CN102944802B - 一种电压互感器动态频率响应函数估计方法及其实现装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电压互感器动态频率响应函数估计方法及其实现装置，利用三角与矩形互卷积窗对离散化的激励与响应进行时域加权，对加权后的激励与响应做离散傅里叶变换，利用离散频谱峰值加权平均算法修正激励和响应的频谱峰值，得到电压互感器的频率响应函数的估计结果为修正后的响应频谱函数与激励频谱峰值之比。本发明能够抑制电压互感器频率响应函数估计中的频谱泄漏和谐波间相互干扰，提高电压互感器动态频率响应函数的估计稳定性，实现对电压互感器动态频率响应函数的实时、准确估计。
Description
技术领域
本发明涉及动态系统测试领域，具体是一种电压互感器动态频率响应函数估计方法及其实现装置。
背景技术
电压互感器实现电网电压信号的变换与传递，广泛应用于测量仪器、仪表和继电保护或控制装置中，是连接电力系统一次侧与二次侧之间的“桥梁”。电压互感器的动态性能直接决定着电能计量装置、继电保护装置的整体运行水平。为提高电压互感器在动态环境下的工作能力和稳定性，电压互感器动态频率响应函数估计方法的研究是急需解决的关键难题。
电压互感器的频率响应函数在简谐激励时为稳态输出相量与输入相量之比。但是电压互感器一般工作在动态环境中，当输入为瞬态激励时，电压互感器的频率响应函数为输出的傅里叶变换与输入的傅里叶变换之比。由于在实际测试时，采样频率与电网电压的基波频率无法保持严格的整数倍关系，对电压互感器的输入输出信号进行傅里叶变换时，往往存在严重的频谱泄漏，影响频率响应函数估计的准确性。此外，在电力系统中，由于非线性负荷的大量存在，电网电压信号中往往包含有丰富的谐波，谐波间的相互泄漏干扰也降低了频率响应函数估计的准确度。
目前，为实现动态环境下的电压互感器频率响应函数准确估计，正弦扫频测试、低频法测试、虚拟仪器、自谱计算等技术被引入频率响应函数估计中，但是仍缺乏准确度高、抗频谱泄漏能力强的解决方案。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种电压互感器动态频率响应函数估计方法及其实现装置，利用三角与矩形互卷积窗抑制频率响应函数估计中的频谱泄漏和谐波间相互干扰，通过离散频谱峰值加权平均实现频谱修正，从而提高电压互感器动态频率响应函数的估计准确度。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：利用三角与矩形互卷积窗对离散化的激励与响应进行时域加权，对加权后的激励与响应做离散傅里叶变换，利用离散频谱峰值加权平均算法修正激励和响应的频谱峰值，得到电压互感器的频率响应函数的估计结果为修正后的响应频谱函数与激励频谱峰值之比，具体包括以下步骤：
a. 采用周期性电压信号作为电压互感器的激励，将激励接入电压互感器的输入端，对激励进行采集获得离散化的激励信号；
b. 对电压互感器的输出端信号进行采集，将所采集的输出端信号作为电压互感器的响应，得到离散化的响应信号；
c. 确定待分析的数据长度N，提取起止时间相同、长度均为N的离散化激励与响应信号，分别为x(n)和y(n)；
d. 将长度均为N/2的三角窗函数与矩形窗函数进行卷积，并在卷积结果的末尾补1个零，得到长度为N的三角与矩形互卷积窗w(n)；
e. 利用长度为N的三角与矩形互卷积窗w(n)对离散化激励信号x(n)和响应信号y(n)分别加权，得到加权后的激励信号xw(n)和响应信号yw(n)；
f. 对加权后的激励信号xw(n)和响应信号yw(n)进行离散傅里叶变换，得到激励频谱函数X(n)和响应频谱函数Y(n)；
