基于4階貝塞爾濾波和軟件積分的電子式互感器采集器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于4階貝塞爾濾波和軟件積分的電子式互感器采集器，采集器中包含4階貝塞爾濾波器、高速采樣模塊、積分環(huán)節(jié)、FT3發(fā)送模塊；通過4階貝塞爾濾波器對電子式互感器傳感元件輸出的信號低通濾波后，由高速采樣模塊對濾波后的信號進行高速率采樣，再由積分環(huán)節(jié)對采樣信號積分還原，實現(xiàn)對一次電流、電壓量的測量，并由FT3發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給合并單元；本發(fā)明的電子式互感器采集器有效解決目前普遍存在的抗干擾能力不足、軟件積分環(huán)節(jié)失真、高次諧波截止頻率過低、硬件積分精度不高且易損壞等缺點，提高了電流、電壓量測量的準確性、可靠性。
【專利說明】基于4階貝塞爾濾波和軟件積分的電子式互感器采集器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于4階貝塞爾濾波和軟件積分的電子式互感器采集器，適用于羅氏線圈電流互感器、阻容分壓式電壓互感器等具有微分和積分環(huán)節(jié)的電子式互感器實現(xiàn)電氣量的準確、可靠測量，屬于電力自動化【技術領域】。
【背景技術】
[0002]電子式互感器具有動態(tài)范圍大、測量精度高、無鐵磁諧振及磁飽和、絕緣結構簡單等優(yōu)點，且其數(shù)字化采樣適用于網(wǎng)絡化傳輸和數(shù)據(jù)共享，適應了智能變電站發(fā)展方向。因此，電子式互感器在智能變電站試點過程中得到了大量應用。
[0003]電子式互感器主要有羅氏線圈、LPCT、全光纖電流互感器和電容分壓、阻容分壓、電感分壓、光學電壓互感器。其中，羅氏線圈電流互感器和阻容分壓電壓互感器原理成熟，實際應用也較多。羅氏線圈原理電流互感器和阻容分壓原理電壓互感器都為微分信號輸出，必須經(jīng)過積分還原才能獲得一次電流、電壓量，因此其積分環(huán)節(jié)的好壞直接影響電子式互感器的性能。目前積分環(huán)節(jié)采用較多的是以下兩種方案，一是采用硬件積分，由硬件回路搭建積分回路來實現(xiàn)信號的還原；二是由合并單元采用軟件積分來實現(xiàn)信號還原，采集器僅負責信號采集。這兩種方案都存在著一定的技術缺點，硬件積分由于其精度及可靠性均受到硬件回路設計的限制，所以其精度及可靠性均存在風險。合并單元實現(xiàn)軟件積分受制于采集器的采樣帶寬以及傳輸速率限制，所以其信號存在一定的失真性，在軟件積分過程中可能出現(xiàn)由于原始采樣高頻信號的失真性導致積分環(huán)節(jié)異常。而采集器內(nèi)一般都采用雙線性二階低通濾波回路，其濾波特性無法有效遏制高次諧波信號進入采集回路，尤其在微分環(huán)節(jié)將高次諧波放大后，無法有效濾除。
[0004]電子式互感器應用過程中，出現(xiàn)了多起因微分、積分環(huán)節(jié)的失真導致保護的不正確動作，阻礙了電子式互感器的應用推廣。因此有必要設計一種采集器，應用性能優(yōu)良的濾波器有效遏制高次諧波對采集回路的影響，并將硬件積分的優(yōu)點與軟件積分的優(yōu)點有效結合，利用采集器的就地高速采樣并直接實現(xiàn)軟件積分以解決采集器與合并單元之間的傳輸帶寬的限制，解決電子式互感器應用過程中的瓶頸問題，推動電子式互感器技術發(fā)展，具有重要的實際應用意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種準確度高、安全、可靠的電子式互感器采集器，消除羅氏線圈原理和阻容分壓原理的電子式互感器受高次系統(tǒng)影響而導致采樣異常的不足，提高電子式互感器采樣的準確度，確保電子式互感器在各種復雜工況下的正確運行，保障電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、可靠運行。
[0006]羅氏線圈電流互感器和阻容分壓電壓互感器進行電流、電壓測量時，羅氏線圈或阻容分壓器輸出的是一次輸入電流、電壓的微分信號，A/D采集環(huán)節(jié)對微分信號采集后需要通過積分還原才能得到一次輸入的電流量或電壓量。A/D采集環(huán)節(jié)位于采集器，而積分環(huán)節(jié)目前多數(shù)是采用軟件積分方式在合并單元完成。
