CN102323498A - 多级分段式高精度数据采样方法 - Google Patents

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Abstract

多级分段式高精度数据采样方法，属于电力系统自动化技术领域，涉及电力系统自动化系统的测量、保护及计量装置的数据采样和信号处理技术，对各个待采样的电量信号进行多级分段，并对电量分段信号进行放大，同时结合信号放大的倍率对分段采样的信号进行无缝拟合得到归一化的采样数值，从而更精确的反映电力系统中的实时电量信号与运行状态。

Description

多级分段式高精度数据采样方法
 技术领域
本发明属于电力系统自动化技术领域，涉及电力系统自动化系统的测量、保护及计量装置的数据采样和信号处理技术。 
背景技术
电力系统自动化系统的测量、保护及计量装置是通过传感器将系统的电量（电压、电流）经过传变后得到系统电量的实时传变信号，并将传变信号送至测量、保护及计量装置，由测量、保护及计量装置中的模数转换器件将传变信号转换成数字量，经数字信号处理器进行处理，以反映系统当前运行的状态。信号测量精度是电力系统对测量、保护及计量装置的重要技术指标。
发明内容
本发明的目的是给出一种提高电力系统测量、保护和计量装置采样精度的方法，此方法对各个待采样的电量信号进行多级分段，并对电量分段信号进行放大，同时结合信号放大的倍率对分段采样的信号进行无缝拟合，从而更精确的反映电力系统中的实时电量信号与运行状态。
本发明的特征在于，其在电力系统测量、保护和计量装置中是按以下步骤实现的：
    步骤（1），测量、保护和计量装置启动初始时，结合硬件采样电路参数，对各通道的以下参数进行初始化：
    通道分段数目：CH_SEG_NUM
    通道分段系数：CH_SEG_PAR[i]       i=[0..CH_SEG_NUM]
    通道切换定值：CH_SEG_VAL[i]     i=[0..CH_SEG_NUM – 1]  
    通道运放状态：CH_OPA_STA[i]     i=[0..CH_SEG_NUM]    
    其中通道分段数目是由采样电路中硬件设计决定，其表示对该采样通道进行的分段数目，即为该信号采样通道对应的运算放大器个数。
通道分段系数反映的为运算放大器的放大倍率，用于通道信号的采样值进行无缝拟合，其值由以下计算公式得出： 
Figure 912004DEST_PATH_IMAGE001
      i=[1..CH_SEG_NUM]
Figure 640051DEST_PATH_IMAGE002
      i= 0
    其中CH_OPA[i]为对应运算放大器的放大倍率；CH_OPA_LCM为运算放大器的放大倍率的最小公倍数。
通道切换定值作为对相应运算放大器对应的模拟开关进行切换控制的依据，由以下计算公式得出：
Figure 881677DEST_PATH_IMAGE003
     i=[0..CH_SEG_NUM-1]
    其中CH_OPA[i]为对应运算放大器的放大倍率；CH_RANGE为该采样信号通道的模数转换器最大量程对应的数字量化值，CH_OPA_LCM为运算放大器的放大倍率的最小公倍数。
通道运放状态CH_OPA_STA[i]用于指示当前的运放状态，其是通过控制模拟开关位置实现，其中CH_OPA_STA[0]为采样信号不经过运算放大器放大时的状态，在该数据数组中，同一时刻只有一个数据为1，其余全为0。
步骤（2）：测量、保护和计量装置对运算放大器开关进行初始位置设定，初始位置为采样通道信号不进行运算放大器放大的模拟开关位置。
步骤（3）：测量、保护和计量装置启动模数转换器进行第一次采样，第一次采样时，此时模拟开关位置决定了采样信号是不经过运算放大器时的数字量化值，并对模数转换器转换值进行拟合，即可得拟合后采样值为：
Figure 484696DEST_PATH_IMAGE004
    其中CH_SAM_ADJ为拟合后的采样值，CH_SAM_VAL为模拟转换器转换得出的数字量化值，CH_SEG_PAR[0] 为采样信号不经运算放大器放大时的通道分段系数。
步骤（4）：测量、保护和计量装置对拟合后的采样值进行判断，结合当前模拟开关位置，以确定是否切换模拟开关及切换模拟开关的位置，按以下切换策略进行：
