专利名称：一种电网电压过零点的捕获与锁定方法
技术领域：
本发明属于电网电压检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种电网电压过零点的 捕获与锁定方法。
背景技术：
各国电力系统的标称频率不尽相同，我国为50Hz，GB/T15945-1995《电能质量一 电力系统频率允许偏差》中规定电力系统正常频率偏差允许值为士0. 2Hz，当系统容量较 小时，偏差值可放宽到士0.5Hz，标准中没有说明系统容量大小的界限。在《全国供用电规 则》中规定"供电局供电频率的允许偏差电网容量在300万千瓦及以上者为士0. 2HZ;电 网容量在300万千瓦以下者，为士0.5HZ。实际运行中，从全国各大电力系统运行看都保持 在不大于士0. IHZ范围内。电网频率不仅关系到千千万万的电器的用电安全，而且对电压频率要求较高的电 力电子技术应用有着重要的参考价值，由此可见，监控电网频率已提升至国家标准，而对电 网电压过零点的捕获与锁定技术是检测电网频率的关键技术。目前电网电压过零点大都采 用硬件直接捕获，由于误捕获造成了用电器损坏、器件的误动作以及不必要的耗能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电网电压过零点的捕获与锁定 方法，以有效地滤除了电网的不规则扰动，在误差允许范围内避免了误捕获，并达到了较高 的捕获精度。为实现上述目的，本发明电网电压过零点的捕获与锁定方法，其特征在于，包括以 下步骤(1)、暂态捕获1. 1、信号调理电路将电网电压信号转换成同频率的方波信号；1.2、检测相邻两个方波信号边沿，得到相邻两个方波信号边沿的时间间隔为 At ；1.3、设电网电压周期为T，误差范围为θ，当时相邻两个方波信号边沿的时间间 隔Δ t满足
TT——θ<Α < — + θ(1) 2 2则认为进入稳态过程，捕获到的是正确的方波信号边沿，并作为基准沿，进入步骤 (2)，否则认为捕获失败而继续捕获；O)、稳态锁定2. 1、将捕获到的基准沿所在时刻作为稳态锁定的时间起点，在Τ/2时刻加一个 士 θ的窗，窗以外不捕获方波信号边沿，窗内捕获方波信号边沿；2. 2、如果在窗内捕获到与基准沿极性相反的方波信号边沿，则为稳态锁定，锁定
3该次捕获的方波信号边沿作为基准沿，并返回步骤2. 1，否则，进入暂态捕获，返回到步骤 (1)的 1.2 步。本发明的发明目的是这样实现的通过将信号调理电路将电网电压信号转换成同频率的方波信号，暂态捕获过程 中，捕获方波信号中符合电网周期误差范围内的边沿，确定为基准沿，即正确过零点，实现 了暂态到稳态的过渡；在稳态锁定过程中，通过在误差允许范围士 θ内加窗，若在误差允 许范围内捕获成功，则当次捕获沿为基准沿，并锁定为下一次稳态捕获的起点，否则一旦在 误差范围内捕获失败，则进入暂态过程重新捕获，通过加窗，实现了稳态过程的电网过零点 监控，有效地避免了过零点的误捕获。通过实验证明，该方法能正确捕获和锁定电网电压过 零点，并达到了预期捕获精度。作为本发明的改进，为了防止毛刺信号干扰，提高捕获的可靠性，当时连续N个相 邻两个方波信号边沿满足公式(1)时，才认为进入稳态过程，捕获到的第N个方波信号边沿 为作为基准沿；若满足公式(1)的边沿捕获次数小于N，则回到暂态起始状态，重新对满足 公式(1)的边沿捕获次数进行计数，并判断是否有N个，如果有，则作为基准沿，没有，则再 次回到暂态起始阶段，继续捕获并判断，依此类推，直到找到符合公式(1)的连续N个相邻 两个方波信号边沿，进入稳态，并将捕获到的第N个方波信号边沿为作为基准沿，作为最佳 选择，N彡4。
图1是本发明中电网电压信号转换成同频率的方波信号波形图；图2是相邻两个方波信号边沿时间间隔示意图；图3是捕获基准沿示意图；图4是有干扰情况下，暂态过程捕获基准沿示意图；图5是本发明中的加窗示意图；图6是稳态过程锁定方波信号边沿的示意图；图7是本发明具体实施方式
