一种零点检测方法、换相投切方法、系统及换相投切设备

技术领域

本发明涉及电力换相投切领域，具体涉及一种零点检测方法、换相投切方法、系统及换相投切设备。

背景技术

国内配电网选择的供电方式主要是三相四线制，某一相负荷快速增加或者减小，都会增加配电网三相不平衡，一旦三相不平衡程度加大，又会危害配电网的相关设备，严重的不平衡会增大变压器的损耗，导致变压器励磁电流增大，严重的时候可能会损坏变压器，同时也会危害用户的设备，造成很大的经济损失。

目前在改善三相不平衡方面，常采用的手段有：负载补偿装置、配电网络重构、三相平衡优化换相，其中，三相平衡优化换相策略应用较为广泛，其普遍采用定期统计配变低压侧三相不平衡度，在超过限制时通过在低压负荷端人工改变负荷的接入相别的方式降低三相不平衡度。这种人工换相在调整过程中会造成用户的暂时停电，并且换相完成后也只能解决某个时段的不平衡问题，不能长久的解决问题。因此，人们希望运用智能换相装置来改善配电网三相不平衡，其能够实现对电网进行自动采样、运算、通信，并通过预设的智能换相策略，得出配电网最优换相方案，通过开关自动相序切换，最终实现电网的三相平衡。由于智能换相装置的换相执行终端在进行投切时是以电压电流的过零时刻为参考，而在现有技术中的过零时刻检测方法容易受到电网中各种含谐波及频率波动波形的影响，导致过零点检测精度较低，进而影响三相不平衡改善效果。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中过零时刻判断精度较低的缺陷，从而提供一种零点检测方法、换相投切方法、系统及换相投切设备。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种零点检测方法，包括：获取待检测信号；采用多个零点检测方式对所述待检测信号进行零点检测，得到各零点检测方式对应的零点检测时刻；从各零点检测方式对应的零点检测时刻中筛选出所有检测结果均一致的候选零点时刻集；基于时间顺序，从所述候选零点时刻集中确定目标零点时刻。

可选地，所述采用多个零点检测方式对所述待检测信号进行零点检测，包括：采用第一零点检测方式对所述待检测信号进行零点检测；所述采用第一零点检测方式对所述待检测信号进行零点检测，包括：对所述待检测信号进行快速傅里叶变换计算，得到所述待检测信号在时频域内对应的相位谱；根据所述相位谱中对应工频的电压、电流基波的相位分量，得到所述第一零点检测方式对应的第一零点检测时刻。

可选地，所述根据所述相位谱中对应工频的电压、电流基波的相位分量，得到所述第一零点检测方式对应的第一零点检测时刻，包括：通过如下公式计算过零点时刻：

可选地，所述采用多个零点检测方式对所述待检测信号进行零点检测，包括：采用第二零点检测方式对所述待检测信号进行零点检测；所述采用第二零点检测方式对所述待检测信号进行零点检测，包括：利用比较器中断的方式对待检测信号进行零点检测，得到所述第二零点检测方式对应的第二零点检测时刻。

第二方面，本发明实施例提供一种换相投切方法，包括：获取待检测信号，并采用本发明第一方面所述的零点检测方法得到目标零点时刻；计算目标继电器动作延时时间；基于所述目标零点时刻和所述目标继电器动作延时时间，确定目标信号发送时刻，基于所述目标信号发送时刻在所述目标零点时刻进行换相投切。

可选地，所述计算目标继电器动作延时时间，包括：采集历史继电器动作延时时间，并获取预设继电器动作延时时间；对所述历史继电器动作延时时间和所述预设继电器动作延时时间进行加和求均值，确定所述目标继电器动作延时时间。

第三方面，本发明实施例提供一种零点检测系统，包括：第一获取模块，用于获取待检测信号；第一计算模块，用于采用多个零点检测方式对所述待检测信号进行零点检测，得到各零点检测方式对应的零点检测时刻；第一筛选模块，用于从各零点检测方式对应的零点检测时刻中筛选出所有检测结果均一致的候选零点时刻集；第一处理模块，用于基于时间顺序，从所述候选零点时刻集中确定目标零点时刻。

第四方面，本发明实施例提供一种换相投切系统，包括：第二处理模块，用于获取待检测信号，并采用本发明第一方面所述的零点检测方法得到目标零点时刻；第二计算模块，用于计算目标继电器动作延时时间；第一投切模块，用于基于所述目标零点时刻和所述目标继电器动作延时时间，确定目标信号发送时刻，基于所述目标信号发送时刻在所述目标零点时刻进行换相投切。

第五方面，本发明实施例提供一种换相投切设备，包括：采样设备、软件零点检测设备、硬件零点检测设备、控制器及换相投切执行机构，其中，所述采样设备用于采集待投切设备的待检测信号，并将所述待检测信号发送至所述软件零点检测设备和所述硬件零点检测设备；所述硬件零点检测设备用于对所述待检测信号进行零点检测得到第一零点时刻，并将所述第一零点时刻发送至所述控制器；所述软件零点检测设备用于对所述待检测信号进行零点检测得到第二零点时刻，并将所述第二零点时刻发送至所述控制器；所述控制器，用于对所述第一零点时刻和所述第二零点时刻进行比较，生成换相投切控制信号，并将所述换相投切控制信号发送至所述换相投切执行机构；所述换相投切执行机构用于根据所述换相投切控制信号对所述待投切设备执行换相投切动作。

