CN103399205A - 一种检测车载变流器谐波的报警装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测车载变流器谐波的报警装置及其方法，空心互感器将感应到的电流信号转换为电压信号，并输出至隔离单元，隔离单元对该信号进行隔离放大后输出至滤波单元；滤波单元对其进行低通滤波处理后输出至A/D采样单元，A/D采样单元对滤波单元输出的信号进行采样和A/D转换，并将转换后的信号输出至数字信号处理单元；数字信号处理单元对转换后的数字信号进行处理判断，检测数字信号中与表征轨道占用情况的轨道继电器驱动信号具有相同频率的干扰信号是否超过门限值，并将报警信号通过报警输出单元输出至变流器主控单元。本发明克服了现有技术存在的检测精度不高、容易产生误报警、灵活性和可用性不高、可靠性偏低的技术问题。

Description

一种检测车载变流器谐波的报警装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种轨道电气报警装置及其方法，尤其是涉及一种检测车载变流器谐波的报警装置及其方法。

背景技术

变流器（converter）是使电源系统的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化的电器设备。包括交流变直流（AC/DC）的整流器、直流变交流（DC/AC）的逆变器、交流变频（AC/AC）的交流变流器和直流斩波（DC Chopper）的直流变流器。车载变流器包含有牵引变流器、辅助电源变流器等，这些变流器工作时会产生传导干扰的电流谐波，而电流谐波的大小以及持续时间的长短会影响到其他设备的正常工作，从而需要实时检测电流谐波的干扰情况。

车载变流器在工作时，因其内部的DC1500V电源信号的工作电流较大，容易产生传导谐波。当谐波干扰达到一定程度时，会对周围的其他设备，尤其是轨道检测设备产生不良影响。在轨道检测系统中，通常采用由AC25Hz或AC50Hz信号驱动的轨道继电器表示轨道的占用情况。因此，检测和监督车载变流器所产生的25Hz和50Hz干扰并有效防止干扰超过门限是确保轨道检测系统正常工作的条件。

在现有技术中，对交流形式电流信号的检测通常采用如附图1所示的技术方案，即空心互感器1将其转换为电压信号后再通过采集与处理单元10采集和处理实现。而在现有的技术方案中，对车载变流器谐波进行检测通常采用如附图2所示的全模拟电路，采集与处理单元10包括模拟滤波单元11、二极管整流单元12和比较器单元13。空心互感器1所感应的信号经过模拟滤波、二极管整流，以及通过运算放大器实现比较，并将比较结果作为报警信号输出。

现有技术对车载变流器谐波进行检测的装置由于采用全模拟器件，因此存在如下技术缺陷：

（1）检测精度不高，容易产生误报警，从而影响变流器的可用性；

（2）比较门限一经设定则不易修改，装置的灵活性和可用性不高；

（3）模拟器件相对数字器件的失效率较高，导致装置的可靠性偏低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种检测车载变流器谐波的报警装置及其方法，克服现有技术存在的检测精度不高、容易产生误报警、灵活性和可用性不高、可靠性偏低的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种检测车载变流器谐波的报警装置的技术实现方案，一种检测车载变流器谐波的报警装置，包括：

空心互感器，将感应到的电流信号转换为电压信号，输出至隔离单元；

隔离单元，对所述电压信号进行隔离放大后输出至滤波单元；

滤波单元，对所述隔离单元输出的信号进行低通滤波处理后输出至A/D采样单元；

A/D采样单元，对所述滤波单元输出的信号进行采样和A/D转换，并将转换后的数字信号输出至数字信号处理单元；

数字信号处理单元，对转换后的数字信号进行处理判断，检测数字信号中与表征轨道占用情况的轨道继电器驱动信号具有相同频率的干扰信号是否超过门限值，并将报警信号输出至报警输出单元；