[0007]為有效遏制高次諧波對電子式互感器采集回路的影響，消除采集器與合并單元之間傳輸帶寬限制對積分環(huán)節(jié)正確性、可靠性的影響，本發(fā)明提供了一種基于4階貝塞爾濾波和軟件積分的電子式互感器采集器，其特征在于:
[0008]包含4階貝塞爾濾波器、高速采樣模塊、積分環(huán)節(jié)、FT3發(fā)送模塊；通過4階貝塞爾濾波器對電子式互感器傳感元件輸出的信號進行低通濾波后，由高速采樣模塊對濾波后的信號進行高速率數(shù)字化采樣，再由積分環(huán)節(jié)對數(shù)字化采樣信號積分還原，實現(xiàn)對一次電流、電壓量的測量，并由FT3發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送；FT3發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給后端的合并單
J Li ο
[0009]所述合并單元不需進行信號還原處理，僅需對來自不同采集器之間的采樣數(shù)據(jù)進行同步并輸出。
[0010]所述4階貝塞爾濾波器為4階硬件低通濾波器，采用兩個2階硬件貝塞爾濾波器串聯(lián)，實現(xiàn)4階低通濾波，對羅氏線圈或阻容分壓傳感元件輸出的微分信號進行濾波，有效遏制高次諧波進入后端采集回路而導致積分回路異常的可能性，而且對通帶內(nèi)信號具有固定群延時，便于后端補償處理；貝塞爾濾波器截止頻率為電子式互感器輸出數(shù)據(jù)采樣率f的1/2，濾除高于f/2頻率的信號，根據(jù)實際工程應用需求，現(xiàn)階段電子式互感器輸出數(shù)據(jù)的采樣頻率f 一般為4kHz，濾波器截止頻率可設置為2kHz，有效抑制2kHz以上的諧波，可以有效提聞整系統(tǒng)的抗干擾能力。
[0011]高速采樣模塊為16位的高速雙極性AD芯片，對經(jīng)過貝塞爾濾波器后的微分信號進行高速采集，完成模數(shù)轉換，高速采樣模塊的采樣頻率^設置為遠高于電子式互感器輸出采樣數(shù)據(jù)的采樣率f，即fs >> f，fs可取`40kHz或者更高，實現(xiàn)高次諧波的有效采集，避免高頻信號混疊至低頻段而引起后端積分異常；AD芯片正常工作無需偏置回路，減輕后續(xù)積分的零漂計算負擔，保證模數(shù)轉換過程中的精度、速度、可靠性；
[0012]積分環(huán)節(jié)與高速采樣模塊相連，接收高速采樣模塊輸出的離散采樣值，積分環(huán)節(jié)采用高性能FPGA直接在采集器內(nèi)對離散采樣值進行高采樣率的軟件積分，實現(xiàn)一次輸入的電流、電壓信號的還原，有效解決由于硬件積分所帶來的精度犧牲；軟件積分環(huán)節(jié)在采集器內(nèi)部實現(xiàn)，積分性能不再受制于采集器與合并單元之間傳輸帶寬的影響，采用更高的采樣速率來實現(xiàn)軟件積分，軟件積分的原始采樣頻率率可以達到fs (40kHz)，在每個積分周期T (T=l/f)內(nèi)，對m (m=fs/f)個點的離散數(shù)據(jù)都需進行積分，然后根據(jù)電子式互感器最終輸出采樣數(shù)據(jù)采樣率的要求，積分環(huán)節(jié)采用多點取平均的方法對積分后的高采樣率數(shù)據(jù)進行稀疏處理，最終形成采樣率為f的采樣數(shù)據(jù)，即對m個積分數(shù)據(jù)取平均得到該積分周期內(nèi)的電流、電壓值，形成采樣頻率為f (4kHz)的采樣值；
[0013]FT3發(fā)送模塊與FPGA積分環(huán)節(jié)相連，接收積分還原后的電流、電壓信號，并以頻率f將信號發(fā)送數(shù)據(jù)；FT3發(fā)送模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)格式靈活可配置，包括IEC FT3格式、國網(wǎng)FT3格式、自定義FT3格式等，以適應后端合并單元的數(shù)據(jù)接收需求。
[0014]本發(fā)明所達到的有益效果:
