本發(fā)明涉及電能質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種a級電壓暫態(tài)監(jiān)測裝置、方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

根據(jù)iec61000-4-30以及國家標(biāo)準(zhǔn)對a級電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的暫態(tài)功能要求：a級電能質(zhì)量監(jiān)測裝置必須采用半周波刷新的一周波有效值進(jìn)行判斷，并且該半周波刷新的一周波有效值必須為基波過零同步的。目前主流廠家中絕大多數(shù)并沒有實(shí)現(xiàn)這個要求或者采用數(shù)字濾波加二分法的形式進(jìn)行基波過零同步。采用數(shù)字濾波加二分法進(jìn)行基波過零同步實(shí)現(xiàn)復(fù)雜并且大大增加了處理器的負(fù)荷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種a級電壓暫態(tài)監(jiān)測裝置，包括采樣模塊、諧波分析模塊、三相基波過零點(diǎn)定位模塊、基波過零同步半波有效值計(jì)算模塊、暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓持續(xù)時間計(jì)算模塊；

所述采樣模塊負(fù)責(zé)電壓信號的采樣；

所述諧波分析模塊負(fù)責(zé)諧波的分析；

所述三相基波過零點(diǎn)定位模塊從諧波分析模塊獲取三相基波電壓的基波分量實(shí)部與虛部并計(jì)算出三相電壓的基波過零點(diǎn)的位置；

所述基波過零同步半波有效值計(jì)算模塊根據(jù)基波過零點(diǎn)在半波中的位置計(jì)算基波過零同步半波值以及新舊過零半波值之間的同步；

所述暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓持續(xù)時間計(jì)算模塊負(fù)責(zé)基于基波過零點(diǎn)的暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓和持續(xù)時間的計(jì)算。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，采樣模塊采集的數(shù)據(jù)存儲在2個設(shè)定數(shù)量周波的數(shù)據(jù)緩存中，暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓持續(xù)時間計(jì)算模塊和諧波分析模塊共同從這2個數(shù)據(jù)緩存中提取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在一片緩存區(qū)中包含多個暫態(tài)分析的半周波數(shù)據(jù)，每次采樣模塊完成半周波采樣后暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓持續(xù)時間計(jì)算模塊立即進(jìn)行暫態(tài)分析，每次當(dāng)采樣模塊存滿一個采樣緩存區(qū)時諧波分析模塊提取這個緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述諧波分析模塊在采樣模塊采集滿設(shè)定數(shù)量周波采樣數(shù)據(jù)后，開始進(jìn)行諧波的分析，諧波分析模塊分析出的基波分量的實(shí)部和虛部傳送給基波過零同步半波有效值計(jì)算模塊。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述設(shè)定數(shù)量周波為額定頻率為50hz時為10周波，或者額定頻率為60hz時為12周波。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在所述暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓持續(xù)時間計(jì)算模塊，暫態(tài)開始和結(jié)束時刻的計(jì)算方法為：根據(jù)當(dāng)前半波采樣最后一點(diǎn)的時刻以及當(dāng)前相別基波過零點(diǎn)的位置計(jì)算基波過零點(diǎn)的時刻，具體計(jì)算公式如下：

其中tstart/end為啟動結(jié)束時刻，thalf為半周波采樣結(jié)束時刻的時間，f為系統(tǒng)頻率，nhalf為半周波采樣點(diǎn)數(shù)，nzero為基波過零點(diǎn)的位置，持續(xù)時間由結(jié)束時間減去開始時間得到。

本發(fā)明還提供了一種a級電壓暫態(tài)監(jiān)測方法，包括暫態(tài)啟動結(jié)束判斷與特征值計(jì)算步驟，在所述暫態(tài)啟動結(jié)束判斷與特征值計(jì)算步驟中包括依次執(zhí)行如下步驟：

獲取步驟，獲取三相基波過零同步半波有效值以及基波過零點(diǎn)位置；

排列步驟，根據(jù)三相基波過零點(diǎn)的位置排列三相的判斷順序；

判斷以及特征值計(jì)算更新步驟，根據(jù)三相過零點(diǎn)的順序，判斷當(dāng)前暫態(tài)是否啟動，若暫態(tài)未啟動則進(jìn)行啟動判斷并初始化特征值，若暫態(tài)已啟動則進(jìn)行暫態(tài)結(jié)束判斷并更新特征值和持續(xù)時間。

本發(fā)明還公開了一種a級電壓暫態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，包括暫態(tài)啟動結(jié)束判斷與特征值計(jì)算模塊，在所述暫態(tài)啟動結(jié)束判斷與特征值計(jì)算模塊中包括：

