一種基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量方法及其測量裝置制造方法
【專利摘要】一種基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量方法及其測量裝置，本發(fā)明之測量方法包括以下步驟：信號采樣；估計基波頻率；重構(gòu)采樣信號的準(zhǔn)同步采樣序列；基于FFT的頻譜分析；基波相角計算；介損角計算。本發(fā)明之測量裝置包括電源模塊，電源模塊分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器電連接，模數(shù)轉(zhuǎn)換器分別連有電壓測量信號變換電路、電流測量信號變換電路和基準(zhǔn)參考電壓模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過SPI接口與數(shù)字信號處理器連接，數(shù)字信號處理器分別與復(fù)位模塊、調(diào)試JTAG接口、同步動態(tài)隨機(jī)存儲器、FLASH和有源晶振電連接。本發(fā)明之測量方法能實(shí)現(xiàn)介損角快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定測量，采樣時間短，采樣數(shù)據(jù)量小，算法簡單，運(yùn)算量小，易于嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；本發(fā)明之測量裝置測量準(zhǔn)確。
【專利說明】一種基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量方法及其測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量方法及其測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]介質(zhì)損耗角(介損角δ)是研究高壓電容型設(shè)備絕緣老化性能的重要指標(biāo)，其變化可反映受潮、劣化變質(zhì)或是絕緣體中氣體放電等絕緣缺陷。隨著電力系統(tǒng)在線監(jiān)測技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，高準(zhǔn)確度的介損角測量算法日益受到關(guān)注。
[0003]目前，介損角測量可通過硬件電路和數(shù)字信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
[0004]硬件電路法(如過零比較法、電橋平衡法)準(zhǔn)確度較高，但抗干擾能力弱、成本高。
[0005]數(shù)字化檢測主要包括快速傅里葉變換方法(FFT)、正交濾波方法、高階正弦擬合方法等，已成為介損角在線監(jiān)測的研究重點(diǎn)。其中FFT算法以其高效的運(yùn)算效率成為介損角現(xiàn)場檢測最常用的算法之一。但由于非同步采樣的影響，F(xiàn)FT算法不可避免地存在頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)，一定程度上影響了介損角檢測的準(zhǔn)確度。
[0006]因此，基于FFT的介損角測量必須采用窗函數(shù)和譜線插值運(yùn)算，由此導(dǎo)致測量時間長，實(shí)時性和運(yùn)算復(fù)雜度不能滿足在線監(jiān)測的需求。
[0007]所謂時域準(zhǔn)同步，是指利用采樣信號基波頻率估計值，通過插值法對采樣信號做時域準(zhǔn)同步化，插值重構(gòu)獲得被采樣信號的準(zhǔn)同步采樣序列。時域準(zhǔn)同步方法主要通過算法實(shí)現(xiàn)，硬件電路簡單、成本低，易于根據(jù)不同的應(yīng)用場合進(jìn)行調(diào)整，可以克服頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)帶來的影響。
[0008]綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺陷:(I)正交濾波方法、高階正弦擬合方法等方法算法復(fù)雜、效率不高，不易于嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)；(2) FFT算法以其高效的運(yùn)算效率成為介損角現(xiàn)場檢測最常用的算法之一，但非同步采樣的影響，F(xiàn)FT算法不可避免地存在頻譜泄漏和柵欄效應(yīng)；(3)由于頻譜泄露和柵欄效應(yīng)，F(xiàn)FT算法需要采用窗函數(shù)和譜線插值算法，存在運(yùn)算量大，采樣數(shù)據(jù)時間長以及數(shù)據(jù)量多的缺點(diǎn)，算法復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量方法及其測量裝置。
[0010]本發(fā)明之一種基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量方法，包括以下步驟:
[0011](I)信號采樣:電容型設(shè)備上的電壓信號和電流信號分別經(jīng)電壓測量信號變換電路和電流測量信號變換電路轉(zhuǎn)變?yōu)榉夏?shù)轉(zhuǎn)換器輸入要求的小幅值電壓信號和小幅值電流信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將小幅值電壓信號和小幅值電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并通過SPI總線送入數(shù)字信號處理器內(nèi)，即得到電壓采樣信號和電流采樣信號；
[0012](2)估計基波頻率:數(shù)字信號處理器利用準(zhǔn)同步采樣算法對步驟(I)采樣的信號進(jìn)行分析，估計電壓采樣信號基波頻率和電流采樣信號基波頻率；
[0013](3)重構(gòu)采樣信號的準(zhǔn)同步采樣序列:利用步驟(2)中得到的基波頻率，采用牛頓插值法對電壓采樣信號和電流采樣信號進(jìn)行插值重構(gòu)，獲得被采樣信號的準(zhǔn)同步采樣序列；
[0014](4)基于FFT的頻譜分析:對步驟(3)插值重構(gòu)得到的準(zhǔn)同步采樣序列，截取一個信號周期，采用FFT進(jìn)行頻譜分析，得到插值重構(gòu)的電壓準(zhǔn)同步采樣序列頻譜和電流準(zhǔn)同步采樣序列頻譜；
[0015](5)基波相角計算:根據(jù)步驟(4)得到的電壓準(zhǔn)同步采樣序列頻譜和電流準(zhǔn)同步采樣序列頻譜計算電壓基波相角和電流基波相角；
[0016](6)介損角計算:根據(jù)步驟(5)得到的電壓基波相角和電流基波相角，計算得到介損角測量值。
