本發明涉及電能質量監測技術領域，尤其涉及一種a級電壓暫態監測裝置、方法及系統。

背景技術：

根據iec61000-4-30以及國家標準對a級電能質量監測裝置的暫態功能要求：a級電能質量監測裝置必須采用半周波刷新的一周波有效值進行判斷，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并沒有實現這個要求或者采用數字濾波加二分法的形式進行基波過零同步。采用數字濾波加二分法進行基波過零同步實現復雜并且大大增加了處理器的負荷。

技術實現要素：

本發明提供了一種a級電壓暫態監測裝置，包括采樣模塊、諧波分析模塊、三相基波過零點定位模塊、基波過零同步半波有效值計算模塊、暫態啟動結束判斷以及殘壓持續時間計算模塊；

所述采樣模塊負責電壓信號的采樣；

所述諧波分析模塊負責諧波的分析；

所述三相基波過零點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部與虛部并計算出三相電壓的基波過零點的位置；

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

所述暫態啟動結束判斷以及殘壓持續時間計算模塊負責基于基波過零點的暫態啟動結束判斷以及殘壓和持續時間的計算。

作為本發明的進一步改進，采樣模塊采集的數據存儲在2個設定數量周波的數據緩存中，暫態啟動結束判斷以及殘壓持續時間計算模塊和諧波分析模塊共同從這2個數據緩存中提取數據進行分析，在一片緩存區中包含多個暫態分析的半周波數據，每次采樣模塊完成半周波采樣后暫態啟動結束判斷以及殘壓持續時間計算模塊立即進行暫態分析，每次當采樣模塊存滿一個采樣緩存區時諧波分析模塊提取這個緩存區的數據進行諧波分析。

作為本發明的進一步改進，所述諧波分析模塊在采樣模塊采集滿設定數量周波采樣數據后，開始進行諧波的分析，諧波分析模塊分析出的基波分量的實部和虛部傳送給基波過零同步半波有效值計算模塊。

作為本發明的進一步改進，所述設定數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。

作為本發明的進一步改進，在所述暫態啟動結束判斷以及殘壓持續時間計算模塊，暫態開始和結束時刻的計算方法為：根據當前半波采樣最后一點的時刻以及當前相別基波過零點的位置計算基波過零點的時刻，具體計算公式如下：

其中tstart/end為啟動結束時刻，thalf為半周波采樣結束時刻的時間，f為系統頻率，nhalf為半周波采樣點數，nzero為基波過零點的位置，持續時間由結束時間減去開始時間得到。

本發明還提供了一種a級電壓暫態監測方法，包括暫態啟動結束判斷與特征值計算步驟，在所述暫態啟動結束判斷與特征值計算步驟中包括依次執行如下步驟：

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位置；

排列步驟，根據三相基波過零點的位置排列三相的判斷順序；

判斷以及特征值計算更新步驟，根據三相過零點的順序，判斷當前暫態是否啟動，若暫態未啟動則進行啟動判斷并初始化特征值，若暫態已啟動則進行暫態結束判斷并更新特征值和持續時間。

本發明還公開了一種a級電壓暫態監測系統，包括暫態啟動結束判斷與特征值計算模塊，在所述暫態啟動結束判斷與特征值計算模塊中包括：

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位置；

排列模塊，根據三相基波過零點的位置排列三相的判斷順序；

判斷以及特征值計算更新模塊，根據三相過零點的順序，判斷當前暫態是否啟動，若暫態未啟動則進行啟動判斷并初始化特征值，若暫態已啟動則進行暫態結束判斷并更新特征值和持續時間。

本發明的有益效果是：本發明直接應用諧波分析模塊提供的基波分量的實部和虛部進行基波過零點的同步以及基于基波過零點的持續時間以及殘余電壓的測量。與通過數字濾波器以及二分法進行基波過零同步以及相應的殘余電壓和持續時間測量相比大大簡化了流程，降低了系統的負荷，同時實現了基于基波過零點的殘余電壓與持續時間的精確測量。