獲取模塊，獲取三相基波過零同步半波有效值以及基波過零點(diǎn)位置；

排列模塊，根據(jù)三相基波過零點(diǎn)的位置排列三相的判斷順序；

判斷以及特征值計(jì)算更新模塊，根據(jù)三相過零點(diǎn)的順序，判斷當(dāng)前暫態(tài)是否啟動，若暫態(tài)未啟動則進(jìn)行啟動判斷并初始化特征值，若暫態(tài)已啟動則進(jìn)行暫態(tài)結(jié)束判斷并更新特征值和持續(xù)時間。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明直接應(yīng)用諧波分析模塊提供的基波分量的實(shí)部和虛部進(jìn)行基波過零點(diǎn)的同步以及基于基波過零點(diǎn)的持續(xù)時間以及殘余電壓的測量。與通過數(shù)字濾波器以及二分法進(jìn)行基波過零同步以及相應(yīng)的殘余電壓和持續(xù)時間測量相比大大簡化了流程，降低了系統(tǒng)的負(fù)荷，同時實(shí)現(xiàn)了基于基波過零點(diǎn)的殘余電壓與持續(xù)時間的精確測量。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的a級電壓暫態(tài)監(jiān)測裝置的原理框圖。

圖2是本發(fā)明的采樣模塊采樣處理圖。

圖3是采樣緩存1中的a相電壓圖。

圖4是a相基波分量向量圖。

圖5暫態(tài)啟動結(jié)束邏輯判斷以及特征值計(jì)算流程圖。

圖6暫態(tài)半波有效值區(qū)域劃分圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明公開了一種a級電壓暫態(tài)監(jiān)測裝置，包括采樣模塊、諧波分析模塊、三相基波過零點(diǎn)定位模塊、基波過零同步半波有效值計(jì)算模塊、暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓持續(xù)時間計(jì)算模塊。

采樣模塊負(fù)責(zé)電壓信號的采樣；

諧波分析模塊負(fù)責(zé)諧波的分析；

三相基波過零點(diǎn)定位模塊從諧波分析模塊獲取三相基波電壓的基波分量實(shí)部與虛部并計(jì)算出三相電壓的基波過零點(diǎn)的位置；

基波過零同步半波有效值計(jì)算模塊根據(jù)基波過零點(diǎn)在半波中的位置計(jì)算基波過零同步半波值以及新舊過零半波值之間的同步；

暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓持續(xù)時間計(jì)算模塊負(fù)責(zé)基于基波過零點(diǎn)的暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓和持續(xù)時間的計(jì)算。

采樣模塊進(jìn)行信號的采集，如圖2所示采樣模塊采集的數(shù)據(jù)存儲在2個設(shè)定數(shù)量周波(例如額定頻率為50hz時為10周波，或者額定頻率為60hz時為12周波)的數(shù)據(jù)緩存中，暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓持續(xù)時間計(jì)算模塊和諧波分析模塊共同從這2個采樣數(shù)據(jù)緩存中提取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在一片緩存區(qū)中包含20個暫態(tài)分析的半周波數(shù)據(jù)(額定頻率為50hz時為20半周波，或者額定頻率為60hz時為24半周波)，每次采樣模塊完成半周波采樣后暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓持續(xù)時間計(jì)算模塊立即進(jìn)行暫態(tài)分析，每次當(dāng)采樣模塊存滿一個采樣緩存區(qū)(即10周波數(shù)據(jù))時諧波分析模塊提取這個緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行諧波分析。

諧波分析模塊在采樣模塊采集滿設(shè)定數(shù)量(10周波，標(biāo)準(zhǔn)中有明確規(guī)定必須是10周波)采樣數(shù)據(jù)后，開始進(jìn)行諧波的分析，諧波分析模塊分析出的基波分量的實(shí)部和虛部傳送給基波過零同步半波有效值計(jì)算模塊。如圖3所示當(dāng)采樣模塊完成a相電壓的10周波采樣并把它存儲在緩存1中，對緩存1中的10個周波的進(jìn)行諧波分析，由于a級諧波分析中采用的是10個周波作為分量，因此系統(tǒng)實(shí)際的基波分量應(yīng)該為諧波分析結(jié)果的10次分量。

諧波分析結(jié)果為實(shí)部和虛部的形式，由實(shí)部和虛部轉(zhuǎn)換為正弦相位的推導(dǎo)過程為：

周期信號可以分解為式1形式的傅里葉級數(shù)

