一種改進型相序檢測算法

丁穩房， 熊俊超， 張　萌, 談　勛, 李志鵬

(湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068)

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一種改進型相序檢測算法

丁穩房， 熊俊超， 張萌, 談勛, 李志鵬

(湖北工業大學電氣與電子工程學院， 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無法準確檢測相序的缺點，提出一種改進型相序檢測軟件算法，該算法簡單、實用，在數字電路中容易實現，對頻率波動有很強的抗干擾特性。通過仿真驗證，該算法檢測速度快、可靠性高。

[關鍵詞]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，一旦接入電壓相序錯誤會導致設備故障，帶來嚴重后果。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設計電路，軟件檢測是基于現有硬件基礎上編寫程序,無需額外設計電路，減少了成本且提高了檢測速度，現已經成為相序檢測的主要手段[1]?，F有的相序檢測軟件算法大多數都是基于輸入電壓頻率為基準頻率來進行檢測，一旦輸入電壓頻率波動，相序檢測就可能會出現錯誤[2]。本文提出一種改進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確性。

1相序檢測算法數學原理

根據電路知識，實際三相交流電壓在接入裝置時會有一定的初相角，假設三相輸入電壓為正序時，其數學表達式為：

(1)

其中φ為輸入三相電壓初相角，A(t)、B(t)、C(t)分別為實際三相電壓的瞬時值。為了實現相序檢測，需要設置一組三相交流電壓作為參考電壓[3]，設參考電壓的相序為正序，幅值為1，角頻率為ω，其數學表達式為

(2)

其中a(t)、b(t)、c(t)分別為三相參考電壓的瞬時值，還需構造一種函數來實現其相序檢測，其表達式為

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

若實際接入的三相電壓相序為負序，其數學表達式為：

(5)

同理將式(5)帶入式(3)中有

(6)

由以上分析可知，當X(t)不隨時間t改變其值為定值時，表明實際三相電壓與參考電壓相序一致，實際三相電壓相序為正序。當X(t)隨時間t改變為周期函數時，表明實際三相電壓相序與參考電壓相序相反，實際三相電壓相序為負序。

2改進型相序檢測算法

上述相序檢測算法在原理上可以實現相序檢測，但其算法前提是實際三相電壓頻率與參考三相電壓頻率保持一致，未考慮實際三相電壓頻率波動情況。若實際接入的三相電壓頻率發生波動,與參考電壓頻率不一致時,無論實際三相電壓相序與參考電壓相序是否一致，函數X(t)均為周期函數，只是頻率不同。一旦出現這種情況，僅靠X(t)是常值函數還是周期函數無法檢測三相電壓的相序，需要將這種算法進一步改進,使其在頻率波動時仍能準確地檢測出相序。

根據上述相序檢測原理進一步改進檢測算法，在原有算法基礎上加入均值濾波算法，即將函數X(t)進行均值計算，然后再求其絕對值，可以得到一個全新函數[4]，其表達式為

(7)

(8)

由式(8)可知，若實際電壓頻率和參考電壓頻率保持一致，實際電壓相序為正序時，Y(t)為0，實際電壓相序為負序時，Y(t)為周期函數。若頻率不一致時，無論相序是正序還是負序，Y(t)均為周期函數，但其頻率和幅值不同。根據上述分析可知，相序不同時，函數Y(t)的頻率和幅值均會發生改變，且負序時函數Y(t)頻率和幅值均比正序時大，然而頻率不容易檢測，故以Y(t)的值作為相序判斷的依據。當Y(t)小于某一閾值，實際三相電壓相序為正序；反之，實際電壓相序為負序。

圖1　相序檢測流程圖

根據上述改進型相序檢測算法設計軟件流程圖(圖1)。根據此流程圖，利用C語言編寫程序，可實現相序檢測功能。為實現軟件檢測相序功能，首先利用現有硬件電路對實際輸入三相電壓進行采樣，同時設定參考電壓，然后計算函數X(t)，再計算函數Y(t)。最后通過函數Y(t)是否超過閾值來判斷相序的正負序，其算法具體實現如下：

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) // 開機按鈕按下后的1s之內為高電平

{

if( Abs_Sequence < 250 )

{

Sequence_Flag = 1;

}

else

{

Sequence_Flag = 0;

}

}

else

{

Sequence_Flag = 1;

}

3實驗驗證

本文利用MATLAB中的SIMULINK對上述改進型算法進行仿真驗證。要驗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行仿真驗證。第一種情況實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，其仿真結果見圖2。第二種情況實際三相電壓頻率比參考電壓頻率低，考慮實際取邊界值為45 Hz，三相線電壓為額定值380 V，其仿真結果見圖3。同理，第三種情況下，實際三相電壓頻率為55 Hz,電壓為額定380 V，其仿真結果見圖4。最后一種情況下，實際三相電壓頻率為45 Hz，線電壓為340 V，其仿真結果見圖5。

(a)正序

(b)負序圖 2　實際三相電壓為380 V/50 Hz時，函數Y(t)曲線

(a)正序

(b)負序圖 3　實際三相電壓為380 V/45 Hz時，函數Y(t)曲線

(a)正序

(b)負序圖 4　實際三相電壓為380 V/55 Hz時，函數Y(t)曲線

(a)正序

(b)負序圖 5　實際三相電壓為340 V/45 Hz時，函數Y(t)曲線

由上述仿真結果可以看出Y(t)幅值大小可以作為相序檢測判斷依據。考慮實際情況，系統對輸入電壓大小和頻率進行采樣至少有一個周期延時，故Y(t)應該取0.02 s以后的值作為判斷根據，其合理閾值有一定范圍，這里取其值為250。當Y(t)<250時相序為正序，當Y(t)>250時相序為負序，故程序中閾值可以取250。

4結論

本文研究的改進型相序檢測軟件算法可靠性高、實用性強。仿真結果表明該算法在2-3周期就可以準確檢測相序，且對頻率波動的抗干擾性強。該算法已經成功運用于一臺6kW變頻器相序檢測，運行半年以來未出現過一次檢測失誤，驗證該算法可靠性高，可應用于各類相序檢測電路中。

[參考文獻]

[1]侯兆然.基于DSP的電源相序檢測及斷相保護方法[J].機電元件，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新方法[J].現代科學器,2013,13(4):53-57.

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

[4]杜海江.相序相位自適應相控整流器原理分析及實現[J].電工技術學報,2005,2(10):32-37.

[責任編校： 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

[文獻標識碼]：A

[文章編號]1003-4684(2016)01-0051-04

[作者簡介]丁穩房(1966-)， 男，湖北麻城人，工學碩士，湖北工業大學副教授， 研究方向為電力系統及其自動化

[收稿日期]2015-04-23