一种A级电压暂态监测装置、方法及系统与流程

本发明涉及电能质量监测技术领域，尤其涉及一种a级电压暂态监测装置、方法及系统。

背景技术：

根据iec61000-4-30以及国家标准对a级电能质量监测装置的暂态功能要求：a级电能质量监测装置必须采用半周波刷新的一周波有效值进行判断，并且该半周波刷新的一周波有效值必须为基波过零同步的。目前主流厂家中绝大多数并没有实现这个要求或者采用数字滤波加二分法的形式进行基波过零同步。采用数字滤波加二分法进行基波过零同步实现复杂并且大大增加了处理器的负荷。

技术实现要素：

本发明提供了一种a级电压暂态监测装置，包括采样模块、谐波分析模块、三相基波过零点定位模块、基波过零同步半波有效值计算模块、暂态启动结束判断以及残压持续时间计算模块；

所述采样模块负责电压信号的采样；

所述谐波分析模块负责谐波的分析；

所述三相基波过零点定位模块从谐波分析模块获取三相基波电压的基波分量实部与虚部并计算出三相电压的基波过零点的位置；

所述基波过零同步半波有效值计算模块根据基波过零点在半波中的位置计算基波过零同步半波值以及新旧过零半波值之间的同步；

所述暂态启动结束判断以及残压持续时间计算模块负责基于基波过零点的暂态启动结束判断以及残压和持续时间的计算。

作为本发明的进一步改进，采样模块采集的数据存储在2个设定数量周波的数据缓存中，暂态启动结束判断以及残压持续时间计算模块和谐波分析模块共同从这2个数据缓存中提取数据进行分析，在一片缓存区中包含多个暂态分析的半周波数据，每次采样模块完成半周波采样后暂态启动结束判断以及残压持续时间计算模块立即进行暂态分析，每次当采样模块存满一个采样缓存区时谐波分析模块提取这个缓存区的数据进行谐波分析。

作为本发明的进一步改进，所述谐波分析模块在采样模块采集满设定数量周波采样数据后，开始进行谐波的分析，谐波分析模块分析出的基波分量的实部和虚部传送给基波过零同步半波有效值计算模块。

作为本发明的进一步改进，所述设定数量周波为额定频率为50hz时为10周波，或者额定频率为60hz时为12周波。

作为本发明的进一步改进，在所述暂态启动结束判断以及残压持续时间计算模块，暂态开始和结束时刻的计算方法为：根据当前半波采样最后一点的时刻以及当前相别基波过零点的位置计算基波过零点的时刻，具体计算公式如下：

其中tstart/end为启动结束时刻，thalf为半周波采样结束时刻的时间，f为系统频率，nhalf为半周波采样点数，nzero为基波过零点的位置，持续时间由结束时间减去开始时间得到。

本发明还提供了一种a级电压暂态监测方法，包括暂态启动结束判断与特征值计算步骤，在所述暂态启动结束判断与特征值计算步骤中包括依次执行如下步骤：

获取步骤，获取三相基波过零同步半波有效值以及基波过零点位置；

排列步骤，根据三相基波过零点的位置排列三相的判断顺序；

判断以及特征值计算更新步骤，根据三相过零点的顺序，判断当前暂态是否启动，若暂态未启动则进行启动判断并初始化特征值，若暂态已启动则进行暂态结束判断并更新特征值和持续时间。

本发明还公开了一种a级电压暂态监测系统，包括暂态启动结束判断与特征值计算模块，在所述暂态启动结束判断与特征值计算模块中包括：

获取模块，获取三相基波过零同步半波有效值以及基波过零点位置；

排列模块，根据三相基波过零点的位置排列三相的判断顺序；

判断以及特征值计算更新模块，根据三相过零点的顺序，判断当前暂态是否启动，若暂态未启动则进行启动判断并初始化特征值，若暂态已启动则进行暂态结束判断并更新特征值和持续时间。

本发明的有益效果是：本发明直接应用谐波分析模块提供的基波分量的实部和虚部进行基波过零点的同步以及基于基波过零点的持续时间以及残余电压的测量。与通过数字滤波器以及二分法进行基波过零同步以及相应的残余电压和持续时间测量相比大大简化了流程，降低了系统的负荷，同时实现了基于基波过零点的残余电压与持续时间的精确测量。

