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]針對一般相序檢測算法在輸入電壓頻率波動時(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)，對頻率波動有很強(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

目前，很多電子測試儀器和電力電子裝置對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]。現(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，相序檢測就可能會出現(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，實(shí)際三相交流電壓在接入裝置時(shí)會有一定的初相角，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?，幅值?，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情況。若實(shí)際接入的三相電壓頻率發(fā)生波動,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存在多種情況，這里主要針對四種情況進(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)?？紤]實(shí)際情況，系統(tǒng)對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?，?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，且對頻率波動的抗干擾性強(qiáng)。該算法已經(jīng)成功運(yùn)用于一臺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)]

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[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.

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[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]TM464

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]：A

[文章編號]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)及其自動化

[收稿日期]2015-04-23