CN103513093A - 基于4阶贝塞尔滤波和软件积分的电子式互感器采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于4阶贝塞尔滤波和软件积分的电子式互感器采集器，采集器中包含4阶贝塞尔滤波器、高速采样模块、积分环节、FT3发送模块；通过4阶贝塞尔滤波器对电子式互感器传感元件输出的信号低通滤波后，由高速采样模块对滤波后的信号进行高速率采样，再由积分环节对采样信号积分还原，实现对一次电流、电压量的测量，并由FT3发送模块将数据发送给合并单元；本发明的电子式互感器采集器有效解决目前普遍存在的抗干扰能力不足、软件积分环节失真、高次谐波截止频率过低、硬件积分精度不高且易损坏等缺点，提高了电流、电压量测量的准确性、可靠性。

Description

基于4阶贝塞尔滤波和软件积分的电子式互感器采集器

技术领域

本发明涉及一种基于4阶贝塞尔滤波和软件积分的电子式互感器采集器，适用于罗氏线圈电流互感器、阻容分压式电压互感器等具有微分和积分环节的电子式互感器实现电气量的准确、可靠测量，属于电力自动化技术领域。

背景技术

电子式互感器具有动态范围大、测量精度高、无铁磁谐振及磁饱和、绝缘结构简单等优点，且其数字化采样适用于网络化传输和数据共享，适应了智能变电站发展方向。因此，电子式互感器在智能变电站试点过程中得到了大量应用。

电子式互感器主要有罗氏线圈、LPCT、全光纤电流互感器和电容分压、阻容分压、电感分压、光学电压互感器。其中，罗氏线圈电流互感器和阻容分压电压互感器原理成熟，实际应用也较多。罗氏线圈原理电流互感器和阻容分压原理电压互感器都为微分信号输出，必须经过积分还原才能获得一次电流、电压量，因此其积分环节的好坏直接影响电子式互感器的性能。目前积分环节采用较多的是以下两种方案，一是采用硬件积分，由硬件回路搭建积分回路来实现信号的还原；二是由合并单元采用软件积分来实现信号还原，采集器仅负责信号采集。这两种方案都存在着一定的技术缺点，硬件积分由于其精度及可靠性均受到硬件回路设计的限制，所以其精度及可靠性均存在风险。合并单元实现软件积分受制于采集器的采样带宽以及传输速率限制，所以其信号存在一定的失真性，在软件积分过程中可能出现由于原始采样高频信号的失真性导致积分环节异常。而采集器内一般都采用双线性二阶低通滤波回路，其滤波特性无法有效遏制高次谐波信号进入采集回路，尤其在微分环节将高次谐波放大后，无法有效滤除。

电子式互感器应用过程中，出现了多起因微分、积分环节的失真导致保护的不正确动作，阻碍了电子式互感器的应用推广。因此有必要设计一种采集器，应用性能优良的滤波器有效遏制高次谐波对采集回路的影响，并将硬件积分的优点与软件积分的优点有效结合，利用采集器的就地高速采样并直接实现软件积分以解决采集器与合并单元之间的传输带宽的限制，解决电子式互感器应用过程中的瓶颈问题，推动电子式互感器技术发展，具有重要的实际应用意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种准确度高、安全、可靠的电子式互感器采集器，消除罗氏线圈原理和阻容分压原理的电子式互感器受高次系统影响而导致采样异常的不足，提高电子式互感器采样的准确度，确保电子式互感器在各种复杂工况下的正确运行，保障电网系统的安全、可靠运行。

罗氏线圈电流互感器和阻容分压电压互感器进行电流、电压测量时，罗氏线圈或阻容分压器输出的是一次输入电流、电压的微分信号，A/D采集环节对微分信号采集后需要通过积分还原才能得到一次输入的电流量或电压量。A/D采集环节位于采集器，而积分环节目前多数是采用软件积分方式在合并单元完成。

为有效遏制高次谐波对电子式互感器采集回路的影响，消除采集器与合并单元之间传输带宽限制对积分环节正确性、可靠性的影响，本发明提供了一种基于4阶贝塞尔滤波和软件积分的电子式互感器采集器，其特征在于：

包含4阶贝塞尔滤波器、高速采样模块、积分环节、FT3发送模块；通过4阶贝塞尔滤波器对电子式互感器传感元件输出的信号进行低通滤波后，由高速采样模块对滤波后的信号进行高速率数字化采样，再由积分环节对数字化采样信号积分还原，实现对一次电流、电压量的测量，并由FT3发送模块将数据发送；FT3发送模块将数据发送给后端的合并单元。

