專利名稱：電力系統(tǒng)定頻采樣下的變頻諧波測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)定頻采樣下的變頻諧波測量方法及其實現(xiàn)裝置。屬于電力系統(tǒng)諧波測量技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的諧波測量技術(shù)及其裝置基于同步采樣，首先跟蹤信號頻率調(diào)整采樣間隔以達到同步采樣的目的，然后對采樣結(jié)果進行快速傅立葉變換從而得到測量結(jié)果；當采樣與信號之間的同步出現(xiàn)細微的波動時，可以采取加窗以及頻率插值的方式提高測量精度?，F(xiàn)有技術(shù)基于變頻測量，一方面實現(xiàn)有困難，測量精度也不夠高，另一方面對保護和測量功能也不能統(tǒng)一實現(xiàn)。定頻采樣下的變頻諧波測量方法及其裝置涉及到的背景技術(shù)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、電力信號頻率跟蹤技術(shù)、離散傅立葉變換技術(shù)以及以PowerPC微處理器為核心的硬件平臺構(gòu)建技術(shù)發(fā)明目的電力系統(tǒng)在特定場合下要求裝置同時提供保護和測量功能。本發(fā)明在定頻采樣情況下對變頻信號進行諧波測量，從而達到同一裝置不僅滿足電力系統(tǒng)保護功能定頻采樣的要求，同時保證電力系統(tǒng)諧波測量精度的目的。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的電力系統(tǒng)定頻采樣下的變頻諧波測量方法，它包括下列步驟(1)首先通過設置定時器完成對多路待測量模擬通道的采樣，采樣結(jié)果存儲于循環(huán)緩沖區(qū)中；(2)對各路信號測量數(shù)據(jù)進行頻率計算，根據(jù)頻率計算結(jié)果生成相應的離散傅立葉變換系數(shù)，同時完成整點數(shù)和分點數(shù)計算；(3)整點采用離散傅立葉變換完成計算，分點數(shù)用于修正；(4)分別對待測量通道進行計算，每個通道的整點計算結(jié)果和分點計算結(jié)果之和即為各通道的測量結(jié)果。
前述的電力系統(tǒng)定頻采樣下的變頻諧波測量方法，其特征在于其中(2)和(3)所述的計算采取以下的方法經(jīng)典的離散傅立葉變換公式如下an=2NΣk=1Ni(k)cosnk2πN]]>bn=2NΣk=1Ni(k)sinnk2πN]]>其中，an、bn分別為n次諧波的余弦和正弦分量的幅值，T為基波分量的周期，N為一個周期T中的采樣點數(shù)；進而得到n次諧波的幅值和相角Im(n)=an2+bn2]]> 為獲得準確的幅度及相角值，采樣頻率必須與信號頻率同步，保證整周期采樣；即當信號基波分量的周期為T(f＝1/T)，采樣頻率fs＝1/Ts，數(shù)據(jù)窗內(nèi)采樣次數(shù)為N，滿足以下關系T/Ts＝N或fs/f＝N則稱采樣頻率與信號頻率同步；設采樣頻率不變，基波分量的周期發(fā)生ΔT的變化，則在一個信號周期中，采樣到的整點數(shù)為Ns=[T+ΔTTs]]]>分點數(shù)為ΔN=T+ΔTTs-Ns]]>
針對整點數(shù)，按以下公式完成傅立葉變換ans=2TsT+ΔTΣk=1Nsi(k)cosnk2πTsT+ΔT]]>bns=2TsT+ΔTΣk=1Nsi(k)sinnk2πTsT+ΔT]]>針對分點數(shù)，按以下公式計算修正值a~=2TsT+ΔTcos(n*Ns2πTsT+ΔT)]]>b~=2TsT+ΔTsin(n*Ns2πTsT+ΔT)]]>以整點計算和分點計算結(jié)果為基礎，得到待測量信號的余弦和正弦分量的幅值；an=ans+a~]]>bn=bns+b~]]>進而得到n次諧波的幅值和相角計算公式Im(n)=an2+bn2]]> 電力系統(tǒng)定頻采樣下的變頻諧波測量裝置，包括主控模件、交流模件、面板模件以及電源模件四部分，其中(1)主控模件完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、測量算法計算、波形及計算結(jié)果存儲等功能；主控模件是本裝置的核心，基于PowerPC處理器、16bitA/D轉(zhuǎn)換器以及大容量的FLASH、DRAM存儲器，保證本裝置能實時對電力信號進行高精度測量，同時能對測量的結(jié)果進行實時處理及保存；采用二階RC無源低通濾波+高速16bit A/D轉(zhuǎn)換器(250kHz)構(gòu)成模擬量采集系統(tǒng)，信噪比可達86dBs，采樣速率可達到7.2kHz；(2)交流模件將強電輸入信號轉(zhuǎn)換成幅值為±5V的電壓電信號，并將輸入和輸出隔離。其輸出信號引入主控模件的A/D采集輸入端。