报警输出单元，将所述数字信号处理单元输出的报警信号输出至变流器主控单元。

优选的，所述数字信号处理单元检测25Hz和/或50Hz信号的干扰是否超过门限值。

优选的，所述滤波单元进一步采用抗混叠低通滤波器。

优选的，所述滤波单元进一步采用MAX293滤波芯片，所述滤波单元的低通截止频率由输入所述滤波单元的时钟CLK决定。

优选的，输入所述滤波单元的时钟CLK采用1MHz晶振经过128分频得到。

优选的，所述A/D采样单元通过同步串行端口将数据传送至所述数字信号处理单元，所述A/D采样单元的信号采样频率f_s由以下公式确定：

$f_s=\frac{\mathrm{Mclk}}{256\×K}$

其中，Mclk为从外部输入至所述A/D采样单元的主时钟信号，K为所述A/D采样单元内部的分频系数。

优选的，所述数字信号处理单元进一步包括数据缓冲单元、第一带通滤波单元、第一全波整流单元、第一低通滤波单元、第一滑动窗单元、第一均值计算单元、第二带通滤波单元、第二全波整流单元、第二低通滤波单元、第二滑动窗单元、第二均值计算单元和比较单元。在所述数字信号处理单元获取来自所述A/D采样单元的有效采样数据段后，先将该数据段存入所述数据缓冲单元。所述数据缓冲单元输出信号依次经过所述第一带通滤波单元、第一全波整流单元、第一低通滤波单元后得到25Hz信号幅值。所述数据缓冲单元输出信号依次经过所述第二带通滤波单元、第二全波整流单元、第二低通滤波单元后得到50Hz信号幅值。所述25Hz信号幅值通过所述第一滑动窗单元更新信号幅值信息，所述第一均值计算单元计算来自所述第一滑动窗单元的信号幅值信息的均值得到估计值。所述50Hz信号幅值通过所述第二滑动窗单元更新信号幅值信息，所述第二均值计算单元计算来自所述第二滑动窗单元的信号幅值信息的均值得到估计值。所述比较单元对分别来自第一均值计算单元和第二均值计算单元的估计值与25Hz和50Hz对应的干扰信号的门限值进行比较，若其中之一超过门限值或者两者均超过门限值，则向所述报警输出单元输出报警信号。

优选的，所述第一滑动窗单元和/或第二滑动窗单元的滑动窗长度对应干扰信号超过门限值的持续时间门限，当干扰信号的持续时间大于该持续时间门限，所述比较单元检测到来自第一均值计算单元和/或第二均值计算单元的估计值超过对应的门限值，则输出报警信号，所述滑动窗长度N与所述持续时间门限T_continue的关系由以下公式确定：

$\frac{1}{f_s}*N=T_{\mathrm{continue}}$

其中，f_s为A/D采样单元的信号采样频率。

优选的，所述报警输出单元进一步包括光耦单元、三极管和继电器。所述数字信号处理单元通过GPIO端口输出经电平转换的报警信号，该信号经所述光耦单元进行光耦隔离后作为所述三极管的输入，用于驱动所述继电器励磁。所述继电器其中一组触点的常开触点接外部输入电源信号，公共触点连接所述报警信号。当所述数字信号处理单元检测到干扰信号超过门限值，通过输出驱动使所述继电器励磁，所述继电器的常开触点与公共触点导通，从而输出报警信号至所述变流器主控单元。

优选的，所述报警装置还进一步包括存储器和时钟与复位单元，所述存储器和时钟与复位单元均与所述数字信号处理单元相连，所述数字信号处理单元采用TI公司的TMS320C6713浮点型DSP芯片。

优选的，从所述数字信号处理单元的I/O端口引出数据线，通过对应的所述I/O端口电平信号所代表的逻辑数值表征所述门限值的外部选择状态，通过在所述I/O端口配置硬线来设置外部输入电平，所述数字信号处理单元读取外部的选择结果并查找对应的门限值进行处理。

本发明还另外具体提供了一种检测车载变流器谐波的报警方法的技术实现方案，一种检测车载变流器谐波的报警方法，包括以下步骤：

（A）空心互感器将感应到的来自车载变流器的电流信号转换为电压信号，输出至隔离单元；

（B）隔离单元对所述电压信号进行隔离放大后输出至滤波单元；

（C）滤波单元对所述隔离单元输出的信号进行低通滤波处理后输出至A/D采样单元；

（D）A/D采样单元对所述滤波单元输出的信号进行采样和A/D转换，并将转换后的数字信号输出至数字信号处理单元；

（E）数字信号处理单元对转换后的数字信号进行处理判断，检测数字信号中与表征轨道占用情况的轨道继电器驱动信号具有相同频率的干扰信号是否超过门限值，并将报警信号输出至报警输出单元；

（F）报警输出单元将所述数字信号处理单元输出的报警信号输出至变流器主控单元。

优选的，所述步骤（C）中，滤波单元进行低通滤波处理的低通截止频率由输入所述滤波单元的时钟CLK决定，所述输入所述滤波单元的时钟CLK采用1MHz晶振经过128分频得到。