下的实时捕获电网电压波形图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行描述，以便本领域的技术人员更好地 理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许 会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。实施例图1是本发明中电网电压信号转换成同频率的方波信号波形图。如图1所示，在本实施例中，假定电网频率为50ΗΖ的工频，即电网电压周期T = 20ms。利用信号调理电路将工频电网电压信号转换成同频率的方波信号，半波周期T/2为 IOms0图2是相邻两个方波信号边沿时间间隔示意图。如图2所示，在本实施例中，电网电压周期误差范围为士 θ ms，相邻两个方波信 号边沿时间间隔为At。根据周期误差范围，相邻两个方波信号边沿时间间隔为At满足(10-e)ms< At< (10+θ )ms时，则认为捕获到的是正确的边沿，否则认为捕获失败而继 续捕获。在本实施例中，T/2 = 10ms。
图3是捕获基准沿示意图。为了防止毛刺信号干扰，提高捕获的可靠性，当时连续N个相邻两个方波信号边 沿满足公式(1)时，才认为进入稳态过程，捕获到的第N个方波信号边沿为作为基准沿；若 满足公式(1)的边沿捕获次数小于N，则回到暂态起始状态，重新对满足公式(1)的边沿捕 获次数进行计数，并判断是否有N个，如果有，则作为基准沿，没有，则再次回到暂态起始阶 段，继续捕获并判断，依此类推，直到找到符合公式(1)的连续N个相邻两个方波信号边沿， 进入稳态，并将捕获到的第N个方波信号边沿为作为基准沿，作为最佳选择，N > 4。在本实施例中，如图3所示，有连续4个相邻两个方波信号边沿满足(10- θ )ms < At< (10+θ )ms，因此，将将捕获到的第4个方波信号边沿为作为基准沿。图4是有干扰情况下，暂态过程捕获基准沿示意图。在本实施例中，如图4所示，误差θ = 0. 5ms，则当相邻两个方波信号边沿时间间 隔为At满足9.5ms < At < 10. 5ms时，认为捕获到的是正确的边沿。如图4所示，t = 8.0ms时刻捕获到第一个边沿，Δ t = 8. 0ms，捕获失败；t = 26. Oms时刻捕获到第二个边沿，At = 18. 0ms，捕获失败；t = 30. Oms时刻捕获到第三个 边沿，At = 6. 0ms，捕获失败；t = 40.0ms时刻捕获到第四个边沿，Δ t = 10. 0ms，捕获成 功，得到第1个正确沿；t = 50. 0ms、t = 60. 0ms、t = 70. Oms依次捕获到第2、3、4个正确 沿，由此得到进入稳态过程的基准沿，即t = 70. Oms时刻的方波信号边沿。图5是本发明中的加窗示意图。在本实施例中，如图5所示，当电网电压信号处于稳态过程时，为避免毛刺信号干 扰造成的误捕获，捕获到的基准沿所在时刻作为稳态锁定的时间起点，即时刻0秒，在T/2 时刻，t = 10. Oms时刻加一个士 θ的窗，窗以外不捕获方波信号边沿，窗内捕获方波信号 边沿。这样一方面起到了滤除干扰的作用误差精度范围士 θ。如果在窗内捕获到与基准 沿极性相反的方波信号边沿，则为稳态锁定，锁定该次捕获的方波信号边沿作为基准沿，并 返回步骤2.1，否则，进入暂态捕获，返回到步骤(1)的1.2步。如图5所示，t = 10. Oms时刻捕获的方波信号边沿作为下一次捕获的基准沿，继 续进行稳态过程的下一次捕获，否则，重新回到暂态过程的捕获。在图5中第四个窗内未能 捕获方波信号边沿，标志着捕获从稳态过程进入暂态过程。图6是稳态过程锁定方波信号边沿的示意图。在本实施例中，如图6所示，误差θ = 0. 5ms，则窗口大小为士0. 5ms。t = 70ms 时刻为暂态过程捕获的基准沿，t = 79. 7ms时刻捕获到稳态过程第一个边沿，且该边沿与 基准沿极性相反，由于该边沿在窗内，故可作为第二次捕获的基准沿；t = 19. 9时刻捕获到 第二个边沿，且该边沿与前一个边沿极性相反，仍然在窗内，可继续作为基准沿进行第三次 捕获。第三次捕获依然如此。到t = 36. Oms时刻，捕获到第四个边沿，由于该边沿不在窗 内，故进入暂态捕获，返回到步骤(1)的1.2步，重新回到暂态过程进行捕获，暂态过程起始 时刻为t = 106. Oms时刻。在本实施例中，以德州仪器公司生产的TMS320F2812数字信号处理器及辅助外围电路为捕获装置和计时装置，通过软件语言实时存储捕获到的边沿，并通过Matlab输出其 波形。图7是本发明具体实施方式