由歐拉公式可得

可將式(1)化為fft計(jì)算后的頻譜形式

對于離散傅里葉有

令fft計(jì)算后的n次頻譜的實(shí)部和虛部分別為ren,imn則由式(3)和(4)可知

式(1)可以化為式(5)的形式

由向量的實(shí)部和虛部計(jì)算向量的相位的公式如下：

由相位確定基波過零點(diǎn)在半波中的位置的計(jì)算公式如下：

其中nzero為基波過零點(diǎn)在半波中的位置，n為每周波的采樣點(diǎn)數(shù)，re和im分別為基波分量的實(shí)部和虛部。

如圖3所示的a相電壓，諧波分析后其實(shí)部和虛部分別為和根據(jù)公式7其相位為根據(jù)公式8其基波過零點(diǎn)在半波中的位置為

三相基波過零點(diǎn)定位模塊計(jì)算出三相的基波過零點(diǎn)后，將基波過零點(diǎn)傳送給基波過零同步半波有效值計(jì)算模塊，基波過零同步半波有效值計(jì)算模塊根據(jù)基波過零點(diǎn)的位置進(jìn)行基波過零同步半波有效值計(jì)算，以圖3所示的a相電壓為例，a相電壓的基波過零點(diǎn)位于半波的處，因此取當(dāng)前半波點(diǎn)之前一周波采樣點(diǎn)計(jì)算基波過零的半波有效值。對于b，c兩相分別根據(jù)其基波過零點(diǎn)的位置往前推一周波采樣點(diǎn)進(jìn)行半波有效值的計(jì)算。

暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓持續(xù)時間計(jì)算模塊流程如圖5所示。

如圖5所示，本發(fā)明公開了一種a級電壓暫態(tài)監(jiān)測方法，包括暫態(tài)啟動結(jié)束判斷與特征值計(jì)算步驟，在所述暫態(tài)啟動結(jié)束判斷與特征值計(jì)算步驟中包括依次執(zhí)行如下步驟：

獲取步驟，獲取三相基波過零同步半波有效值以及基波過零點(diǎn)位置；

排列步驟，根據(jù)三相基波過零點(diǎn)的位置排列三相的判斷順序；

判斷以及特征值計(jì)算更新步驟，根據(jù)三相過零點(diǎn)的順序，判斷當(dāng)前暫態(tài)是否啟動，若暫態(tài)未啟動則進(jìn)行啟動判斷并初始化特征值，若暫態(tài)已啟動則進(jìn)行暫態(tài)結(jié)束判斷并更新特征值和持續(xù)時間。

暫態(tài)事件分為3種：暫升、暫降和中斷，三種暫態(tài)事件的監(jiān)測流程完全按照圖5進(jìn)行，只是啟動和結(jié)束的邏輯存在區(qū)別。暫態(tài)啟動結(jié)束邏輯判斷以及殘壓持續(xù)時間計(jì)算模塊接收3相半周波有效值以及3相基波過零點(diǎn)的位置，根據(jù)3相基波過零點(diǎn)的先后位置分別對3相半周波的判斷順序進(jìn)行排列。例如a,b,c三相的基波過零點(diǎn)位置分別為：0、則根據(jù)過零點(diǎn)的位置先后按照b、c、a的順序?qū)γ恳幌噙M(jìn)行暫態(tài)啟動結(jié)束的判斷以及特征值的計(jì)算。在本例中首先對b相進(jìn)行暫態(tài)啟動結(jié)束的判斷以及特征值的計(jì)算。首先根據(jù)獲取到的b相半波有效值進(jìn)行當(dāng)前半波有效值所屬區(qū)域的判斷，在暫態(tài)監(jiān)測中半波有效值分為3個區(qū)域：動作區(qū)域、遲滯區(qū)域和返回區(qū)域，暫升、暫降和中斷的3個區(qū)域的劃分如圖6所示，在本例中額定電壓為100v，暫降閾值為10％，暫降遲滯值為2％，則暫降動作閾值為90v,返回值為92v。當(dāng)半波有效值小于90v時半波值處于動作區(qū)域；當(dāng)半波有效值大于92v時處于返回區(qū)域；當(dāng)半波有效值大于90v小于92v時處于遲滯區(qū)域。判斷完成當(dāng)前半波有效值所屬區(qū)域后，如果當(dāng)前不處于暫態(tài)狀態(tài)則根據(jù)當(dāng)前半波有效值所屬區(qū)域進(jìn)行暫態(tài)啟動的判斷，如果當(dāng)前已處于暫態(tài)狀態(tài)則進(jìn)行特征值的更新和暫態(tài)結(jié)束的判斷。其中暫升特征值取的是暫升過程中三相的最大值，暫降和中斷取的是暫降和中斷過程中的半波有效值最小值。暫升、暫降和中斷的判斷邏輯如表1所示。

