一种相位差检测装置及检测方法
技术领域
本发明属于电力测试技术领域，尤其涉及一种相位差检测装置及检测方法。
背景技术
相位差在高低压成套设备中是及其重要的一个电气量，其通常被使用在旋转负载停机时进行进线切换对旋转负载的母线电压和待切换进线电压的同期捕捉功能上，以及监测系统运行时是否有三相用电负荷不对称导致用电设备有危害。国内相位差测量方面落后于世界先进水平，高精度鉴相随着电力系统的发展以及国防医疗以及高新技术工业的进步显得尤为重要。目前对鉴相的设备均有鉴相时间长、鉴相条件苛刻、容易收信号杂波影响精度等问题。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种相位差检测装置，旨在解决容易收信号杂波影响精度的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种相位差检测装置，所述相位差检测装置包括：
硬件过零模块，将待测交变电压转换成正零交替电压；
信号处理模块，硬件过零模块连接，用于将电压转换为硬件过零模块使用的信号类型电压；
跳变沿监测模块，用于监测方波从高电平与低电平之间的跳变沿并发出信号通知；
高低电平监测模块，与跳变沿监测模块连接，用于将传入信号的高低电平进行定时判断以及存储；
滤波模块，与高低电平监测模块连接，实现对由信号噪声引起的电平跳变进行滤除；
相位差监测模块，通过计算和逻辑执行程序，对接受到的数据处理并汇总，得到相位差数据；
通信模块，用于将相位差数据向外部传输；
电源模块，用于提供运行能量。
本发明实施例的另一目的在于提供一种相位差检测方法，应用于上述所述的一种相位差检测装置所述相位差检测方法包括：
信号处理模块接受电压进行缩小和滤波，并进行信号转化；
硬件过零模块将正弦波信号变为矩形波；
高低电平监测模块对信号进行高低电平采样判断，并持续存储多个历史数据放入一个一维数据矩阵中，并将该一维数据矩阵传送至滤波模块使用；
跳变沿监测模块接收信号并判断触发中断，向滤波模块发送触发信号，由滤波模块对数据进行滤波，并将判断结果传送至相位差监测模块。将多路电气数据接入信号处理模块，由信号处理模块中的电压互感器进行信号变比，变比要求为正常运行的电压（如10KV）变比为100V。电压变比系数=正常运行电压/100；变比后的信号接入信号处理模块进行电压的缩小和滤波。将采集到的电压电流通过模拟电路组合整理为0—3.3V可供数据转换模块使用的信号。并将该信号送入硬件过零模块。硬件过零模块将由信号处理模块传入的数据通过硬件与1.65V进行比对，通过该模块将0—3.3V的的正弦波信号变为同频率的矩形波，该矩形高电平为3.3V,低电平为0V。并将转换后的信号传入高低电平监测模块和跳变沿监测模块。高低电平监测模块接受到来自硬件过零模块的信号后，由定时器定时1ms间隔对该信号进行高低电平采样判断，并持续存储多个历史数据放入一个一维数据矩阵中，并将该一维数据矩阵传送至滤波模块使用。跳变沿监测模块接收到来自硬件过零模块的信号后，若检测到由跳变沿触发中断则向滤波模块发送触发信号，由滤波模块对数据进行滤波。滤波模块接收到来自高低电平模块传送的一维数据矩阵，对该矩阵进行众数滤波即对该一维数据矩阵中所有数据挨个检查，若为高电平则众数高电平计数值加一，若为低电平则众数低电平计数值加一，全部判断结束后对众数高电平计数值和众数低电平计数值比较，取较大值为众数滤波结果。滤波模块接受到来自跳变沿监测模块传送的跳变沿中断信号后结合高低电平模块的众数值判断该跳变沿的方向即若众数值为高电平则该跳变沿为高电平向低电平跳变，反之若众数值为低电平则跳变沿为低电平向高电平跳变。并将判断结果传送至相位差监测模块。相位差监测模块接受到来自滤波模块发送的跳变沿信号和跳变沿方向后记录当前定时器的值，若为低电平向高电平跳变则将该值作为该路数据的高电平跳变相位数据。若为高电平向低电平跳变则将改制作为该路数据的低电平跳变相位数据。并用该相位数据与其它通道的相应通道进行做差，通道1低电平跳变相位数据-通道2低电平跳变相位数据=通道2与通道1之间的相位差。同理通道1高电平跳变相位数据-通道2高电平跳变相位数据=通道2与通道1之间的相位差。通过滤波模块进行过滤，保证了采集数据精确且不受杂波影响的相位差监测方案，可实现出现大相位差实时预警最大可能降低由于相位差过大导致出现的双电源切换事故，可解决目前相位差计算设备对频率要求一定或两通道必须同频率的局限性。本发明优点：检查数据精确，安全性好，克服检测局限性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种相位差检测装置的结构框图；