    （1）读取当前通道运放状态，得到当前模拟开关闭合状态，即得通道运放状态索引；
（2）结合通道运放索引，将拟合后归一化采样值与对应通道切换定值进行比较；
（3）若采样值大于定值120%，向上闭合通道运算放大器模拟开关，收回当前通道运算放大器模拟开关；若采样值小于于定值80%，向下闭合通道运算放大器模拟开关，收回当前通道运算放大器模拟开关；若采样值大于定值80%且小于定值120%，保持当前通道运算放大器模拟开关状态不变。
步骤（5）：测量、保护和计量装置启动模数转换器进行下次采样，得到的采样通道数据（数字量化值），其是模数转换器对采样信号转化后的结果，结合当前通道运算放大器状态，对采样通道数据进行拟合，即可得电力系统实时归一化的采样值，其拟合值计算方式按以下公式进行计算：
Figure 862588DEST_PATH_IMAGE005
其中CH_SAM_ADJ为拟合后的采样值，CH_SAM_VAL为模拟转换器转换得出的数字量化值，CH_SEG_PAR[i]为当前通道状态对应的通道分段系数，i值对应于CH_OPA_STA[i]为1的状态，反映了当前通道运算放大器的状态对应的索引。
在拟合完成后，即可得实时的归一化采样值，该数值可以直接用于作为电力系统测量、保护及计量装置进行计算、分析、判断的数据，结合装置需求，可以该数据进行处理（如显示、分析、计算、传输等）。
重复步骤（4）与步骤（5）。
本发明的有益效果在于更精确的反映电力系统中的实时电量信号与运行状态。
附图说明
图1是多级分段式高精度数据采样方法系统硬件原理框图。
图2是多级分段式高精度数据采样方法程序流程图。
图3是多级分段运算放大器切换策略流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细介绍。本发明包括：
（一）电力系统测量、保护及计量装置多级分段式采样技术
    本发明采用多级分段式采样技术对电力系统测量、保护及计量装置输入的电量信号进行多级分段采样，在本发明实施中，采用了5级分段采样，即对输入的电量信号采用运算放大器进行了5级分段，同时，后级模数转换器其位数为12位，即在模数转换器的输入数据为3.53V时，其输出的数字量化值为4096。电路原理框图如图1所示，据此可以得出以下装置所需的初始化参数：
    通道分段数目：CH_SEG_NUM = 5；
运放放大倍率：CH_OPA[0] = 1，CH_OPA[1] = 2，CH_OPA[2] = 4，CH_OPA[3] = 8，CH_OPA[4] = 16；
运放倍率最小公倍数CH_OPA_LCM = 16；
    通道分段系数：CH_SEG_PAR[0] = 16，CH_SEG_PAR[1] = 8，CH_SEG_PAR[2] = 4，CH_SEG_PAR[3] = 2，
      CH_SEG_PAR[4] = 1；
    通道切换定值：CH_SEG_VAL[0] = (4096*16)/2 = 32768   
                  CH_SEG_VAL[1] = (4096*16)/4 = 16384
CH_SEG_VAL[2] = (4096*16)/8 = 8192  
CH_SEG_VAL[3] = (4096*16)/16 = 4096 
    在结合硬件设计后，即可依据如图2所示的多级分段式采样软件流程图进行处理。
（二）采样通道运算放大器切换策略
    在本发明中，通过切换各运算放大器对应的模拟开关，以实现对采样信号进行不同级段的放大，对采样信号进行不同级段的放大，可以实现更为精确的反映系统实时运行状态。
结合多级分段运算放大器切换策略流程图（图3），对切换策略描述如下：
（1）读取当前通道运放状态，得到当前模拟开关闭合状态，即得通道运放状态索引；
（2）结合通道运放索引，将拟合后归一化采样值与对应通道切换定值进行比较；
（3）若采样值大于定值120%，向上闭合通道运算放大器模拟开关，收回当前通道运算放大器模拟开关；若采样值小于于定值80%，向下闭合通道运算放大器模拟开关，收回当前通道运算放大器模拟开关；若采样值大于定值80%且小于定值120%，保持当前通道运算放大器模拟开关状态不变。