[0015]本發(fā)明的電子式互感器采集器，采用4階貝塞爾濾波器對傳感元件輸出的微分信號進行有效濾波，采用高速雙極性AD進行數(shù)據(jù)采集，并在采集器直接利用FPGA進行離散數(shù)據(jù)的積分，形成所測量的一次電流、電壓量，并以可配置的FT3數(shù)據(jù)格式輸出，從而達到準確、可靠測量的目的。這種采集器，有效解決目前電子式互感器采樣環(huán)節(jié)普遍存在的抗干擾能力不足、軟件積分環(huán)節(jié)失真、高次諧波截止頻率過低、硬件積分精度不高且易損壞等缺點，提高了電流、電壓量測量的準確性、可靠性，大大提升電子式互感器現(xiàn)場的應用能力，促進電子式互感器技術的發(fā)展。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明電子式互感器采集器結構圖；
[0017]圖2為本發(fā)明中4階貝塞爾低通濾波器原理圖；
[0018]圖3為本發(fā)明中一個周期內(nèi)軟件積分流程圖。
【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明所述采集器采用4階貝塞爾低通濾波器對電子式互感器傳感元件輸出的微分信號進行濾波，有效遏制高次諧波進入采樣回路而導致積分回路異常的可能性；采用16位高精度、高速AD采集微分信號，并在AD采集后直接進行軟件積分，有效解決由于硬件積分所帶來精度的犧牲，積分性能也不再受限于采集器與合并單元之間傳輸帶寬，采用更高的采樣速率來實現(xiàn)軟件積分，有效避免頻譜混疊而導致積分環(huán)節(jié)異常；有效提高整系統(tǒng)的抗干擾能力，解決羅氏線圈電流互感器、阻容分壓電壓互感器應用過程中的由積分引起的異常問題。
[0020]本發(fā)明所述電子式互感器采集器總體結構如圖1所示。采集器主要包含4階貝塞爾濾波器、高速采樣模塊、軟件積分環(huán)節(jié)、FT3發(fā)送模塊，實現(xiàn)對電子式互感器傳感元件輸出的微分信號數(shù)字化采集，并 直接實現(xiàn)了一次信號的還原。
[0021]4階貝塞爾低通濾波器負責輸入信號的帶寬限制，配合采集器的高速采樣形成有效的低通濾波，對高次諧波信號有效遏制，防止采樣回路中出現(xiàn)頻率混疊現(xiàn)象。目前智能變電站電子式互感器輸出的采樣數(shù)據(jù)的采樣頻率普遍為4kHz，可對2kHz頻率以下的信號進行準確采集，且考慮2kHz頻率的信號對目前智能變電站的應用已經(jīng)足夠了，因此本實施例中4階貝塞爾濾波器按照2kHz低通濾波設計，對2kHz以上的高頻信號有效遏制，其傳遞函數(shù)為:
H r )=_I_
[0022]μ 訓-(丨 +οιΠ42 ^ + 0.3Π9 ρ2).(? +1.3 3 9 6 ^ + 0.4Π9 p )
[0023]其中p=j.f/f。，j是復數(shù)的符號,表示上式是在復頻域內(nèi)，f。為截止頻率2kHz, f為采樣頻率。
[0024]4階貝塞爾低通濾波器采用硬件實現(xiàn)，其電路原理圖如圖2所示，采用兩個2階低通濾波器串聯(lián)實現(xiàn)。實際應用過程中可改變圖中電阻Rl、R2、R3、R4、R5、電容Cl、C2、C3、C4的參數(shù)而實現(xiàn)對截止頻率的控制。
[0025]高速采樣模塊采用16位高精度、IOM以上采樣速度的雙極性AD。16位采集精度決定了整個采樣系統(tǒng)的精度；AD采樣速率設置為40kHz，確保20kHz以下頻率信號(400次諧波)均不會對后續(xù)軟件積分產(chǎn)生任何影響；AD雙極性輸入，無需偏置回路，減輕后續(xù)積分的零漂計算負擔。
[0026]軟件積分環(huán)節(jié)由高處理性能的FPGA實現(xiàn)，采用雙線性變化法施行軟件積分，其積分效果與有損硬件積分器的效果基本一致。軟件積分基于采樣模塊的40kHz離散采樣樣本進行，離散采樣點積分函數(shù)公式:V0 (Iis)=V0 Ois-1HVi(Iis) *k-Vo(0) ;k為積分常數(shù)，V。(O)為積分零漂修正值；Vtl (ns-l)表示前一個點的積分值，Vi(ns)表示當前的輸入瞬時值。然后根據(jù)合并單元最終輸出采樣頻率f的要求，在一個最終采樣周期T (T=l/f)內(nèi)，對m (m=fs/f)個積分后的數(shù)據(jù)進行平均，得到最終采樣數(shù)據(jù)V? ,V?