一种三相电压相序检测方法、系统和计算机可读存储介质与流程

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种三相电压相序检测方法、系统和计算机可读存储介质。

背景技术：

随着电力电子技术的发展，电力电子设备在电网中的应用逐渐增多。对于电力电子设备中需要并网的设备而言，电网的三相电压的相序正确性(正确：正序电压，错误：负序电压)尤为重要，一旦接入电力电子设备的电网的相序错误，将直接导致电力电子设备无法正常运行，严重的甚至会造成炸机、设备损坏等后果。

现有技术中，三相电压的相序检测方法通常采用检测电压过零时的三相电压值，来判断相序是否异常。但是，该相序检测方法对电压值比较敏感，当三相电压畸变或者不对称时，会导致检测的三相电压值与标准三相电压值之间存在误差，影响相序检测的准确性。现有技术中，还有采用磁动势在坐标轴上的投影符号来判断三相电压的相序，但是该方法计算过程复杂、速度较慢且无法准确获取三相电压的频率。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种直观简单、准确性高、判断速度快的三相电压相序检测方法、系统和计算机可读存储介质。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种三相电压相序检测方法，包括：

s1、采集第一中断时刻的第一三相电压值vaback、vbback、vcback并进行clark坐标变换获得第一α轴分量vαback和第一β轴分量vβback，并基于所述第一α轴分量vαback和所述第一β轴分量vβback计算等效磁动势f与α轴夹角的第一正弦值sinθback和第一余弦值cosθback；

s2、采集第二中断时刻的第二三相电压值vanew、vbnew、vcnew并进行clark坐标变换获得第二α轴分量vαnew和第二β轴分量vβnew，并基于所述第二α轴分量vαnew和所述第二β轴分量vβnew计算等效磁动势f与α轴夹角的第二正弦值sinθnew和第二余弦值cosθnew；

s3、基于所述第一正弦值sinθback、所述第一余弦值cosθback、所述第二正弦值sinθnew和所述第二余弦值cosθnew计算所述等效磁动势f在第一中断时刻和第二中断时刻之间旋转的角度值δθ≈sinθnew*cosθback-cosθnew*sinθback；

s4、基于所述角度值的正负判断所述等效磁动势f的旋转方向，并基于所述旋转方向获得三相电压的相序。

在本发明所述的三相电压相序检测方法中，在所述步骤s4中，当δθ>0时，所述等效磁动势f逆时针旋转，所述三相电压的相序为正序；当δθ<0时，所述等效磁动势f顺时针旋转，所述三相电压的相序为负序。

在本发明所述的三相电压相序检测方法中，进一步包括：

s5、基于所述第一中断时刻和所述第二中断时刻的时间间隔对应的中断控制频率fc以及所述角度值δθ计算所述三相电压的频率fs为fs＝|δθ|*fc/2π。

在本发明所述的三相电压相序检测方法中，进一步包括：

s6、按照中断控制频率fc重复执行所述步骤s1-s5以实时获取相序和频率。

在本发明所述的三相电压相序检测方法中，进一步包括：

s7、存储所述第二正弦值sinθnew和第二余弦值cosθnew，

s8、采用所述第二正弦值sinθnew和第二余弦值cosθnew迭代替换所述第一正弦值sinθback和所述第一余弦值cosθback，即，令cosθback＝cosθnew，sinθback＝sinθnew；

s9、按照中断控制频率fc重复执行所述步骤s2-s8以实时获取相序和频率。

本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种三相电压相序检测系统，包括：

电压采集装置，用于根据设定频率采集第一三相电压值vaback、vbback、vcback和第二三相电压值vanew、vbnew、vcnew；

坐标变换装置，用于将所述第一三相电压值vaback、vbback、vcback进行clark坐标变换获得第一α轴分量vαback和第一β轴分量vβback，以及将所述第二三相电压值vanew、vbnew、vcnew进行clark坐标变换获得第二α轴分量vαnew和第二β轴分量vβnew；

