所述检测方法的三相交流电相序检测装置。

解决本发明技术问题所釆用的技术方案是：

所述三相交流电相序检测方法包括如下步骤：

1 )对三相交流电信号的瞬时值进行实时釆样，得到一组瞬时值；

2 )釆用坐标变换的方式将所述一组瞬时值转换为两相静止坐标系下的电信号分量；

3 )对所述电信号分量进行反正切计算，得出釆样时刻对应的一个输出信号值；

4 )执行步骤 1 ) ~3 )—次或多次，从而得出与步骤 3 )所述釆样时刻相邻的一个或多个釆样时刻对应的输出信号值；

5 )将步骤 3 )得出的输出信号值与步骤 4 )得出的一个或多个输出信号值组成周期函数，所述周期函数在一个最小正周期内为一次函数，且所述周期函数的周期与三相交流电信号的周期相同，根据所述周期函数在一个最小正周期内的增减性来判断三相交流电相序的正负：若所述周期函数在一个最小正周期内为增函数，则判断所述三相交流电相序为正序；若所述周期函数在一个最小正周期内为减函数，则判断所述三相交流电相序为负序。

优选的是，所述三相交流电信号为三相交流相电压信号或三相交流相电流信号。

优选的是，在步骤 2 ) 中，所述坐标变换的方式釆用 Clarke坐标变换； Clarke坐标变换的公式为：

( 1 )

其中： D_a、 D_b与 D_e为三相交流电信号的瞬时值， D_a与 Dp为将瞬时值

D D_b与 D_e进行 Clarke坐标变换后得到的两相静止坐标系下的电信号分量。

优选的是，在步骤 3 )中，对所述电信号分量进行反正切计算的公式为： iarctan(Z)_/g /D_a) 0 < arctan(Z)_/g /Ό_α) < π

y |arctan(Z)_/g jD_a ) + 2π - π < arctan(Z)_/g jD_a ) < 0 ( ) 其中： y为所述输出信号值， D_a与 Dp为将瞬时值 D_a、 D_b与 D_c进行 Clarke 坐标变换后得到的两相静止坐标系下的电信号分量。

优选的是，所述釆样周期大于釆样误差且小于三相交流电信号的周期。进一步优选的是，在步骤 5 ) 中，判断所述周期函数在一个最小正周期内是增函数还是减函数的方法为：

令 Ay=y(n)-y(n-l), 其中， y(n)与 y(n-l)分别为三相交流电信号中某一相电信号的一个最小正周期内相邻两次釆样时刻得到的三相交流电信号的瞬时值对应的输出信号值，若 0<Ay<27i , 则所述周期函数在一个最小正周期内为增函数；若 -2π<Δγ<0 , 则所述周期函数在一个最小正周期内为减函数。

进一步优选的是,所述釆样周期小于或等于三相交流电信号的周期的 0.1 倍。

优选的是，所述步骤 1 )还包括对所述一组瞬时值进行标么化处理，标幺化处理的公式为：

d_x=^D ( 3 )

其中： X为 a b、 c, D_a、 D_b与 D_c为三相交流电信号的瞬时值，（^^为三相交流电信号的最大值， d_a、 d_b与 d_e为三相交流电信号的瞬时值的标幺值。

优选的是，所述步骤 3 )还包括对所述一个输出信号值进行标么化处理，标幺化处理的公式为：

γ*=γ/2π ( 4 )

其中， y为所述输出信号值， y*为所述输出信号值的标幺值。

本发明同时提供一种三相交流电相序检测装置，包括三相交流电釆样模块、坐标系变换模块、反正切函数计算模块以及相序方向判断模块；

所述三相交流电釆样模块用于对三相交流电信号的瞬时值进行实时釆样；

所述坐标系变换模块用于将三相交流电釆样模块实时釆样得到的三相静止坐标系下的至少两组的三相交流电信号的瞬时值分别转换为两相静止坐标系下的电信号分量，并将其实时传输至反正切函数计算模块；