(3)面板模件提供了人機接口。通過SPI總線與主控模件進行通訊，完成測量設定以及測量結(jié)果顯示等功能；(4)電源模件輸入為110V或220V，其輸出供其它模件使用。
前述的電力系統(tǒng)定頻采樣下的變頻諧波測量裝置，其特征在于其中所述的裝置軟件包含主控模件中以實時多任務操作系統(tǒng)為基礎的嵌入式軟件以及面板模件上單片機的基于前后臺模式的嵌入式軟件；主控模件軟件包括定時中斷采集、采集數(shù)據(jù)管理、數(shù)字信號處理、錄波及計算結(jié)果存儲、事件報告及與面板模件的通訊；面板模件單片機軟件完成液晶顯示及信號燈控制、按鍵信息采集及與主控模件之間的通訊等功能；主控模件與面板模件之間按照一定的協(xié)議通過SPI總線進行通訊。主控模件輸出到面板模件的內(nèi)容為液晶顯示內(nèi)容、讀取指示燈狀態(tài)指令、設置指示燈狀態(tài)；面板模件輸入到主控模件的內(nèi)容為報文確認和否認、按鍵及指示燈狀態(tài)。
本發(fā)明的主要技術(shù)特征a、基于離散傅立葉變換實現(xiàn)諧波測量，包括各次諧波的幅值及相角測量；b、本裝置以高速PowerPC處理器為核心，能對多次諧波進行實時測量，同時提供多種附加功能，如波形及計算結(jié)果存儲、波形及計算結(jié)果顯示、測量設定等；c、當信號基波頻率為工頻時，采樣頻率與信號頻率同步，當信號頻率發(fā)生變化，維持采樣頻率不變，在采樣頻率與信號頻率非同步的情況下，能對信號諧波進行準確跟蹤測量；d、能同時對多個通道不同頻率的信號諧波進行準確測量，與FFT變換法相比，在保證精度的同時，能根據(jù)需要選擇諧波計算次數(shù)；e、面板模件中的單片機作為輔助處理器，根據(jù)一定的協(xié)議與CPU進行通訊，為本裝置提供了完善的人機接口功能。


圖1裝置總體結(jié)構(gòu)圖；圖2CPU模件結(jié)構(gòu)框圖。
具體實施例方式如圖1-2所示的電力系統(tǒng)定頻采樣下的變頻諧波測量方法及其裝置；10kV～35kV電力系統(tǒng)線路保護及測控中可使用本裝置。在電力系統(tǒng)中，當線路發(fā)生故障后，需要對故障線路進行斷路處理，同時對故障信號進行測量，以對故障原因進行分析，本裝置可以提供這樣的功能。在需要保護及測控的場合，三相電壓及電流首先接入交流模件，轉(zhuǎn)換為ADC采樣范圍內(nèi)的電壓后，進入本裝置的6路A/D通道中，完成采樣；通過面板選擇諧波測量路數(shù)及次數(shù)，計算結(jié)果顯示于液晶屏上。同時本裝置可加載電力系統(tǒng)相關保護算法，增加若干開入和開出板后，可以控制繼電器動作完成線路保護。
電力系統(tǒng)在特定場合下要求裝置同時提供繼電保護和測量功能，而目前大多繼電保護算法都基于定頻采樣，并且測量功能要求的頻率范圍為45°～55°。本裝置實現(xiàn)了在定頻采樣情況下對變頻信號進行諧波測量，從而達到同一裝置不僅滿足電力系統(tǒng)保護功能定頻采樣的要求，同時保證電力系統(tǒng)諧波測量精度的目的。
本裝置包括主控模件、交流模件、面板模件以及電源模件四部分。其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件設計包含主控模件、交流模件、面板模件以及電源模件的設計。主控模件以PowerPC處理器為核心，包含A/D轉(zhuǎn)換器、DRAM、FLASH等外圍芯片，提供模數(shù)轉(zhuǎn)換、計算及存儲功能；以Mega 16單片機為核心，構(gòu)建面板模塊，提供按鍵操作輸入、液晶及信號燈顯示等功能；主控模件和面板模件之間使用SPI總線進行串行通信。
在vxWorks多任務操作系統(tǒng)基礎上編寫應用軟件，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)據(jù)顯示以及事件報告等功能。軟件存儲于FLASH中，上電后由Bootrom程序搬移至DRAM中運行。使用采樣數(shù)據(jù)，首先對基波頻率進行跟蹤計算，再以頻率為基礎計算離散傅立葉系數(shù)、整點及分點數(shù)；針對周波采樣整點以及分點分別完成離散傅立葉計算，其和即為諧波測量結(jié)果。