正余弦计算装置，用于基于所述第一α轴分量vαback和所述第一β轴分量vβback计算等效磁动势f与α轴夹角的第一正弦值sinθback和第一余弦值cosθback，以及基于所述第二α轴分量vαnew和所述第二β轴分量vβnew计算等效磁动势f与α轴夹角的第二正弦值sinθnew和第二余弦值cosθnew；

角度计算装置，用于基于所述第一正弦值sinθback、所述第一余弦值cosθback、所述第二正弦值sinθnew和所述第二余弦值cosθnew计算所述等效磁动势f在第一中断时刻和第二中断时刻之间旋转的角度值δθ≈sinθnew*cosθback-cosθnew*sinθback；

相序判断装置，用于基于所述角度值的正负判断所述等效磁动势f的旋转方向，并基于所述旋转方向获得三相电压的相序。

在本发明所述的三相电压相序检测系统中，当δθ>0时，所述等效磁动势f逆时针旋转，所述三相电压的相序为正序；当δθ<0时，所述等效磁动势f顺时针旋转，所述三相电压的相序为负序。

在本发明所述的三相电压相序检测系统中，进一步包括：

频率计算装置，用于采集第一三相电压值vaback、vbback、vcback和第二三相电压值vanew、vbnew、vcnew的中断控制频率fc以及所述角度值δθ计算所述三相电压的频率fs为fs＝|δθ|*fc/2π。

在本发明所述的三相电压相序检测系统中，所述电压采集装置按照所述中断控制频率fc重复执行采集三相电压值，所述坐标变换装置、所述正余弦计算装置、所述角度计算装置、所述相序判断装置和所述频率计算装置，实时获得相序和频率。

本发明解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的三相电压相序检测方法。

实施本发明的三相电压相序检测方法、系统和计算机可读存储介质，通过计算等效磁动势f旋转的角度值的正负，可以判断等效磁动势f的旋转方向，进而判断三相电压的相序，整个过程直观简单、准确性高、判断速度快。进一步地，还可以基于该角度值迅速计算三相电压的频率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1a-1d是本发明的三相电压相序检测方法采用的坐标变换示意图；

图2是本发明的三相电压相序检测方法的第一优选实施例的流程图；

图3是本发明的三相电压相序检测方法的第二优选实施例的原理框图；

图4是本发明的三相电压相序检测方法的第二优选实施例的流程图；

图5是本发明的三相电压相序检测系统的第一优选实施例的原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明涉及一种三相电压相序检测方法。本发明基于坐标变换原理。根据电路理论，凡随时间作正弦变化的物理量(如磁动势、电压、电流、磁通等)均可用一个以其交变频率作为角速度而环绕时间参考轴(简称时轴t)逆时针旋转的时间矢量(即相量)来代替。该相量在时轴上的投影即为该物理量的瞬时值。坐标变换有两种约束条件：功率不变约束，即变换前后功率保持不变；合成磁动势不变约束，即变换前后合成磁动势保持不变。由电机学我们知道，当三相对称的静止绕组a、b、c通过三相平衡的正弦电流ia、ib、ic时产生的合成等效磁动势f，它在空间呈圆形分布，并以同步速度ω(电角速度)顺着a、b、c的相序(正序)旋转。然而，产生旋转等效磁动势并不一定非要三相电流不可，三相、四相等任意多相对称绕组通以多相平衡电流，都能产生相同的旋转等效磁动势f。因此，为了分析方便，使用空间上互差90度的两相静止绕组α、β替代三相静止绕组a、b、c。假定，流过两相静止绕组α、β的电流为iα、iβ，它们产生的等效磁动势与三相绕组a、b、c合成的等效磁动势大小、方向以及转速都相等，即认为两相静止绕组α、β和三相静止绕组a、b、c等效。同理，三相电压亦可以用此方法进行等效替代。

在本发明中，利用功率不变约束与合成磁动势不变约束，推导坐标变换公式，等效原理如图1a-1d所示。如图1a-b所示，当三相交流静止绕组正序连接时，等效磁动势f为逆时针旋转，而如图1c-1d所示，当三相交流静止绕组负序连接时，等效磁动势f为顺时针旋转。