所述反正切函数计算模块用于分别对所述电信号分量进行反正切计算，得出至少两个的输出信号值，并将其实时输出至相序方向判断模块；

所述相序方向判断模块用于才艮据所述至少两个输出信号值组成的周期函数在一个最小正周期内的增减性来判断三相交流电相序的正负。

优选的是，所述检测装置还包括有第一标么化处理模块和 /或第二标幺化处理模块，

所述第一标么化处理模块用于对所述三相交流电釆样模块实时釆样得到的至少两组三相交流电信号的瞬时值进行标么化处理，并将标么值实时输出至坐标系变换模块；

所述第二标么化处理模块用于对所述反正切函数计算模块得出的至少两个输出信号值进行标么化处理，并将标么值实时输出至相序方向判断模块。有益效果：

( 1 )本发明所需三相交流电信号为相电压信号或相电流信号，无需转换成线电压信号或线电流信号，简单实用。

( 2 )本发明可直接应用于数字控制领域，无需增加新的外围硬件回路即可快速、准确检测出三相交流电信号相序，判断方法简单可靠，同时还具有检测算法简单、无需反馈回路、无需参数调整，适用于嵌入式系统的开发等优点。

( 3 )本发明抗干扰能力强，在三相交流电信号存在严重谐波或是不平衡状况下也能快速、准确地检测出三相交流电信号的相序。附图说明

图 1为现有技术中三相交流电压正序矢量示意图；

图 2为现有技术中三相交流电压负序矢量示意图；

图 3 为才艮据本发明第一实施例的三相交流电相序检测方法的流程示意图；

图 4-1至图 4-3为根据本发明第一实施例的三相交流电相序为正序时各个参数的波形图；

图 4-1为三相交流相电压中的两相的瞬时值 Ua与 Ub的标么值 ua与 ub 的波形图（Uc的标么值 uc的波形未示出）；

图 4-2为将标么值 ua、 ub与 uc进行 clarke坐标变换后得到的两相静止坐标系下的相电压分量 ua与 ιιβ的波形图；

图 4-3为将两相静止坐标系下的电压分量 ua与 ιιβ进行反正切函数计算并进行标么化处理后得到的输出信号值的标么值 y*的波形图；

图 5-1至图 5-3为根据本发明第一实施例的三相交流电相序为负序时各个参数的波形图；

图 5-1为三相交流相电压中的两相的瞬时值 Ua与 Ub的标么值 ua与 ub 的波形图（Uc的标么值 uc的波形未示出）；

图 5-2为将标么值 ua、 ub与 uc进行 clarke坐标变换后得到的两相静止坐标系下的相电压分量 ua与 ιιβ的波形图；图 5-3为将两相静止坐标系下的电压分量 ua与 ιιβ进行反正切函数计算并进行标么化处理后得到的输出信号值的标么值 y*的波形图；

图 6为根据本发明第一实施例的三相交流电相序检测装置的结构组成示意图。具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明三相交流电相序检测方法及装置作进一步详细描述。

一种三相交流电相序检测方法，其包括如下步骤：

4 )执行步骤 1 ) ~3 )—次或多次，从而得出一个或多个相邻的与釆样时刻对应的输出信号值；

一种三相交流电相序检测装置，包括三相交流电釆样模块、坐标系变换模块、反正切函数计算模块以及相序方向判断模块；

所述坐标系变换模块用于将三相交流电釆样模块实时釆样得到的三相静止坐标系下的至少两组三相交流电信号的瞬时值分别转换为两相静止坐标系下的电信号分量，并将其实时传输至反正切函数计算模块；

所述反正切函数计算模块用于分别对所述电信号分量进行反正切计算，得出至少两个的输出信号值，并将其实时输出至相序方向判断模块；所述相序方向判断模块用于才艮据所述至少两个输出信号值组成的周期函数在一个最小正周期内的增减性来判断三相交流电相序的正负。

第一实施例：

本实施例中，所述三相交流电信号（其瞬时值为 D_a、 D_b与 D_e )为三相交流相电压信号（其瞬时值为 U_a、 U_b与 U_c )。

如图 3所示，所述三相交流电相序检测方法包括如下步骤：

slOl. 对三相交流相电压的瞬时值进行实时釆样，得到一组相电压瞬时值 u_a、 u_b与 u_e, 所述瞬时值处于三相静止坐标系下。

其中，所述釆样周期大于釆样误差且小于三相交流相电压的周期。

sl02. 对所述实时釆样得到的一组瞬时值 U_a、 U_b与 U_c进行标么化处理，得到该组瞬时值的标幺值 u_a、 u_b与 u_c。

所述标么值是电力系统分析和工程计算中常用的数值标记方法，其表示某个 /某组参数的相对值，且标么值=实际值 /基准值。对某个 /某组参数进行标么化处理的过程即是计算其标么值的过程。应用标么化处理可省去公式中的比例系数，使计算简化，易于进行计算和对结果的分析比较。在本实施例中，优选釆用标么化处理，但如不釆用标么化处理，也不会影响三相交流电信号的相序判断结果。

