一種改進(jìn)型相序檢測算法

丁穩(wěn)房， 熊俊超， 張　萌, 談　勛, 李志鵬

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

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一種改進(jìn)型相序檢測算法

丁穩(wěn)房， 熊俊超， 張萌, 談勛, 李志鵬

(湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]針對(duì)一般相序檢測算法在輸入電壓頻率波動(dòng)時(shí)無法準(zhǔn)確檢測相序的缺點(diǎn)，提出一種改進(jìn)型相序檢測軟件算法，該算法簡單、實(shí)用，在數(shù)字電路中容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)頻率波動(dòng)有很強(qiáng)的抗干擾特性。通過仿真驗(yàn)證，該算法檢測速度快、可靠性高。

[關(guān)鍵詞]相序檢測 ；軟件算法 ；頻率波動(dòng)

目前，很多電子測試儀器和電力電子裝置對(duì)接入的三相交流電源有相序要求，特別是在電力電子裝置中，其控制程序往往跟輸入電壓相序相關(guān)，一旦接入電壓相序錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障，帶來嚴(yán)重后果。相序檢測方法主要有兩種:硬件檢測和軟件檢測，硬件檢測雖然可靠,但是其檢測速度較慢且需要單獨(dú)設(shè)計(jì)電路，軟件檢測是基于現(xiàn)有硬件基礎(chǔ)上編寫程序,無需額外設(shè)計(jì)電路，減少了成本且提高了檢測速度，現(xiàn)已經(jīng)成為相序檢測的主要手段[1]?，F(xiàn)有的相序檢測軟件算法大多數(shù)都是基于輸入電壓頻率為基準(zhǔn)頻率來進(jìn)行檢測，一旦輸入電壓頻率波動(dòng)，相序檢測就可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤[2]。本文提出一種改進(jìn)型相序檢測軟件算法，克服輸入電壓頻率波動(dòng)造成的干擾，可極大提高相序檢測的快速性和準(zhǔn)確性。

1相序檢測算法數(shù)學(xué)原理

根據(jù)電路知識(shí)，實(shí)際三相交流電壓在接入裝置時(shí)會(huì)有一定的初相角，假設(shè)三相輸入電壓為正序時(shí)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

其中φ為輸入三相電壓初相角，A(t)、B(t)、C(t)分別為實(shí)際三相電壓的瞬時(shí)值。為了實(shí)現(xiàn)相序檢測，需要設(shè)置一組三相交流電壓作為參考電壓[3]，設(shè)參考電壓的相序?yàn)檎颍禐?，角頻率為ω，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(2)

其中a(t)、b(t)、c(t)分別為三相參考電壓的瞬時(shí)值，還需構(gòu)造一種函數(shù)來實(shí)現(xiàn)其相序檢測，其表達(dá)式為

X(t)=A(t)×a(t)+B(t)×b(t)+C(t)×c(t)

(3)

將式(1)和式(2)帶入式(3)中，可得

(4)

由式(4)可知，實(shí)際三相電壓幅值不變，其相序和參考電壓相序保持一致時(shí)，X(t)的值與時(shí)間無關(guān)，為一定值。

若實(shí)際接入的三相電壓相序?yàn)樨?fù)序，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(5)

同理將式(5)帶入式(3)中有

(6)

由以上分析可知，當(dāng)X(t)不隨時(shí)間t改變其值為定值時(shí)，表明實(shí)際三相電壓與參考電壓相序一致，實(shí)際三相電壓相序?yàn)檎?。?dāng)X(t)隨時(shí)間t改變?yōu)橹芷诤瘮?shù)時(shí)，表明實(shí)際三相電壓相序與參考電壓相序相反，實(shí)際三相電壓相序?yàn)樨?fù)序。