因此，在本发明中，提供了一种三相电压相序检测方法，包括以下步骤。在第一时刻采集三相电压值va、vb、vc；其次，对采集的三相电压值va、vb、vc进行clark坐标变换，即abc/αβ变换，得到α轴分量vα和β轴分量vβ。即功率不变约束与合成磁动势不变约束，推导坐标变换公式，即：然后计算当前中断时刻三相电压合成的等效磁动势f与α轴夹角的正、余弦值。在第二时刻，同样执行上述步骤，得到前后两个时刻的等效磁动势f与α轴夹角的正、余弦值。利用这两组正、余弦值求取等效磁动势f旋转的角度值，通过该角度值的正负可以判断等效磁动势f的旋转方向，即判断三相电压的相序。因此，整个过程原理清晰、直观简单、准确性高、判断速度快，易于实现并且容易推广。本发明的检测方法也适用于检测三相或多相电压或电流参数。

图2是本发明的三相电压相序检测方法的第一优选实施例的流程图。如图2所示，在步骤s1中，采集第一中断时刻的第一三相电压值vaback、vbback、vcback并进行clark坐标变换获得第一α轴分量vαback和第一β轴分量vβback，并基于所述第一α轴分量vαback和所述第一β轴分量vβback计算等效磁动势f与α轴夹角的第一正弦值sinθback和第一余弦值cosθback。

在本发明的优选实施例中，根据功率不变约束和等效磁动势不变约束，推导clark坐标变换公式如下：

在通过clark坐标变换获得第一α轴分量vαback和第一β轴分量vβback，基于所述第一α轴分量vαback和所述第一β轴分量vβback计算等效磁动势f与α轴夹角的第一正弦值sinθback和第一余弦值cosθback如下：

在步骤s2中，采集第二中断时刻的第二三相电压值vanew、vbnew、vcnew并进行clark坐标变换获得第二α轴分量vαnew和第二β轴分量vβnew，并基于所述第二α轴分量vαnew和所述第二β轴分量vβnew计算等效磁动势f与α轴夹角的第二正弦值sinθnew和第二余弦值cosθnew。本领域技术人员知悉，可以根据步骤s1中所示的具体计算过程计算该第二正弦值sinθnew和第二余弦值cosθnew，在此就不再累述了。

在步骤s3中，基于所述第一正弦值sinθback、所述第一余弦值cosθback、所述第二正弦值sinθnew和所述第二余弦值cosθnew计算所述等效磁动势f在第一中断时刻和第二中断时刻之间旋转的角度值δθ。

由于已知：

sinδθ＝sin(θnew-θback)＝sinθnew*cosθback-cosθnew*sinθback。

而已知当第一中断时刻和第二中断时刻之间的时间间隔，即中断周期非常小时，例如按照10k以上的中断频率设置间隔周期，那么等效磁动势f在每个中断周期旋转的角度(弧度制)将趋近于0。此时，根据正弦函数极限特性可知：δθ≈sinδθ。因此我们可以得到：

δθ≈sinθnew*cosθback-cosθnew*sinθback。

在步骤s4中，基于所述角度值的正负判断所述等效磁动势f的旋转方向，并基于所述旋转方向获得三相电压的相序。优选地，当δθ>0时，所述等效磁动势f逆时针旋转，所述三相电压的相序为正序；当δθ<0时，所述等效磁动势f顺时针旋转，所述三相电压的相序为负序。

在本发明的一个优选实施例中，还可以在步骤s3之后，步骤s4之前，或者在所述步骤s4之后，又或者在执行所述步骤s4的同时，进行所述三相电压的频率的计算。即，基于所述第一中断时刻和所述第二中断时刻的时间间隔对应的中断控制频率fc以及所述角度值δθ计算所述三相电压的频率fs为fs＝|δθ|*fc/2π。

在本发明的进一步的优选实施例中，可以按照中断控制频率fc重复执行所述步骤s1-s5实时获取相序和频率。优选地，该终端控制频率fc可以选择10k以上。可以对实时获取的相序和频率进行滤波，从而提高频率计算精度以及相序判断的准确性。