主控模件完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、測量算法計算、波形及計算結(jié)果存儲等功能。其結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。主控模件是本裝置的核心，基于PowerPC處理器、16bitA/D轉(zhuǎn)換器以及大容量的FLASH、DRAM存儲器，保證本裝置能實時對電力信號進行高精度測量，同時能對測量的結(jié)果進行實時處理及保存。
采用二階RC無源低通濾波+高速16bit A/D轉(zhuǎn)換器(250kHz)構(gòu)成模擬量采集系統(tǒng)，信噪比可達86dBs，采樣速率可達到7.2kHz。
交流模件將強電輸入信號轉(zhuǎn)換成幅值為±5V的電壓電信號，并將輸入和輸出隔離。其輸出信號引入主控模件的A/D采集輸入端。
面板模件提供了人機接口。通過SPI總線與主控模件進行通訊，完成測量設定以及測量結(jié)果顯示等功能。
電源模件輸入為110V或220V，其輸出供其它模件使用。
裝置軟件包含主控模件中以實時多任務操作系統(tǒng)為基礎的嵌入式軟件以及面板模件上單片機的基于前后臺模式的嵌入式軟件。
主控模件軟件包括定時中斷采集、采集數(shù)據(jù)管理、數(shù)字信號處理、錄波及計算結(jié)果存儲、事件報告及與面板模件的通訊。
面板模件單片機軟件完成液晶顯示及信號燈控制、按鍵信息采集及與主控模件之間的通訊等功能。
主控模件與面板模件之間按照一定的協(xié)議通過SPI總線進行通訊。主控模件輸出到面板模件的內(nèi)容為液晶顯示內(nèi)容、讀取指示燈狀態(tài)指令、設置指示燈狀態(tài)；面板模件輸入到主控模件的內(nèi)容為報文確認和否認、按鍵及指示燈狀態(tài)。
本裝置的核心算法為定頻采樣下的諧波測量算法。首先通過設置定時器完成對多路待測量模擬通道的采樣，采樣結(jié)果存儲于循環(huán)緩沖區(qū)中；對各路信號測量數(shù)據(jù)進行頻率計算，根據(jù)頻率計算結(jié)果生成相應的離散傅立葉變換系數(shù)，同時完成整點數(shù)和分點數(shù)計算；整點采用離散傅立葉變換完成計算，分點數(shù)用于修正；分別對待測量通道進行計算，每個通道的整點計算結(jié)果和分點計算結(jié)果之和即為各通道的測量結(jié)果。
經(jīng)典的離散傅立葉變換公式如下an=2NΣk=1Ni(k)cosnk2πN]]>bn=2NΣk=1Ni(k)sinnk2πN]]>其中，an、bn分別為n次諧波的余弦和正弦分量的幅值，T為基波分量的周期，N為一個周期T中的采樣點數(shù)。
進而得到n次諧波的幅值和相角Im(n)=an2+bn2]]>
為獲得準確的幅度及相角值，采樣頻率必須與信號頻率同步，保證整周期采樣。即當信號基波分量的周期為T(f＝1/T)，采樣頻率fs＝1/Ts，數(shù)據(jù)窗內(nèi)采樣次數(shù)為N，滿足以下關系T/Ts＝N或fs/f＝N則稱采樣頻率與信號頻率同步。
設采樣頻率不變，基波分量的周期發(fā)生ΔT的變化，則在一個信號周期中，采樣到的整點數(shù)為Ns=[T+ΔTTs]]]>分點數(shù)為ΔN=T+ΔTTs-Ns]]>針對整點數(shù)，按以下公式完成傅立葉變換ans=2TsT+ΔTΣk=1Nsi(k)cosnk2πTsT+ΔT]]>bns=2TsT+ΔTΣk=1Nsi(k)sinnk2πTsT+ΔT]]>針對分點數(shù)，按以下公式計算修正值a~=2TsT+ΔTcos(n*Ns2πTsT+ΔT)]]>b~=2TsT+ΔTsin(n*Ns2πTsT+ΔT)]]>以整點計算和分點計算結(jié)果為基礎，得到待測量信號的余弦和正弦分量的幅值。
an=ans+a~]]>bn=bns+b~]]>
