一种基于双波形捕捉的检测过零点的方法与流程

1.本发明涉及低压电器领域，具体涉及一种基于双波形捕捉的检测过零点的方法。


背景技术：

2.在当今大功率的应用下，普通的断路器无法满足大电压大电流的要求，而满足条件的重合闸接触器成本较高，于是利用成本很低的保护类继电器去实现大电压大电流线路的过欠压保护以及过零检测分合闸。其中，过零检测技术可以保证继电器在电流或者电压过零瞬间进行继电器分合闸，这样就能够将电弧产生的可能性降到最低，保护了线路安全的同时，使得保护继电器的工作寿命大大增加。
3.市面上的保护类继电器的过零检测功能大都是在固定负载特性下(阻性、感性、容性)进行过零点检测。但由于负载特性的多样性，再加上保护类继电器的低成本，大多数保护类继电器无法在多种负载特性下，保证在电流过零点进行分合闸。另外，大多数保护类继电器的过零点检测都是利用硬件斩波电路或者光耦去将全波或者半波的波形转换成方波，再进行过零点检测，此种实现方式主要依靠硬件电路，采用硬件电路进行过零点检测具有一定的局限性，不能针对不同负载特性的电路进行自适应过零点检测，而且使用的元器件较多。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种基于双波形捕捉的检测过零点的方法，其具有成本低、精度高且可以针对不同负载特性的电路进行自适应过零点检测。
5.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种基于双波形捕捉的检测过零点的方法，包括控制器，所述控制器包括第一波形处理接口和第二波形处理接口，所述第一波形处理接口和第二波形处理接口同时获取待测线路的信号，将待测线路的信号转换为方波信号传送给第一波形处理接口，选择方波信号的上升沿或下降沿进行触发中断并记录中断时间点；通过第二波形处理接口获取模拟电路波形信号并计算模拟电路波形信号的模拟过零时间点，控制器比较计算中断时间点以及模拟过零时间点获得过零点时间。
7.可选的，进行多次中断获得多个中断时间点，进行多个周期的模拟波形采集，获取多个模拟电路波形信号的模拟过零时间点；将多个中断时间点分别与对应多个模拟过零时间点比较得到多个过零时间差，控制器根据多个过零时间差执行滑动均值滤波算法后获得过零点时间。
8.可选的，通过计算每个采样点的斜率获取模拟电路波形信号的模拟过零时间点。
9.可选的，获取相邻两个采样点的瞬时电压值分别为u1和u2，相邻两个采样点之间的时间间隔为δt，相邻两个采样点的斜率k1＝(u2-u1)/δt，选取斜率最趋近1的相邻两个采样点中的一个的采样时间作为模拟电路波形信号的模拟过零时间点，或者选取斜率最趋近1的相邻两个采样点的采样时间之间的时间作为模拟电路波形信号的模拟过零时间点。
10.可选的，在获得方波信号以及模拟电路波形信号的过零时间差后，经过至少10次滑动均值滤波后获得实际的过零点时间。
11.可选的，包括钳位电路，所述钳位电路与作为第一波形处理接口的中断接口连接，由钳位电路将待测线路的信号转换为方波信号。
12.可选的，基于模拟电路波形信号获取电压的有效值，控制器根据电压的有效值判断待测线路的过欠压情况。
13.可选的，所述第一波形处理接口所获取的待测线路的信号为半波信号或全波信号，第二波形处理接口所获取待测线路的信号为半波信号或全波信号。
14.可选的，所述第一波形处理接口所获取的待测线路的信号为全波信号，选择方波信号的上升沿进行触发中断，第二波形处理接口所获取的待测线路的信号为半波信号，第二波形处理接口在一个半波内设置有至少20个采样点。