优选的，在所述步骤（E）中，所述数字信号处理单元对转换后的数字信号进行处理判断的过程进一步包括以下步骤：

所述数字信号处理单元获取来自所述A/D采样单元的有效采样数据段后，将该数据段存入所述数据缓冲单元，所述数据段的长度为n；

所述数据缓冲单元输出信号依次经过所述第一带通滤波单元、第一全波整流单元、第一低通滤波单元后得到25Hz信号幅值；

所述数据缓冲单元输出信号依次经过所述第二带通滤波单元、第二全波整流单元、第二低通滤波单元后得到50Hz信号幅值；

所述25Hz信号幅值通过所述第一滑动窗单元更新信号幅值信息，所述50Hz信号幅值通过所述第二滑动窗单元更新信号幅值信息，所述第一滑动窗单元和/或第二滑动窗单元的滑动窗数据长度为N；

所述第一均值计算单元计算来自所述第一滑动窗单元的信号幅值信息的均值以得到估计值，所述第二均值计算单元计算来自所述第二滑动窗单元信号幅值信息的均值以得到估计值；

所述比较单元对分别来自第一均值计算单元和第二均值计算单元的估计值与25Hz和50Hz对应的干扰信号的门限值进行比较，若其中之一超过门限值或者两者均超过门限值，则向所述报警输出单元输出报警信号。

优选的，所述第一滑动窗单元和/或第二滑动窗单元的滑动窗数据长度N大于所述数据段的长度n。

优选的，当所述干扰信号的持续时间大于持续时间门限，所述比较单元检测到来自第一均值计算单元和/或第二均值计算单元的估计值超过对应的门限值，则输出报警信号。

其中，所述第一滑动窗单元和/或第二滑动窗单元的滑动窗长度对应干扰信号超过门限值的持续时间门限，所述滑动窗长度N与所述持续时间门限T_continue的关系由以下公式确定：

$\frac{1}{f_s}*N=T_{\mathrm{continue}}$

其中，f_s为A/D采样单元的信号采样频率。

优选的，所述报警输出单元进一步包括光耦单元、三极管和继电器，所述步骤（F）进一步包括：所述数字信号处理单元通过GPIO端口输出经电平转换的报警信号，该信号经所述光耦单元进行光耦隔离后作为所述三极管的输入。当所述数字信号处理单元检测到干扰信号超过门限值，通过输出驱动使所述继电器励磁，从而输出报警信号至所述变流器主控单元。

优选的，所述步骤（E）中的门限值通过在所述数字信号处理单元的I/O端口配置硬线来设置外部输入电平，再通过所述数字信号处理单元读取外部的选择结果并查找对应的门限值进行确定。

通过实施上述本发明提供的一种检测车载变流器谐波的报警装置及其方法，具有如下技术效果：

（1）本发明检测车载变流器谐波的报警装置及其方法的实时响应速度快，门限值可以通过配置硬件跳线或调整软件参数进行修改，提高了装置运用的灵活性和可用性；

（2）本发明检测车载变流器谐波的报警装置及其方法的检测精度高，可达到2mV；

（3）本发明检测车载变流器谐波的报警装置及其方法采用数字器件构建系统，提高了整个装置的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术车载变流器谐波检测装置的电路原理框图；

图2是现有技术车载变流器谐波检测装置中采集与处理电路的电路原理框图；

图3是本发明检测车载变流器谐波的报警装置一种具体实施方式的电路原理框图；

图4是本发明检测车载变流器谐波的报警装置一种具体实施方式中信号隔离单元和滤波单元的电路原理图；

图5是本发明检测车载变流器谐波的报警装置一种具体实施方式中A/D采样单元的电路原理图；

图6是本发明检测车载变流器谐波的报警装置一种具体实施方式中数字信号处理单元最小系统的结构框图；

图7是本发明检测车载变流器谐波的报警装置一种具体实施方式中数字信号处理单元的结构组成原理框图；

图8是本发明检测车载变流器谐波的报警装置一种具体实施方式中报警输出单元的电路原理图；

图9是本发明检测车载变流器谐波的报警方法一种具体实施方式的原理示意图；

图10是本发明检测车载变流器谐波的报警方法一种具体实施方式的程序流程图；

图中：1-空心互感器，2-隔离单元，3-滤波单元，4-A/D采样单元，5-数字信号处理单元，6-报警输出单元，7-变流器主控单元，8-存储器，9-时钟与复位单元，10-采集与处理单元，11-模拟滤波单元，12-二极管整流单元，13-比较器单元，51-数据缓冲单元，511-第一带通滤波单元，512-第一全波整流单元，513-第一低通滤波单元，514-第一滑动窗单元，515-第一均值计算单元，521-第二带通滤波单元，522-第二全波整流单元，523-第二低通滤波单元，524-第二滑动窗单元，525-第二均值计算单元，52-比较单元，61-光耦单元，62-三极管，63-继电器。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

