CN103033685B - 基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量系统及方法 - Google Patents

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本发明提供一种基于分频段双路滤波的宽频带谐波采集、测量系统及方法，针对一般谐波测量仪器测量频带窄、测量误差大等问题，采用双路分频段滤波电路、双AD板高频采样电路，针对低频段、高频段谐波，选用不同的滤波电路和采样频率进行信号采样。本发明方法可测量较宽频带的谐波，针对不同适用频段选择不同的采样频率可保证在满足测量精度的前提下，提高计算效率，为实现高性能的谐波测量装置提供了有效的方法。

Description

基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量系统及方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种基于分频段双路滤波的宽频带谐波采集、测量系统及方法。
背景技术
随着全球工业化进程的不断推进，电力电子装置的应用日益广泛，电网中的谐波污染也日益严重。谐波的出现使用电设备所处的环境恶化、引起设备的各种故障和事故，也对周围通信系统和公用电网以外的设备带来危害。此外，谐波还会产生附加的谐波损耗，降低发、输电效率，可能引起局部串联或并联谐振，导致继电保护和自动装置的误动作，影响测量仪表的准确度，为电力系统带来很大的危害。目前，谐波与电磁干扰、功率因数降低被列为电力系统的三大公害，因而谐波的测量对于了解谐波状况、为谐波治理提供数据支持、改善供电质量、确保电力系统安全、经济运行都有着十分重要的意义。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点和主要依据。
电力系统谐波最主要的来源是各种非线性负荷用户，如各种整流设备、调节设备、电弧炉、轧钢机以及电气拖动设备。近年来，随着高速电气化铁路等大型非线性负荷的蓬勃发展，电力系统内的谐波频谱范围大幅度增加，高次谐波频率可达到基波频率的几十倍，这些新的特点可能会引起的高次谐波谐振等问题都会对电力系统的运行构成威胁。IEC 61000-4-30中定义的频率范围至9kHz，谐波阶次数至50次，高频谐波是指频率范围为2.5kHz-9kHz,带宽固定为200Hz，中心频率为2.7kHz至8.9kHz的谐波。
由于谐波的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素负杂等特征，对谐波进行准确测量非常困难。目前，各种谐波测量装置可测量的频率范围普遍低于2.5kHz,大多数谐波仪和电能质量监测装置只能测量到工频50次以内的谐波，已不能满足现代电网的谐波监测需求。在进行宽频带的谐波测量时，需对输入信号加设带通滤波器，由于谐波覆盖的频率带宽很宽（从基波频率到9kHz），而滤波器的通带范围要受有源器件的带宽限制，通带过宽会使得测量信号产生较大的误差，严重影响测量精度。因此，高频和宽频带范围的谐波测量仍是一个难题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于分频段双路滤波的宽频带谐波采集、 测量系统及方法，针对低频段、高频段谐波，选用不同的滤波电路和采样率进行信号采样，本发明可测量较宽频带的谐波，针对不同适用频段选择不同的采样效率可保证在满足测量精度的前提下，提高计算效率，为实现高性能的谐波测量装置提供了有效的依据。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一种基于分频段双路滤波的宽频带谐波数字信号采集系统，该系统包括：
隔离模块，用于对被测信号进行隔离；
滤波模块，用于对隔离后的被测信号进行双通道滤波，并得到相应的低频分量和高频分量，所述双通道包括低频和高频两路滤波通道；和
AD采样模块，用于对被测信号的低频分量和高频分量进行采样。
所述滤波模块包括低频滤波模块和高频滤波模块，所述AD采样模块包括两片AD芯片，所述AD芯片集成在采集板上。
被测信号经隔离模块进行隔离，经隔离的被测信号分别通过低频滤波模块和高频滤波模块进行滤波，进而得到低频分量和高频分量，所述滤波模块将滤波后的被测信号传送至采集板，所述采集板对低频分量和高频分量进行AD采样。
一种基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量系统，该系统包括所述数字信号采集系统，还包括：
变送模块，用于对被测信号进行转换；
数据处理模块，用于对经AD采样模块转换得到的数字信号进行谐波分析处理；
管理模块，用于对数据处理模块经谐波分析处理的处理结果进行统计管理；
GPS时间基准模块，用于整点对时和时序控制；和
外围模块，用于对管理模块的统计处理结果进行显示和输出。
所述被测信号包括电压模拟信号和电流模拟信号；所述变送模块包括电压互感器和电流互感器，所述电压互感器将高电压转化为适合设备测量量程的二次电压，所述电流互感器将大电流转化为适合设备测量量程的二次电压。
所述数据处理模块包括DSP处理器，DSP处理器对数字信号进行加矩形窗的FFT计算和谐波组、谐波子组均方根值计算。
所述管理模块包括ARM处理器和随机存储器A，经数据处理模块谐波分析处理的数据保存至数据处理模块的随机存储器B，所述ARM处理器从随机存储器B中取出数据，将谐波相关的指标进行统计并生成报表，并将处理结果存储到随机存储器A中。