第六方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本发明第一方面所述的零点检测方法或本发明第二方面所述的换相投切方法。

第七方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行本发明第一方面所述的零点检测方法或本发明第二方面所述的换相投切方法。

本发明技术方案，具有如下优点：

本发明提供的零点检测方法，包括：获取待检测信号；采用多个零点检测方式对待检测信号进行零点检测，得到各零点检测方式对应的零点检测时刻；从各零点检测方式对应的零点检测时刻中筛选出所有检测结果均一致的候选零点时刻集；基于时间顺序，从候选零点时刻集中确定目标零点时刻。通过采用多个零点检测方法结合的方式对待检测信号进行零点检测，使得即使其中一种方法检测效果欠佳时，另外一种方法仍然可以作为补充，使得对于电网中各种含谐波及频率波动波形，其最终检测的过零点仍然有较为准确的结果，通过多维度精准过零检测有效解决了多样系统负荷随机性与动态干扰特性对电量信号引发的畸变问题，解决了现有过零检测方案不能普适于多样化负荷动态运行复杂场景中的过零精准识别要求。

本发明提供的换相投切方法，包括：获取待检测信号，并采用上述零点检测方法得到目标零点时刻；计算目标继电器动作延时时间；基于目标零点时刻和目标继电器动作延时时间，确定目标信号发送时刻，基于所述目标信号发送时刻在所述目标零点时刻进行换相投切。通过不断修正目标继电器的延时时间，使继电器能够更准确地完成过零点动作，并最大限度的降低了换相过程中产生电弧、涌流的风险，保护了继电器的触头，延长了继电器的使用时间，防止因拉弧导致分断失败，减小了对电网的冲击。

本发明提供的换相投切设备，包括：采样设备、软件零点检测设备、硬件零点检测设备、控制器及换相投切执行机构，其中，采样设备用于采集待投切设备的待检测信号，并将待检测信号发送至软件零点检测设备和硬件零点检测设备；硬件零点检测设备用于对待检测信号进行零点检测得到第一零点时刻，并将第一零点时刻发送至控制器；软件零点检测设备用于对待检测信号进行零点检测得到第二零点时刻，并将第二零点时刻发送至控制器；控制器，用于对第一零点时刻和第二零点时刻进行比较，生成换相投切控制信号，并将换相投切控制信号发送至换相投切执行机构；换相投切执行机构用于根据换相投切控制信号对待投切设备执行换相投切动作。通过采用多个零点检测方法结合的方式对待检测信号进行零点检测，使得即使其中一种方法检测效果欠佳时，另外一种方法仍然可以作为补充，使得对于电网中各种含谐波及频率波动波形，其最终检测的过零点仍然有较为准确的结果，通过多维度精准过零检测有效解决了多样系统负荷随机性与动态干扰特性对电量信号引发的畸变问题，解决了现有过零检测方案不能普适于多样化负荷动态运行复杂场景中的过零精准识别要求，提高了换相投切设备过零投切的精确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中零点检测方法的一个具体示例的流程图；

图2为本发明实施例中换相投切方法的一个具体示例的流程图；

图3a为本发明实施例中进行换相执行终端过零切换的正常电网工作状态下的输入信号；

图3b为应用软件过零检测算法进行过零点检测的输出信号；

图3c为应用硬件比较器中断进行过零点检测的输出信号；

图3d为本发明实施例中进行换相执行终端过零切换的系统状态实时判断输出信号；

图4a为本发明实施例中进行换相执行终端过零切换的平肩多过零波形工作状态下的输入信号；

图4b为应用软件过零检测算法进行过零点检测的输出信号；

图4c为应用硬件比较器中断进行过零点检测的输出信号；

图4d为本发明实施例中进行换相执行终端过零切换的系统状态实时判断输出信号；

图5a为本发明实施例中进行换相执行终端过零切换的陡峭极速过零波形工作状态下的输入信号；

图5b为应用软件过零检测算法进行过零点检测的输出信号；

图5c为应用硬件比较器中断进行过零点检测的输出信号；

图5d为本发明实施例中进行换相执行终端过零切换的系统状态实时判断输出信号；

图6a为本发明实施例中进行换相执行终端过零切换的非工频频率工作状态下的输入信号；

图6b为应用软件过零检测算法进行过零点检测的输出信号；

图6c为应用硬件比较器中断进行过零点检测的输出信号；

图6d为本发明实施例中进行换相执行终端过零切换的系统状态实时判断输出信号；

图7为本发明实施例中零点检测系统的一个具体示例的原理框图；

图8为本发明实施例中换相投切系统的一个具体示例的原理框图；

图9为本发明实施例中换相投切设备的一个具体示例的原理框图；

图10为本发明实施例提供的计算机设备一个具体示例的组成图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明实施例提供一种零点检测方法，应用于过零投切设备，如图1所示，包括如下步骤：