的采樣頻率為f。積分處理流程如圖3所示，采集器采用定時中斷的方式進行積分處理，當進入積分中斷后，內(nèi)部計數(shù)器加1，同時采用離散積分方法進行當前點的積分，然后消除積分零漂；當內(nèi)部計數(shù)器未達到m時，重新等待新一輪積分中斷；當內(nèi)部計數(shù)器達到m后，對m個積分數(shù)據(jù)進行取平均處理，得到最終需要輸出的采樣點，同時將內(nèi)部計數(shù)器復位。[0027]FT3發(fā)送模塊和FT3接收模塊配合使用，將V。(η)以f的頻率，通過高速FT3串行協(xié)議從采集器傳輸?shù)胶喜卧瑫r也將采集器采樣所需的額定延時輸出。
[0028]合并單元接收上述采集器的數(shù)據(jù)，直接得到一次電流、電壓值，僅需要完成不同采集器之間數(shù)據(jù)的同步即可，而不再需要進行積分處理。
[0029]上述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方案落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種基于4階貝塞爾濾波和軟件積分的電子式互感器采集器，其特征在于: 包含4階貝塞爾濾波器、高速采樣模塊、積分環(huán)節(jié)、FT3發(fā)送模塊；通過4階貝塞爾濾波器對電子式互感器傳感元件輸出的信號進行低通濾波后，由高速采樣模塊對濾波后的信號進行高速率數(shù)字化采樣，再由積分環(huán)節(jié)對數(shù)字化采樣信號積分還原，實現(xiàn)對一次電流、電壓量的測量，并由FT3發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于4階貝塞爾濾波和軟件積分的電子式互感器采集器，其特征在于:所述4階貝塞爾濾波器采用兩個2階硬件貝塞爾濾波器串聯(lián)，實現(xiàn)4階低通濾波，貝塞爾濾波器截止頻率為電子式互感器輸出數(shù)據(jù)采樣率f的1/2，濾除高于f/2頻率的信號，而且具有固定群延時。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的基于4階貝塞爾濾波和軟件積分的電子式互感器采集器，其特征在于:高速采樣模塊為16位高速雙極性AD芯片，對經(jīng)過貝塞爾濾波器后的信號進行高速采集，高速采樣模塊的采樣頻率fs設置為遠高于電子式互感器輸出采樣數(shù)據(jù)采樣率f。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于4階貝塞爾濾波和軟件積分的電子式互感器采集器，其特征在于:積分環(huán)節(jié)與高速采樣模塊相連，接收高速采樣模塊輸出的離散采樣值，積分環(huán)節(jié)采用高性能FPGA直接在采集器內(nèi)對離散采樣值進行高采樣率的軟件積分，實現(xiàn)測量電流、電壓量的還原，根據(jù)電子式互感器最終輸出采樣數(shù)據(jù)采樣率的要求，積分環(huán)節(jié)采用多點取平均的方法對積分后的高采樣率數(shù)據(jù)進行稀疏處理，最終形成采樣率為f的采樣數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的基于4階貝塞爾濾波和軟件積分的電子式互感器采集器，其特征在于:FT3發(fā)送模塊與FPGA積分環(huán)節(jié)相連，接收積分還原后的信號，并以頻率f將信號發(fā)送，F(xiàn)T3發(fā)送模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)格式根據(jù)后端合并單元接收需求進行配置。
【文檔編號】G01R19/25GK103513093SQ201310424933
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權日:2013年9月17日
【發(fā)明者】卜強生, 袁宇波, 湯漢松, 嵇建飛, 陳久林, 高磊, 宋亮亮, 張佳敏 申請人:國家電網(wǎng)公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司電力科學研究院, 江蘇凌創(chuàng)電氣自動化股份有限公司