经管理模块存储的处理结果通过PC104总线传输到所述外围模块，通过外围模块的显示 屏和打印机进行显示并输出，通过RS232或网口进行数据传输。
提供一种基于分频段双路滤波的宽频带谐波数字信号采集方法，该方法包括如下步骤：
对被测信号进行变送转换；
对经过转换的被测信号进行隔离后，分别通过低频、高频两路滤波通道进行滤波，得到被测信号的低频分量和高频分量；
对被测信号的低频分量和高频分量分别进行不同频率的采样后，得到宽频带谐波的数字信号。
一种基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量方法，该方法包括如下步骤：
采集宽频带谐波的数字信号；
对所采集的数字信号进行谐波处理、统计管理后，输出宽频带谐波测量结果；
其中，采集宽频带谐波的数字信号的方法包括：
对被测信号进行转换；
对经过转换的被测信号进行隔离后，分别通过低频、高频两路滤波通道进行滤波，得到被测信号的低频分量和高频分量；
对被测信号的低频分量和高频分量进行不同频率的采样后，得到宽频带谐波的数字信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明提供的基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量系统克服了传统谐波测量仪器测量频带窄、测量误差大等问题，针对低频段、高频段谐波，选用不同的滤波电路和采样率进行信号采样，本发明可测量较宽频带的谐波，针对不同适用频段选择不同的采样率可保证在满足测量精度的前提下，提高计算效率，为实现高性能的谐波测量装置提供了有效的依据。
2.针对高速铁路等产生高频谐波的新型负荷，本专利提供了一种基于双通道滤波器的宽频带谐波测量方法及实现电路，可有效地、准确地测量宽频带范围内的谐波，适应当前电网的电能质量测量的新要求。本专利可为研究谐波问题提供准确的实际数据，对于了解谐波状况、为谐波治理提供数据支持、改善供电质量、确保电力系统安全、经济运行都有着十分重要的意义。
附图说明
图1是基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量系统结构示意图；
图2是基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量系统中电压信号变送和隔离、滤波电路图；
图3是基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量系统中电流信号变送和隔离、滤波电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种基于分频段双路滤波的宽频带谐波数字信号采集系统，该系统包括：
隔离模块，用于对被测信号进行隔离；
滤波模块，用于对隔离后的被测信号进行双通道滤波，并得到相应的低频分量和高频分量，所述双通道包括低频和高频两路滤波通道；和
AD采样模块，用于对被测信号的低频分量和高频分量进行采样。
所述滤波模块包括低频滤波模块和高频滤波模块，所述AD采样模块包括两片AD芯片，所述AD芯片集成在采集板上。
被测信号经隔离模块进行隔离，经隔离的被测信号分别通过低频滤波模块和高频滤波模块进行滤波，进而得到低频分量和高频分量，所述滤波模块将滤波后的被测信号传送至采集板，所述采集板对低频分量和高频分量进行AD采样。
如图1，一种基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量系统，该系统包括所述数字信号采集系统，还包括：
变送模块，用于对被测信号进行转换；
数据处理模块，用于对经AD采样模块转换得到的数字信号进行谐波分析处理；
管理模块，用于对数据处理模块经谐波分析处理的处理结果进行统计管理；
GPS时间基准模块，用于整点对时和时序控制；和
外围模块，用于对管理模块的统计处理结果进行显示和输出。
所述被测信号包括电压模拟信号和电流模拟信号；所述变送模块包括电压互感器和电流互感器，所述电压互感器将高电压转化为适合设备测量量程的二次电压，所述电流互感器将大电流转化为适合设备测量量程的二次电压。
所述数据处理模块包括DSP处理器，DSP处理器对数字信号进行加矩形窗的FFT计算和谐波组、谐波子组均方根值计算。
所述管理模块包括ARM处理器和随机存储器A，经数据处理模块谐波分析处理的数据保存至数据处理模块的随机存储器B，所述ARM处理器从随机存储器B中取出数据，将谐波相关的指标进行统计并生成报表，并将处理结果存储到随机存储器A中。
经管理模块存储的处理结果通过PC104总线传输到所述外围模块，通过外围模块的显示屏和打印机进行显示并输出，通过RS232或网口进行数据传输。
设备硬件采用的是双核CPU（DSP+ARM核），64位的处理器，DSP负责FFT、谐波计算部分，ARM负责管理部分。谐波测量的基本时间窗宽为10周波，采用与电网基波周期严格同步采样加矩形窗的FFT分析方法。根据IEC61000-4-30规定，采用谐波组和谐波子组两种算法。高频谐波测量的基本时间窗宽为100ms，DFT的频谱分辨率为10Hz，带宽固定为200Hz，中心频率为2.7kHz至8.9kHz的谐波，采样信号无需与电网基波周期同步。
如图2和图3，变送模块包括互感器TV5202、互感器TA5282。其中TV5202的变比为120V/3.53V，可将三相电压信号转换为适合设备量程的小电压；TA5282的变比为10A/3.53V,可将三相电流信号转换为适合设备量程的小电压。隔离电路由平波电容和隔离运放组成，可实现抗干扰性，防止高频干扰信号传递到滤波、采样电路。