15.可选的，还包括与控制器连接的外围硬件电路，所述外围硬件电路包括第一分压电路和第二分压电路，其中第一分压电路连接在作为第一波形处理接口的中断接口与待测线路之间，第二分压电路连接在作为第二波形处理接口的adc采集接口与待测线路之间；所述外围硬件电路还包括整流桥和滤波电路，所述第一分压电路依次通过整流桥、滤波电路与控制器连接，所述第二分压电路包括保护二极管，所述保护二极管用于限制待测线路的信号波动。
16.本发明的一种基于双波形捕捉的检测过零点的方法，控制器通过第一波形处理接口和第二波形处理接口同时捕获待测线路的波形信号，获得通过两个不同的初始过零点时间，即中断时间点和模拟过零时间点，互相纠正，降低误差，控制器根据比较计算获得精确性高的过零点时间，而且其主要是通过控制器执行软件算法实现的，具备成本低、稳定性以及精确性高的优点。
17.此外，将波形误差进行滑动均值滤波以及相应的计算分析，最终能够稳定准确的识别过零点，且滑动均值滤波的算法抗干扰能力强，对于复杂负载特性可以实现精确过零。
18.此外，通过计算每个采样点的斜率获取模拟电路波形信号的模拟过零时间点，其精确度较高。
19.此外，在外部中断接口连接钳位电路，由钳位电路将待测线路的信号转换为方波信号，如此可以省略斩波器，进一步减少元器件数量，降低成本。
附图说明
20.图1是本发明的示意图；
21.图2是本发明中滑动均值滤波算法的示意图；
22.图3是本发明中外围硬件电路的电路图(不含第二分压电路)；
23.图4是本发明中第二分压电路的电路图。
具体实施方式
24.以下结合附图1至4给出的实施例，进一步说明本发明的一种基于双波形捕捉的检测过零点的方法的具体实施方式。本发明的一种基于双波形捕捉的检测过零点的方法不限于以下实施例的描述。
25.一种基于双波形捕捉的检测过零点的方法，包括控制器，所述控制器包括第一波形处理接口和第二波形处理接口，所述第一波形处理接口和第二波形处理接口同时获取待测线路的信号，将待测线路的信号转换为方波信号传送给第一波形处理接口，选择方波信号的上升沿或下降沿进行触发中断并记录储存中断时间点；通过第二波形处理接口获取模拟电路波形信号并计算模拟电路波形信号的模拟过零时间点，控制器比较计算中断时间点以及模拟过零时间点获得精确性高的实际的过零点时间。例如，控制器在获取中断时间点以及模拟过零时间点后，可以通过求取中断时间点和与模拟过零时间点的平均值或加权平均值获取实际的过零点时间，当然还可以利用其他的计算方式获取实际的过零点时间，本发明的改进点在于通过两个不同的初始过零点时间，即中断时间点和模拟过零时间点，互相纠正，降低误差。
26.如此，控制器通过第一波形处理接口和第二波形处理接口同时捕获待测线路的波形信号，比较分析两者捕捉到的波形，控制器根据比较计算获得精确性高的过零点时间，降低误差，而且其主要是通过控制器执行软件算法实现的，具备成本低、稳定性以及精确性高的优点。
27.进一步的，通过比较方波信号的中断时间点以及模拟电路波形信号的模拟过零时间点的得到过零时间差，进行多次中断获得多个中断时间点，进行多个周期的模拟波形采集，获取多个模拟波形模拟过零时间点；将多个中断时间点分别与对应多个模拟过零时间点比较得到多个过零时间差，控制器根据多个过零时间差执行滑动均值滤波算法后获得实际的过零点时间。其中，滑动平均值滤波是指先在存储模块中建立一个数据缓冲区，依顺序存放n个采样数据，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据丢掉，而后求包括新数据在内的n个数据的算术平均值或加权平均值。将波形误差进行滑动均值滤波以及相应的计算分析，最终能够稳定准确的识别过零点，且滑动均值滤波的算法抗干扰能力强，对于复杂负载特性可以实现精确过零，而且通过滑动均值滤波能够自适应的不断更正得到精确的过零点时间。
