一种改进型相序检测算法

丁稳房， 熊俊超， 张　萌, 谈　勋, 李志鹏

(湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)



一种改进型相序检测算法

丁稳房， 熊俊超， 张萌, 谈勋, 李志鹏

(湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)

[摘要]针对一般相序检测算法在输入电压频率波动时无法准确检测相序的缺点，提出一种改进型相序检测软件算法，该算法简单、实用，在数字电路中容易实现，对频率波动有很强的抗干扰特性。通过仿真验证，该算法检测速度快、可靠性高。

[关键词]相序检测 ；软件算法 ；频率波动

目前，很多电子测试仪器和电力电子装置对接入的三相交流电源有相序要求，特别是在电力电子装置中，其控制程序往往跟输入电压相序相关，一旦接入电压相序错误会导致设备故障，带来严重后果。相序检测方法主要有两种:硬件检测和软件检测，硬件检测虽然可靠,但是其检测速度较慢且需要单独设计电路，软件检测是基于现有硬件基础上编写程序,无需额外设计电路，减少了成本且提高了检测速度，现已经成为相序检测的主要手段[1]。现有的相序检测软件算法大多数都是基于输入电压频率为基准频率来进行检测，一旦输入电压频率波动，相序检测就可能会出现错误[2]。本文提出一种改进型相序检测软件算法，克服输入电压频率波动造成的干扰，可极大提高相序检测的快速性和准确性。

1相序检测算法数学原理

根据电路知识，实际三相交流电压在接入装置时会有一定的初相角，假设三相输入电压为正序时，其数学表达式为：

(1)

其中φ为输入三相电压初相角，A(t)、B(t)、C(t)分别为实际三相电压的瞬时值。为了实现相序检测，需要设置一组三相交流电压作为参考电压[3]，设参考电压的相序为正序，幅值为1，角频率为ω，其数学表达式为

(2)

其中a(t)、b(t)、c(t)分别为三相参考电压的瞬时值，还需构造一种函数来实现其相序检测，其表达式为

X(t)=A(t)×a(t)+B(t)×b(t)+C(t)×c(t)

(3)

将式(1)和式(2)带入式(3)中，可得

(4)

由式(4)可知，实际三相电压幅值不变，其相序和参考电压相序保持一致时，X(t)的值与时间无关，为一定值。

若实际接入的三相电压相序为负序，其数学表达式为：

(5)

同理将式(5)带入式(3)中有

(6)

由以上分析可知，当X(t)不随时间t改变其值为定值时，表明实际三相电压与参考电压相序一致，实际三相电压相序为正序。当X(t)随时间t改变为周期函数时，表明实际三相电压相序与参考电压相序相反，实际三相电压相序为负序。

2改进型相序检测算法

上述相序检测算法在原理上可以实现相序检测，但其算法前提是实际三相电压频率与参考三相电压频率保持一致，未考虑实际三相电压频率波动情况。若实际接入的三相电压频率发生波动,与参考电压频率不一致时,无论实际三相电压相序与参考电压相序是否一致，函数X(t)均为周期函数，只是频率不同。一旦出现这种情况，仅靠X(t)是常值函数还是周期函数无法检测三相电压的相序，需要将这种算法进一步改进,使其在频率波动时仍能准确地检测出相序。

根据上述相序检测原理进一步改进检测算法，在原有算法基础上加入均值滤波算法，即将函数X(t)进行均值计算，然后再求其绝对值，可以得到一个全新函数[4]，其表达式为

(7)

(8)

由式(8)可知，若实际电压频率和参考电压频率保持一致，实际电压相序为正序时，Y(t)为0，实际电压相序为负序时，Y(t)为周期函数。若频率不一致时，无论相序是正序还是负序，Y(t)均为周期函数，但其频率和幅值不同。根据上述分析可知，相序不同时，函数Y(t)的频率和幅值均会发生改变，且负序时函数Y(t)频率和幅值均比正序时大，然而频率不容易检测，故以Y(t)的值作为相序判断的依据。当Y(t)小于某一阈值，实际三相电压相序为正序；反之，实际电压相序为负序。