A/D：数字/模拟转换的简称；

GPIO：General Purpose Input Output，通用输入/输出接口的简称；

DSP：Digital signal processing，数字信号处理器的简称；

TI：Texas Instruments，德州仪器，全球领先数字信号处理和模拟技术提供商；

VLIW：Very long instruction word，超长指令字的简称；

SRAM：Static RAM的缩写，即静态随机存储器；

EPROM：Erasable Programmable Read-Only Memory，可擦除可编程只读寄存器；

Flash：Flash Memory，快闪存储器的简称；

SBSRAM：Synchronous Burst Static Random Access Memory，同步突发式静态RAM的简称；

SDRAM：Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器的简称。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图3至附图10所示，给出了本发明一种检测车载变流器谐波的报警装置及其方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如附图3所示的一种检测车载变流器谐波的报警装置的具体实施方式，包括：

空心互感器1，将感应到的电流信号转换为电压信号，输出至隔离单元2；

隔离单元2，对电压信号进行隔离放大后输出至滤波单元3；

滤波单元3，对隔离单元2输出的信号进行低通滤波处理后输出至A/D采样单元4；

A/D采样单元4，对滤波单元3输出的信号进行采样和A/D转换，并将转换后的数字信号输出至数字信号处理单元5；

数字信号处理单元5，对转换后的数字信号进行处理判断，检测数字信号中与表征轨道占用情况的轨道继电器驱动信号具有相同频率的干扰信号是否超过门限值，并将报警信号输出至报警输出单元6；

报警输出单元6，将数字信号处理单元5输出的报警信号输出至变流器主控单元7。

作为本发明一种典型的实施方式，在轨道交通系统中，表征轨道占用情况的轨道继电器驱动信号频率一般为25Hz交流信号和50Hz交流信号。因此，本发明具体实施方式描述的技术方案实时检测车载变流器在25Hz和50Hz信号上的谐波强度，并根据其与门限值的关系决定是否输出超限报警信号，以配合变流器主控单元7有效控制谐波强度。

作为本发明一种较佳的实施方式，滤波单元3进一步采用抗混叠低通滤波器。滤波单元3进一步采用MAX293滤波芯片，滤波单元3的低通截止频率由输入滤波单元3的时钟信号CLK决定。如附图4所示，隔离单元2采用隔离放大器芯片U2，即附图4中的ISO122JU芯片。隔离放大器芯片U2输出的VOUT信号作为滤波单元3的输入，滤波单元3进一步使用低通滤波芯片MAX293EPA为核心器件，低通截止频率由输入该芯片的时钟信号CLK决定。该时钟信号通过1M晶振经128次分频得到7.8125KHz的方波，根据截止频率为输入时钟频率1/100的关系，确定该低通滤波芯片的截止频率近似为78Hz。从而，在保留25Hz和50Hz有用信号的基础上，滤除了高频信号成分。

如附图5所示，A/D采样单元4采用集成A/D转换芯片TLV320AIC10I实现，A/D采样单元4通过同步串行端口将数据传送至数字信号处理单元5。A/D采样单元4的主时钟信号Mclk由外部晶振提供，为10MHz。采样频率f_s可通过配置内部的分频系数K获得，A/D采样单元4的信号采样频率f_s由以下公式确定：