附圖說明

圖1是本發明的a級電壓暫態監測裝置的原理框圖。

圖2是本發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暫態啟動結束邏輯判斷以及特征值計算流程圖。

圖6暫態半波有效值區域劃分圖。

具體實施方式

如圖1所示，本發明公開了一種a級電壓暫態監測裝置，包括采樣模塊、諧波分析模塊、三相基波過零點定位模塊、基波過零同步半波有效值計算模塊、暫態啟動結束判斷以及殘壓持續時間計算模塊。

采樣模塊負責電壓信號的采樣；

諧波分析模塊負責諧波的分析；

三相基波過零點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部與虛部并計算出三相電壓的基波過零點的位置；

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

暫態啟動結束判斷以及殘壓持續時間計算模塊負責基于基波過零點的暫態啟動結束判斷以及殘壓和持續時間的計算。

采樣模塊進行信號的采集，如圖2所示采樣模塊采集的數據存儲在2個設定數量周波(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)的數據緩存中，暫態啟動結束判斷以及殘壓持續時間計算模塊和諧波分析模塊共同從這2個采樣數據緩存中提取數據進行分析，在一片緩存區中包含20個暫態分析的半周波數據(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啟動結束判斷以及殘壓持續時間計算模塊立即進行暫態分析，每次當采樣模塊存滿一個采樣緩存區(即10周波數據)時諧波分析模塊提取這個緩存區的數據進行諧波分析。

諧波分析模塊在采樣模塊采集滿設定數量(10周波，標準中有明確規定必須是10周波)采樣數據后，開始進行諧波的分析，諧波分析模塊分析出的基波分量的實部和虛部傳送給基波過零同步半波有效值計算模塊。如圖3所示當采樣模塊完成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，因此系統實際的基波分量應該為諧波分析結果的10次分量。

諧波分析結果為實部和虛部的形式，由實部和虛部轉換為正弦相位的推導過程為：

周期信號可以分解為式1形式的傅里葉級數

由歐拉公式可得

可將式(1)化為fft計算后的頻譜形式

對于離散傅里葉有

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

式(1)可以化為式(5)的形式

由向量的實部和虛部計算向量的相位的公式如下：

由相位確定基波過零點在半波中的位置的計算公式如下：

其中nzero為基波過零點在半波中的位置，n為每周波的采樣點數，re和im分別為基波分量的實部和虛部。

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

三相基波過零點定位模塊計算出三相的基波過零點后，將基波過零點傳送給基波過零同步半波有效值計算模塊，基波過零同步半波有效值計算模塊根據基波過零點的位置進行基波過零同步半波有效值計算，以圖3所示的a相電壓為例，a相電壓的基波過零點位于半波的處，因此取當前半波點之前一周波采樣點計算基波過零的半波有效值。對于b，c兩相分別根據其基波過零點的位置往前推一周波采樣點進行半波有效值的計算。

暫態啟動結束判斷以及殘壓持續時間計算模塊流程如圖5所示。

如圖5所示，本發明公開了一種a級電壓暫態監測方法，包括暫態啟動結束判斷與特征值計算步驟，在所述暫態啟動結束判斷與特征值計算步驟中包括依次執行如下步驟：

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位置；

排列步驟，根據三相基波過零點的位置排列三相的判斷順序；

判斷以及特征值計算更新步驟，根據三相過零點的順序，判斷當前暫態是否啟動，若暫態未啟動則進行啟動判斷并初始化特征值，若暫態已啟動則進行暫態結束判斷并更新特征值和持續時間。

