CN102435860B - 一种介质损耗电流测试仪的工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在准同步DFT基础上改进实现的高精度的介质损耗电流测试仪的工作方法。该方法包括：同时采样被试件上施加的电压信号V和流过的电流信号I；应用可变栅栏准同步DFT谐波分析技术获取施加电压的基波相角
；应用可变栅栏准同步DFT谐波分析技术获取被试件中流过的电流信号基波初相角；根据公式
Description
技术领域
本发明涉及一种高精度的介质损耗电流测试仪的工作方法。
背景技术
智能介质损耗测试仪是测量介质损耗角正切和电容值的自动化仪器，其可以在工频高电压下，现场测量各种绝缘材料、绝缘套管、电力电缆、电容器、互感器、变压器等高压设备的介质损耗角正切和电容值。该仪器也适用于车间、试验室、科研单位测量高压电器设备的介质损耗角正切及电容值；配以绝缘油杯可测试绝缘油介质损耗。
智能介质损耗测试仪的工作原理：当电介质上施加交流电压时，电介质中的电压和电流间成在相角差 ，
的余角
称为介质损耗角，的正切
称为介质损耗角正切。
值是用来衡量电介质损耗的参数。该仪器的测量线路包括一路标准回路（Cn）和一路被试回路(Cx)。标准回路由内置高稳定度标准电容器与测量线路组成，被试回路由被试品和测量线路。测量线路由取样电阻与前置放大器和A/D转换器组成，由于并联在取样电阻两端的前置放大器输入电阻远远大于取样电阻，因此可认为回路电流全部流过取样电阻。通过测量线路将电流信号转换为数字信号，再由单片机运用数字化实时采集方法，分别测得标准回路电流与被试回路电流幅值及其相位差，通过矢量运算便可得出试品的电容值和介质损耗。
谐波分析技术在电能质量监控、电子产品生产检验、电器设备监控等众多领域应用广泛，是进行电网监控、质量检验、设备监控的重要技术手段。目前谐波分析应用最广泛的技术是离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶变换（FFT）。准同步采样技术和DFT技术相结合的谐波分析技术能够提高谐波分析的精度，其算式为：
式中：k为需要获得的谐波的次数（如基波k=1，3次谐波k=3）；sin和cos分别为正弦和余弦函数；而ak和bk分别为k次谐波的实部和虚部；n为迭代次数；W由积分方法决定，采用复化梯形积分方法时，W=nN；
为一次加权系数；
，为所有加权系数之和；f(i)为分析波形的第i个采样值；N为周期内采样次数。
在工程应用中，谐波分析总是进行有限点的采样和难以做到严格意义的同步采样。这样，在应用准同步DFT进行谐波分析时，就会存在由于截断效应导致的长范围泄漏和由于栅栏效应导致的短范围泄漏，使得分析结果精度不高，甚至不可信。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高精度的介质损耗电流测试仪的工作方法，以有效改进准同步DFT谐波分析技术的分析误差，获得高精度的谐波分析结果，从而提高介质损耗电流测试的可靠性。
为解决上述技术问题，本发明提供的高精度的介质损耗电流测试仪的工作方法包括：
（1）、介质损耗电流测试仪的CPU同时采样被试件上施加的电压信号V和电流信号I，并分别对电压信号V和电流信号I等间隔采样W+2个采样点数据：{f(i),i=0,1,…,w+1}；
（2）、所述CPU从所述电压信号V的采样点i=0开始应用准同步DFT公式：
所述CPU从所述电压信号V的采样点i=1开始应用准同步DFT公式：
应用公式：
，计算所述电压信号V的频率漂移
；
应用公式：
，得出所述电压信号V的基波的实部
和虚部
，然后计算出所述电压信号V的基波初相角
；
（3）、所述CPU从所述电流信号I的采样点i=0开始应用准同步DFT公式：
所述CPU从电流信号I的采样点i=1应用准同步DFT公式：