$f_s=\frac{\mathrm{Mclk}}{256\×K}$

其中，Mclk为从外部输入至A/D采样单元4的主时钟信号，K为A/D采样单元4内部的分频系数。

数字信号处理单元5进一步采用TI公司的浮点型DSP芯片TMS320C6713B，当然在本发明的具体实施方式中还可以采用其他类型的处理器代替DSP芯片TMS320C6713B。该芯片是32位高速浮点型DSP，时钟最高频率为300MHz，体系结构采用超长指令字（VLIW）结构。其最大处理能力可以达到2400MIPS，一级存储器大小为8KByte，二级存储器大小为256KByte，32位外部存储器接口，可无缝连接SRAM、EPROM、Flash、SBSRAM和SDRAM。如附图6所示为数字信号处理单元5的最小系统组成框图，最小系统还包括存储器8和时钟与复位单元9，存储器8和时钟与复位单元9均与数字信号处理单元5相连。如附图7所示，数字信号处理单元5进一步包括数据缓冲单元51、第一带通滤波单元511、第一全波整流单元512、第一低通滤波单元513、第一滑动窗单元514、第一均值计算单元515、第二带通滤波单元521、第二全波整流单元522、第二低通滤波单元523、第二滑动窗单元524、第二均值计算单元525和比较单元52。在数字信号处理单元5获取来自A/D采样单元4的有效采样数据段后，先将该数据段存入数据缓冲单元51，数据缓冲单元51输出信号依次经过第一带通滤波单元511、第一全波整流单元512、第一低通滤波单元513后得到25Hz信号幅值。数据缓冲单元51输出信号依次经过第二带通滤波单元521、第二全波整流单元522、第二低通滤波单元523后得到50Hz信号幅值。25Hz信号幅值通过第一滑动窗单元514更新信号幅值信息，第一均值计算单元515计算来自第一滑动窗单元514的信号幅值信息的均值得到估计值。50Hz信号幅值通过第二滑动窗单元524更新信号幅值信息，第二均值计算单元525计算来自第二滑动窗单元524的信号幅值信息的均值得到估计值。比较单元52对分别来自第一均值计算单元515和第二均值计算单元525的估计值与25Hz和50Hz对应的干扰信号的门限值进行比较，若其中之一超过门限值或者两者均超过门限值，则向报警输出单元6输出报警信号，此时门限值通过软件进行设置。作为本发明的另一种实施方式，检测车载变流器谐波的报警装置设计了8比特并行的外部输入电平，即数字信号处理单元5的I/O端口引出了8根数据线。这些I/O端口对应的电平信号所代表的从00000000到11111111的256种逻辑数值可以表征256种外部选择状态。因此，通过配置硬线来设置外部输入电平的高低后，软件可读取外部的选择结果并查找对应的门限值进行处理，从而达到调整门限值的目的。这种方式无需对软件的程序进行修改，而且是针对报警装置机箱可以打开的情况。对于报警装置机箱不能打开的情况，只能采用前述实施方式通过软件方式进行设置。

第一滑动窗单元514和/或第二滑动窗单元524的滑动窗长度对应干扰信号超过门限值的持续时间门限，当干扰信号的持续时间大于该持续时间门限，比较单元52检测到来自第一均值计算单元515和/或第二均值计算单元525的估计值超过对应的门限值，则输出报警信号，滑动窗长度N与持续时间门限T_continue的关系由以下公式确定：

$\frac{1}{f_s}*N=T_{\mathrm{continue}}$

其中，f_s为A/D采样单元4的信号采样频率。

如附图8所示，报警输出单元6进一步包括光耦单元61、三极管62和继电器63，数字信号处理单元5通过GPIO端口输出经电平转换的报警信号，该信号经光耦单元61进行光耦隔离后作为三极管62的输入，用于驱动继电器63励磁。继电器63其中一组触点的常开触点接外部输入电源信号，公共触点连接报警信号，当数字信号处理单元5检测到干扰信号超过门限值，通过输出驱动使继电器63励磁，继电器63的常开触点与公共触点导通，从而输出报警信号至变流器主控单元7。

一种检测车载变流器谐波的报警方法的具体实施方式，包括以下步骤：

（A）空心互感器1将感应到的来自车载变流器的电流信号转换为电压信号，输出至隔离单元2；

（B）隔离单元2对电压信号进行隔离放大后输出至滤波单元3；

（C）滤波单元3对隔离单元2输出的信号进行低通滤波处理后输出至A/D采样单元4；

（D）A/D采样单元4对滤波单元3输出的信号进行采样和A/D转换，并将转换后的数字信号输出至数字信号处理单元5；

（E）数字信号处理单元5对转换后的数字信号进行处理判断，检测数字信号中与表征轨道占用情况的轨道继电器驱动信号具有相同频率的干扰信号是否超过门限值，并将报警信号输出至报警输出单元6；

（F）报警输出单元6将数字信号处理单元5输出的报警信号输出至变流器主控单元7。

在步骤（C）中，滤波单元3进行低通滤波处理的低通截止频率由输入滤波单元3的时钟CLK决定，输入滤波单元3的时钟CLK采用1MHz晶振经过128分频得到。

如附图9和附图10所示，在步骤（E）中，数字信号处理单元5对转换后的数字信号进行处理判断的过程进一步包括以下步骤：

数字信号处理单元5获取来自A/D采样单元4的有效采样数据段后，将该数据段存入数据缓冲单元51，数据段的长度为n，数据段的长度可通过软件参数进行调整；

数据缓冲单元51输出信号依次经过第一带通滤波单元511、第一全波整流单元512、第一低通滤波单元513后得到25Hz信号幅值；

数据缓冲单元51输出信号依次经过第二带通滤波单元521、第二全波整流单元522、第二低通滤波单元523后得到50Hz信号幅值；

低通滤波后分别得到了长度为n的25Hz和50Hz的信号幅值，利用该长度为n的25Hz信号幅值更新第一滑动窗单元514的滑动窗内的老的信号幅值信息，形成新的滑动窗数据，利用长度为n的50Hz信号幅值更新第二滑动窗单元524的滑动窗内的老的信号幅值信息，形成新的滑动窗数据。第一滑动窗单元514和/或第二滑动窗单元524的滑动窗数据长度为N，滑动窗长度也可通过软件参数进行调整；