本实施例中，对所述三相交流相电压的瞬时值 u_a、 u_b与 u_c进行标幺化处理的公式为：

^U _X= ^{U U}^ ( 5 )

其中： X为 a、 b、 c, U_a、 U_b与 U_c为三相交流相电压的瞬时值， u_max为三相交流相电压的最大值， u_a、 u_b与 u_c为三相交流相电压的瞬时值的标幺值。

s 103. 釆用坐标变换的方式将所述实时釆样得到的一组瞬时值的标幺值 u_a、 u_b与 u_e转换为两相静止坐标系下的相电压分量 u_a、 ιι_β。

本实施例中，所述坐标变换的方式釆用 Clarke坐标变换，所述 Clarke坐标变换能够将三相静止坐标系转换为两相静止坐标系。所述 Clarke坐标变换的公式为：

其中： u_a、 u_b与 u_c为三相交流相电压的瞬时值的标幺值， u_a与 up为将标幺值 u_a、 u_b与 u_c进行 Clarke坐标变换后得到的两相静止坐标系下的相电压分 sl04. 对所述两相静止坐标系下的相电压分量 u_a与 up进行反正切计算，得出釆样时刻 (即釆样得到所述一组相电压瞬时值 U_a、 U_b与 U_c的时刻 )对应的一个输出信号值 y。

对所述相电压分量进行反正切计算的公式为： ( ? )

其中： y为所述输出信号值， u_a与 up为两相静止坐标系下的相电压分量，可见 0<y<2;r。

sl05. 对所述釆样时刻对应的一个输出信号值 y进行标么化处理，得到该输出信号值 y的标么值 y*。

对所述输出信号值 y进行标么化处理的公式为：

γ*=γ/2π ( 4 )

< π

也 < 0 ( g )

其中， y为所述输出信号值 , y*为所述输出信号值的标么值。可见 0<y*<l。 sl06. 执行步骤 sl01~sl05—次或多次，从而得出与步骤 sl05所述釆样时刻相邻的一个或多个釆样时刻对应的输出信号值的标么值 y*。

sl07. 才艮据步骤 sl05和步骤 sl06得出的至少两个输出信号值的标幺值 y*组成周期函数（其纵坐标为输出信号值的标么值 y*，横坐标为釆样周期），所述周期函数在一个最小正周期内为一次函数，且所述周期函数的周期与三相交流相电压的周期相同，才艮据所述周期函数在一个最小正周期内的增减性来判断三相交流电相序的正负：若所述周期函数在一个最小正周期内为增函数，说明三相交流相电压瞬时值中的任意两相电压的瞬时值，如 U_a与 U_b, U_a超前 U_b 120° , 也即所述三相交流电相序为正序；若所述周期函数在一个最小正周期内为减函数，说明三相交流相电压瞬时值中的任意两相电压的瞬时值，如 ¾与¾, U_a滞后 U_b 120° , 也即所述三相交流电相序为负序。

从理论上来说，判断所述周期函数在一个最小正周期内是增函数还是减函数只需得到相邻两个釆样时刻获取的两组三相交流相电压的瞬时值对应的输出信号值即可。也就是说，只需要步骤 sl05得出的釆样时刻对应的一个输出信号值的标么值 y*，与步骤 sl06得出的与步骤 sl05所述釆样时刻相邻的釆样时刻对应的一个输出信号值的标么值 y*即可。判断所述周期函数在一个最小正周期内是增函数还是减函数的方法具体为：