暫態事件分為3種：暫升、暫降和中斷，三種暫態事件的監測流程完全按照圖5進行，只是啟動和結束的邏輯存在區別。暫態啟動結束邏輯判斷以及殘壓持續時間計算模塊接收3相半周波有效值以及3相基波過零點的位置，根據3相基波過零點的先后位置分別對3相半周波的判斷順序進行排列。例如a,b,c三相的基波過零點位置分別為：0、則根據過零點的位置先后按照b、c、a的順序對每一相進行暫態啟動結束的判斷以及特征值的計算。在本例中首先對b相進行暫態啟動結束的判斷以及特征值的計算。首先根據獲取到的b相半波有效值進行當前半波有效值所屬區域的判斷，在暫態監測中半波有效值分為3個區域：動作區域、遲滯區域和返回區域，暫升、暫降和中斷的3個區域的劃分如圖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。當半波有效值小于90v時半波值處于動作區域；當半波有效值大于92v時處于返回區域；當半波有效值大于90v小于92v時處于遲滯區域。判斷完成當前半波有效值所屬區域后，如果當前不處于暫態狀態則根據當前半波有效值所屬區域進行暫態啟動的判斷，如果當前已處于暫態狀態則進行特征值的更新和暫態結束的判斷。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算模塊監測諧波分析模塊是否有更新基波分量，當諧波分析模塊未更新基波分量的實部和虛部時，基波過零同步半波有效值計算模塊直接應用已同步的過零點進行半周波有效值的計算。當諧波分析模塊已經更新基波分量的實部和虛部時，基波過零同步半波有效值計算模塊根據上式計算基波過零點在半波中的位置。在找到3個新的基波過零點之前，根據同步前的過零點進行半波有效值的計算，在找到3個新的基波過零點之后切換到新的基波過零點進行半周波有效值的計算。基波過零同步半波有效值計算模塊將基波同步的半周波有效值以及基波過零點在半周波中的位置傳遞給暫態啟動結束判斷以及殘壓持續時間計算模塊進行計算。

暫態啟動結束判斷以及殘壓持續時間計算模塊接收來自基波過零同步半波有效值計算模塊的基波同步半周波有效值、基波過零點位置進行暫態啟動與結束的判斷。暫態邏輯判斷模塊的流程如圖5所示。首先、暫態邏輯判斷模塊根據基波過零點的先后順序對a、b、c三相進行判斷順序的排列，根據相別判斷順序的排列依次對每個相別進行所屬區域的判斷以及暫態啟動與結束的判斷。

在監測到暫態的開始和結束后需要記錄觸發和結束相別基波過零點處的時刻以及持續時間。暫態開始和結束時刻的計算方法為：根據當前半波采樣最后一點的時刻以及當前相別基波過零點的位置計算基波過零點的時刻，具體計算公式如下：

其中tstart/end為啟動結束時刻，thalf為半周波采樣結束時刻的時間，f為系統頻率，nhalf為半周波采樣點數，nzero為基波過零點的位置。

持續時間由結束時間減去開始時間得到。

本發明還公開了一種a級電壓暫態監測系統，包括暫態啟動結束判斷與特征值計算模塊，在所述暫態啟動結束判斷與特征值計算模塊中包括：

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位置；

排列模塊，根據三相基波過零點的位置排列三相的判斷順序；

判斷以及特征值計算更新模塊，根據三相過零點的順序，判斷當前暫態是否啟動，若暫態未啟動則進行啟動判斷并初始化特征值，若暫態已啟動則進行暫態結束判斷并更新特征值和持續時間。

標準要求a級電能質量監測裝置必須具體諧波監測功能，本發明提出了一種直接應用諧波分析模塊提供的基波分量的實部和虛部進行基波過零同步的a級暫態監測技術，大大簡化了基波過零同步的過程、降低了系統的負荷，并且實現了基于3相電壓基波過零點的暫態啟動結束判斷以及殘壓和持續時間的計算。

與現有技術相比，本發明的有益效果是本發明直接應用諧波分析模塊提供的基波分量的實部和虛部進行基波過零點的同步以及基于基波過零點的持續時間以及殘余電壓的測量。與通過數字濾波器以及二分法進行基波過零同步以及相應的殘余電壓和持續時間測量相比大大簡化了流程，降低了系統的負荷，同時實現了基于基波過零點的殘余電壓與持續時間的精確測量。

以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。