附图说明

图1是本发明的a级电压暂态监测装置的原理框图。

图2是本发明的采样模块采样处理图。

图3是采样缓存1中的a相电压图。

图4是a相基波分量向量图。

图5暂态启动结束逻辑判断以及特征值计算流程图。

图6暂态半波有效值区域划分图。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开了一种a级电压暂态监测装置，包括采样模块、谐波分析模块、三相基波过零点定位模块、基波过零同步半波有效值计算模块、暂态启动结束判断以及残压持续时间计算模块。

采样模块负责电压信号的采样；

谐波分析模块负责谐波的分析；

三相基波过零点定位模块从谐波分析模块获取三相基波电压的基波分量实部与虚部并计算出三相电压的基波过零点的位置；

基波过零同步半波有效值计算模块根据基波过零点在半波中的位置计算基波过零同步半波值以及新旧过零半波值之间的同步；

暂态启动结束判断以及残压持续时间计算模块负责基于基波过零点的暂态启动结束判断以及残压和持续时间的计算。

采样模块进行信号的采集，如图2所示采样模块采集的数据存储在2个设定数量周波(例如额定频率为50hz时为10周波，或者额定频率为60hz时为12周波)的数据缓存中，暂态启动结束判断以及残压持续时间计算模块和谐波分析模块共同从这2个采样数据缓存中提取数据进行分析，在一片缓存区中包含20个暂态分析的半周波数据(额定频率为50hz时为20半周波，或者额定频率为60hz时为24半周波)，每次采样模块完成半周波采样后暂态启动结束判断以及残压持续时间计算模块立即进行暂态分析，每次当采样模块存满一个采样缓存区(即10周波数据)时谐波分析模块提取这个缓存区的数据进行谐波分析。

谐波分析模块在采样模块采集满设定数量(10周波，标准中有明确规定必须是10周波)采样数据后，开始进行谐波的分析，谐波分析模块分析出的基波分量的实部和虚部传送给基波过零同步半波有效值计算模块。如图3所示当采样模块完成a相电压的10周波采样并把它存储在缓存1中，对缓存1中的10个周波的进行谐波分析，由于a级谐波分析中采用的是10个周波作为分量，因此系统实际的基波分量应该为谐波分析结果的10次分量。

谐波分析结果为实部和虚部的形式，由实部和虚部转换为正弦相位的推导过程为：

周期信号可以分解为式1形式的傅里叶级数

由欧拉公式可得

可将式(1)化为fft计算后的频谱形式

对于离散傅里叶有

令fft计算后的n次频谱的实部和虚部分别为ren,imn则由式(3)和(4)可知

式(1)可以化为式(5)的形式

由向量的实部和虚部计算向量的相位的公式如下：

由相位确定基波过零点在半波中的位置的计算公式如下：

其中nzero为基波过零点在半波中的位置，n为每周波的采样点数，re和im分别为基波分量的实部和虚部。

如图3所示的a相电压，谐波分析后其实部和虚部分别为 和 根据公式7其相位为 根据公式8其基波过零点在半波中的位置为

三相基波过零点定位模块计算出三相的基波过零点后，将基波过零点传送给基波过零同步半波有效值计算模块，基波过零同步半波有效值计算模块根据基波过零点的位置进行基波过零同步半波有效值计算，以图3所示的a相电压为例，a相电压的基波过零点位于半波的 处，因此取当前半波 点之前一周波采样点计算基波过零的半波有效值。对于b，c两相分别根据其基波过零点的位置往前推一周波采样点进行半波有效值的计算。

暂态启动结束判断以及残压持续时间计算模块流程如图5所示。

如图5所示，本发明公开了一种a级电压暂态监测方法，包括暂态启动结束判断与特征值计算步骤，在所述暂态启动结束判断与特征值计算步骤中包括依次执行如下步骤：

获取步骤，获取三相基波过零同步半波有效值以及基波过零点位置；

排列步骤，根据三相基波过零点的位置排列三相的判断顺序；

判断以及特征值计算更新步骤，根据三相过零点的顺序，判断当前暂态是否启动，若暂态未启动则进行启动判断并初始化特征值，若暂态已启动则进行暂态结束判断并更新特征值和持续时间。