進而得到n次諧波的幅值和相角計算公式Im(n)=an2+bn2]]> 上述的實施例不以任何方式限定本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的形式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.電力系統(tǒng)定頻采樣下的變頻諧波測量方法，它包括下列步驟(1)首先通過設置定時器完成對多路待測量模擬通道的采樣，采樣結(jié)果存儲于循環(huán)緩沖區(qū)中；(2)對各路信號測量數(shù)據(jù)進行頻率計算，根據(jù)頻率計算結(jié)果生成相應的離散傅立葉變換系數(shù)，同時完成整點數(shù)和分點數(shù)計算；(3)整點采用離散傅立葉變換完成計算，分點數(shù)用于修正；(4)分別對待測量通道進行計算，每個通道的整點計算結(jié)果和分點計算結(jié)果之和即為各通道的測量結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要1所述的電力系統(tǒng)定頻采樣下的變頻諧波測量方法，其特征在于其中(2)和(3)步驟是采取以下的方法實現(xiàn)的即當信號基波分量的周期為T(f＝1/T)，采樣頻率fs＝1/Ts，數(shù)據(jù)窗內(nèi)采樣次數(shù)為N，滿足以下關系T/Ts＝N或fs/f＝N則稱采樣頻率與信號頻率同步；設采樣頻率不變，基波分量的周期發(fā)生ΔT的變化，則在一個信號周期中，采樣到的整點數(shù)為Ns=[T+ΔTTs]]]>分點數(shù)為ΔN=T+ΔTTs-Ns]]>針對整點數(shù)，按以下公式完成傅立葉變換ans=2TsT+ΔTΣk=1Nsi(k)cosnk2πTsT+ΔT]]>bns=2TsT+ΔTΣk=1Nsi(k)sinnk2πTsT+ΔT]]>針對分點數(shù)，按以下公式計算修正值a~=2TsT+ΔTcos(n*Ns2πTsT+ΔT)]]>b~=2TsT+ΔTsin(n*Ns2πTsT+ΔT)]]>以整點計算和分點計算結(jié)果為基礎，得到待測量信號的余弦和正弦分量的幅值；an=ans+a~]]>bn=bns+b~]]>進而得到n次諧波的幅值和相角計算公式Im(n)=an2+bn2]]>
3.電力系統(tǒng)定頻采樣下的變頻諧波測量裝置，包括主控模件、交流模件、面板模件以及電源模件四部分；其中(1)主控模件完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、測量算法計算、波形及計算結(jié)果存儲等功能；主控模件是本裝置的核心，基于PowerPC處理器、16bitA/D轉(zhuǎn)換器以及大容量的FLASH、DRAM存儲器，保證本裝置能實時對電力信號進行高精度測量，同時能對測量的結(jié)果進行實時處理及保存；采用二階RC無源低通濾波+高速16bit A/D轉(zhuǎn)換器(250kHz)構(gòu)成模擬量采集系統(tǒng)，信噪比可達86dBs，采樣速率可達到7.2kHz；(2)交流模件將強電輸入信號轉(zhuǎn)換成幅值為±5V的電壓電信號，并將輸入和輸出隔離。其輸出信號引入主控模件的A/D采集輸入端。(3)面板模件提供了人機接口。通過SPI總線與主控模件進行通訊，完成測量設定以及測量結(jié)果顯示等功能；(4)電源模件輸入為110V或220V，其輸出供其它模件使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電力系統(tǒng)定頻采樣下的變頻諧波測量裝置，其特征在于其中所述的裝置軟件包含主控模件中以實時多任務操作系統(tǒng)為基礎的嵌入式軟件以及面板模件上單片機的基于前后臺模式的嵌入式軟件；主控模件軟件包括定時中斷采集、采集數(shù)據(jù)管理、數(shù)字信號處理、錄波及計算結(jié)果存儲、事件報告及與面板模件的通訊；面板模件單片機軟件完成液晶顯示及信號燈控制、按鍵信息采集及與主控模件之間的通訊等功能；主控模件與面板模件之間按照一定的協(xié)議通過SPI總線進行通訊。主控模件輸出到面板模件的內(nèi)容為液晶顯示內(nèi)容、讀取指示燈狀態(tài)指令、設置指示燈狀態(tài)；面板模件輸入到主控模件的內(nèi)容為報文確認和否認、按鍵及指示燈狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)定頻采樣下的變頻諧波測量方法及其實現(xiàn)裝置。屬于電力系統(tǒng)諧波測量技術(shù)領域。包括主控模件、交流模件、面板模件以及電源模件四部分。本發(fā)明在定頻采樣情況下對變頻信號進行諧波測量，從而達到同一裝置不僅滿足電力系統(tǒng)保護功能定頻采樣的要求，同時保證電力系統(tǒng)諧波測量精度的目的。
文檔編號G01R23/16GK1888918SQ20061008609
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月25日
發(fā)明者張云, 丁毅, 魏建功, 尹秋帆 申請人:國電南京自動化股份有限公司