CN108490236B

CN108490236B - 一种交流单相电压幅值的解算方法及装置

Info

Publication number: CN108490236B
Application number: CN201810097900.0A
Authority: CN
Inventors: 李红刚; 王旭昊; 田素立; 刘德林; 王海明; 王艳领; 代兴华
Original assignee: Xuji Group Co Ltd; Xuchang Xuji Wind Power Technology Co Ltd
Current assignee: Xuji Group Co Ltd; Xuchang Xuji Wind Power Technology Co Ltd
Priority date: 2018-01-31
Filing date: 2018-01-31
Publication date: 2020-08-11
Anticipated expiration: 2038-01-31
Also published as: CN108490236A

Abstract

本发明涉及一种交流单相电压幅值的解算方法及装置，在上一周期的解算频率下，求解该解算频率对应解算周期下的低频量的平均值，得到当前周期的压差；所述低频量为采集的交流单相电压和上一周期解算余弦量的乘积；根据当前周期的压差，得到当前周期的角速度；将所述当前周期的角速度进行积分，得到当前周期的解算相位；求当前周期的解算相位的余弦值，得到当前周期的解算余弦量；根据所述当前周期的角速度，得到当前周期的解算频率；根据当前周期的解算相位，提取采集的交流单相电压的正半周期峰值的幅值和负半周期峰值的幅值，并求取两者绝对值的平均值，该平均值为当前周期的解算幅值。本发明能够准确获取交流单相电压的幅值。

Description

一种交流单相电压幅值的解算方法及装置

技术领域

本发明属于继电保护技术领域，具体涉及一种交流单相电压幅值的解算方法及装置。

背景技术

随着科技的发展，电力在生活及生产的作用中日益突显。若能够准确、快速求解单相交流电压的频率、相位、正交向量，将大大提升电网运行控制的性能。

目前常采用锁相环技术来获得电网电压的幅值、频率和相位。现有的锁相环技术，主要有以下两种：

一种是通过构造电网电压信号的虚拟正交波形，通过旋转坐标变换将交流信号转换为直流信号进行控制。傅里叶变换则是根据函数由不同频率的正弦函数的叠加的原理，求取基波函数的过程。该方法基于理想单相交流电压模型，在输入的信号存在谐波干扰和直流偏移时就无法获得准确的频率、相位及正交信号信息。

一种是对单相交流电压信号直接进行锁相的，例如基于卡尔曼滤波的锁相环技术，传输延时锁相环技术，增强型锁相环技术，基于全通滤波器的锁相环技术等。

例如，授权公告号为CN103558436B的专利公开了一种基于单相锁相环算法的检测电网电压幅值、频率和相角的方法，该方法基于锁相环技术来对单相电压进行求解，在锁相环的输入侧加入延时移相环节，来消除直流偏移和奇次谐波。但是，该方法在计算需要数据多解算，时延较长，不能满足现在智能设备快捷的判断要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交流单相电压幅值的解算方法及装置，用以解决现有技术的方法解算复杂、速度慢的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明的一种交流单相电压幅值的解算方法，包括如下方法方案：