为了得到完整频带范围（0~9kHz）内的谐波信号，并保证测量的准确性，本专利采用分频段双路滤波通道的结构，分别针对低频段（0~50次）和高频段（50次以上）谐波进行滤波，考虑到过渡带的损耗，本发明使用截止频率为2.7kHz的低通滤波器和通带为2.3kHz~10kHz的带通滤波器进行滤波。信号经低频通道、高频通道滤波后被传送至采集板进行采样。装置以GPS同步信号为准，对所有通道高速同步采样。采样板上集成了2块AD7606芯片，分别针对低频通道、高频通道的波形进行采样。低频通道AD芯片的采样频率为20.48kHz(即每10周波采样4096点)，高频通道AD芯片的采样频率为40.96kHz（即8192点每10周波）。其中，高频谐波测量部分，先将低频段（0~50次）谐波衰减了70dB后，再放大4~5倍进行测量。AD7606为16位A/D转换器件，具有转换精度高，转换速度快，同步采样等优点。为防止由于频率偏离额定值时造成测量误差，装置设有频率自动跟踪回路，实时调整采样间隔，满足同步采样要求。
一种基于分频段双路滤波的宽频带谐波数字信号采集方法，该方法包括如下步骤：
对被测信号进行变送转换；
对经过转换的被测信号进行隔离后，分别通过低频、高频两路滤波通道进行滤波，得到被测信号的低频分量和高频分量；
对被测信号的低频分量和高频分量分别进行不同频率的采样后，得到宽频带谐波的数字信号。
一种基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量方法，该方法包括如下步骤：
采集宽频带谐波的数字信号；
对所采集的数字信号进行谐波处理、统计管理后，输出宽频带谐波测量结果；
其中，采集宽频带谐波的数字信号的方法包括：
对被测信号进行转换；
对经过转换的被测信号进行隔离后，分别通过低频、高频两路滤波通道进行滤波，得到被测信号的低频分量和高频分量；
对被测信号的低频分量和高频分量进行不同频率的采样后，得到宽频带谐波的数字信号。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量系统，其特征在于，该系统包括采集系统，该采集系统包括：
隔离模块，用于对被测信号进行隔离；
滤波模块，用于对隔离后的被测信号进行双通道滤波，并得到相应的低频分量和高频分量，所述双通道包括低频和高频两路滤波通道，分别针对0～50次低频段和50次以上高频段谐波进行滤波，考虑到过渡带的损耗，使用截止频率为2.7kHz的低通滤波器和通带为2.3kHz～10kHz的带通滤波器进行滤波；和
AD采样模块，用于对被测信号的低频分量和高频分量进行采样；还包括：
变送模块，用于对被测信号进行转换；
数据处理模块，用于对经AD采样模块转换得到的数字信号进行谐波分析处理；
管理模块，用于对数据处理模块经谐波分析处理的处理结果进行统计管理；
GPS时间基准模块，用于整点对时和时序控制；和
外围模块，用于对管理模块的统计处理结果进行显示和输出；
所述滤波模块包括低频滤波模块和高频滤波模块，所述AD采样模块包括两片AD芯片，所述AD芯片集成在采集板上；低频滤波通道AD芯片的采样频率为20.48kHz，即每10周波采样4096点；高频滤波通道AD芯片的采样频率为40.96kHz，即8192点每10周波；
被测信号经隔离模块进行隔离，经隔离的被测信号分别通过低频滤波模块和高频滤波模块进行滤波，进而得到低频分量和高频分量，所述滤波模块将滤波后的被测信号传送至采集板，所述采集板对低频分量和高频分量进行AD采样；
经管理模块存储的处理结果通过PC104总线传输到所述外围模块，通过外围模块的显示屏和打印机进行显示并输出，通过RS232或网口进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量系统，其特征在于，所述被测信号包括电压模拟信号和电流模拟信号；所述变送模块包括电压互感器和电流互感器，所述电压互感器将高电压转化为适合设备测量量程的二次电压，所述电流互感器将大电流转化为适合设备测量量程的二次电压。
3.根据权利要求1所述的基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量系统，其特征在于，所述数据处理模块包括DSP处理器，DSP处理器对数字信号进行加矩形窗的FFT计算和谐波组、谐波子组均方根值计算。
4.根据权利要求1所述的基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量系统，其特征在于，所述管理模块包括ARM处理器和随机存储器A，经数据处理模块谐波分析处理的数据保存至数据处理模块的随机存储器B，所述ARM处理器从随机存储器B中取出数据，将谐波相关的指标进行统计并生成报表，并将处理结果存储到随机存储器A中。
5.一种采用权利要求1所述的基于分频段双路滤波的宽频带谐波测量系统测量宽频带谐波的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
采集宽频带谐波的数字信号；
对所采集的数字信号进行谐波处理、统计管理后，输出宽频带谐波测量结果；
其中，采集宽频带谐波的数字信号的方法包括：
对被测信号进行转换；
对经过转换的被测信号进行隔离后，分别通过低频、高频两路滤波通道进行滤波，得到被测信号的低频分量和高频分量；
对被测信号的低频分量和高频分量分别通过单独的AD芯片进行不同频率的采样后，得到宽频带谐波的数字信号。
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