CN103543431B - 基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量方法及系统，通过第一取样电路单元获取被测信号，通过第二取样电路单元，获取标准信号，被测信号和标准信号经过放大电路单元和自动增益控制电路单元组合提高信噪比，经过AD转换器单元转换为数字信号，FPGA数字信号处理电路单元分别采用相应的算法对AD转换器单元输出的数字信号进行采样分析，找出基波的幅值，然后根据除法公式求解得比差和相位差；实现了电磁式互感器的误差测量。本发明处理速度快，无积分饱和效应，实现简单，运行稳定，重量轻、精度高、线性好、测量范围宽，克服了传统互感器测量装置的对信号要求高、响应慢的缺点，对现有电磁式互感器的检定和校准具有现实意义。
Description
技术领域
本发明属于互感器测量技术领域，尤其涉及一种基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量方法及系统。
背景技术
传统互感器测量方法主要采用模拟电路对信号进行处理，校验过程中存在对环境要求高，对电路中高次谐波敏感，速度较慢的现象，并测量输出数据需要上位机处理，对上位机依赖较高，不能单独接入数字仪表和在局域网络中传输共享；
在原来模拟电路中为了获取90°触发信号，需要90°移相电路中的积分器使用了运算放大器，但由于运算放大器的不理想，输入均有偏流，常常会产生积分饱和效应，从而使积分放大器处于阻塞状态；
传统的测量方法是根据触发信号采集数据，采集后有效数据量较少，当测试环境中有干扰时，很难对数据进行修正，常常因此会出现失真现象，所以传统校验仪要求电信号应有较小的失真度，并对测试所处的环境要求也较高。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量方法及系统，旨在解决传统的测量方法根据触发信号采集数据存在的采集后有效数据量较少，易受测试环境干扰影响，不易对数据进行修正，出现失真的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量方法，该基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量方法包括以下步骤：
步骤一，通过第一取样电路单元，获取被测信号，第一前置放大电路单元和第一自动增益控制电路单元的组合提高信噪比，第一滤波电路单元滤掉高次谐波，信号通过第一AD转换器单元转换成数字信号；
步骤二，通过第二取样电路单元，获取标准信号，第二前置放大电路单元和第二自动增益控制电路单元组合提高信噪比，第二滤波电路单元滤掉高次谐波，信号通过整形成标准方波，提供过零脉冲，另一路信号通过第二AD转换器单元转换成数字信号；
步骤三，FPGA数字信号处理电路单元，接收到过零脉冲，根据过零脉冲，分时取样，并作为采样时标，得到差值与标准端的正交分量；
步骤四，FPGA数字信号处理电路单元分别采用相应的算法对第一AD转换器单元和第二AD转换器单元输出的数字信号进行采样分析，找出基波的幅值，然后根据除法公式求解得比差和相位差。
进一步，在步骤二中，标准端信号经滤波、整形成波形标准的信号作为0°触发信号和FPGA数据采集时标的依据。
进一步，在步骤四中，FPGA数字信号处理电路单元在处理过程中可以根据采样的数据进行分析和归约，消除失真信号，当采样信号受外界干扰时，也可通过插值算法修正采样数值。
本发明的另一目的在于提供一种基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量系统，该基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量系统包括：
用于获取被测端产生的电压差的第一取样电路单元；
与第一取样电路单元连接，用于提高信噪比以减小噪声因素干扰的第一前置放大电路单元；
与第一前置放大电路单元连接，用于在工作电流降低到额定电流小于20%时把工作信号放大的第一自动增益控制电路单元；
与第一自动增益控制电路单元连接，用于抑制采样信号中高次谐波的第一滤波电路单元；
与第一滤波电路单元连接，用于对通过第一滤波电路单元滤波第一取样电路单元获取被测端产生的电压差进行暂存的第一采样保持单元；
与第一采样保持单元连接，用于把第一取样电路单元获取被测端产生电压差的模拟信号转换为数字信号的第一AD转换器单元；
与第一AD转换器单元、第二AD转换器单元、过零脉冲单元连接，用于对第一AD转换器单元转换的数字信号和标准器二次侧取样电路的数字信号处理，进行采样分析由FPGA数字信号处理电路单元对被测端电压差的数据信号和标准器数据信号进行实时采集存入RAM中，找出基波的幅值得到比差，使用加窗快速傅里叶变换算法得到被测端电压差信号和标准器电压信号的波形的幅值，将两个幅值数据除以对应取样电阻值得到被测电端差电流和正交分量和标准器电流值，将这两个数据代入比差计算公式可得到比差；根据过零脉冲，分时取样，并作为采样时标，得到差值与标准端的正交分量，计算出角差，过零脉冲作为第一AD转换器信号采集的中断，中断得到的实时数据即为同相分量，将数值与使用加窗快速傅里叶变换算法得到标准器电压信号的波形的幅值转换成电流量后代入角差公式得到角差，采样过程中根据精度要求调节采样频率，对所采样的数据利用累加器打上时标，用于相关数值的运算；
用于获取标准端上信号的第二取样电路单元；
与第二取样电路单元连接，用于提高信噪比以减小噪声因素干扰的第二前置放大电路单元；