[0017]進(jìn)一步，所述步驟(2)中，準(zhǔn)同步采樣算法為:設(shè)所采集的數(shù)字量為x(k) (k=0,1，…，幾)，其中J表示采樣信號基波整周期數(shù)，L表示單次迭代所用到的采樣點(diǎn)數(shù)，估計采樣信號的基波實(shí)部和虛部，具體計算公式為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)信號采樣:電容型設(shè)備上的電壓信號和電流信號分別經(jīng)電壓測量信號變換電路和電流測量信號變換電路轉(zhuǎn)變?yōu)榉夏?shù)轉(zhuǎn)換器輸入要求的小幅值電壓信號和小幅值電流信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將小幅值電壓信號和小幅值電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并通過SPI總線送入數(shù)字信號處理器內(nèi)，即得到電壓采樣信號和電流采樣信號； (2)估計基波頻率:數(shù)字信號處理器利用準(zhǔn)同步采樣算法對步驟(1)采樣的信號進(jìn)行分析，估計電壓采樣信號基波頻率和電流采樣信號基波頻率； (3)重構(gòu)采樣信號的準(zhǔn)同步采樣序列:利用步驟(2)中得到的基波頻率，采用牛頓插值法對電壓采樣信號和電流采樣信號進(jìn)行插值重構(gòu)，獲得被采樣信號的準(zhǔn)同步采樣序列； (4)基于FFT的頻譜分析:對步驟(3)插值重構(gòu)得到的準(zhǔn)同步采樣序列，截取一個信號周期，采用FFT進(jìn)行頻譜分析，得到插值重構(gòu)的電壓準(zhǔn)同步采樣序列頻譜和電流準(zhǔn)同步采樣序列頻譜； (5)基波相角計算:根據(jù)步驟(4)得到的電壓準(zhǔn)同步采樣序列頻譜和電流準(zhǔn)同步采樣序列頻譜計算電壓基波相角和電流基波相角； (6)介損角計算:根據(jù)步驟(5)得到的電壓基波相角和電流基波相角，計算得到介損角測量值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量方法，其特征在于，所述步驟(2)中，準(zhǔn)同步采樣算法為:設(shè)所采集的數(shù)字量為x(k) (k=0，l，…，幾)，其中J表示采樣信號基波整周期數(shù)，L表示單次迭代所用到的采樣點(diǎn)數(shù)，估計采樣信號的基波實(shí)部和虛部，具體計算公式為: rxI =ΣΙΤ A-4^) cos ? 2π y `I ； L.^ A-、L)
2^ik=0 Pk ixI =ΣW+? A-xWSinf 2π^\;
PkK LJ
2-1k^0 Pk 式中，RX和IX分別表示基波的實(shí)部和虛部，上標(biāo)I表示第1次迭代積分運(yùn)算，下標(biāo)i表示上述迭代公式的子區(qū)間序號，且i=0，1，…，(J-1) L，長度為L的第i個子區(qū)間為[ti+il；，L+a+DTj，1；表示采樣周期；Pk(k=i，i+1,…，i+L)是由數(shù)值積分公式和L所確定的加權(quán)系數(shù)，對于復(fù)化梯形數(shù)值積分公式，P i=P i+L=0.5, P i+1=P ?+2=...= Ρ I^1=I ; 得到電壓采樣信號和電流采樣信號的基波實(shí)部和虛部后，則分別得到h時刻的相角Θ i以及t2時刻相角Θ 2，則得到電壓采樣信號基波頻率和電流采樣信號基波頻率fgi，具體公式為: I' (O ΑΘ O1.g 2π 2πΑ? 2π(?2 -tx)式中，fg為基波估計頻率，ω為基波角頻率，Λ Θ為基波相角差，八七為八9對應(yīng)的時間差。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量方法，其特征在于，所述基波頻率與相角之間關(guān)系為:
θ t = 2 31 ft+ θ 0 ； 式中，θ t為t時刻的基波相角；θ 0為基波初相角；f為基波頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量方法，其特征在于，所述采樣信號的準(zhǔn)同步采樣周期為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量方法，其特征在于，所述步驟(3)中，牛頓插值法的計算公式如下:
P (k) =x [k0] +X [k0, kj (k-k0) +...+x [k0, k1；…，km] (k_k0)…(k-m-1)； 式中，P(k)表示插值多項(xiàng)式，x[]表示差商。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量方法，其特征在于，所述步驟(6)中，介損角的計算公式為:
7.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1~6任一項(xiàng)所述的基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量方法的測量裝置，包括電源模塊，其特征在于，所述電源模塊分別與模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器電連接，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器分別連有電壓測量信號變換電路、電流測量信號變換電路和基準(zhǔn)參考電壓模塊，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過SPI接口與數(shù)字信號處理器連接，所述數(shù)字信號處理器分別與復(fù)位模塊、調(diào)試JTAG接口、同步動態(tài)隨機(jī)存儲器、FLASH和有源晶振電連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量裝置，其特征在于，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1225。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量裝置，其特征在于，所述基準(zhǔn)參考電壓模塊采用基準(zhǔn)電壓芯片REF3225。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于時域準(zhǔn)同步的介損角快速測量裝置，其特征在于，所述數(shù)字信號處理器為TMS320C6747。
【文檔編號】G01R27/26GK103760425SQ201410027351
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】王康, 滕召勝, 唐求, 高云鵬, 溫和, 姚文軒, 譚霞, 張海煥, 左培麗, 成達(dá), 吳禹, 李峰, 溫冠華, 孟卓 申請人:湖南大學(xué)