方法方案一，包括如下步骤：

在上一周期的解算频率下，求解该解算频率对应解算周期下的低频量的平均值，得到当前周期的压差；所述低频量为采集的交流单相电压和上一周期解算余弦量的乘积；

根据当前周期的压差，得到当前周期的角速度；

将所述当前周期的角速度进行积分，得到当前周期的解算相位；

求当前周期的解算相位的余弦值，得到当前周期的解算余弦量；

根据所述当前周期的角速度，得到当前周期的解算频率；

根据当前周期的解算相位，提取采集的交流单相电压的正半周期峰值的幅值和负半周期峰值的幅值，并求取两者绝对值的平均值，该平均值为当前周期的解算幅值。

方法方案二，在方法方案一的基础上，解算频率的初值为50Hz，解算余弦量的初值为1。

方法方案三，在方法方案一的基础上，采集的交流单相电压的正半周期峰值的幅值对应的相位为：

为采样间隔值。

方法方案四，在方法方案一的基础上，采集的交流单相电压的负半周期峰值的幅值对应的相位为：

为采样间隔值。

方法方案五，在方法方案三或方法方案四的基础上，所述采样间隔值为：

为采样间隔值，T为周期，a为步长。

方法方案六，在方法方案一的基础上，还包括将得到的当前周期的解算幅值进行斜率限制、低通滤波的步骤。

方法方案七，在方法方案六的基础上，斜率为：

k为斜率，x_r为当前采样值，x_s为最近历史数据，a为步长。

方法方案八，在方法方案六的基础上，低通滤波的频率为交流单相电压理论频率的一半。

本发明还提供了一种交流单相电压幅值的解算装置，包括如下装置方案：

装置方案一，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：

根据当前周期的压差，得到当前周期的角速度；

根据所述当前周期的角速度，得到当前周期的解算频率；

装置方案二，在装置方案一的基础上，解算频率的初值为50Hz，解算余弦量的初值为1。

装置方案三，在装置方案一的基础上，采集的交流单相电压的正半周期峰值的幅值对应的相位为：

为采样间隔值。

装置方案四，在装置方案一的基础上，采集的交流单相电压的负半周期峰值的幅值对应的相位为：

为采样间隔值。

装置方案五，在装置方案三或方法方案四的基础上，所述采样间隔值为：

为采样间隔值，T为周期，a为步长。

装置方案六，在装置方案一的基础上，还包括将得到的当前周期的解算幅值进行斜率限制、低通滤波的步骤。

装置方案七，在装置方案六的基础上，斜率为：

k为斜率，x_r为当前采样值，x_s为最近历史数据，a为步长。

装置方案八，在装置方案六的基础上，低通滤波的频率为交流单相电压理论频率的一半。

本发明的有益效果：

本发明的交流单相电压幅值的解算方法及装置，设定解算频率的初值为50Hz，设定解算余弦量的初值为1，采用一种闭环控制的思想，在得到交流单相电压的相位后，可解算得到交流单相电压的幅值，避免了现有技术解算过程中繁琐的锁相、傅里叶变换等过程，不仅能够在准确获取交流单相电压的相位、频率及正交波的基础上，准确获取交流单相电压的幅值，而且具备计算速度快、连续性好的优点，能够广泛应用于交流单相电源并网及电能变换领域，具有较高的实用性。

而且，本发明采集正、负半周期信号，并使用低通滤波器来得到交流单相电压的幅值，有效解决了交流单相电压谐波干扰和直流偏移对解算出来的电压幅值信号的影响的问题。

附图说明

图1是本发明的交流单相电压幅值的解算方法控制框图；

图2是本发明的交流单相电压幅值的解算方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种交流单相电压幅值的解算装置，该装置包括处理器，所述处理器用于执行指令实现本发明的交流单相电压幅值的解算方法，该方法的最佳实施例的流程图如图2所示。

Step1，在***初始化的过程中，完成“频率＝50、余弦量＝1”的初始值的赋值，即设定频率为50，设定余弦量为1，以该设定频率为解算频率、以该设定余弦量为解算余弦量进行解算工作，进入Step2。

Step2，判断解算频率是否小于0.000001：若小于，则说明频率太小，甚至有可能是0，若直接使用0的话将导致周期计算错误，故此时直接使频率为0.000001(该值可变化，根据需求设定)的解算频率；若大于等于，直接使用当前解算频率即可。根据得到的解算频率，计算得到解算周期，周期为频率的倒数。

Step3，在上一周期的解算周期下，求解该解算频率对应解算周期下的低频量的平均值，得到当前周期的压差；其中，低频量为采集的交流单相电压和上一周期的解算余弦量的乘积。具体的，可采用如下方法获得压差：

1)计算第一低频量并积分，得到第一低频量积分；低频量＝电压采样值*解算余弦，即

2)计算第二低频量积分，第二低频量积分为第一低频量积分延时一个周期，即

3)计算周期平均值，周期平均值＝第一低频量积分—第二低频量积分；

4)计算压差，压差＝周期平均值*频率。

Step4，将当前周期的压差经过PID控制器进行PID控制，计算得到当前周期的角速度。

Step5，将当前周期的角速度进行积分，得到当前周期的初始解算相位。判断当前周期的初始解算相位是否在[0,2π)范围内，若不在该范围内，则将其映射到[0,2π)范围内。具体方法可为以下两种：