第一均值计算单元515计算来自第一滑动窗单元514的信号幅值信息的均值以得到估计值，第二均值计算单元525计算来自第二滑动窗单元524的信号幅值信息的均值以得到估计值；

比较单元52对分别来自第一均值计算单元515和第二均值计算单元525的估计值与25Hz和50Hz对应的干扰信号的门限值进行比较，若其中之一超过门限值或者两者均超过门限值，则向报警输出单元6输出报警信号。

第一滑动窗单元514和/或第二滑动窗单元524的滑动窗数据长度N大于数据段的长度n。

当干扰信号的持续时间大于持续时间门限，比较单元52检测到来自第一均值计算单元515和/或第二均值计算单元525的估计值超过对应的门限值，则输出报警信号。其中，第一滑动窗单元514和/或第二滑动窗单元524的滑动窗长度对应干扰信号超过门限值的持续时间门限，滑动窗长度N与持续时间门限T_continue的关系由以下公式确定：

$\frac{1}{f_s}*N=T_{\mathrm{continue}}$

其中，f_s为A/D采样单元4的信号采样频率。

报警输出单元6进一步包括光耦单元61、三极管62和继电器63，步骤（F）进一步包括：数字信号处理单元5通过GPIO端口输出经电平转换的报警信号，该信号经光耦单元61进行光耦隔离后作为三极管62的输入。当数字信号处理单元5检测到干扰信号超过门限值，通过输出驱动使继电器63励磁，从而输出报警信号至变流器主控单元7。

本发明具体实施方式描述的技术方案针对现有技术中的缺陷，采用数字处理方法实现对空心互感器的感应信号的A/D采集和数字化处理。基于信号处理算法对25Hz和50Hz谐波干扰进行滤波、积分和能量判断，以实现高精度检测。干扰门限值既可以通过硬件的跳线配置进行离散设置，也可以通过调整软件参数在连续范围内设置，从而提高了装置的应用灵活性和可用性。同时，采用高可靠的工业级芯片，可确保整个装置的高可靠性。本发明具体实施方式基于数字信号处理器构建用于检测干扰谐波强度的装置方案，并通过软件处理方法实现高实时性和高精度的检测和判断，并采用基于滑动窗的单频信号幅值计算方法。本发明的实时相应速度快，滑动窗数据的平均值大于门限值即可输出报警，滑动窗长度即为系统要求的响应时间，且该时间可通过软件参数调整。本发明采用数字器件构建系统，提高了装置的可靠性，同时检测精度高，可达到2mV的精度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的单元及步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、各种可编程逻辑器件、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或本技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质中。执行软件模块的数字信号处理单元可以是中央处理器（CPU）、嵌入式处理器、微控制器（MCU）、数字信号处理器（DSP）、单片机、片上系统（SOC）、可编程逻辑器件，以及本技术领域内所公知的任意其他形式的具有控制、处理功能的器件。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (18)

1.一种检测车载变流器谐波的报警装置，其特征在于，包括：

空心互感器（1），将感应到的电流信号转换为电压信号，输出至隔离单元（2）；

隔离单元（2），对所述电压信号进行隔离放大后输出至滤波单元（3）；

滤波单元（3），对所述隔离单元（2）输出的信号进行低通滤波处理后输出至A/D采样单元（4）；

A/D采样单元（4），对所述滤波单元（3）输出的信号进行采样和A/D转换，并将转换后的数字信号输出至数字信号处理单元（5）；

数字信号处理单元（5），对转换后的数字信号进行处理判断，检测数字信号中与表征轨道占用情况的轨道继电器驱动信号具有相同频率的干扰信号是否超过门限值，并将报警信号输出至报警输出单元（6）；

报警输出单元（6），将所述数字信号处理单元（5）输出的报警信号输出至变流器主控单元（7）。

2.根据权利要求1所述的一种检测车载变流器谐波的报警装置，其特征在于：所述数字信号处理单元（5）检测25Hz和/或50Hz信号的干扰是否超过门限值。

3.根据权利要求1或2所述的一种检测车载变流器谐波的报警装置，其特征在于：所述滤波单元（3）采用抗混叠低通滤波器。

4.根据权利要求3所述的一种检测车载变流器谐波的报警装置，其特征在于：所述滤波单元（3）采用MAX293滤波芯片，所述滤波单元（3）的低通截止频率由输入所述滤波单元（3）的时钟CLK决定。