图 4 -1至图 4-3以及图 5-1至图 5-3分别为三相交流电相序为正序与负序时参数 u_a、 u_b、 u_a、 up与 y*的波形图，由于三相交流相电压存在矢量和为零的关系，釆样任意两相电压的波形即可知第三相电压的波形，因此图 4-1 至图 4-3以及图 5-1至图 5-3中没有示出 u_c的波形图。由于所述周期函数的周期与三相交流相电压的周期相同，定义三相交流相电压中任一相电压的波形中相邻两波峰之间的波形为一个最小正周期内的波形，也即所述相邻两波峰之间的波形对应一个最小正周期，且三相交流相电压中一定存在某一相电压（如 ), 其最小正周期内的波形中相邻两波峰处的相电压值分别对应所述周期函数的一个最小正周期内的一次函数的最大值或最小值，如图 4-1至图 4-3以及图 5-1至图 5-3所示。

令 Ay*=y*(n)-y*(n-l), 其中， y*(n)为三相交流相电压的某一相电压（如

¾ ) 的一个最小正周期内某一时刻釆样得到的该相电压的瞬时值以及同时刻釆样得到的另两相电压的瞬时值 u_b与 u_c所对应的输出信号值的标幺值，而 y*(n-l)为与所述某一釆样时刻在同一个三相交流相电压最小正周期内的相邻的釆样时刻釆样得到的三相交流相电压瞬时值所对应的输出信号的标幺值，即 y*(n)与 y*(n-l)分别为三相交流相电压中某一相电压（如 u_a ) 的一个最小正周期内相邻两次釆样时刻得到的三相交流相电压的瞬时值对应的输出信号的标幺值。

由于釆样周期大于釆样误差且小于三相交流相电压的周期，则令 △t=klT, 其中 kl为系数，且 0<kl<l , At为釆样周期， T为三相交流相电压的周期。可以通过 Ay*所处的区间值来判断所述周期函数在一个最小正周期内的增减性：

1 )当所述周期函数在一个最小正周期内为增函数时，根据比例关系可知 △y*=kl , 则 0<Δγ*<1 ;

2 )当所述周期函数在一个最小正周期内为减函数时，根据比例关系可知

△y*=-kl , 则 -l<Ay*<0。

综上可知，当 0<Ay*<l时，所述周期函数在一个最小正周期内为增函数；当 -l<Ay*<0时，所述周期函数在一个最小正周期内为减函数。

优选所述釆样周期 At小于或等于三相交流电信号周期 T的 0.1倍，即 At 0.1T。

如图 6所示，本实施例还提供一种三相交流电相序检测装置，包括三相交流电釆样模块、坐标系变换模块、反正切函数计算模块、第一标么化处理模块、第二标么化处理模块以及相序方向判断模块。

所述三相交流电釆样模块用于对三相交流电信号的瞬时值进行实时釆样，并将实时釆样得到的三相静止坐标系下的至少两组的三相交流电信号的瞬时值 D_a、 D_b与 D_c实时传输至第一标么化处理模块。

所述第一标么化处理模块用于分别对所述至少两组的三相交流电信号的瞬时值 D_a、 D_b与 D_c进行标么化处理，并将得到的至少两组的标么值 d_a、 d_b 与 d_c分别实时输出至坐标系变换模块。

所述坐标系变换模块用于将所述三相静止坐标系下的至少两组的三相交流电信号的瞬时值的标幺值 d_a、 d_b与 d_c分别转换为两相静止坐标系下的电信号分量 d_a、 dp, 并将得到的至少两组的电信号分量实时传输至反正切函数计算模块。当然，每一组三相交流电信号的瞬时值的标么值均对应得到一组不同的电信号分量。

所述反正切函数计算模块用于分别对所述至少两组电信号分量 d_a、 dp进行反正切计算，得出至少两个输出信号值 y,并将所述至少两个输出信号值 y 实时输出至第二标么化处理模块。

所述第二标么化处理模块用于分别对所述至少两个输出信号值 y进行标幺化处理，并将得到的至少两个标么值 y*实时输出至相序方向判断模块。

所述相序方向判断模块用于根据所述至少两个输出信号值的标么值 y* 组成的周期函数在一个最小正周期内的增减性来判断三相交流电相序的正负，若所述周期函数在一个最小正周期内为增函数，则所述三相交流电相序为正序；若所述周期函数在一个最小正周期内为减函数，则所述三相交流电相序为负序。

其中，所述三相交流电信号为三相交流相电压信号（其瞬时值为 U_a、 U_b 与 U_e )或三相交流相电流信号（其瞬时值为 Ia、 lb与 Ic ); 所述三相交流电釆样模块可釆用现有模块，如霍尔传感器、电阻分压釆样模块、电流互感器等；所述坐标系变换模块可釆用现有的 Clarke坐标变换模块。