2改進(jìn)型相序檢測算法

上述相序檢測算法在原理上可以實(shí)現(xiàn)相序檢測，但其算法前提是實(shí)際三相電壓頻率與參考三相電壓頻率保持一致，未考慮實(shí)際三相電壓頻率波動(dòng)情況。若實(shí)際接入的三相電壓頻率發(fā)生波動(dòng),與參考電壓頻率不一致時(shí),無論實(shí)際三相電壓相序與參考電壓相序是否一致，函數(shù)X(t)均為周期函數(shù)，只是頻率不同。一旦出現(xiàn)這種情況，僅靠X(t)是常值函數(shù)還是周期函數(shù)無法檢測三相電壓的相序，需要將這種算法進(jìn)一步改進(jìn),使其在頻率波動(dòng)時(shí)仍能準(zhǔn)確地檢測出相序。

根據(jù)上述相序檢測原理進(jìn)一步改進(jìn)檢測算法，在原有算法基礎(chǔ)上加入均值濾波算法，即將函數(shù)X(t)進(jìn)行均值計(jì)算，然后再求其絕對(duì)值，可以得到一個(gè)全新函數(shù)[4]，其表達(dá)式為

(7)

(8)

由式(8)可知，若實(shí)際電壓頻率和參考電壓頻率保持一致，實(shí)際電壓相序?yàn)檎驎r(shí)，Y(t)為0，實(shí)際電壓相序?yàn)樨?fù)序時(shí)，Y(t)為周期函數(shù)。若頻率不一致時(shí)，無論相序是正序還是負(fù)序，Y(t)均為周期函數(shù)，但其頻率和幅值不同。根據(jù)上述分析可知，相序不同時(shí)，函數(shù)Y(t)的頻率和幅值均會(huì)發(fā)生改變，且負(fù)序時(shí)函數(shù)Y(t)頻率和幅值均比正序時(shí)大，然而頻率不容易檢測，故以Y(t)的值作為相序判斷的依據(jù)。當(dāng)Y(t)小于某一閾值，實(shí)際三相電壓相序?yàn)檎?；反之，?shí)際電壓相序?yàn)樨?fù)序。

圖1　相序檢測流程圖

根據(jù)上述改進(jìn)型相序檢測算法設(shè)計(jì)軟件流程圖(圖1)。根據(jù)此流程圖，利用C語言編寫程序，可實(shí)現(xiàn)相序檢測功能。為實(shí)現(xiàn)軟件檢測相序功能，首先利用現(xiàn)有硬件電路對(duì)實(shí)際輸入三相電壓進(jìn)行采樣，同時(shí)設(shè)定參考電壓，然后計(jì)算函數(shù)X(t)，再計(jì)算函數(shù)Y(t)。最后通過函數(shù)Y(t)是否超過閾值來判斷相序的正負(fù)序，其算法具體實(shí)現(xiàn)如下：

void Sequence_Judge(void)

{

// 求平方和

Sequence_Temp = (float32)(Vsa * sin(wt)) + (float32)(Vsb * sin(wt-120)) + (float32)(Vsc * sin(wt+120));

// 均值濾波

Sequence_Temp_old = Slide_Sequence_Temp[Vs_VecCnt];

Sequence_Temp_sum = Sequence_Temp_sum + Sequence_Temp - Sequence_Temp_old ;

Slide_Sequence_Temp[Vs_VecCnt]= Sequence_Temp ;

Sequence_Temp_dc = (float32)(Sequence_Temp_sum/192) ;

Sequence_fil = Sequence_Temp - Sequence_Temp_dc;

// 求絕對(duì)值

Abs_Sequence = abs(Sequence_fil);

if (GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIO56) // 開機(jī)按鈕按下后的1s之內(nèi)為高電平

{

if( Abs_Sequence < 250 )

{

Sequence_Flag = 1;

}

else

{

Sequence_Flag = 0;

}

}

else

{

Sequence_Flag = 1;