实施本发明的三相电压相序检测方法，通过计算等效磁动势f旋转的角度值的正负，可以判断等效磁动势的旋转方向，进而判断三相电压的相序，整个过程直观简单、准确性高、判断速度快。进一步地，还可以基于该角度值迅速计算三相电压的频率。

图3是本发明的三相电压相序检测方法的第二优选实施例的原理框图。图4是本发明的三相电压相序检测方法的第二优选实施例的流程图。下面参照图3-4对本发明的进一步说明如下。

在步骤s1中，采用dsp或其他适合的数字控制芯片，设置固定的中断控制频率fc，并按照该中断控制频率fc采集第一中断时刻的第一三相电压值vaback、vbback、vcback。

在步骤s2中，同样采用dsp或其他适合的数字控制芯片对第一三相电压值vaback、vbback、vcback进行clark坐标变换，即abc/αβ变换，得到vαback、vβback；即根据功率不变约束和等效磁动势不变约束，推导clark坐标变换公式如下：

在步骤s3中，计算第一中断时刻第一三相电压合成的等效磁动势f与α轴夹角的第一正弦值sinθback和第一余弦值cosθback如下：

在步骤s4中，在第二中断时刻，重复步骤s1-s3，采用采集第二中断时刻的三相电压值vanew、vbnew、vcnew并进行clark坐标变换获得α轴分量vαnew和β轴分量vβnew，并基于所述α轴分量vαnew和所述β轴分量vβnew计算等效磁动势f与α轴夹角的第二正弦值sinθnew和第二余弦值cosθnew，然后基于所述第一正弦值sinθback、所述第一余弦值cosθback、所述第二正弦值sinθnew和所述第二余弦值cosθnew计算所述等效磁动势f在第一中断时刻和第二中断时刻之间旋转的角度值δθ。

第二正弦值sinθnew和第二余弦值cosθnew的计算过程如步骤s2-s3所示，就不再累述了。

而由于已知：

sinδθ＝sin(θnew-θback)＝sinθnew*cosθback-cosθnew*sinθback。

而已知当第一中断时刻和第二中断时刻之间的时间间隔，即中断周期非常小时，例如按照10k以上的中断频率设置间隔周期，那么等效磁动势f在每个中断周期旋转的角度(弧度制)将趋近于0。此时，根据正弦函数极限特性可知：δθ≈sinδθ。因此我们可以得到：

δθ≈sinθnew*cosθback-cosθnew*sinθback。

在步骤s5中，基于所述角度值δθ的正负判断所述等效磁动势f的旋转方向，并基于所述旋转方向获得三相电压的相序。优选地，当δθ>0时，所述等效磁动势f逆时针旋转，所述三相电压的相序为正序；当δθ<0时，所述等效磁动势f顺时针旋转，所述三相电压的相序为负序。

优选的，可以在步骤s5之后，之前或者同时，基于中断控制频率fc以及所述角度值δθ计算所述三相电压的频率fs为fs＝|δθ|*fc/2π。

在步骤s6中，存储所述第二正弦值sinθnew和第二余弦值cosθnew：采用所述第二正弦值sinθnew和第二余弦值cosθnew迭代替换所述第一正弦值sinθback和所述第一余弦值cosθback，即，令cosθback＝cosθnew，sinθback＝sinθnew。

在步骤s7中，按照中断控制频率fc重复执行步骤s1～s5或s4～s6，这样在每次采集三相电压值并执行计算步骤之后，都能快速获得三相电压相序和频率。此时，可以将实时获取的相序和频率进行滤波，从而提高频率计算的精度以及相序判断的准确性。

实施本发明的三相电压相序检测方法，通过计算等效磁动势f旋转的角度值的正负，可以判断等效磁动势f的旋转方向，进而判断三相电压的相序，整个过程直观简单、准确性高、判断速度快。进一步地，还可以基于该角度值迅速计算三相电压的频率。