步骤S10：获取待检测信号。

在一具体实施例中，过零投切设备运行中，以频率f对换相终端电压、电流信号逐点取样，以设定的时间窗长度Ts对电压电流信号进行分析，后续对时间窗内的电压电流信号Xn进行多时频分析过程，同时对开始采样的时间记录为0。考虑一方面时间窗内过少的数据点无法精确反映故障电弧与类弧的根本差异特征，另一方面时间窗内过多的数据点无法快速实现快速傅里叶变换分析。因此，在本发明实施例中，选择时间窗内数据点N＝256，为满足过零投切设备中Cortex-M3处理器的硬件要求的同时能够反映过零点与非过零点之间差异的特征频段，换相执行终端输出电压、电流信号采样频率f取为12.8kHz，其中，采样频率可根据处理器参数进行调整，在此不作限制。在本发明实施例中，过零投切设备包括：换相执行终端、无功补偿装置、高压真空开关，仅以此为例，不以此为限。

步骤S11：采用多个零点检测方式对待检测信号进行零点检测，得到各零点检测方式对应的零点检测时刻。

在一具体实施例中，在实际工程应用时，可以采用多个零点检测方式对待检测信号进行零点检测，其零点检测方式包括：步骤S111：采用第一零点检测方式对待检测信号进行零点检测，具体地，其零点检测过程包括如下步骤：

步骤S1111：对待检测信号进行快速傅里叶变换计算，得到待检测信号在时频域内对应的相位谱。

步骤S1112：根据相位谱中对应工频的电压、电流基波的相位分量，得到第一零点检测方式对应的第一零点检测时刻。

在本发明实施例中，采用快速傅里叶变换的方法对电压电流检测信号Xn进行分析，得到该时间窗下换相执行终端电压电流检测信号Xn在时频域内对应的幅度谱An和相位谱Bn。

对于快速傅里叶变换得到的幅度谱和相位谱，其幅度谱和相位谱中每一元素均对应采集信号某一频率的信息。本发明采用256点、采样频率为12.8kHz的原始信号数据，因此其快速傅里叶变换后的幅度谱与相位谱其第i个元素对应的频率为12800*(i-1)/256Hz。过零投切设备应用场景中获取的信号为电网中的电压电流，其主要成分为输送电能的基频50Hz分量，并含有一定的高次、频率为50Hz倍数的、离散的谐波。对于幅度谱和相位谱中第一个元素频率为0Hz，即直流分量，低压交流电网中仅在如三相不平衡时故障时的中性线上、或者出现接地故障等情况时会出现，一般含量极少且存在时间很短，因此可以不作考虑；而对于幅度谱和相位谱中第三个及以后的元素频率≥100Hz，即高次谐波分量，由于电网在输送电能时对于谐波含量有一定的要求，其含量也较少，但是其成分复杂，分析起来较为困难，对其的忽略可以在节约大量的计算资源的同时不影响判断过零点结果，因此也不作考虑。基于此在获取其特征时以其第二个元素50Hz基频分量为主，即可把握所需的电压电流检测信号Xn相关信息，实现过零点时间预测判断。对于第二组元素，其幅度谱部分即为50Hz频率下分量的幅值，其相位谱部分的介于[0，2π]的辐角即为基频50Hz分量的相位。获取50Hz频率下电压、电流基波的幅值即获取电压电流检测信号Xn的主要成分的幅值，可以用于计算获取换相执行终端后负载的功率，汇报给换相控制终端进行三相不平衡自动调节换相策略的制定。获取50Hz频率下电压、电流基波的相位即获取电压电流检测信号Xn的主要成分的初相，也可以用于获取计算换相执行终端后负载的功率，还可以用于判断过零点时刻。因而这两个特征量来获取电压电流检测信号Xn的相关信息，用于进行过零点预测判断。

在本发明实施例中，根据相位谱中对应工频的电压、电流基波的相位分量，得到第一零点检测方式对应的第一零点检测时刻，包括：利用相位谱中对应工频的电压基波的相位分量

其中，T

其中，T

在本发明实施例中，通过在第一零点检测方式检测过零点时刻时采用快速傅里叶变换的方法，不仅计算速度快、获取信息效率高，可以以较少的计算资源快速地获取分析电压电流信号所需的信息，加快了过零点预测判断的时间。该方法可以获取信号各个频率下的信息，便于后续步骤获取所需的特征量，不再需要其它的处理过程，简化了算法的计算流程。

本发明能可靠识别各种谐波过零点，实际电网中因负载性质不同会产生各种谐波，由此产生不同的检测信号，本发明快速傅里叶变换的使用可以有效辨认各种谐波影响下的电压电流过零点，准确地为换相终端提供了科学合理的动作时刻，解决了因难以找到过零点而产生的非过零投切问题，实现多电量畸变情形下的过零点精准捕获，提高台区供电稳定性。并且能够保障过零检测的快速性，选用的快速傅里叶变换方法只需采集一个周期的数据即可进行后续判断，解决了传统过零检测算法耗时长的问题，加快了过零检测判断时间，减小了过零检测算法对设备的性能要求

进一步地，其零点检测方式还包括：步骤S112：采用第二零点检测方式对待检测信号进行零点检测，具体地，其零点检测过程包括如下步骤：

步骤S1121：利用比较器中断的方式对待检测信号进行零点检测，得到第二零点检测方式对应的第二零点检测时刻。

在本发明实施例中，比较器将待检测信号与接地信号即零信号进行比较，当待检测信号大于零时，比较器输出1，当待检测信号小于零时，比较器输出0。因此当输出信号由1变为0或由0变为1时，待检测信号出现了正负切换，即出现了一次过零。对于比较器输出接入中断检测，设置为上升/下降沿触发，当中断触发时，视为出现过零。