图2为本发明实施例提供的一种相位差检测装置的流程图。
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。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种相位差检测装置的框图，包括：
硬件过零模块，将待测交变电压转换成正零交替电压；
信号处理模块，硬件过零模块连接，用于将电压转换为硬件过零模块使用的信号类型电压；
跳变沿监测模块，用于监测方波从高电平与低电平之间的跳变沿并发出信号通知；
高低电平监测模块，与跳变沿监测模块连接，用于将传入信号的高低电平进行定时判断以及存储；
滤波模块，与高低电平监测模块连接，实现对由信号噪声引起的电平跳变进行滤除；
相位差监测模块，通过计算和逻辑执行程序，对接受到的数据处理并汇总，得到相位差数据；
通信模块，用于将相位差数据向外部传输；
电源模块，用于提供运行能量。
在本发明实施例中，将多路电气数据接入信号处理模块，由信号处理模块中的电压互感器进行信号变比，变比要求为正常运行的电压（如10KV）变比为100V。电压变比系数=正常运行电压/100；变比后的信号接入信号处理模块进行电压的缩小和滤波。将采集到的电压电流通过模拟电路组合整理为0—3.3V可供数据转换模块使用的信号。并将该信号送入硬件过零模块。硬件过零模块将由信号处理模块传入的数据通过硬件与1.65V进行比对，通过该模块将0—3.3V的的正弦波信号变为同频率的矩形波，该矩形高电平为3.3V,低电平为0V。并将转换后的信号传入高低电平监测模块和跳变沿监测模块。高低电平监测模块接受到来自硬件过零模块的信号后，由定时器定时1ms间隔对该信号进行高低电平采样判断，并持续存储多个历史数据放入一个一维数据矩阵中，并将该一维数据矩阵传送至滤波模块使用。跳变沿监测模块接收到来自硬件过零模块的信号后，若检测到由跳变沿触发中断则向滤波模块发送触发信号，由滤波模块对数据进行滤波。滤波模块接收到来自高低电平模块传送的一维数据矩阵，对该矩阵进行众数滤波即对该一维数据矩阵中所有数据挨个检查，若为高电平则众数高电平计数值加一，若为低电平则众数低电平计数值加一，全部判断结束后对众数高电平计数值和众数低电平计数值比较，取较大值为众数滤波结果。滤波模块接受到来自跳变沿监测模块传送的跳变沿中断信号后结合高低电平模块的众数值判断该跳变沿的方向即若众数值为高电平则该跳变沿为高电平向低电平跳变，反之若众数值为低电平则跳变沿为低电平向高电平跳变。并将判断结果传送至相位差监测模块。相位差监测模块接受到来自滤波模块发送的跳变沿信号和跳变沿方向后记录当前定时器的值，若为低电平向高电平跳变则将该值作为该路数据的高电平跳变相位数据。若为高电平向低电平跳变则将改制作为该路数据的低电平跳变相位数据。并用该相位数据与其它通道的相应通道进行做差，通道1低电平跳变相位数据-通道2低电平跳变相位数据=通道2与通道1之间的相位差。同理通道1高电平跳变相位数据-通道2高电平跳变相位数据=通道2与通道1之间的相位差。通过滤波模块进行过滤，保证了采集数据精确且不受杂波影响的相位差监测方案，可实现出现大相位差实时预警最大可能降低由于相位差过大导致出现的双电源切换事故，可解决目前相位差计算设备对频率要求一定或两通道必须同频率的局限性。
作为本发明的一种优选实施例，信号处理模块包括电压互感器和整流模块，电压互感器用于将高压信号进行同比例缩放至所需的信号幅值范围内，整流模块是将整个信号基准点进行移动，使其不超过硬件过零模块可使用信号类型的量程。变比后的信号接入整流模块进行电压的缩小和滤波。将采集到的电压电流通过模拟电路组合整理为可供数据转换模块使用的信号。并将该信号送入硬件过零模块。