图5是本发明的三相电压相序检测系统的第一优选实施例的原理框图。如图5所示，本发明的三相电压相序检测系统包括电压采集装置100、坐标变换装置200、正余弦计算装置300、角度计算装置400和相序判断装置500。在本发明中，所述电压采集装置100用于根据设定频率采集第一三相电压值vaback、vbback、vcback和第二三相电压值vanew、vbnew、vcnew。所述坐标变换装置200用于将所述第一三相电压值vaback、vbback、vcback进行clark坐标变换获得第一α轴分量vαback和第一β轴分量vβback，以及将所述第二三相电压值vanew、vbnew、vcnew进行clark坐标变换获得第二α轴分量vαnew和第二β轴分量vβnew。所述正余弦计算装置300用于基于所述第一α轴分量vαback和所述第一β轴分量vβback计算等效磁动势f与α轴夹角的第一正弦值sinθback和第一余弦值cosθback，以及基于所述第二α轴分量vαnew和所述第二β轴分量vβnew计算等效磁动势f与α轴夹角的第二正弦值sinθnew和第二余弦值cosθnew。所述角度计算装置400用于基于所述第一正弦值sinθback、所述第一余弦值cosθback、所述第二正弦值sinθnew和所述第二余弦值cosθnew计算所述等效磁动势f在第一中断时刻和第二中断时刻之间旋转的角度值δθ≈sinθnew*cosθback-cosθnew*sinθback。所述相序判断装置500用于基于所述角度值的正负判断所述等效磁动势f的旋转方向，并基于所述旋转方向获得三相电压的相序。

在本发明的优选实施例中，当δθ>0时，所述等效磁动势f逆时针旋转，所述三相电压的相序为正序；当δθ<0时，所述等效磁动势f顺时针旋转，所述三相电压的相序为负序。

在本发明的优选实施例中，所述三相电压相序检测系统，进一步包括：频率计算装置，用于采集第一三相电压值vaback、vbback、vcback和第二三相电压值vanew、vbnew、vcnew的中断控制频率fc以及所述角度值δθ计算所述三相电压的频率fs为fs＝|δθ|*fc/2π。

在本发明的优选实施例中，所述电压采集装置100按照所述中断控制频率fc重复执行采集三相电压值，所述坐标变换装置200、所述正余弦计算装置300、所述角度计算装置400、所述相序判断装置500和所述频率计算装置，可以实时获得相序和频率。

本领域技术人员知悉，所述电压采集装置100、坐标变换装置200、正余弦计算装置300、角度计算装置400、相序判断装置500和频率计算装置可以参照上述任何优选实施例中的方法步骤构造，在此就不再累述了。

因此，本发明可以通过硬件、软件或者软、硬件结合来实现。本发明可以在至少一个计算机系统中以集中方式实现，或者由分布在几个互连的计算机系统中的不同部分以分散方式实现。任何可以实现本发明方法的计算机系统或其它设备都是可适用的。常用软硬件的结合可以是安装有计算机程序的通用计算机系统，通过安装和执行程序控制计算机系统，使其按本发明方法运行。

本发明还可以通过计算机程序产品进行实施，程序包含能够实现本发明方法的全部特征，当其安装到处理器，尤其是dsp或者mcu或者其他数字控制芯片时，可以实现本发明的方法。本文件中的计算机程序所指的是：可以采用任何程序语言、代码或符号编写的一组指令的任何表达式，该指令组使系统具有信息处理能力，以直接实现特定功能，或在进行下述一个或两个步骤之后实现特定功能：a)转换成其它语言、编码或符号；b)以不同的格式再现。

以上借助于说明指定的功能和关系的方法步骤对本发明进行了描述。为了描述的方便，这些功能组成模块和方法步骤的界限和顺序在此处被专门定义。然而，只要给定的功能和关系能够适当地实现，界限和顺序的变化是允许的。任何上述变化的界限或顺序应被视为在权利要求保护的范围内。

以上还借助于说明某些重要功能的功能模块对本发明进行了描述。为了描述的方便，这些功能组成模块的界限在此处被专门定义。当这些重要的功能被适当地实现时，变化其界限是允许的。类似地，流程图模块也在此处被专门定义来说明某些重要的功能，为广泛应用，流程图模块的界限和顺序可以被另外定义，只要仍能实现这些重要功能。上述功能模块、流程图功能模块的界限及顺序的变化仍应被视为在权利要求保护范围内。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。