步骤S12：从各零点检测方式对应的零点检测时刻中筛选出所有检测结果均一致的候选零点时刻集。

在一具体实施例中，利用第一零点检测方式获取的基频时域表达式形式为频率为50Hz的三角函数，这是一个周期函数，每过半个周期即可经过一次过零点。通过表达式中的初相可以获得之后所有的过零点相位，结合工频频率可以获得这些相位对应的过零点时刻。而通过第二零点检测方式获取的中断触发时刻即为过零点时刻。将上述两种零点检测方式获取的过零点时刻取交集筛选出所有检测结果均一致的候选零点时刻集。具体地，将第一零点检测方式与第二零点检测方式实时输出换相执行终端电压电流信号是否发生过零的0/1判定结果，发生过零时输出1，判断未过零时输出0。只有在两种方法同时输出1时，才认为信号实现过零，否则认为信号并未到达实际过零点。两种方法的共同确认保证了过零切换策略能够找到信号的实际过零点，提升了判断过零的准确度。

步骤S13：基于时间顺序，从候选零点时刻集中确定目标零点时刻。

在一具体实施例中，将第一零点检测方式与第二零点检测方式获取的过零时刻一同进行判断，当二者同时认为到达过零时刻时，视为检测到(电压)电流检测信号X

本发明提供的零点检测方法，包括：获取待检测信号；采用多个零点检测方式对待检测信号进行零点检测，得到各零点检测方式对应的零点检测时刻；从各零点检测方式对应的零点检测时刻中筛选出所有检测结果均一致的候选零点时刻集；基于时间顺序，从候选零点时刻集中确定目标零点时刻。通过采用多个零点检测方法结合的方式对待检测信号进行零点检测，使得即使其中一种方法检测效果欠佳时，另外一种方法仍然可以作为补充，使得对于电网中各种含谐波及频率波动波形，其最终检测的过零点仍然有较为准确的结果，通过多维度精准过零检测有效解决了多样系统负荷随机性与动态干扰特性对电量信号引发的畸变问题，解决了现有过零检测方案不能普适于多样化负荷动态运行复杂场景中的过零精准识别要求。

本发明实施例还提供一种换相投切方法，如图2所示，包括如下步骤：

步骤S20：获取待检测信号，并采用上述零点检测方法得到目标零点时刻。

步骤S21：计算目标继电器动作延时时间。

步骤S22：基于目标零点时刻和目标继电器动作延时时间，确定目标信号发送时刻，基于目标信号发送时刻在目标零点时刻进行换相投切。

在一具体实施例中，首先对电压电流信号进行实时采样，并采用上述零点检测方法对电压电流信号进行过零判断，当上述两种方法同时认为到达过零时刻时，视为检测到(电压)电流检测信号Xn的过零点，记此时的时刻为t0并由换相执行终端将整个过零切换流程的延时Δt计入后，选择距离确定的过零点最近的、误差最小的下一个过零点，即半周期0.01s后的过零点，在t0+0.01s-Δt发出换相信号，使得换相执行终端动作在t0+0.01s完成切出，并将切出完成信号置为1，统计切出相继电器动作延时时间Δt0。对统计得到的切出相的继电器动作延时时间Δt

具体地，计算目标继电器动作延时时间，包括如下步骤：

步骤S211：采集历史继电器动作延时时间，并获取预设继电器动作延时时间。

步骤S212：对历史继电器动作延时时间和预设继电器动作延时时间进行加和求均值，确定目标继电器动作延时时间。

在实际工程应用中，继电器的动作时间具有一定的分散性，且其动作时间会随工作场景、使用时间等而进行变化，对过零切换策略中的延时估计造成了影响。本发明在每一次的继电器动作执行以后都对这一次的继电器动作时间进行统计，并将其与之前统计的继电器动作平均时间进行加权平均，作为之后继电器动作时考虑延时的修正。在这样的延时修正算法下，最近的继电器动作时间权重最大，而越久的继电器动作时间其权重越小，这样既考虑到了相近的时间内继电器动作时间更为相似的情况，也避免了继电器动作时间出现突变时导致延时的估计出现误判，使得换相执行终端过零切换策略能够保证使继电器在所在相信号过零时刻动作，完成切换。

本发明通过不断统计、更新、修正执行终端动作的延时时间，充分考虑终端运行中各环节产生的延时及继电器电寿命分散性的影响，使继电器能够更准确地在过零点动作，最大限度降低了换相过程中产生电弧、涌流的风险，保护了继电器的触头，延长了继电器的使用时间，防止因拉弧导致分断失败，减小了对电网的冲击。

在实际工程应用时，无论是软件或是硬件过零检测均无法获得绝对的过零时刻，其均含有一定的误差。其中基于快速傅里叶变换的软件过零检测对于过零点的时刻具有一定的误差，而基于比较器的硬件过零检测对于过零点时刻的信号值具有一定的误差。在某些谐波含量较多的工况，如陡峭极速过零波形下，基于快速傅里叶变换所得的过零点时刻可能因时刻的误差而判断出实际信号值仍然较大的点，失去正常的过零点判断能力，而基于比较器的硬件过零检测在这些工况下则不会判断出误差较大的过零点，呈现出与实际过零时刻相近的值。反之在另一些工况，如平肩多过零波形下，基于比较器检测所得的过零点时刻可能因实际值的误差而判断出实际基频信号值仍然不到过零的相位的过零点，失去正常的过零点判断能力，而基于快速傅里叶变换的软件过零检测在这些工况下则不会判断出误差较大的过零点，呈现出与实际过零时刻相近的值。同时在工程应用中，算法的计算时间、继电器的动作时间等会在换相执行终端过零点检测时造成一定的影响，导致无法找到正确的过零点。而本发明方案的过零切换策略在过零检测后的继电器驱动过程会考虑整个流程中的各种延时，将其引入过零点预测过程中，使其继电器在最终的动作时刻与检测信号的实际过零点之间不会出现较大的误差。