第二实施例：

本实施例所述三相交流电相序检测方法与第一实施例的区别在于：

1 )所述三相交流电信号为三相交流相电流信号（其瞬时值为 Ia、 lb与 Ic ), 且已知三相交流相电流的周期与三相交流相电压的周期相同；

2 )本实施例所述检测方法不包括步骤 sl02和 /或步骤 sl05 , 即所述检测方法不包括对所述三相交流相电流的瞬时值（Ia、 lb与 Ic )进行标么化处理的步骤和 /或对釆样时刻对应的输出信号值进行标么化处理的步骤。

本实施例所述三相交流电相序检测装置与第一实施例的区别在于：所述检测装置不包括第一标么化处理模块和 /或第二标么化处理模块。

本实施例中的其他结构以及作用都与第一实施例相同，这里不再赘述。例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims

权利要求书

1. 一种三相交流电相序检测方法，包括如下步骤：

2. 根据权利要求 1所述的检测方法，其中，所述三相交流电信号为三相交流相电压信号或三相交流相电流信号。

3. 根据权利要求 1所述的检测方法，在步骤 2 )中，所述坐标变换的方式釆用 Clarke坐标变换；

述 Clarke坐标变换的公式为：

其中： D_a、 D_b与 D_e为三相交流电信号的瞬时值， D_a与 Dp为将瞬时值 D_a、 D_b与 D_e进行 Clarke坐标变换后得到的两相静止坐标系下的电信号分量。

4. 根据权利要求 1所述的检测方法，在步骤 3 )中，对所述电信号分量进行反正切计算的公式为： iarctan(Z)_/g /¾) 0 < arctan(Z)_/g /D_a) <

y |arctan(Z)_/g jD_a ) + 2π - π < arctan(Z)_/g jD_a )< 0 ( 2 ) 其中： y为所述输出信号值， D_a与 Dp为将瞬时值 D_a、 D_b与 D_c进行 Clarke 坐标变换后得到的两相静止坐标系下的电信号分量。

5. 根据权利要求 1所述的检测方法，其中，所述釆样周期大于釆样误差且小于三相交流电信号的周期。

6. 根据权利要求 5所述的检测方法，在步骤 5 )中，判断所述周期函数在一个最小正周期内是增函数还是减函数的方法为：

令 Ay=y(n)-y(n-l), 其中， y(n)与 y(n-l)分别为三相交流电信号中某一电信号的一个最小正周期内相邻两次釆样时刻得到的三相交流电信号的瞬时值对应的输出信号值，

若 0<Δγ<2π , 则所述周期函数在一个最小正周期内为增函数；若 -2π<Δγ<0 , 则所述周期函数在一个最小正周期内为减函数。

7. 根据权利要求 5所述的检测方法，其中，所述釆样周期小于或等于三相交流电信号的周期的 0.1倍。

8. 根据权利要求 1所述的检测方法，所述步骤 1 )还包括对所述一组瞬时值进行标么化处理，标么化处理的公式为：

d_x=^D ( 3 )

9. 根据权利要求 1所述的检测方法，所述步骤 3 )还包括对所述一个输出信号值进行标么化处理，标么化处理的公式为：

γ*=γ/2π ( 4 )

10. 一种三相交流电相序检测装置，包括三相交流电釆样模块、坐标系变换模块、反正切函数计算模块以及相序方向判断模块；

所述坐标系变换模块用于将三相交流电釆样模块实时釆样得到的三相静止坐标系下的至少两组的三相交流电信号的瞬时值分别转换为两相静止坐标系下的电信号分量，并将其实时传输至反正切函数计算模块；所述反正切函数计算模块用于分别对所述电信号分量进行反正切计算，得出至少两个输出信号值，并将其实时输出至相序方向判断模块；

所述相序方向判断模块用于根据所述至少两个输出信号值组成的周期函数在一个最小正周期内的增减性来判断三相交流电相序的正负。

11. 根据权利要求 10所述的检测装置，所述检测装置还包括第一标幺化处理模块和 /或第二标么化处理模块，

所述第二标么化处理模块用于对所述反正切函数计算模块得出的至少两个输出信号值进行标么化处理，并将标么值实时输出至相序方向判断模块。