28.如图1-4所示，所述基于双波形捕捉的检测过零点的方法由控制器来执行，控制器优选为mcu，控制器包括第一波形处理接口和第二波形处理接口，所述第一波形处理接口为中断接口，所述第二波形处理接口为adc采样接口，所述第一波形处理接口和第二波形处理接口同时获取待测线路的信号，其中通过将待测线路的信号转换为方波信号再传送给作为第一波形处理接口的中断接口，由第一波形处理接口选择方波信号的上升沿或下降沿进行触发中断并记录储存中断时间点；同时通过第二波形处理接口在对应的波形周期内进行多次采集，获取多个采样点数据，根据多个采样点的数据得到模拟电路波形信号并计算和记录模拟电路波形信号的模拟过零时间点，优选通过计算每个采样点的斜率获取模拟电路波形信号的模拟过零时间点，通过比较分析方波信号的中断时间点以及模拟电路波形信号的模拟过零时间点得到过零时间差，控制器根据过零时间差执行滑动均值滤波算法后，优选经过至少10次滑动均值滤波后，提取的时间值即为实际的过零点时间。
29.在所述控制器与待测线路之间还连接有外围硬件电路，由外围硬件电路采集待测线路的信号，也就是将外围硬件电路连接在市电侧，在本实施例中，外围硬件电路包括第一分压电路和第二分压电路，其中第一分压电路连接在作为第一波形处理接口的中断接口与市电侧之间，外围硬件电路还包括钳位电路，所述钳位电路与中断接口连接，由钳位电路将
第一波形处理接口所获取的待测线路的信号转换为方波信号，如此，可以直接省去现有外围硬件电路中的斩波器，进一步减少元器件数量，降低成本，第二分压电路连接在第二波形处理接口的adc采集接口与市电侧之间。
30.在本实施例中，第一波形处理接口所获取的待测线路的信号为半波信号或全波信号，第二波形处理接口所获取待测线路的信号为半波信号或全波信号，优选第一波形处理接口所获取的待测线路的信号为全波信号，在全波信号被钳位电路转换为方波信号后，选择方波信号的上升沿进行触发中断，第二波形处理接口所获取的待测线路的信号为半波信号，在一个半波信号内设置有至少20个采样点，采样点的个数越多，其分析的数据也就越多，分析计算的模拟电路波形就越准确，但对芯片的算力要求较高；进一步的，第二分压电路中设置有保护二极管，由保护二极管限制信号的波动。当然，第一波形处理接口以及第二波形处理接口所获取的待测线路信号也可以均为全波信号，或者两者均为半波信号也是可以的，第一分压电路中也可以设置用于限制信号波动的保护二极管。
31.提供另外一种具体的实施例，在市电情况下，第一波形处理接口所获取的待测线路的信号为全波信号，全波信号被钳位电路转换为全波方波信号后，全波方波信号的周期为20ms，选择全波方波信号的下降沿进行触发中断；第二波形处理接口所获取的待测线路信号为全波正弦波信号，其周期为20ms，对全波正弦波信号持续采集40个点，全波正弦波信号的瞬间电压为u＝220*s in(2π*50t)，根据40个采样点获得模拟电路波形信号，其中模拟电路波形信号为全波正弦波信号的上半周波，相应的，对应模拟电路波形信号的采样点为20个，相邻两个采样点的瞬时电压值分别为u1和u2，相邻两个采样点之间的时间间隔为δt＝10ms/20＝0.05ms，因此，相邻两个采样点的斜率k1＝(u2-u1)/δt，通过微分计算20个采样点的斜率，若斜率越趋近1，则表示该采样点越接近过零点，该采样点指相邻两个采样点中采样时间靠前的一个采样点或采样时间靠后的一个采样点均可，选取斜率最趋近1的相邻两个采样点中的一个的采样时间作为模拟电路波形信号的模拟过零时间点，或者选取斜率最趋近1的相邻两个采样点的采样时间之间的时间作为模拟电路波形信号的模拟过零时间点，如相邻两个采样点的采样时间的中间值作为模拟过零时间点，如此，当采样点设置数目越多，则δt的时间就越短，从而计算出模拟电路波形信号的过零点就越接近真实过零点。