暂态事件分为3种：暂升、暂降和中断，三种暂态事件的监测流程完全按照图5进行，只是启动和结束的逻辑存在区别。暂态启动结束逻辑判断以及残压持续时间计算模块接收3相半周波有效值以及3相基波过零点的位置，根据3相基波过零点的先后位置分别对3相半周波的判断顺序进行排列。例如a,b,c三相的基波过零点位置分别为： 0、 则根据过零点的位置先后按照b、c、a的顺序对每一相进行暂态启动结束的判断以及特征值的计算。在本例中首先对b相进行暂态启动结束的判断以及特征值的计算。首先根据获取到的b相半波有效值进行当前半波有效值所属区域的判断，在暂态监测中半波有效值分为3个区域：动作区域、迟滞区域和返回区域，暂升、暂降和中断的3个区域的划分如图6所示，在本例中额定电压为100v，暂降阈值为10％，暂降迟滞值为2％，则暂降动作阈值为90v,返回值为92v。当半波有效值小于90v时半波值处于动作区域；当半波有效值大于92v时处于返回区域；当半波有效值大于90v小于92v时处于迟滞区域。判断完成当前半波有效值所属区域后，如果当前不处于暂态状态则根据当前半波有效值所属区域进行暂态启动的判断，如果当前已处于暂态状态则进行特征值的更新和暂态结束的判断。其中暂升特征值取的是暂升过程中三相的最大值，暂降和中断取的是暂降和中断过程中的半波有效值最小值。暂升、暂降和中断的判断逻辑如表1所示。

表1暂升、暂降和中断的启动结束条件

整个基波过零同步的流程如图1所示，首先基波过零同步半波有效值计算模块监测谐波分析模块是否有更新基波分量，当谐波分析模块未更新基波分量的实部和虚部时，基波过零同步半波有效值计算模块直接应用已同步的过零点进行半周波有效值的计算。当谐波分析模块已经更新基波分量的实部和虚部时，基波过零同步半波有效值计算模块根据上式计算基波过零点在半波中的位置。在找到3个新的基波过零点之前，根据同步前的过零点进行半波有效值的计算，在找到3个新的基波过零点之后切换到新的基波过零点进行半周波有效值的计算。基波过零同步半波有效值计算模块将基波同步的半周波有效值以及基波过零点在半周波中的位置传递给暂态启动结束判断以及残压持续时间计算模块进行计算。

暂态启动结束判断以及残压持续时间计算模块接收来自基波过零同步半波有效值计算模块的基波同步半周波有效值、基波过零点位置进行暂态启动与结束的判断。暂态逻辑判断模块的流程如图5所示。首先、暂态逻辑判断模块根据基波过零点的先后顺序对a、b、c三相进行判断顺序的排列，根据相别判断顺序的排列依次对每个相别进行所属区域的判断以及暂态启动与结束的判断。

在监测到暂态的开始和结束后需要记录触发和结束相别基波过零点处的时刻以及持续时间。暂态开始和结束时刻的计算方法为：根据当前半波采样最后一点的时刻以及当前相别基波过零点的位置计算基波过零点的时刻，具体计算公式如下：

其中tstart/end为启动结束时刻，thalf为半周波采样结束时刻的时间，f为系统频率，nhalf为半周波采样点数，nzero为基波过零点的位置。

持续时间由结束时间减去开始时间得到。

本发明还公开了一种a级电压暂态监测系统，包括暂态启动结束判断与特征值计算模块，在所述暂态启动结束判断与特征值计算模块中包括：

获取模块，获取三相基波过零同步半波有效值以及基波过零点位置；

排列模块，根据三相基波过零点的位置排列三相的判断顺序；

判断以及特征值计算更新模块，根据三相过零点的顺序，判断当前暂态是否启动，若暂态未启动则进行启动判断并初始化特征值，若暂态已启动则进行暂态结束判断并更新特征值和持续时间。

标准要求a级电能质量监测装置必须具体谐波监测功能，本发明提出了一种直接应用谐波分析模块提供的基波分量的实部和虚部进行基波过零同步的a级暂态监测技术，大大简化了基波过零同步的过程、降低了系统的负荷，并且实现了基于3相电压基波过零点的暂态启动结束判断以及残压和持续时间的计算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明直接应用谐波分析模块提供的基波分量的实部和虚部进行基波过零点的同步以及基于基波过零点的持续时间以及残余电压的测量。与通过数字滤波器以及二分法进行基波过零同步以及相应的残余电压和持续时间测量相比大大简化了流程，降低了系统的负荷，同时实现了基于基波过零点的残余电压与持续时间的精确测量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。