表1暫升、暫降和中斷的啟動結(jié)束條件

整個基波過零同步的流程如圖1所示，首先基波過零同步半波有效值計(jì)算模塊監(jiān)測諧波分析模塊是否有更新基波分量，當(dāng)諧波分析模塊未更新基波分量的實(shí)部和虛部時，基波過零同步半波有效值計(jì)算模塊直接應(yīng)用已同步的過零點(diǎn)進(jìn)行半周波有效值的計(jì)算。當(dāng)諧波分析模塊已經(jīng)更新基波分量的實(shí)部和虛部時，基波過零同步半波有效值計(jì)算模塊根據(jù)上式計(jì)算基波過零點(diǎn)在半波中的位置。在找到3個新的基波過零點(diǎn)之前，根據(jù)同步前的過零點(diǎn)進(jìn)行半波有效值的計(jì)算，在找到3個新的基波過零點(diǎn)之后切換到新的基波過零點(diǎn)進(jìn)行半周波有效值的計(jì)算。基波過零同步半波有效值計(jì)算模塊將基波同步的半周波有效值以及基波過零點(diǎn)在半周波中的位置傳遞給暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓持續(xù)時間計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算。

暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓持續(xù)時間計(jì)算模塊接收來自基波過零同步半波有效值計(jì)算模塊的基波同步半周波有效值、基波過零點(diǎn)位置進(jìn)行暫態(tài)啟動與結(jié)束的判斷。暫態(tài)邏輯判斷模塊的流程如圖5所示。首先、暫態(tài)邏輯判斷模塊根據(jù)基波過零點(diǎn)的先后順序?qū)、b、c三相進(jìn)行判斷順序的排列，根據(jù)相別判斷順序的排列依次對每個相別進(jìn)行所屬區(qū)域的判斷以及暫態(tài)啟動與結(jié)束的判斷。

在監(jiān)測到暫態(tài)的開始和結(jié)束后需要記錄觸發(fā)和結(jié)束相別基波過零點(diǎn)處的時刻以及持續(xù)時間。暫態(tài)開始和結(jié)束時刻的計(jì)算方法為：根據(jù)當(dāng)前半波采樣最后一點(diǎn)的時刻以及當(dāng)前相別基波過零點(diǎn)的位置計(jì)算基波過零點(diǎn)的時刻，具體計(jì)算公式如下：

其中tstart/end為啟動結(jié)束時刻，thalf為半周波采樣結(jié)束時刻的時間，f為系統(tǒng)頻率，nhalf為半周波采樣點(diǎn)數(shù)，nzero為基波過零點(diǎn)的位置。

持續(xù)時間由結(jié)束時間減去開始時間得到。

本發(fā)明還公開了一種a級電壓暫態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，包括暫態(tài)啟動結(jié)束判斷與特征值計(jì)算模塊，在所述暫態(tài)啟動結(jié)束判斷與特征值計(jì)算模塊中包括：

獲取模塊，獲取三相基波過零同步半波有效值以及基波過零點(diǎn)位置；

排列模塊，根據(jù)三相基波過零點(diǎn)的位置排列三相的判斷順序；

判斷以及特征值計(jì)算更新模塊，根據(jù)三相過零點(diǎn)的順序，判斷當(dāng)前暫態(tài)是否啟動，若暫態(tài)未啟動則進(jìn)行啟動判斷并初始化特征值，若暫態(tài)已啟動則進(jìn)行暫態(tài)結(jié)束判斷并更新特征值和持續(xù)時間。

標(biāo)準(zhǔn)要求a級電能質(zhì)量監(jiān)測裝置必須具體諧波監(jiān)測功能，本發(fā)明提出了一種直接應(yīng)用諧波分析模塊提供的基波分量的實(shí)部和虛部進(jìn)行基波過零同步的a級暫態(tài)監(jiān)測技術(shù)，大大簡化了基波過零同步的過程、降低了系統(tǒng)的負(fù)荷，并且實(shí)現(xiàn)了基于3相電壓基波過零點(diǎn)的暫態(tài)啟動結(jié)束判斷以及殘壓和持續(xù)時間的計(jì)算。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明直接應(yīng)用諧波分析模塊提供的基波分量的實(shí)部和虛部進(jìn)行基波過零點(diǎn)的同步以及基于基波過零點(diǎn)的持續(xù)時間以及殘余電壓的測量。與通過數(shù)字濾波器以及二分法進(jìn)行基波過零同步以及相應(yīng)的殘余電壓和持續(xù)時間測量相比大大簡化了流程，降低了系統(tǒng)的負(fù)荷，同時實(shí)現(xiàn)了基于基波過零點(diǎn)的殘余電壓與持續(xù)時間的精確測量。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。