图1　相序检测流程图

根据上述改进型相序检测算法设计软件流程图(图1)。根据此流程图，利用C语言编写程序，可实现相序检测功能。为实现软件检测相序功能，首先利用现有硬件电路对实际输入三相电压进行采样，同时设定参考电压，然后计算函数X(t)，再计算函数Y(t)。最后通过函数Y(t)是否超过阈值来判断相序的正负序，其算法具体实现如下：

void Sequence_Judge(void)

{

// 求平方和

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

// 均值滤波

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;

// 求绝对值

Abs_Sequence = abs(Sequence_fil);

if (GpioDataRegs.GPBDAT.bit.GPIO56) // 开机按钮按下后的1s之内为高电平

{

if( Abs_Sequence < 250 )

{

Sequence_Flag = 1;

}

else

{

Sequence_Flag = 0;

}

}

else

{

Sequence_Flag = 1;

}

3实验验证

本文利用MATLAB中的SIMULINK对上述改进型算法进行仿真验证。要验证该算法的有效性必须考虑到输入三相电压会存在多种情况，这里主要针对四种情况进行仿真验证。第一种情况实际输入三相电压频率和参考电压频率相同，均为50 Hz,且输入三相线电压为额定电压380 V，其仿真结果见图2。第二种情况实际三相电压频率比参考电压频率低，考虑实际取边界值为45 Hz，三相线电压为额定值380 V，其仿真结果见图3。同理，第三种情况下，实际三相电压频率为55 Hz,电压为额定380 V，其仿真结果见图4。最后一种情况下，实际三相电压频率为45 Hz，线电压为340 V，其仿真结果见图5。

(a)正序

(b)负序图 2　实际三相电压为380 V/50 Hz时，函数Y(t)曲线

(a)正序

(b)负序图 3　实际三相电压为380 V/45 Hz时，函数Y(t)曲线

(a)正序

(b)负序图 4　实际三相电压为380 V/55 Hz时，函数Y(t)曲线

(a)正序

(b)负序图 5　实际三相电压为340 V/45 Hz时，函数Y(t)曲线

由上述仿真结果可以看出Y(t)幅值大小可以作为相序检测判断依据。考虑实际情况，系统对输入电压大小和频率进行采样至少有一个周期延时，故Y(t)应该取0.02 s以后的值作为判断根据，其合理阈值有一定范围，这里取其值为250。当Y(t)<250时相序为正序，当Y(t)>250时相序为负序，故程序中阈值可以取250。

4结论

本文研究的改进型相序检测软件算法可靠性高、实用性强。仿真结果表明该算法在2-3周期就可以准确检测相序，且对频率波动的抗干扰性强。该算法已经成功运用于一台6kW变频器相序检测，运行半年以来未出现过一次检测失误，验证该算法可靠性高，可应用于各类相序检测电路中。

[参考文献]

[1]侯兆然.基于DSP的电源相序检测及断相保护方法[J].机电元件，2011，16(5):26-28.

[2]盛占石,何婷婷.三相电源过零检测及相序自适应新方法[J].现代科学器,2013,13(4):53-57.

[3]张宋超.一种数字式可控整流电路相序相位检测方法[J].科学技术与工程,2009,16(5):21-25.

[4]杜海江.相序相位自适应相控整流器原理分析及实现[J].电工技术学报,2005,2(10):32-37.

[责任编校： 张岩芳]

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

[中图分类号]TM464

[文献标识码]：A

[文章编号]1003-4684(2016)01-0051-04

[作者简介]丁稳房(1966-)， 男，湖北麻城人，工学硕士，湖北工业大学副教授， 研究方向为电力系统及其自动化

[收稿日期]2015-04-23