5.根据权利要求4所述的一种检测车载变流器谐波的报警装置，其特征在于：输入所述滤波单元（3）的时钟CLK采用1MHz晶振经过128分频得到。

6.根据权利要求1、2、4、5中任一权利要求所述的一种检测车载变流器谐波的报警装置，其特征在于：所述A/D采样单元（4）通过同步串行端口将数据传送至所述数字信号处理单元（5），所述A/D采样单元（4）的信号采样频率f_s由以下公式确定：

$f_s=\frac{\mathrm{Mclk}}{256\×K}$

其中，Mclk为从外部输入至所述A/D采样单元（4）的主时钟信号，K为所述A/D采样单元（4）内部的分频系数。

7.根据权利要求1、2、4、5中任一权利要求所述的一种检测车载变流器谐波的报警装置，其特征在于：所述数字信号处理单元（5）包括数据缓冲单元（51）、第一带通滤波单元（511）、第一全波整流单元（512）、第一低通滤波单元（513）、第一滑动窗单元（514）、第一均值计算单元（515）、第二带通滤波单元（521）、第二全波整流单元（522）、第二低通滤波单元（523）、第二滑动窗单元（524）、第二均值计算单元（525）和比较单元（52）；在所述数字信号处理单元（5）获取来自所述A/D采样单元（4）的有效采样数据段后，先将该数据段存入所述数据缓冲单元（51），所述数据缓冲单元（51）输出信号依次经过所述第一带通滤波单元（511）、第一全波整流单元（512）、第一低通滤波单元（513）后得到25Hz信号幅值；所述数据缓冲单元（51）输出信号依次经过所述第二带通滤波单元（521）、第二全波整流单元（522）、第二低通滤波单元（523）后得到50Hz信号幅值；所述25Hz信号幅值通过所述第一滑动窗单元（514）更新信号幅值信息，所述第一均值计算单元（515）计算来自所述第一滑动窗单元（514）的信号幅值信息的均值得到估计值；所述50Hz信号幅值通过所述第二滑动窗单元（524）更新信号幅值信息，所述第二均值计算单元（525）计算来自所述第二滑动窗单元（524）的信号幅值信息的均值得到估计值；所述比较单元（52）对分别来自第一均值计算单元（515）和第二均值计算单元（525）的估计值与25Hz和50Hz对应的干扰信号的门限值进行比较，若其中之一超过门限值或者两者均超过门限值，则向所述报警输出单元（6）输出报警信号。

8.根据权利要求7所述的一种检测车载变流器谐波的报警装置，其特征在于：所述第一滑动窗单元（514）和/或第二滑动窗单元（524）的滑动窗长度对应干扰信号超过门限值的持续时间门限，当干扰信号的持续时间大于该持续时间门限，所述比较单元（52）检测到来自第一均值计算单元（515）和/或第二均值计算单元（525）的估计值超过对应的门限值，则输出报警信号，所述滑动窗长度N与所述持续时间门限T_continue的关系由以下公式确定：

$\frac{1}{f_s}*N=T_{\mathrm{continue}}$

其中，f_s为A/D采样单元（4）的信号采样频率。

9.根据权利要求8所述的一种检测车载变流器谐波的报警装置，其特征在于：所述报警输出单元（6）包括光耦单元（61）、三极管（62）和继电器（63），所述数字信号处理单元（5）通过GPIO端口输出经电平转换的报警信号，该信号经所述光耦单元（61）进行光耦隔离后作为所述三极管（62）的输入，用于驱动所述继电器（63）励磁；所述继电器（63）其中一组触点的常开触点接外部输入电源信号，公共触点连接所述报警信号，当所述数字信号处理单元（5）检测到干扰信号超过门限值，通过输出驱动使所述继电器（63）励磁，所述继电器（63）的常开触点与公共触点导通，从而输出报警信号至所述变流器主控单元（7）。

10.根据权利要求1、2、4、5、8、9中任一权利要求所述的一种检测车载变流器谐波的报警装置，其特征在于：所述报警装置还包括存储器（8）和时钟与复位单元（9），所述存储器（8）和时钟与复位单元（9）均与所述数字信号处理单元（5）相连，所述数字信号处理单元（5）采用TI公司的TMS320C6713浮点型DSP芯片。

11.根据权利要求1、2、4、5、8、9中任一权利要求所述的一种检测车载变流器谐波的报警装置，其特征在于：从所述数字信号处理单元（5）的I/O端口引出数据线，通过对应的所述I/O端口电平信号所代表的逻辑数值表征所述门限值的外部选择状态，通过在所述I/O端口配置硬线来设置外部输入电平，所述数字信号处理单元（5）读取外部的选择结果并查找对应的门限值进行处理。