32.需要说明的是，在计算模拟电路波形信号的过零点时刻需要考虑嵌入式微控制器执行指令的时延影响和元器件误差，对斜率进行微分从而得到斜率的发展趋势，通过分析斜率的发展趋势，从而推算出斜率k＝1的时间点，同时，通过提前发送指令将元器件的动作误差时间滤除。
33.通过比较方波信号中断的时间点和计算分析得到的模拟电路波形信号的模拟过零时间点，对两者的差值进行滑动均值滤波计算，也就是指，进行多次中断获得多个中断时间点，进行多个周期的模拟波形采集，获取多个模拟波形模拟过零时间点；将多个中断时间点分别与多个模拟过零时间点比较得到多个过零时间差，将多个过零时间差缓存到数据缓存区，进行算术平均值或加权平均值计算，滤除时间差中的大脉冲干扰，随着采样时间集的持续学习，就能够得到符合该硬件系统和软件系统的更加精确的模拟过零时间点。
34.结合图3、4提供一种外围硬件电路的连接实施例。
35.所述外围硬件电路包括第一分压电路、第二分压电路、整流桥和滤波电路，所述第一分压电路依次通过整流桥和滤波电路连接在第一波形处理接口的外部中断接口，控制器
包括第一芯片以及作为外部中断接口的第二芯片u2，由连接在外部中断接口的钳位电路将待测线路的信号转换为方波信号。
36.所述第一分压电路包括压敏电阻vr1、电阻r1、电阻r2和电容器c1，其中压敏电阻vr1的两端分别与待测线路的零线、火线连接，电阻r3、电阻r1以及电阻r2依次串联在火线上，电容器c1并联在电阻r1、电阻r2的两端，电阻r2的一端、零线分别与整流桥的两个交流输入端连接；
37.所述整流桥包括四个二极管，分别为二极管d1、二极管d2、二极管d3和二极管d4，二极管d1的阳极分别与二极管d3的阴极、电阻r2的一端连接，二极管d1的阴极、二极管d2的阴极分别与滤波电路的一端连接，二极管d2的阳极分别与二极管d4的阴极、零线连接，二极管d3的阳极和二极管d4的阳极与滤波电路的另一端连接在一起并与gnd连接。
38.所述滤波电路包括稳压二极管v1、电容器c2和电容器c3，其中稳压二极管v1、电容器c2以及电容器c3的一端与整流桥的正极输出端、中断接口的输入端连接，稳压二极管v1、电容器c2以及电容器c3的另一端与整流桥的负极输出端连接在一起并与gnd连接。
39.所述钳位电路包括二极管d8、电容器cd1以及电容器c5，所述二极管d8的阳极与外部中断接口的输出端连接，二极管d8的阴极与电容器cd1的正极、电容器c5的一端连接，电容器cd1的阴极、电容器c5的另一端以及中断接口的gnd端连接在一起并与gnd连接。
40.所述第二分压电路包括电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7、电阻r8、电阻r11、电阻r12、电容器c4、电容器c8以及二极管d7，其中二极管d7作为保护二极管，电阻r4、电阻r5、电阻r6以及电阻r7依次串联，电阻r4的一端以及电阻r11的一端与火线连接，电阻r7的一端与二极管d7的阳极连接，电阻r8、电容器c4的一端与二极管d7的阴极连接，二极管d7的阴极与第一芯片的一个端口连接，电阻r8和电容器c4的另一端与gnd连接；电阻r12连接在电阻r11与第一芯片的另一个端口之间，电容器c8的一端与电阻r12接入第一芯片的同一个端口，电容器c8的另一端与gnd连接。
41.在本实施例中，过欠压功能是基于模拟电路波形信号来实现的，基于模拟电路波形信号获取电压的有效值，当控制器根据电压的有效值判断待测线路的过欠压情况，从而实现电路的过欠压功能。
42.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。