g. 搜索激励频谱函数X(n)和响应频谱函数Y(n)，得到激励频谱函数X(n)的幅度最大点X1和次大点X2、响应频谱函数Y(n)的幅度最大点Y1和次大点Y2，利用离散频谱峰值加权平均算法得到修正后的激励频谱峰值Xm和响应频谱峰值Ym，具体计算公式为：
h. 电压互感器的频率响应函数的估计结果为修正后的响应频谱函数与激励频谱峰值之比，具体计算式为：
所述的周期信号可以是仅包含基波的电压信号，也可以是同时包含基波和谐波的电压信号。
所述的数据长度N是指提取的离散化激励与响应信号数据点数，为便于实现傅里叶变换，N一般设置为2的整数次幂，若N不为2的整数次幂，可以通过在数据点末尾补零使提取的离散化激励与响应信号数据点数为2的整数次幂。
本发明中还包括实现电压互感器动态频率响应函数估计方法及其实现装置的装置，它包括用于产生周期性电压信号的激励源，用于采集电压互感器的激励和响应信号的多通道同步ADC，用于将激励与响应信号的幅值变换至ADC输入范围内的信号调理电路，用于进行电压互感器动态频率响应函数估计的DSP，其中激励源输出的周期性电压信号与电压互感器的输入端相连，多通道同步ADC的两个输入通道通过信号调理电路分别与电压互感器的输入端和输出端相连，多通道同步ADC通过SPI同步通信串口与DSP相连。
所述的激励源使用三相精密功率源KP-P3001-C，通过KP-P3001-C的操作界面设置激励信号的幅值、频率和初相角，对一个电压互感器进行测试时，可使用A、B、C三相电压通道中的任一输出通道，对2个电压互感器进行测试时，可使用A、B、C三相电压通道中的任意2个输出通道，KP-P3001-C产生的周期信号可以是仅包含基波的信号，也可以是同时包含基波和谐波的电压信号。
所述的多通道同步ADC使用AD73360，AD73360的采样频率设置为64kHz，选择AD73360的两个输入通道，通过信号调理电路分别与电压互感器的输入端和输出端相连，实现电压互感器的激励和响应信号的采集，AD73360可以实现对电压互感器的输入和输出通道进行高速、同步数据采集。
所述的信号调理电路使用电阻分压网络，将激励和响应信号转换至0V~1.2V之间，激励与响应调理电路中还包含由电阻和电容构成的滤波电路。
所述的DSP使用TMS320VC5502，TMS320VC5502的内核时钟频率设置为300MHz，TMS320VC5502通过SPI同步通信串口与AD73360相连，其中TMS320VC5502作为SPI同步通信从机，AD73360作为SPI同步通信主机，TMS320VC5502可以实现电压互感器动态频率响应函数的快速、准确计算。
综上所述，本发明所述电压互感器动态频率响应函数估计方法及实现电压互感器动态频率响应函数估计方法的装置能够抑制电压互感器频率响应函数估计中的频谱泄漏和谐波间相互干扰，提高电压互感器动态频率响应函数的估计稳定性，实现对电压互感器动态频率响应函数的实时、准确估计。
附图说明
图1为本发明中实现所述电压互感器动态频率响应函数估计方法的装置结构示意图；
图2为本发明中激励调理电路示意图；
图3为本发明中响应调理电路示意图；
图4为本发明中ADC与DSP的接口示意图；
图5为本发明所述电压互感器动态频率响应函数估计方法的流程图；
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明实现所述电压互感器动态频率响应函数估计方法的装置结构如图1所示。
如图1所示，激励源使用三相精密功率源KP-P3001-C，对一个变比为100/5的计量用电压互感器LCTA51CF进行测试时，可使用A、B、C三相电压通道中的任一通道，在本实施例中选择KP-P3001-C的A相电压通道的输出作为激励信号，并设置输出信号包含基波和第2、3、4、5、7、9、11次谐波，基波频率设置为50.2Hz，基波和各次谐波的初相角均设置为0度；幅值如表1所示。