这就体现了过零切换策略关注多种方法对于提高过零点时刻判断可靠性的好处。如此的过零切换策略在能够快速检测出过零时刻的同时，还能有效无误地防止因算法和设备误差引起的过零检测判断出现明显的误差，尤其解决了陡峭极速过零波形、平肩多过零波形时对于过零检测的干扰问题，最终提高了换相执行终端过零切换的能力，减小了生弧的风险和对电网中设备的损害。

进一步地，在换相执行过程中，除了切出动作，还需切入，以实现电网的三相平衡。对切入相电压信号同样采用上述零点检测方法得到目标零点时刻，使得换相执行终端动作完成切入。在完成切入后，同样需统计切入相继电器动作延时时间。对统计得到的切入相的继电器动作延时时间Δt

具体地，在切入时，首先对电流信号检测到过零点后再对电压信号进行检测，在流程上确保了切入切出相间不会出现同时连接，防止出现短路；在完成信号的采集和处理后再依次对电流和电压信号检测，可以保证切出与切入之间的时间差不超过20ms，既防止对敏感性负载产生断电危害，又保证了检验过零时刻的快速性。

另外上述换相投切方法除了关注执行机构分散性延时外，还可考虑了整个三相不平衡调节过程中动作信号通讯、程序运行、信号采样等各种延时因素，使换相执行终端能够准确无误地在过零点实现切入、切出等切换动作。

结合图3～5，阐述应用本发明的换相执行终端过零切换策略应用于换相执行终端的多种不同电压信号过零点预测判断。

结合图3，阐述本发明的换相执行终端过零检测方法应用于换相执行终端连接电网上处于标准信号下的过零点预测判断效果。

如图3a所示，以采样频率f＝12.8kHz获取换相执行终端信号。在23ms以前，换相执行终端处于正常运行状态。在23ms以后，换相执行终端过零切换算法启动，开始采集信号信息。在43ms以后，经过20ms基波50Hz的一周期，信号信息采集完毕，软件过零检测算法启动，开始计算处理采集信息并预测过零点。在60ms以后，过零检测算法计算完毕，比较器中断打开，软硬件共同预测判断过零点。在63ms左右，C相信号过零。在67ms左右，B相信号过零。

通过快速傅里叶变换对信号进行分析，所得到的时频域内信号的幅度谱和相位谱，对其提取工频信息并以此来判断，得到基于软件过零检测算法的过零时间如图3b所示。软件过零检测算法由采样信号的相位来判断过零时刻，当信号的相位到达过零时刻对应的相位附近时认为检测到过零。标准信号下，不存在谐波对于过零点检测的干扰，信号由相位判断的过零点附近其幅值偏差不会很大，可以得到较为准确的过零时刻。通过比较器将信号与零信号进行比较分析，得到基于硬件比较器中断的过零时刻如图3c所示。硬件比较器中断检测由采样信号的幅值来判断过零时刻，当信号的幅值达到过零时刻对应的幅值附近时认为检测到过零。标准信号下，不存在谐波对于过零点检测的干扰，信号由幅值判断的过零点附近其相位偏差不会很大，可以得到较为准确的过零时刻。

这样软硬件共同判断过零的互补过程造就了对于信号未过零时可以0电平输出、过零时可以1电平输出，如图3d所示。将两种方法所得的结果共同用于判断换相执行终端的信号是否过零。当软硬件方法均没有检测到信号过零时系统输出0，判断信号没有过零，继续进行下一时间内换相执行终端信号的过零检测；当只有软件检测算法或只有硬件比较器检测到信号过零时，仍然输出信号0，判断电压信号没有过零，继续进行下一时间内换相执行终端信号的过零检测；当软硬件方法均检测到信号过零时，则判断确认该时间内换相执行终端信号发生了过零，结合相应的延时给相应的相的继电器发出断开或者闭合信号。为了保证能够找到信号的过零点，软件过零检测算法会对于信号相位接近过零时即判断达到过零条件，再由硬件比较器检测到过零时认定达到过零。由图3d所示的结果，软硬件过零检测方法面对正常信号未过零时刻能够给出正确的低电平指示，对信号过零时刻能够给出正确的高电平指示，对平肩多过零波形、陡峭极速过零波形等之中的非实际过零时刻能够给出正确的低电平指示，因而该检测方法较为准确地区分了换相执行终端内的信号过零时刻和非过零时刻。

结合图4，阐述本发明的换相执行终端过零检测策略应用于换相执行终端连接电网上处于平肩多过零波形信号下的过零点预测判断效果。

如图4a所示，以采样频率f＝12.8kHz获取换相执行终端信号。在27ms以前，换相执行终端处于正常运行状态。在27ms以后，换相执行终端过零切换算法启动，开始采集信号信息。在47ms以后，经过20ms基波50Hz的一周期，信号信息采集完毕，软件过零检测算法启动，开始计算处理采集信息并预测过零点。在60ms以后，过零检测算法计算完毕，比较器中断打开，软硬件共同预测判断过零点。在65ms左右，C相信号过零。在89ms左右，B相信号过零。