下的实时捕获电网电压波形图。如图7所示，已将电网电压信号转换成同频率的方波信号，周期误差范围为 士 0. 5ms，每0. Ims采样一次电网波形，在t = 46. 8ms时刻捕获到第1个正确沿，t = 76. 8ms 时刻捕获到第4个正确沿，进入稳态锁定过程，直到t = 196. 8ms时刻锁定失败，重新回到 暂态捕获过程，当t = 233. Oms时刻重新捕获到第1个正确沿，但由于在t = 250. Oms时刻 未能捕获到第3个正确沿，故须立即回到暂态过程起始状态开始捕获；当t = 269. 8ms时刻 捕获到第1个正确沿，t = 298. 8ms时刻捕获到第4个正确沿，又进入稳态锁定过程。从图7中，可以看出，在本实施中，暂态过程中，通过连续4次捕获电网正确的边 沿，确定了基准沿，即正确过零点，实现了暂态到稳态的过渡；稳态过程中，通过在误差允许 范围士0. 5ms内加窗，若在误差允许范围内捕获成功，则锁定当次捕获沿为下一次捕获的 起点，否则一旦在误差范围内捕获失败，则进入暂态过程重新捕获，通过加窗，实现了稳态 过程的电网过零点监控，有效地避免了过零点的误捕获。通过实验证明，该算法能正确捕获 和锁定电网电压过零点，并达到了预期捕获精度。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式
进行了描述，以便于本技术领的技术人 员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式
的范围，对本技术领域的普通技术 人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变 化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
权利要求
1.一种电网电压过零点的捕获与锁定方法，其特征在于，包括以下步骤(1)、暂态捕获1.1、信号调理电路将电网电压信号转换成同频率的方波信号；1.2、检测相邻两个方波信号边沿，得到相邻两个方波信号边沿的时间间隔为At；1.3、设电网电压周期为T，误差范围为θ，当时相邻两个方波信号边沿的时间间隔At 两足-~θ<Α <- + θ(1)2 2则认为进入稳态过程，捕获到的是正确的方波信号边沿，并作为基准沿，进入步骤0)， 否则认为捕获失败而继续捕获；(2)、稳态锁定2.1、将捕获到的基准沿所在时刻作为稳态锁定的时间起点，在Τ/2时刻加一个士 θ的 窗，窗以外不捕获方波信号边沿，窗内捕获方波信号边沿；2.2、如果在窗内捕获到与基准沿极性相反的方波信号边沿，则为稳态锁定，锁定该次 捕获的方波信号边沿作为基准沿，并返回步骤2.1，否则，进入暂态捕获，返回到步骤(1)的 1. 2 步。
2.根据权利要求1所述的电网电压过零点的捕获与锁定方法，其特征在于，在步骤(1) 的1.3中，当时连续N个相邻两个方波信号边沿满足公式(1)时，才认为进入稳态过程，捕 获到的第N个方波信号边沿为作为基准沿；若满足公式(1)的边沿捕获次数小于N，则回到 暂态起始状态，重新对满足公式(1)的边沿捕获次数进行计数，并判断是否有N个，如果有， 则作为基准沿，没有，则再次回到暂态起始阶段，继续捕获并判断，依此类推，直到找到符合 公式(1)的连续N个相邻两个方波信号边沿，进入稳态，并将捕获到的第N个方波信号边沿 为作为基准沿，作为最佳选择，N > 4。
全文摘要
本发明公开了一种电网电压过零点的捕获与锁定方法，通过将信号调理电路将电网电压信号转换成同频率的方波信号，暂态捕获过程中，捕获方波信号中符合电网周期误差范围内的边沿，确定为基准沿，即正确过零点，实现了暂态到稳态的过渡；在稳态锁定过程中，通过在误差允许范围±θ内加窗，若在误差允许范围内捕获成功，则当次捕获沿为基准沿，并锁定为下一次稳态捕获的起点，否则一旦在误差范围内捕获失败，则进入暂态过程重新捕获，通过加窗，实现了稳态过程的电网过零点监控，有效地避免了过零点的误捕获。通过实验证明，该方法能正确捕获和锁定电网电压过零点，并达到了预期捕获精度。
文档编号G01R19/175GK102062809SQ20101053714
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月10日 优先权日2010年11月10日
发明者潘洪, 白利兵, 程玉华, 胡洋洋, 陈凯 申请人:电子科技大学