| 次数 | 基波 | 2 | 3 | 4 | 5 | 7 | 9 | 11 |
| 幅值 | 220V | 3V | 7V | 5.5V | 3.5V | 2V | 2V | 1.5V |
表1 所设定的激励信号中包含的基波与各次谐波的幅值
如图1和图2所示，将三相精密功率源KP-P3001-C的A相电压通道的输出端与电压互感器LCTA51CF的输入端相连，并将电压互感器LCTA51CF的输入端与激励调理电路相连。
如图2所示，激励调理电路包括由R1和R2组成的电阻分压网络、由电感和电容组成的滤波电路。根据表1所设置的激励信号幅值，R1设置为1.2M欧姆，R2设置为2.4k欧姆，R3设置为100欧姆，C1设置为0.001微法。激励调理电路将调理前的激励信号转换为调理后的激励信号，其中调理后的激励信号的幅值范围为0V~1.2V，当激励信号为220V时，调理后的激励信号为0.439121V。
如图1和图3所示，将电压互感器LCTA51CF的输出端与响应调理电路相连。如图3所示，响应调理电路包括由R3和R4组成的电阻分压网络、由电感和电容组成的滤波电路。根据电压互感器LCTA51CF的输出电压，R4设置为1.2M欧姆，R5为可调电阻设置为47k欧姆，R6设置为100欧姆，C2设置为0.001微法。响应调理电路将调理前的响应信号转换为调理后的响应信号，调理后的响应信号的幅值范围为0V~1.2V，当激励信号为220V时，电压互感器LCTA51CF输出端的响应信号为11V，调理后的响应信号为0.414595V。
如图4所示，多通道同步ADC使用AD73360，AD73360的采样频率设置为64k Hz，选择AD73360的两个输入通道VIN1和VIN2分别作为激励与响应信号采集通道，通过图2、图3所示的激励调理电路和响应调理电路分别与电压互感器的输入和输出端相连，即AD73360的两个输入通道VIN1和VIN2分别与调理后的激励信号和调理后的响应信号相连，由AD73360实现对电压互感器的输入和输出信号的高速、同步采集。
如图4所示，DSP使用TMS320VC5502，TMS320VC5502的内核时钟频率设置为300MHz，TMS320VC5502通过SPI同步通信串口与AD73360相连，其中TMS320VC5502作为SPI同步通信从机，AD73360作为SPI同步通信主机。
如图4所示，AD73360的输出帧同步信号SDOFS与AD73360的输入帧同步信号SDIFS相连，TMS320VC5502的发送帧同步信号FSX与接收帧同步信号FSR相连，并将AD73360的输出帧同步信号SDOFS与TMS320VC5502的发送帧同步信号FSX相连，这样无论是发送帧同步信号还是接收帧同步信号，都会被强制与SDOFS保持同步。AD73360的数据输入信号SDI和数据输出信号SDO分别与TMS320VC5502的数据发送信号DX和数据接收信号DR相连。TMS320VC5502的标志输出信号XF连接到AD73360的使能信号SE和复位信号。AD73360将所采集的离散化的激励信号和离散化的响应信号通过SPI同步通信串口送至TMS320VC5502。
如图5所示，设待分析的电压互感器激励信号和电压互感器响应信号的数据长度为N=1024，TMS320VC5502提取起止时间相同、长度均为N=1024的离散化激励与响应信号，分别为x(n)和y(n)；将长度均为N/2=512的三角窗函数与矩形窗函数进行卷积，并在卷积结果的末尾补1个零，得到长度为N=1024的三角与矩形互卷积窗w(n)；TMS320VC5502利用长度为N=1024的三角与矩形互卷积窗w(n)对离散化激励信号x(n)和响应信号y(n)分别加权，得到加权后的激励信号xw(n)和响应信号yw(n)；TMS320VC5502对加权后的激励信号xw(n)和响应信号yw(n)进行离散傅里叶变换，得到激励频谱函数X(n)和响应频谱函数Y(n)；搜索激励频谱函数X(n)和响应频谱函数Y(n)，得到激励频谱函数X(n)的幅度最大点X1和次大点X2，响应频谱函数Y(n)的幅度最大点Y1和次大点Y2，利用离散频谱峰值加权平均算法得到修正后的激励频谱峰值Xm和响应频谱峰值Ym，具体计算公式为：