通过快速傅里叶变换对信号进行分析，所得到的时频域内信号的幅度谱和相位谱，对其提取工频信息并以此来判断，得到基于软件过零检测算法的过零时间如图4b所示。软件过零检测算法由采样信号的相位来判断过零时刻，当信号的相位到达过零时刻对应的相位附近时认为检测到过零。在平肩多过零波形信号下，谐波对于软件过零点检测干扰很小，信号由相位判断的过零点附近其幅值偏差不会很大，可以得到较为准确的过零时刻。通过比较器将信号与零信号进行比较分析，得到基于硬件比较器中断的过零时刻如图4c所示。硬件比较器中断检测由采样信号的幅值来判断过零时刻，当信号的幅值达到过零时刻对应的幅值附近时认为检测到过零。在该含谐波信号下，谐波对于过零点检测干扰较大，信号由幅值判断的过零点附近其相位偏差较大，需要软件过零检测的共同配合才可以减小偏差，保证过零检测方法对于过零时刻判断结果的正确性。

这样软硬件共同判断过零的互补过程造就了对于信号未过零时可以0电平输出、过零时可以1电平输出，如图4d所示。将两种方法所得的结果共同用于判断换相执行终端的信号是否过零。当软硬件方法均没有检测到信号过零时系统输出0，判断信号没有过零，继续进行下一时间内换相执行终端信号的过零检测；当只有软件检测算法或只有硬件比较器检测到信号过零时，仍然输出信号0，判断信号没有过零，继续进行下一时间内换相执行终端信号的过零检测；当软硬件方法均检测到信号过零时，则判断确认该时间内换相执行终端信号发生了过零，结合相应的延时给相应的相的继电器发出断开或者闭合信号。为了保证能够找到信号的过零点，软件过零检测算法会对于信号相位接近过零时即判断达到过零条件，再由硬件比较器检测到过零时认定达到过零。由图3d所示的结果，软硬件过零检测方法面对正常信号未过零时刻能够给出正确的低电平指示，对信号过零时刻能够给出正确的高电平指示，对平肩多过零波形、陡峭极速过零波形等之中的非实际过零时刻能够给出正确的低电平指示，因而该检测方法较为准确地区分了换相执行终端内的信号过零时刻和非过零时刻。

结合图5，阐述的换相执行终端过零检测方法应用于换相执行终端连接电网上处于陡峭极速过零波形下的过零点预测判断效果。

如图5a所示，以采样频率f＝12.8kHz获取换相执行终端信号。在22ms以前，换相执行终端处于正常运行状态。在22ms以后，换相执行终端过零切换算法启动，开始采集信号信息。在42ms以后，经过20ms基波50Hz的一周期，信号信息采集完毕，软件过零检测算法启动，开始计算处理采集信息并预测过零点。在60ms以后，过零检测算法计算完毕，比较器中断打开，软硬件共同预测判断过零点。在65ms左右，C相信号过零。在78ms左右，B相信号过零。

通过快速傅里叶变换对信号进行分析，所得到的时频域内信号的幅度谱和相位谱，对其提取工频信息并以此来判断，得到基于软件过零检测算法的过零时间如图5b所示。软件过零检测算法由采样信号的相位来判断过零时刻，当信号的相位到达过零时刻对应的相位附近时认为检测到过零。在该含谐波信号下，谐波对于软件过零点检测干扰较大，信号由相位判断的过零点附近其幅值偏差较大。通过比较器将信号与零信号进行比较分析，得到基于硬件比较器中断的过零时刻如图5c所示。硬件比较器中断检测由采样信号的幅值来判断过零时刻，当信号的幅值达到过零时刻对应的幅值附近时认为检测到过零。在该含谐波信号下，谐波对于过零点检测干扰很小，信号由幅值判断的过零点附近其相位偏差较小，可以得到较为准确的过零时刻。本工况仅靠软件检测的准确度不足，需要硬件比较器的共同配合才可以减小偏差，保证过零检测方法对于过零时刻判断结果的正确性。

这样软硬件共同判断过零的互补过程造就了对于信号未过零时可以0电平输出、过零时可以1电平输出，如图5d所示。将两种方法所得的结果共同用于判断换相执行终端的信号是否过零。当软硬件方法均没有检测到信号过零时系统输出0，判断信号没有过零，继续进行下一时间内换相执行终端信号的过零检测；当只有软件检测算法或只有硬件比较器检测到信号过零时，仍然输出信号0，判断信号没有过零，继续进行下一时间内换相执行终端信号的过零检测；当软硬件方法均检测到信号过零时，则判断确认该时间内换相执行终端信号发生了过零，给相应的相的继电器发出断开或者闭合信号。为了保证能够找到信号的过零点，软件过零检测算法会对于信号相位接近过零时即判断达到过零条件，再由硬件比较器检测到过零时认定达到过零。由图3d所示的结果，软硬件过零检测方法面对信号未过零时刻能够给出正确的低电平指示，对信号过零时刻能够给出正确的高电平指示，对平肩多过零波形、陡峭极速过零波形等之中的非实际过零时刻能够给出正确的低电平指示，因而该检测方法较为准确地区分了换相执行终端内的信号过零时刻和非过零时刻。