12.一种检测车载变流器谐波的报警方法，其特征在于，包括以下步骤：

（A）空心互感器（1）将感应到的来自车载变流器的电流信号转换为电压信号，输出至隔离单元（2）；

（B）隔离单元（2）对所述电压信号进行隔离放大后输出至滤波单元（3）；

（C）滤波单元（3）对所述隔离单元（2）输出的信号进行低通滤波处理后输出至A/D采样单元（4）；

（D）A/D采样单元（4）对所述滤波单元（3）输出的信号进行采样和A/D转换，并将转换后的数字信号输出至数字信号处理单元（5）；

（E）数字信号处理单元（5）对转换后的数字信号进行处理判断，检测数字信号中与表征轨道占用情况的轨道继电器驱动信号具有相同频率的干扰信号是否超过门限值，并将报警信号输出至报警输出单元（6）；

（F）报警输出单元（6）将所述数字信号处理单元（5）输出的报警信号输出至变流器主控单元（7）。

13.根据权利要求12所述的一种检测车载变流器谐波的报警方法，其特征在于：所述步骤（C）中，滤波单元（3）进行低通滤波处理的低通截止频率由输入所述滤波单元（3）的时钟CLK决定，所述输入所述滤波单元（3）的时钟CLK采用1MHz晶振经过128分频得到。

14.根据权利要求12或13所述的一种检测车载变流器谐波的报警方法，其特征在于，在所述步骤（E）中，所述数字信号处理单元（5）对转换后的数字信号进行处理判断的过程进一步包括以下步骤：

所述数字信号处理单元（5）获取来自所述A/D采样单元（4）的有效采样数据段后，将该数据段存入所述数据缓冲单元（51），所述数据段的长度为n；

所述数据缓冲单元（51）输出信号依次经过所述第一带通滤波单元（511）、第一全波整流单元（512）、第一低通滤波单元（513）后得到25Hz信号幅值；

所述数据缓冲单元（51）输出信号依次经过所述第二带通滤波单元（521）、第二全波整流单元（522）、第二低通滤波单元（523）后得到50Hz信号幅值；

所述25Hz信号幅值通过所述第一滑动窗单元（514）更新信号幅值信息，所述50Hz信号幅值通过所述第二滑动窗单元（524）更新信号幅值信息，所述第一滑动窗单元（514）和/或第二滑动窗单元（524）的滑动窗数据长度为N；

所述第一均值计算单元（515）计算来自所述第一滑动窗单元（514）的信号幅值信息的均值以得到估计值，所述第二均值计算单元（525）计算来自所述第二滑动窗单元（524）信号幅值信息的均值以得到估计值；

所述比较单元（52）对分别来自第一均值计算单元（515）和第二均值计算单元（525）的估计值与25Hz和50Hz对应的干扰信号的门限值进行比较，若其中之一超过门限值或者两者均超过门限值，则向所述报警输出单元（6）输出报警信号。

15.根据权利要求14所述的一种检测车载变流器谐波的报警方法，其特征在于，所述第一滑动窗单元（514）和/或第二滑动窗单元（524）的滑动窗数据长度N大于所述数据段的长度n。

16.根据权利要求15所述的一种检测车载变流器谐波的报警方法，其特征在于：当所述干扰信号的持续时间大于持续时间门限，所述比较单元（52）检测到来自第一均值计算单元（515）和/或第二均值计算单元（525）的估计值超过对应的门限值，则输出报警信号；

其中，所述第一滑动窗单元（514）和/或第二滑动窗单元（524）的滑动窗长度对应干扰信号超过门限值的持续时间门限，所述滑动窗长度N与所述持续时间门限T_continue的关系由以下公式确定：

$\frac{1}{f_s}*N=T_{\mathrm{continue}}$

其中，f_s为A/D采样单元（4）的信号采样频率。

17.根据权利要求12、13、15、16中任一权利要求所述的一种检测车载变流器谐波的报警方法，其特征在于，所述报警输出单元（6）包括光耦单元（61）、三极管（62）和继电器（63），所述步骤（F）进一步包括：所述数字信号处理单元（5）通过GPIO端口输出经电平转换的报警信号，该信号经所述光耦单元（61）进行光耦隔离后作为所述三极管（62）的输入，当所述数字信号处理单元（5）检测到干扰信号超过门限值，通过输出驱动使所述继电器（63）励磁，从而输出报警信号至所述变流器主控单元（7）。

18.根据权利要求12、13、15、16中任一权利要求所述的一种检测车载变流器谐波的报警方法，其特征在于：所述步骤（E）中的门限值通过在所述数字信号处理单元（5）的I/O端口配置硬线来设置外部输入电平，再通过所述数字信号处理单元（5）读取外部的选择结果并查找对应的门限值进行确定。

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