作为本发明的一种优选实施例，硬件过零模块包括AD采样器和电压比较器，AD采样器用于采集方波电压，电压比较器用于将待测电压信号与基准电压进行比较，实现整流功能。AD采样器是将转换后的方波进行离散采样，将离散采样信号传入下一个所需模块。
作为本发明的一种优选实施例，跳变沿监测模块包括中央处理器和外部中断模块，中央处理器用于处理信号并对跳变沿信号进行保存；外部中断模块用于向滤波模块传送跳变沿触发信号。
作为本发明的一种优选实施例，高低电平监测模块包括GPIO通用输入输出模块、中央处理器和定时器模块，GPIO通用输入输出模块用于读取由所监测信号的电平，中央处理器用于处理和存储所监测到的电平，定时器模块实现定时对所监测的信号进行电平判断。
作为本发明的一种优选实施例，通信模块包括RS485通信模块和通用输出模块，RS485通信模块用于实现协议传输，通用输出模块是对系统外接收系统不正常信号的开出点。
作为本发明的一种优选实施例，所述的相位差检测装置还包括附加模块，用于实现该设备核心功能外的其它功能模块。附加模块包括人机交互模块和声光报警模块，人机交互模块用于使用人员对其进行调试和相关值整定，声光报警模块用于对整个系统的正常运行进行显示，若系统运行状态出现问题，其对系统外部进行声光提示。
作为本发明的另一种优选实施例，电源模块采用开关电源方案为整个系统供电，应用场景为正常运行工况：380V；故信号处理模块中的电压互感器的参数为380:100。硬件过零模块采用由LM2091电压比较器为主组成的模拟电路和采用STM32F49IGT6单片机所带的12为AD采样器。高低电平监测模块和跳变沿监测模块中的GPIO模块、中央处理器、定时器模块以及外部中断模块均为STM32F429IGT6单片机集成。该实例中我们采用RS485通讯与显示屏作为人机交互模块。采用蜂鸣器和LED灯模块作为声光报警模块。该系统的连接方式为信号处理模块的输入和待测量进行进行连接，STM32F429IGT6的ADC采样模块和信号处理模块的输出连接，STM32F429IGT6的ADC采样模块的输出和中央处理器（COTEX-M内核）连接。中央处理器将串口调制信息通过RS485通讯向显示屏模块发送进行人机交互。STM32F429IGT6的通用输入输出模块与蜂鸣器模块和LED模块连接。
将要进行相位差监测的多路电压接入相应的端子后，将整个系统进行交流220V供电，并使用人机交互设备设定测量哪两个端子之间的相位差数据、高低电平监测模块的通用输入模块定时1ms、相位差报警阈值20度。整个准备工作即结束。
在正常运行的情况下，待测的电压首先经过信号处理模块进行相应的变比和调节，在本示例中390V正弦电压经过电压互感器后变比为100V正弦电压信号，经过模拟电路调整为以1.65V为零点基准的幅值为1.5V的正弦信号。将处理后的信号送入硬件过零模块，该信号通过ADC进行采样，采样值为正弦信号信号通过硬件过零模块中的电压比较器与1.65V进行电压比较，若该信号的值大于1.65V则硬件过零模块输出3.3V。若该信号的值小于1.65V则硬件过零模块输出0V。则实现硬件过零模块将正弦信号转换为矩形波信号，将矩形波信号传入高低电平监测模块和跳变沿监测模块中。高低电平监测模块接受到矩阵波信号后按照人机交互设备整定的定时1ms时间对该矩形波进行采样，并判断其属于TTL高电平还是TTL低电平（高电平>2.4V,低电平<0.4V）并将判断的值实时记录在数据长度为5的一维数据矩阵中，该数据矩阵随着时间逐渐拓展，直到拓展到5个后将计数值清0从一维矩阵的头部继续存储。跳变沿监测模块接受到矩阵信号后通过外部中断模块，将外部中断模块设定为边沿触发，则当有高低电平跳变即会向中央处理器法送中断信号。中央处理器的中断系统迫使CPU暂停正在执行的人任务，转而去进入该中断程序进行处理；中断处理完毕后，在返回被中断的程序处继续执行下去。