如图3～5所示，本发明所提供的换相执行终端过零切换策略通过时频域变换的方法获取了信号的相关特征，可靠、快速动作实现过零切换，软硬件结合的方法大大提高了过零检测的精确度，解决了因谐波特性而引起的无法检测正确过零问题，有效防止了非过零切换给电网及换相执行终端运行带来的损害及安全威胁，大幅延长了换相执行终端设备的运行时间与寿命，提高了换相执行终端的顺利换相能力，提高了换相执行终端安全稳定运行的能力。

结合图6，阐述本发明的换相执行终端过零切换策略应用于频率波动情况下的过零点预测判断效果。

如图6a所示，在22ms之前，换相执行终端处于正常运行状态。在22ms之后，换相执行终端过零切换算法启动，开始采集信号信息。在42ms之后，经过20ms基波50Hz的一周期，信号信息采集完毕，软件过零检测算法启动，开始计算处理采集信息并预测过零点。在60ms之后，过零检测算法计算完毕，比较器中断打开，软硬件共同预测判断过零点。在约64ms时刻，信号过零。信号波形为49Hz。

通过快速傅里叶变换对信号进行分析，所得到的时频域内信号的幅度谱和相位谱，对其提取工频信息并以此来判断，得到基于软件过零检测算法的过零时间如图6b所示。软件过零检测算法由采样信号的相位来判断过零时刻，当信号的相位到达过零时刻对应的相位附近时认为检测到过零。在频率波动信号下，对于软件过零点检测有一定的影响，使软件预测的过零点存在一定的误差。通过比较器将信号与零信号进行比较分析，得到基于硬件比较器中断的过零时刻如图6c所示。硬件比较器中断检测由采样信号的幅值来判断过零时刻，当信号的幅值达到过零时刻对应的幅值附近时认为检测到过零。在该非标准工频信号下，对于比较器检测干扰很小，信号由幅值判断的过零点附近其相位偏差很小，可以得到较为准确的过零时刻。本工况仅靠软件检测的准确度不足以正确预测过零点，需要硬件比较器的共同配合才可以减小偏差，保证过零检测方法对于过零时刻判断结果的正确性。

这样软硬件共同判断过零的互补过程造就了对于信号未过零时可以0电平输出、过零时可以1电平输出，如图6d所示。将两种方法所得的结果共同用于判断换相执行终端的信号是否过零。当软硬件方法均没有检测到信号过零时系统输出0，判断信号没有过零，继续进行下一时间内换相执行终端信号的过零检测；当只有软件检测算法或只有硬件比较器检测到信号过零时，仍然输出信号0，判断信号没有过零，继续进行下一时间内换相执行终端信号的过零检测；当软硬件方法均检测到信号过零时，则判断确认该时间内换相执行终端信号发生了过零，结合相应的延时给相应的相的继电器发出断开或者闭合信号。为了保证能够找到信号的过零点，软件过零检测算法会对于信号相位接近过零时即判断达到过零条件，再由硬件比较器检测到过零时认定达到过零。由图6d所示的结果，软硬件过零检测方法面对正常信号未过零时刻能够给出正确的低电平指示，对信号过零时刻能够给出正确的高电平指示，对频率波动条件下信号的非实际过零时刻能够给出正确的低电平指示，因而该检测方法较为准确地区分了换相执行终端内的信号过零时刻和非过零时刻。

本发明提供的换相投切方法，包括：获取待检测信号，并采用上述零点检测方法得到目标零点时刻；计算目标继电器动作延时时间；基于目标零点时刻和目标继电器动作延时时间，确定目标信号发送时刻，基于目标信号发送时刻在目标零点时刻进行换相投切。通过不断修正目标继电器的延时时间，使继电器能够更准确地完成过零点动作，并最大限度的降低了换相过程中产生电弧、涌流的风险，保护了继电器的触头，延长了继电器的使用时间，防止因拉弧导致分断失败，减小了对电网的冲击。

本发明实施例还提供一种零点检测系统，如图7所示，包括：

第一获取模块10，用于获取待检测信号。详细内容参见上述实施例中步骤S10的相关描述，在此不再赘述。

第一计算模块11，用于采用多个零点检测方式对待检测信号进行零点检测，得到各零点检测方式对应的零点检测时刻。详细内容参见上述实施例中步骤S11的相关描述，在此不再赘述。

第一筛选模块12，用于从各零点检测方式对应的零点检测时刻中筛选出所有检测结果均一致的候选零点时刻集。详细内容参见上述实施例中步骤S12的相关描述，在此不再赘述。

第一处理模块13，用于基于时间顺序，从候选零点时刻集中确定目标零点时刻。详细内容参见上述实施例中步骤S13的相关描述，在此不再赘述。

本发明实施例还提供一种换相投切系统，如图8所示，包括：

第二处理模块20，用于获取待检测信号，并采用本发明第一方面的零点检测方法得到目标零点时刻。详细内容参见上述实施例中步骤S20的相关描述，在此不再赘述。

第二计算模块21，用于计算目标继电器动作延时时间。详细内容参见上述实施例中步骤S21的相关描述，在此不再赘述。

第一投切模块22，用于基于目标零点时刻和目标继电器动作延时时间，确定目标信号发送时刻，基于目标信号发送时刻在目标零点时刻进行换相投切。详细内容参见上述实施例中步骤S22的相关描述，在此不再赘述。