所述合并单元不需进行信号还原处理，仅需对来自不同采集器之间的采样数据进行同步并输出。

所述4阶贝塞尔滤波器为4阶硬件低通滤波器，采用两个2阶硬件贝塞尔滤波器串联，实现4阶低通滤波，对罗氏线圈或阻容分压传感元件输出的微分信号进行滤波，有效遏制高次谐波进入后端采集回路而导致积分回路异常的可能性，而且对通带内信号具有固定群延时，便于后端补偿处理；贝塞尔滤波器截止频率为电子式互感器输出数据采样率f的1/2，滤除高于f/2频率的信号，根据实际工程应用需求，现阶段电子式互感器输出数据的采样频率f一般为4kHz，滤波器截止频率可设置为2kHz，有效抑制2kHz以上的谐波，可以有效提高整系统的抗干扰能力。

高速采样模块为16位的高速双极性AD芯片，对经过贝塞尔滤波器后的微分信号进行高速采集，完成模数转换，高速采样模块的采样频率f_s设置为远高于电子式互感器输出采样数据的采样率f，即f_s＞＞f，f_s可取40kHz或者更高，实现高次谐波的有效采集，避免高频信号混叠至低频段而引起后端积分异常；AD芯片正常工作无需偏置回路，减轻后续积分的零漂计算负担，保证模数转换过程中的精度、速度、可靠性；

积分环节与高速采样模块相连，接收高速采样模块输出的离散采样值，积分环节采用高性能FPGA直接在采集器内对离散采样值进行高采样率的软件积分，实现一次输入的电流、电压信号的还原，有效解决由于硬件积分所带来的精度牺牲；软件积分环节在采集器内部实现，积分性能不再受制于采集器与合并单元之间传输带宽的影响，采用更高的采样速率来实现软件积分，软件积分的原始采样频率率可以达到f_s（40kHz），在每个积分周期T（T=1/f）内，对m（m=f_s/f）个点的离散数据都需进行积分，然后根据电子式互感器最终输出采样数据采样率的要求，积分环节采用多点取平均的方法对积分后的高采样率数据进行稀疏处理，最终形成采样率为f的采样数据，即对m个积分数据取平均得到该积分周期内的电流、电压值，形成采样频率为f（4kHz）的采样值；

FT3发送模块与FPGA积分环节相连，接收积分还原后的电流、电压信号，并以频率f将信号发送数据；FT3发送模块发送的数据格式灵活可配置，包括IEC FT3格式、国网FT3格式、自定义FT3格式等，以适应后端合并单元的数据接收需求。

本发明所达到的有益效果：

本发明的电子式互感器采集器，采用4阶贝塞尔滤波器对传感元件输出的微分信号进行有效滤波，采用高速双极性AD进行数据采集，并在采集器直接利用FPGA进行离散数据的积分，形成所测量的一次电流、电压量，并以可配置的FT3数据格式输出，从而达到准确、可靠测量的目的。这种采集器，有效解决目前电子式互感器采样环节普遍存在的抗干扰能力不足、软件积分环节失真、高次谐波截止频率过低、硬件积分精度不高且易损坏等缺点，提高了电流、电压量测量的准确性、可靠性，大大提升电子式互感器现场的应用能力，促进电子式互感器技术的发展。

附图说明

图1为本发明电子式互感器采集器结构图；

图2为本发明中4阶贝塞尔低通滤波器原理图；

图3为本发明中一个周期内软件积分流程图。

具体实施方式

本发明所述采集器采用4阶贝塞尔低通滤波器对电子式互感器传感元件输出的微分信号进行滤波，有效遏制高次谐波进入采样回路而导致积分回路异常的可能性；采用16位高精度、高速AD采集微分信号，并在AD采集后直接进行软件积分，有效解决由于硬件积分所带来精度的牺牲，积分性能也不再受限于采集器与合并单元之间传输带宽，采用更高的采样速率来实现软件积分，有效避免频谱混叠而导致积分环节异常；有效提高整系统的抗干扰能力，解决罗氏线圈电流互感器、阻容分压电压互感器应用过程中的由积分引起的异常问题。

本发明所述电子式互感器采集器总体结构如图1所示。采集器主要包含4阶贝塞尔滤波器、高速采样模块、软件积分环节、FT3发送模块，实现对电子式互感器传感元件输出的微分信号数字化采集，并直接实现了一次信号的还原。

4阶贝塞尔低通滤波器负责输入信号的带宽限制，配合采集器的高速采样形成有效的低通滤波，对高次谐波信号有效遏制，防止采样回路中出现频率混叠现象。目前智能变电站电子式互感器输出的采样数据的采样频率普遍为4kHz，可对2kHz频率以下的信号进行准确采集，且考虑2kHz频率的信号对目前智能变电站的应用已经足够了，因此本实施例中4阶贝塞尔滤波器按照2kHz低通滤波设计，对2kHz以上的高频信号有效遏制，其传递函数为：