滤波模块收到跳变沿监测模块发出的中断信号后，跳转至中断模块部分，首先检测该通道的电压信号由高低电平监测模块所存储的一维数据矩阵中众数是高电平还是低电平，若为高电平则可判断出此时的跳变沿为低电平向高电平跳变；若为低电平则可判断出此时的跳变沿为高电平向低电平跳变，将信息发送至相位差监测模块。相位差监测模块收到跳变信息后将定时器实时运行值保存在该通道的相位数据缓冲中，若跳变信息为高电平跳转低电平，则保存在该通道的高电平跳转低电平相位数据缓冲中。若跳变信息为低电平跳转高电平，则保存该通道的低电平跳转高电平相位数据缓冲中。若该通道是需要计算相位差的通道则将该通道的相位数据缓冲与基准通道（即做相位差的另一个通道）的相应跳变相位数据缓冲做差。即待计算通道的高电平跳转低电平相位数据缓冲与基准通道的高电平跳转低电平相位数据缓冲做差。待计算通道的低电平跳转高电平香味数据缓冲与基准通道的低电平跳转高电平相位数据缓冲做差。该插值即为两个通道进行过零时的时间差，对该时间差进行数学恒等变换，即可得出相位差值，判断该相位差与人机交互模所设定的相位差报警阈值的大小，若该相位差大于相位差报警阈值则触发蜂鸣器模块以及LED灯模块，提示相位差异常，并将该相位差值通过通讯模块传送至人机交互模块显示。
本发明实施例还提供的一种相位差检测方法，应用于上述所述的一种相位差检测装置所述相位差检测方法包括：
信号处理模块接受电压进行缩小和滤波，并进行信号转化；
硬件过零模块将正弦波信号变为矩形波；
高低电平监测模块对信号进行高低电平采样判断，并持续存储多个历史数据放入一个一维数据矩阵中，并将该一维数据矩阵传送至滤波模块使用；
跳变沿监测模块接收信号并判断触发中断，向滤波模块发送触发信号，由滤波模块对数据进行滤波，并将判断结果传送至相位差监测模块。
步骤1：将多路电气数据接入信号处理模块，由信号处理模块中的电压互感器进行信号变比，变比要求为正常运行的电压（如10KV）变比为100V。电压变比系数=正常运行电压/100；变比后的信号接入整流模块进行电压的缩小和滤波。将采集到的电压电流通过模拟电路组合整理为0—3.3V可供数据转换模块使用的信号。并将该信号送入硬件过零模块。
步骤2：硬件过零模块将由信号处理模块传入的数据通过硬件与1.65V进行比对，具体比对流程为使用电压比较器，比较两个电压的大小，当正输入端电压高于负输入端电压时，电压比较器输出高电平，当正输入电压低于负输入电压时，电压比较器输出低电平，通过该模块将0—3.3V的的正弦波信号变为同频率的矩形波，该矩形高电平为3.3V,低电平为0V。并将转换后的信号传入高低电平监测模块和跳变沿监测模块。
步骤3：高低电平监测模块接受到来自硬件过零模块的信号后，由定时器定时1ms间隔对该信号进行高低电平采样判断，并持续存储多个历史数据放入一个一维数据矩阵中，并将该一维数据矩阵传送至滤波模块使用。跳变沿监测模块接收到来自硬件过零模块的信号后，由外部中断模块检测是否触发中断，若检测到由跳变沿触发中断则向滤波模块发送触发信号，由滤波模块对数据进行滤波。
步骤4：滤波模块接收到来自高低电平模块传送的一维数据矩阵，对该矩阵进行众数滤波即对该一维数据矩阵中所有数据挨个检查，若为高电平则众数高电平计数值加一，若为低电平则众数低电平计数值加一，全部判断结束后对众数高电平计数值和众数低电平计数值比较，取较大值为众数滤波结果。滤波模块接受到来自跳变沿监测模块传送的跳变沿中断信号后结合高低电平模块的众数值判断该跳变沿的方向即若众数值为高电平则该跳变沿为高电平向低电平跳变，反之若众数值为低电平则跳变沿为低电平向高电平跳变。并将判断结果传送至相位差监测模块。
步骤5：相位差监测模块接受到来自滤波模块发送的跳变沿信号和跳变沿方向后记录当前定时器的值，若为低电平向高电平跳变则将该值作为该路数据的高电平跳变相位数据。若为高电平向低电平跳变则将改制作为该路数据的低电平跳变相位数据。并用该相位数据与其它通道的相应通道进行做差，通道1低电平跳变相位数据-通道2低电平跳变相位数据=通道2与通道1之间的相位差。同理通道1高电平跳变相位数据-通道2高电平跳变相位数据=通道2与通道1之间的相位差。
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。