Claims (1)

1.多级分段式高精度数据采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
    步骤（1），测量、保护和计量装置启动初始时，结合硬件采样电路参数，对各通道的以下参数进行初始化：
    通道分段数目：CH_SEG_NUM
    通道分段系数：CH_SEG_PAR[i]       i=[0..CH_SEG_NUM]
    通道切换定值：CH_SEG_VAL[i]    i=[0..CH_SEG_NUM – 1]  
    通道运放状态：CH_OPA_STA[i]    i=[0..CH_SEG_NUM]   
    其中通道分段数目是由采样电路中硬件设计决定，其表示对该采样通道进行的分段数目，即为该信号采样通道对应的运算放大器个数；
通道分段系数反映的为运算放大器的放大倍率，用于通道信号的采样值进行无缝拟合，其值由以下计算公式得出： 
Figure 103531DEST_PATH_IMAGE001
      i=[1..CH_SEG_NUM]
Figure 629191DEST_PATH_IMAGE002
      i= 0
    其中CH_OPA[i]为对应运算放大器的放大倍率；CH_OPA_LCM为运算放大器的放大倍率的最小公倍数；
通道切换定值作为对相应运算放大器对应的模拟开关进行切换控制的依据，由以下计算公式得出：
Figure 973584DEST_PATH_IMAGE003
     i=[0..CH_SEG_NUM-1]
    其中CH_OPA[i]为对应运算放大器的放大倍率；CH_RANGE为该采样信号通道的模数转换器最大量程对应的数字量化值，CH_OPA_LCM为运算放大器的放大倍率的最小公倍数；
通道运放状态CH_OPA_STA[i]用于指示当前的运放状态，其是通过控制模拟开关位置实现，其中CH_OPA_STA[0]为采样信号不经过运算放大器放大时的状态，在该数据数组中，同一时刻只有一个数据为1，其余全为0；
步骤（2）：测量、保护和计量装置对运算放大器开关进行初始位置设定，初始位置为采样通道信号不进行运算放大器放大的模拟开关位置；
步骤（3）：测量、保护和计量装置启动模数转换器进行第一次采样，第一次采样时此时模拟开关位置决定了采样信号是不经过运算放大器时的数字量化值，并对模数转换器转换值进行拟合，即可得拟合后采样值为：
Figure 35344DEST_PATH_IMAGE004
    其中CH_SAM_ADJ为拟合后的采样值，CH_SAM_VAL为模拟转换器转换得出的数字量化值，CH_SEG_PAR[0] 为采样信号不经运算放大器放大时的通道分段系数；
步骤（4）：测量、保护和计量装置对拟合后的采样值进行判断，结合当前模拟开关位置，以确定是否切换模拟开关及切换模拟开关的位置，按以下切换策略进行：
  （1）读取当前通道运放状态，得到当前模拟开关闭合状态，即得通道运放状态索引；
（2）结合通道运放索引，将拟合后归一化采样值与对应通道切换定值进行比较；
（3）若采样值大于定值120%，向上闭合通道运算放大器模拟开关，收回当前通道运算放大器模拟开关；若采样值小于于定值80%，向下闭合通道运算放大器模拟开关，收回当前通道运算放大器模拟开关；若采样值大于定值80%且小于定值120%，保持当前通道运算放大器模拟开关状态不变；
步骤（5）：测量、保护和计量装置启动模数转换器进行下次采样，得到的采样通道数据（数字量化值），其是模数转换器对采样信号转化后的结果，结合当前通道运算放大器状态，对采样通道数据进行拟合，即可得电力系统实时归一化的采样值，其拟合值计算方式按以下公式进行计算：
Figure 541411DEST_PATH_IMAGE005
其中CH_SAM_ADJ为拟合后的采样值，CH_SAM_VAL为模拟转换器转换得出的数字量化值，CH_SEG_PAR[i]为当前通道状态对应的通道分段系数，i值对应于CH_OPA_STA[i]为1的状态，反映了当前通道运算放大器的状态对应的索引；
重复步骤（4）与步骤（5）。
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