分析W+1个数据获得基波信息
；
应用公式：，计算所述电流信号I的频率漂移；
应用公式：
，分别得出所述电流信号I的基波的实部和虚部
，然后计算出所述电流信号I的基波初相角
；
（4）、所述CPU根据公式
计算介质损耗角正切，并输出显示。
本发明的介质损耗电流测试仪的工作方法应用准同步DFT进行谐波分析时频域抽样的位置根据信号频率的漂移而改变，即所述频域抽样位置为μ2π/N，其中：
为信号频率的漂移，无漂移时
为1。
上述谐波分析方法基于可变栅栏的思想，是通过5个分析步骤实现的。
可变栅栏的思想：准同步DFT分析误差的主要原因是信号频率的漂移导致频谱峰值出现的位置与理想位置发生偏差，如果仍然按照2π/N在频域中以进行抽样的话得到的分析结果极不正确。可变栅栏指的是：频域抽样的位置的并不是固定的2π/N，而是根据信号频率的漂移而改变，即频率抽样位置为μ2π/N（μ为信号频率的漂移）。频域抽样栅栏随着信号频率的漂移而改变可以准确估计出各次谐波峰值出现的位置，进而获取高精度的幅值和相角信息。
准同步DFT谐波分析可以有效地抑制长范围泄漏，其频谱泄漏的主要原因是信号频率漂移导致的短范围泄漏，而信号频率漂移导致的短范围泄漏的主要特征是谱峰峰值出现位置随着信号频率漂移而同步改变，所以可变栅栏频域采样能够有效根据信号漂移捕捉谱峰峰值出现的位置，从而获得高精度的谐波信息。
等间隔采样是根据进行谐波分析的理想信号的周期T和频率f（如工频信号频率f为50Hz，周期为20mS），在一个周期内采样N点，即采样频率为fs=Nf，且N≥64。
所述的采样W+2个采样点数据是根据所选择的积分方法而作相应选择，若采用复化梯形积分方法，则W=nN；若采用复化矩形积分方法，则W=n(N-1)；若采用复化辛普森积分方法，则W=n(N-1)/2。然后根据采样频率fs=Nf，获得采样点数据序列{f(i),i=0,1,…,w+1}，n≥3，最后对该数据序列进行谐波分析。
一次迭代系数
由积分方法、理想周期采样点N和迭代次数n决定，具体推导过程参见文献【戴先中．准同步采样应用中的若干问题[J]．电测与仪表, 1988, (2): 2-7．】。
信号频率的漂移是根据相邻采样点基波相角差与理想周期内采样点数N的固定关系而获得的，信号频率的漂移也可用于修正基波和高次谐波的频率f1和高次谐波的频率fk。
本发明通过对采用上述的高精度谐波分析技术，也即基于可变栅栏思想的谐波分析技术，具有以下技术优势：
（1）高精度的谐波分析结果。本发明所述的谐波分析技术获得的分析结果无论是幅值还是相角误差提高4个数量级以上。
（2）本发明所述的谐波分析技术从根本上解决了准同步DFT分析精度低的问题，而无需进行复杂的反演和修正，算法简单。
（3）相对于准同步DFT，本发明所述的谐波分析技术只需要增加一个采样点就解决了准同步DFT分析误差大的问题，易于实现。
（4）应用本发明来改进现有的仪器设备，技术上是可行，并且不需要增加任何的硬件开销就可使分析结果可以提高4个数量级以上。
（5）可变栅栏思想也同样也适用于进行多次迭代而非一次迭代的谐波分析过程，此时只需要把一次迭代分解成多次迭代实现就可以了。一次迭代和多次迭代本质上是一样的，只是在计算时多次迭代进行分步计算，而一次迭代是把多次迭代的过程合并到迭代系数
中一次计算完成，所以本发明同样适用于多次迭代过程。
具体实施方式
本实施例的介质损耗电流测试仪由CPU(采用单片机C8051F040)、与该CPU相连的用于的信号采样电路(采用交流数据采集芯片MAX197)、用于给被试件提供交流电源的电源模块及与该CPU相连的LCD显示单元组成。
CPU作为介质损耗电流测试仪的控制核心，一是用于实现对电源模块输出交流电的频率控制，二是控制采样，并对采样数据进行处理。三是向显示模块发送显示数据；电源模块产生与CPU的输出频率相同的高压正弦波；信号采样电路受CPU的控制，对采集数据；LCD显示单元显示所述CPU的数据处理结果。