$H_{b4}\left(p\right)=\frac{1}{(1+0.7742p+0.3889p^2)\·(1+1.3396p+0.4889p^2)}$

其中p=j·f/f_c，j是复数的符号，表示上式是在复频域内，f_c为截止频率2kHz，f为采样频率。

4阶贝塞尔低通滤波器采用硬件实现，其电路原理图如图2所示，采用两个2阶低通滤波器串联实现。实际应用过程中可改变图中电阻R1、R2、R3、R4、R5、电容C1、C2、C3、C4的参数而实现对截止频率的控制。

高速采样模块采用16位高精度、10M以上采样速度的双极性AD。16位采集精度决定了整个采样系统的精度；AD采样速率设置为40kHz，确保20kHz以下频率信号（400次谐波）均不会对后续软件积分产生任何影响；AD双极性输入，无需偏置回路，减轻后续积分的零漂计算负担。

软件积分环节由高处理性能的FPGA实现，采用双线性变化法施行软件积分，其积分效果与有损硬件积分器的效果基本一致。软件积分基于采样模块的40kHz离散采样样本进行，离散采样点积分函数公式：V_o(n_s)=V_o(n_s-1)+V_i(n_s)·k-V_o(0)；k为积分常数,V_o(0)为积分零漂修正值；V₀（n_s-1）表示前一个点的积分值，Vi(ns)表示当前的输入瞬时值。然后根据合并单元最终输出采样频率f的要求，在一个最终采样周期T（T=1/f）内，对m（m=f_s/f）个积分后的数据进行平均，得到最终采样数据V_o(n)，V_o(n)的采样频率为f。积分处理流程如图3所示，采集器采用定时中断的方式进行积分处理，当进入积分中断后，内部计数器加1，同时采用离散积分方法进行当前点的积分，然后消除积分零漂；当内部计数器未达到m时，重新等待新一轮积分中断；当内部计数器达到m后，对m个积分数据进行取平均处理，得到最终需要输出的采样点，同时将内部计数器复位。

FT3发送模块和FT3接收模块配合使用，将V_o(n)以f的频率，通过高速FT3串行协议从采集器传输到合并单元，同时也将采集器采样所需的额定延时输出。

合并单元接收上述采集器的数据，直接得到一次电流、电压值，仅需要完成不同采集器之间数据的同步即可，而不再需要进行积分处理。

上述实施例不以任何方式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于4阶贝塞尔滤波和软件积分的电子式互感器采集器，其特征在于：

包含4阶贝塞尔滤波器、高速采样模块、积分环节、FT3发送模块；通过4阶贝塞尔滤波器对电子式互感器传感元件输出的信号进行低通滤波后，由高速采样模块对滤波后的信号进行高速率数字化采样，再由积分环节对数字化采样信号积分还原，实现对一次电流、电压量的测量，并由FT3发送模块将数据发送。

2.根据权利要求1所述的基于4阶贝塞尔滤波和软件积分的电子式互感器采集器，其特征在于：所述4阶贝塞尔滤波器采用两个2阶硬件贝塞尔滤波器串联，实现4阶低通滤波，贝塞尔滤波器截止频率为电子式互感器输出数据采样率f的1/2，滤除高于f/2频率的信号，而且具有固定群延时。

3.根据权利要求1或2所述的基于4阶贝塞尔滤波和软件积分的电子式互感器采集器，其特征在于：高速采样模块为16位高速双极性AD芯片，对经过贝塞尔滤波器后的信号进行高速采集，高速采样模块的采样频率f_s设置为远高于电子式互感器输出采样数据采样率f。

4.根据权利要求1所述的基于4阶贝塞尔滤波和软件积分的电子式互感器采集器，其特征在于：积分环节与高速采样模块相连，接收高速采样模块输出的离散采样值，积分环节采用高性能FPGA直接在采集器内对离散采样值进行高采样率的软件积分，实现测量电流、电压量的还原，根据电子式互感器最终输出采样数据采样率的要求，积分环节采用多点取平均的方法对积分后的高采样率数据进行稀疏处理，最终形成采样率为f的采样数据。

5.根据权利要求1或4所述的基于4阶贝塞尔滤波和软件积分的电子式互感器采集器，其特征在于：FT3发送模块与FPGA积分环节相连，接收积分还原后的信号，并以频率f将信号发送，FT3发送模块发送的数据格式根据后端合并单元接收需求进行配置。

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