本发明实施例还提供一种换相投切设备，如图9所示，包括：采样设备1、软件零点检测设备2、硬件零点检测设备3、控制器4及换相投切执行机构5，其中，

采样设备1，用于采集待投切设备的待检测信号，并将待检测信号发送至软件零点检测设备2和硬件零点检测设备3。

软件零点检测设备2，用于对待检测信号进行零点检测得到第一零点时刻，并将第一零点时刻发送至控制器4。

硬件零点检测设备3，用于对待检测信号进行零点检测得到第二零点时刻，并将第二零点时刻发送至控制器4。

控制器4，用于对第一零点时刻和第二零点时刻进行比较，生成换相投切控制信号，并将换相投切控制信号发送至换相投切执行机构5。

换相投切执行机构5，用于根据换相投切控制信号对待投切设备执行换相投切动作。

在一具体实施例中，上述换相投切设备，还包括：通讯模块6、交互模块7及驱动电路8，其中，

通讯模块6，用于接收上级控制设备的投切指令，并将投切指令发送至控制器4，控制器4用于根据投切指令生成换相投切控制信号。

交互模块7，用于接收人工操作投切指令，并将投切指令发送至控制器4，控制器4用于根据投切指令生成换相投切控制信号。

驱动电路8，用于根据控制器4发送的换相投切控制信号驱动换相投切执行机构5动作。

在本发明实施例中，换相执行终端输入侧与交流电网采用三相四线制的连接形式。电压电流信号通过采样设备1输入至软件零点检测设备2和硬件零点检测设备3，之后零点检测设备2和硬件零点检测设备3对电压电流信号进行零点检测，得到第一零点时刻及第二零点时刻，并将第一零点时刻及第二零点时刻发送至控制器4生成换相投切控制信号。在正常运行时，换相执行终端采样设备1和硬件零点检测设备3输出的信号不进行分析检测，换相执行终端也不主动动作切换，维持稳定运行，如果通讯模块6收到上级的指令或通过人工操作交互模块7发送指令，则开始采集，控制器4控制将一周期的信号由采样设备1和软件零点检测设备2依次进行分析获取其频率谱和相位谱。随后依据前述过零点检测过程获取软件检测过零点，联合硬件零点检测设备3获取的硬件检测过零点，由驱动电路8控制换相投切执行机构5在其所在相过零时动作，最终实现其负载所在相的切换，消除电网中的三相不平衡现象并避免过程中产生电弧，避免了拉弧使得分断失败造成短路，延长了换相执行终端的使用寿命。在本发明实施例中，换相投切执行机构5为继电器，仅以此为例，不以此为限。

进一步地，在实际工程应用中，继电器的动作时间具有一定的分散性，且其动作时间会随工作场景、使用时间等而进行变化，对过零切换策略中的延时估计造成了影响。本发明在每一次的继电器动作执行以后都对这一次的继电器动作时间进行统计，并将其与之前统计的继电器动作平均时间进行加权平均，作为之后继电器动作时考虑延时的修正。在这样的延时修正算法下，最近的继电器动作时间权重最大，而越久的继电器动作时间其权重越小，这样既考虑到了相近的时间内继电器动作时间更为相似的情况，也避免了继电器动作时间出现突变时导致延时的估计出现误判，使得换相执行终端过零切换策略能够保证使继电器在所在相信号过零时刻动作，完成切换。

本发明提供的换相投切设备，包括：采样设备、软件零点检测设备、硬件零点检测设备、控制器及换相投切执行机构，其中，采样设备用于采集待投切设备的待检测信号，并将待检测信号发送至软件零点检测设备和硬件零点检测设备；硬件零点检测设备用于对待检测信号进行零点检测得到第一零点时刻，并将第一零点时刻发送至控制器；软件零点检测设备用于对待检测信号进行零点检测得到第二零点时刻，并将第二零点时刻发送至控制器；控制器，用于对第一零点时刻和第二零点时刻进行比较，生成换相投切控制信号，并将换相投切控制信号发送至换相投切执行机构；换相投切执行机构用于根据换相投切控制信号对待投切设备执行换相投切动作。通过采用多个零点检测方法结合的方式对待检测信号进行零点检测，使得即使其中一种方法检测效果欠佳时，另外一种方法仍然可以作为补充，使得对于电网中各种含谐波及频率波动波形，其最终检测的过零点仍然有较为准确的结果，通过多维度精准过零检测有效解决了多样系统负荷随机性与动态干扰特性对电量信号引发的畸变问题，解决了现有过零检测方案不能普适于多样化负荷动态运行复杂场景中的过零精准识别要求，提高了换相投切设备过零投切的精确性。

本发明实施例还提供一种计算机设备，如图10所示，该设备可以包括处理器61和存储器62，其中处理器61和存储器62可以通过总线或者其他方式连接，图10以通过总线连接为例。

处理器61可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器61还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

存储器62作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的对应的程序指令/模块。处理器61通过运行存储在存储器62中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的零点检测方法或换相投切方法。

存储器62可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器61所创建的数据等。此外，存储器62可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器62可选包括相对于处理器61远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器61。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、企业内网、移动通信网及其组合。

一个或者多个模块存储在存储器62中，当被处理器61执行时，执行本发明实施提供的零点检测方法或换相投切方法。

上述计算机设备具体细节可以对应参阅图1-6所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-StateDrive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。