1)使初始解算相位减去k*2π(k值根据初始相位的大小进行设定)，使得初始解算相位减去k*2π后的结果在[0,2π)范围内，即为解算相位。

2)对初始解算相位除以2π并取余，便可得到映射到[0,2π)范围内的解算相位。

Step6，将得到的当前周期的解算相位分别经过余弦生成器、正弦生成器，得到当前周期对应的解算余弦量(解算正交波形)、解算正弦量。

Step7，将得到的当前周期的角速度除以2π，得到当前周期的初始解算频率，并将初始解算频率经过斜率限制、低通滤波，从而得到当前周期的解算频率。

Step8，在得到当前周期的解算相位后，提取采集的交流单相电压的正半周期峰值的幅值和负半周期峰值的幅值，并求取两者绝对值的平均值，该平均值为解算幅值，具体的：

1)提取相位为

时刻对应的交流单相电压的采样值，记为第一幅值；其中，

为采样间隔值；

2)提取相位为

时刻对应的交流单相电压的采样值，记为第二幅值；其中，

为采样间隔值；

3)求取第一幅值绝对值和第二幅值绝对值的平均值，即可得到初始解算幅值；因第一幅值和第二幅值一定一正一负，故可用第一幅值减去第二幅值，将差值再除以2，便可得到初始解算幅值。

其中，采样间隔为：

为采样间隔值，T为周期，a为步长。

Step9，将当前周期的初始解算幅值经过斜率限制、低通刚滤波，便可得到当前周期的解算幅值。

Step10，重复Step2至Step9，即可得到整个交流单相电压的解算幅值。

为了实现该方法，具体设计了一种如图1所示的解算方法控制框图，整体采用一种闭环控制的思想，不停的循环计算。

交流单相电压采样值和解算余弦量一起输入至乘法器1，乘法器1的输出与解算频率一起输入至周期平均解算器2，周期平均解算器2根据输入的解算频率信号自动求出最近一个周期的乘法器1输出的平均值，即为压差，将该值输入至PID控制器3。

PID控制器3由三个参数构成，分别为比例、积分、微分(这里三个参数分别为180、3200、1)，其输出为角速度。输出一方面输入至积分器4(这里为1/(2π))，另一方面输入至比例器9。

积分器4的输出和常数5(这里为2π)一起输入至相位划分器6。相位划分器6以2π为周期自动把积分器4输出相位映射到[0,2π)区间范围内，其输出为解算相位。

将相位划分器6的输出，一方面输入至正弦生成器7，得到解算正弦量；另一方面输入至余弦生成器(正交波形生成器)8，得到解算余弦量，得到解算正交波形。

比例器9的输出分别经过斜率限制器10、低通滤波器11，便可得到解算频率。

在这里，斜率限制器设定值设为(—12,12)，其目的是把两点数据变化的幅值控制在设定范围内。令斜率为：

k为斜率，x_r为当前采样值，x_s为最近历史数据，a为步长，比较计算斜率是否在设定斜率范围内：

若k＞12，则输出为：x_r+12a；其中，x_r为当前采样值，a为步长；

若k＜-12，则输出为：x_r-12a；

若-12≤k≤12，则输出为当前采样值x_r。

低通滤波器11的设置频率为交流单相电源理论频率的一半。

再将解算相位同时输入至正半周比较器16、正半周比较器17、负半周比较器12和负半周比较器13。

将正半周比较器16设置成：

将正半周期比较器17设置成：

将负半周期比较器12设置成：

将负半周器比较器13设置成：

设置

故正半周比较器16为1.5908、正半周比较器17为1.5508、负半周比较器12为4.7324，负半周比较器13为4.6924。

负半周器比较器12的输出结果与负半周器比较器13的输出结果皆输入至与逻辑判断器14，正半周器比较器16的输出结果与正半周器比较器17的输出结果皆输入至与逻辑判断器18。

与逻辑判断器14的输出结果与交流单相电压的采样值一起输入至选择器15。当与逻辑判断器14输出结果为1时，选择器15输出结果为交流单相电压采样值，当与逻辑判断器14输出结果为0时，选择器15输出结果保持与逻辑判断器14输出结果为1时交流单相电压信号值。