TMS320VC5502得到的电压互感器的频率响应函数的估计结果即为修正后的响应频谱函数与激励频谱峰值之比，具体计算式为：
本实施例中，对电压互感器LCTA51CF进行频率响应函数的部分估计结果如表1所示，表1中所列数据为基波与各次谐波频率结果的百分比相对误差。
| 测试组别 | 基波 | 2 | 3 | 4 |
| 1 | 0.00243% | 0.0613% | 0.0118% | 0.0197% |
| 2 | 0.00290% | 0.0637% | 0.0184% | 0.0169% |
| 测试组别 | 5 | 7 | 9 | 11 |
| 1 | 0.0213% | 0.0443% | 0.0176% | 0..0335% |
| 2 | 0.0172% | 0.0108% | 0.0260% | 0.0716% |
表1 本实施例中电压互感器LCTA51CF频率响应函数的部分估计结果
TMS320VC5502利用三角与矩形互卷积窗抑制频率响应函数估计中的频谱泄漏和谐波间相互干扰，实现电压互感器动态频率响应函数的快速、准确计算。
Claims (3)
1.一种电压互感器动态频率响应函数估计方法，其特征在于：利用三角与矩形互卷积窗对离散化的激励与响应进行时域加权，对加权后的激励与响应做离散傅里叶变换，利用离散频谱峰值加权平均算法修正激励和响应的频谱峰值，得到电压互感器的频率响应函数的估计结果为修正后的响应频谱函数与激励频谱峰值之比，具体包括以下步骤：
a. 采用周期性电压信号作为电压互感器的激励，将激励接入电压互感器的输入端，对激励进行采集获得离散化的激励信号；
b. 对电压互感器的输出端信号进行采集，将所采集的输出端信号作为电压互感器的响应，得到离散化的响应信号；
c. 确定待分析的数据长度N，提取起止时间相同、长度均为N的离散化激励与响应信号，分别为x(n)和y(n)；
d. 将长度均为N/2的三角窗函数与矩形窗函数进行卷积，并在卷积结果的末尾补1个零，得到长度为N的三角与矩形互卷积窗w(n)；
e. 利用长度为N的三角与矩形互卷积窗w(n)对离散化激励信号x(n)和响应信号y(n)分别加权，得到加权后的激励信号x w (n)和响应信号y w (n)；
f. 对加权后的激励信号x w (n)和响应信号y w (n)进行离散傅里叶变换，得到激励频谱函数X(n)和响应频谱函数Y(n)；
g. 搜索激励频谱函数X(n)和响应频谱函数Y(n)，得到激励频谱函数X(n)的幅度最大点X 1和次大点X 2、响应频谱函数Y(n)的幅度最大点Y 1和次大点Y 2，利用离散频谱峰值加权平均算法得到修正后的激励频谱峰值X m 和响应频谱峰值Y m ，具体计算公式为：
，
h. 电压互感器的频率响应函数的估计结果为修正后的响应频谱函数与激励频谱峰值之比，具体计算式为：
。
2.根据权利要求1所述的电压互感器动态频率响应函数估计方法，其特征在于，所述的周期信号可以是仅包含基波的电压信号，也可以是同时包含基波和谐波的电压信号。
3.根据权利要求1所述的电压互感器动态频率响应函数估计方法，其特征在于，所述的数据长度N是指提取的离散化激励与响应信号数据点数，为便于实现傅里叶变换，N一般设置为2的整数次幂，若N不为2的整数次幂，可以通过在数据点末尾补零使提取的离散化激励与响应信号数据点数为2的整数次幂。
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