本实施例的介质损耗电流测试仪的工作方法，包括以下步骤：
首先，介质损耗电流测试仪的CPU同时采样被试件上施加的电压信号V和电流信号I，并分别对电压信号V和电流信号I等间隔采样W+2个采样点，以获得被分析信号的离散序列{f(k),k=0,1,…,w+1}。W由积分方法、迭代次数n和理想周期内采样点数N共同决定。等间隔采样指的是根据进行谐波分析的理想信号的频率f（如工频信号频率为50Hz，周期为20mS）确定采样频率fs=Nf，在采样频率fs的作用下在一个周期内均匀地采样N点。一般地，周期采样点N=64或以上就能获得较好的谐波分析结果，而迭代次数n=3-5就能获得较理想的谐波分析结果。积分方法有复化梯形积分方法W=nN、复化矩形积分方法W=n(N-1)、辛普森积分方法W=n(N-1)/2等多种，可以根据实际情况进行选择。
其次，所述CPU从电压信号V的采样点i=0开始应用准同步DFT公式分析W+1个数据获得基波信息
和
。其中，一次迭代系数由积分方法、理想周期采样点N和迭代次数n决定，而
为所有加权系数之和。
然后，从采样点i=1开始应用准同步DFT公式
分析W+1个数据获得基波信息
。
然后，应用公式
计算电压信号V的频率漂移
。获得频率漂移
后，可以根据采样频率fs和理想周期内采样点数N计算获得被分析信号的基波和高次谐波的频率。
最后，应用
计算k次谐波的实部
和虚部信息
，进而计算所述电压信号V的基波初相角
。
其次，采用上述方法，计算出所述电流信号I的基波初相角
。
最后，所述CPU根据公式
计算介质损耗角正切，并输出显示。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定，本发明还可以变化成更多的方式，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
Claims (3)
1.一种介质损耗电流测试仪的工作方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）、介质损耗电流测试仪的CPU同时采样被试件上施加的电压信号V和电流信号I，并分别对电压信号V和电流信号I等间隔采样W+2个采样点数据：{f(i),i=0,1,…,w+1}；
（2）、所述CPU从所述电压信号V的采样点i=0开始应用准同步DFT公式：
所述CPU从所述电压信号V的采样点i=1开始应用准同步DFT公式：
应用公式：
，计算所述电压信号V的频率漂移
；
应用公式：
，得出所述电压信号V的基波的实部
和虚部
，然后计算出所述电压信号V的基波初相角
；
（3）、所述CPU从所述电流信号I的采样点i=0开始应用准同步DFT公式：
所述CPU从电流信号I的采样点i=1应用准同步DFT公式：
分析W+1个数据获得基波信息；
应用公式：
，计算所述电流信号I的频率漂移；
应用公式：
，分别得出所述电流信号I的基波的实部
和虚部
，然后计算出所述电流信号I的基波初相角
；
（4）、所述CPU根据公式
计算介质损耗角正切，并输出显示。
2.根据权利要求1所述的介质损耗电流测试仪的工作方法，其特征在于：所述的等间隔采样是根据进行谐波分析的理想信号的周期T和频率f，在一个周期内采样N点，即采样频率为fs=Nf，且N≥64。
3.根据权利要求1或2所述的介质损耗电流测试仪的工作方法，其特征在于：所述的采样W+2个采样点数据是根据所选择的积分方法而作相应选择，若采用复化梯形积分方法，则W=nN；若采用复化矩形积分方法，则W=n(N-1)；若采用复化辛普森积分方法，则W=n(N-1)/2；然后根据采样频率fs=Nf，获得采样点数据序列{f(i),i=0,1,…,w+1}，n=≥3。
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