与逻辑判断器18的输出结果与交流单相电压的采样值一起输入至选择器19。当与逻辑判断器18输出结果为1时，选择器19输出结果为交流单相电压采样值，当与逻辑判断器18输出结果为0时，选择器19输出结果保持与逻辑判断器18输出结果为1时交流单相电压信号值。

选择器15与选择器19分别输入至减法器20的负输入端和正输入端，并将减法器20的输出结果输入至比例器21(这里为1/2)，比例器21的输出结果为初始解算幅值。

将比例器21的输出结果分别经过斜率限制器22、低通滤波器23，得到解算幅值。斜率限制器22、低通滤波器23的特性分别与斜率限制器10、低通滤波器11的特性设置相同。

Claims

1.一种交流单相电压幅值的解算方法，其特征在于，包括如下步骤：

所述当前周期的压差的计算过程为：

对所述低频量积分，得到第一低频量积分，对所述低频量积分，得到第二低频量积分，所述第二低频量积分为第一低频量积分延时一个周期；

用所述第一低频量积分减去所述第二低频量积分，得到所述低频量的平均值，然后将所述低频量的平均值乘以所述上一周期的解算频率，得到所述当前周期的压差；

根据当前周期的压差，得到当前周期的角速度；

将所述当前周期的角速度进行积分，得到当前周期的初始解算相位，再由当前周期的初始解算相位得到当前周期的解算相位；

根据所述当前周期的角速度，得到当前周期的解算频率；

2.根据权利要求1所述的交流单相电压幅值的解算方法，其特征在于，解算频率的初值为50Hz，解算余弦量的初值为1。

3.根据权利要求1所述的交流单相电压幅值的解算方法，其特征在于，采集的交流单相电压的正半周期峰值的幅值对应的相位为：

为采样间隔值。

4.根据权利要求1所述的交流单相电压幅值的解算方法，其特征在于，采集的交流单相电压的负半周期峰值的幅值对应的相位为：

为采样间隔值。

5.根据权利要求3或4所述的交流单相电压幅值的解算方法，其特征在于，所述采样间隔值为：

为采样间隔值，T为周期，a为步长。

6.根据权利要求1所述的交流单相电压幅值的解算方法，其特征在于，还包括将得到的当前周期的解算幅值进行斜率限制、低通滤波的步骤。

7.根据权利要求6所述的交流单相电压幅值的解算方法，其特征在于，斜率为：

k为斜率，x_r为当前采样值，x_s为最近历史数据，a为步长。

8.根据权利要求6所述的交流单相电压幅值的解算方法，其特征在于，低通滤波的频率为交流单相电压理论频率的一半。

9.一种交流单相电压幅值的解算装置，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行指令实现如下方法：

所述当前周期的压差的计算过程为：

根据当前周期的压差，得到当前周期的角速度；

根据所述当前周期的角速度，得到当前周期的解算频率；

10.根据权利要求9所述的交流单相电压幅值的解算装置，其特征在于，解算频率的初值为50Hz，解算余弦量的初值为1。

11.根据权利要求9所述的交流单相电压幅值的解算装置，其特征在于，采集的交流单相电压的正半周期峰值的幅值对应的相位为：

为采样间隔值。

12.根据权利要求9所述的交流单相电压幅值的解算装置，其特征在于，采集的交流单相电压的负半周期峰值的幅值对应的相位为：

为采样间隔值。

13.根据权利要求11或12所述的交流单相电压幅值的解算装置，其特征在于，所述采样间隔值为：

为采样间隔值，T为周期，a为步长。

14.根据权利要求9所述的交流单相电压幅值的解算装置，其特征在于，还包括将得到的当前周期的解算幅值进行斜率限制、低通滤波的步骤。

15.根据权利要求14所述的交流单相电压幅值的解算装置，其特征在于，斜率为：

k为斜率，x_r为当前采样值，x_s为最近历史数据，a为步长。

16.根据权利要求14所述的交流单相电压幅值的解算装置，其特征在于，低通滤波的频率为交流单相电压理论频率的一半。