}

3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文利用MATLAB中的SIMULINK對(duì)上述改進(jìn)型算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。要驗(yàn)證該算法的有效性必須考慮到輸入三相電壓會(huì)存在多種情況，這里主要針對(duì)四種情況進(jìn)行仿真驗(yàn)證。第一種情況實(shí)際輸入三相電壓頻率和參考電壓頻率相同，均為50 Hz,且輸入三相線電壓為額定電壓380 V，其仿真結(jié)果見圖2。第二種情況實(shí)際三相電壓頻率比參考電壓頻率低，考慮實(shí)際取邊界值為45 Hz，三相線電壓為額定值380 V，其仿真結(jié)果見圖3。同理，第三種情況下，實(shí)際三相電壓頻率為55 Hz,電壓為額定380 V，其仿真結(jié)果見圖4。最后一種情況下，實(shí)際三相電壓頻率為45 Hz，線電壓為340 V，其仿真結(jié)果見圖5。

(a)正序

(b)負(fù)序圖 2　實(shí)際三相電壓為380 V/50 Hz時(shí)，函數(shù)Y(t)曲線

(a)正序

(b)負(fù)序圖 3　實(shí)際三相電壓為380 V/45 Hz時(shí)，函數(shù)Y(t)曲線

(a)正序

(b)負(fù)序圖 4　實(shí)際三相電壓為380 V/55 Hz時(shí)，函數(shù)Y(t)曲線

(a)正序

(b)負(fù)序圖 5　實(shí)際三相電壓為340 V/45 Hz時(shí)，函數(shù)Y(t)曲線

由上述仿真結(jié)果可以看出Y(t)幅值大小可以作為相序檢測判斷依據(jù)。考慮實(shí)際情況，系統(tǒng)對(duì)輸入電壓大小和頻率進(jìn)行采樣至少有一個(gè)周期延時(shí)，故Y(t)應(yīng)該取0.02 s以后的值作為判斷根據(jù)，其合理閾值有一定范圍，這里取其值為250。當(dāng)Y(t)<250時(shí)相序?yàn)檎颍?dāng)Y(t)>250時(shí)相序?yàn)樨?fù)序，故程序中閾值可以取250。

4結(jié)論

本文研究的改進(jìn)型相序檢測軟件算法可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)。仿真結(jié)果表明該算法在2-3周期就可以準(zhǔn)確檢測相序，且對(duì)頻率波動(dòng)的抗干擾性強(qiáng)。該算法已經(jīng)成功運(yùn)用于一臺(tái)6kW變頻器相序檢測，運(yùn)行半年以來未出現(xiàn)過一次檢測失誤，驗(yàn)證該算法可靠性高，可應(yīng)用于各類相序檢測電路中。

[參考文獻(xiàn)]

[1]侯兆然.基于DSP的電源相序檢測及斷相保護(hù)方法[J].機(jī)電元件，2011，16(5):26-28.

[2]盛占石,何婷婷.三相電源過零檢測及相序自適應(yīng)新方法[J].現(xiàn)代科學(xué)器,2013,13(4):53-57.

[3]張宋超.一種數(shù)字式可控整流電路相序相位檢測方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2009,16(5):21-25.

[4]杜海江.相序相位自適應(yīng)相控整流器原理分析及實(shí)現(xiàn)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2005,2(10):32-37.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

An Improved Phase Sequence Detection Algorithm

DING Wenfang ,XIONG Junchao ,ZHANG Meng,TAN Xun ,LI Zhipeng

(SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：Since the general phase sequence detection algorithm can not accurately detect the phase sequence of the shortcomings in the input voltage and frequency fluctuations, this paper proposed a modified phase sequence detection software algorithms. The algorithm is simple, practical and easy to implement in digital circuits. Frequency fluctuations have strong anti-jamming features. The simulation proves the fast detection speed and high reliability of the algorithm.

Keywords：phase sequence detection；software algorithms；frequency fluctuations

[中圖分類號(hào)]TM464

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]：A

[文章編號(hào)]1003-4684(2016)01-0051-04

[作者簡介]丁穩(wěn)房(1966-)， 男，湖北麻城人，工學(xué)碩士，湖北工業(yè)大學(xué)副教授， 研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化

[收稿日期]2015-04-23