与第二前置放大电路单元连接，用于在工作电流降低到额定电流小于20%时把工作信号放大的第二自动增益控制电路单元；
与第二前置放大电路单元，用于通过全波整流电路实现交流和直流变换的交流/直流变换电路单元；
与第二自动增益控制电路单元连接，用于抑制采样信号中高次谐波的第二滤波电路单元；
与第二滤波电路单元连接，用于形成波形标准的信号，输入FPGA作为0°触发信号的整形电路单元；
与整形电路单元连接，用于接收整形电路单元的波形信号，对信号进行过零脉冲处理的过零脉冲单元；
与第二滤波电路单元连接，用于对第二滤波电路单元的信号进行暂存的第二采样保持单元；
与第二采样保持单元连接，用于用于把第二取样电路单元获取标准端上信号的模拟信号转换为数字信号的第二AD转换器单元；
与第一自动增益控制电路单元、第二自动增益控制电路单元和交流/直流变换电路单元连接，用于对交流/直流变换电路单元整流后的直流信号和第一自动增益控制电路单元、第二自动增益控制电路单元工作信号放大进行显示的百分表单元；
与百分表单元连接，用于为百分表单元提供电源的直流电源单元。
进一步，FPGA数字信号处理电路单元的比差和相位差数值以及时标提供给上位机接口使用。
进一步，FPGA数字信号处理电路单元可以根据采样的数据进行分析和归约，消除失真信号，当采样信号受外界干扰时，通过插值算法修正采样数值。
进一步，插值算法修正采样数值的方法为：对实时的采样数据进行分析后，发现异常数据，将异常数据丢弃，并用所采样数据的前一个时标和后一个时标的值推算出中间值。
本发明提供的基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量方法及系统，采用FPGA数字信号处理电路单元，实现了数字滤波、快速傅里叶变换（FFT），降低了损耗，提高了测量精度和效率；通过取样电路、模拟信号处理电路、AD转换电路和FPGA数字信号处理电路，实现了电磁式互感器的误差测量。本发明处理速度快，无积分饱和效应，实现简单，运行稳定，重量轻、精度高、线性好、测量范围宽，克服了传统互感器测量装置的对信号要求高、响应慢的缺点，对现有电磁式互感器的检定和校准具有现实意义。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量系统的结构示意图；
图中：1、第一取样电路单元；2、第一前置放大电路单元；3、第一自动增益控制电路单元；4、第一滤波电路单元；5、第一采样保持单元；6、第一AD转换器单元；7、FPGA数字信号处理电路单元；8、第二取样电路单元；9、第二前置放大电路单元；10、交流/直流变换电路单元；11、第二自动增益控制电路单元；12、第二滤波电路单元；13、整形电路单元；14、第二采样保持单元；15、过零脉冲单元；16、第二AD转换器单元；17、百分表单元；18、直流电源单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量方法包括以下步骤：
S101：通过第一取样电路单元:获取被测信号，第一前置放大电路单元和第一自动增益控制电路单元的组合提高信噪比，第一滤波电路单元滤掉高次谐波，信号通过第一AD转换器单元转换成数字信号；
S102：通过第二取样电路单元:获取标准信号，第二前置放大电路单元和第二自动增益控制电路单元组合提高信噪比，第二滤波电路单元滤掉高次谐波，信号通过整形成标准方波，提供过零脉冲，另一路信号通过第二AD转换器单元转换成数字信号；
S103：FPGA数字信号处理电路单元:接收到过零脉冲，根据过零脉冲，分时取样，并作为采样时标，得到差值与标准端的正交分量；
S104：FPGA数字信号处理电路单元分别采用相应的算法对第一AD转换器单元和第二AD转换器单元输出的数字信号进行采样分析，找出基波的幅值，然后根据除法公式求解得比差和相位差；
如图2所示，本发明实施例的基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量系统主要由第一取样电路单元1、第一前置放大电路单元2、第一自动增益控制电路单元3、第一滤波电路单元4、第一采样保持单元5、第一AD转换器单元6、FPGA数字信号处理电路单元7、第二取样电路单元8、第二前置放大电路单元9、交流/直流变换电路单元10、第二自动增益控制电路单元11、第二滤波电路单元12、整形电路单元13、第二采样保持单元14、过零脉冲单元15、第二AD转换器单元16、百分表单元17、直流电源单元18组成；
用于获取被测端产生的电压差的第一取样电路单元1；
与第一取样电路单元1连接，用于提高信噪比以减小噪声等因素干扰的第一前置放大电路单元2；
与第一前置放大电路单元2连接，用于在工作电流降低到额定电流小于20%时把工作信号放大的第一自动增益控制电路单元3；
与第一自动增益控制电路单元3连接，用于抑制采样信号中高次谐波的第一滤波电路单元4；
与第一滤波电路单元4连接，用于对通过第一滤波电路单元4滤波第一取样电路单元1获取被测端产生的电压差进行暂存的第一采样保持单元5；
与第一采样保持单元5连接，用于把第一取样电路单元1获取被测端产生电压差的模拟信号转换为数字信号的第一AD转换器单元6；
与第一AD转换器单元6、第二AD转换器单元16、过零脉冲单元15连接，用于对第一AD转换器单元6转换的数字信号和标准器二次侧取样电路的数字信号处理，进行采样分析，由FPGA数字信号处理电路单元7对被测端电压差的数据信号和标准器数据信号进行实时采集存入RAM中，找出基波的幅值得到比差，使用加窗快速傅里叶变换算法得到被测端电压差信号和标准器电压信号的波形的幅值，将两个幅值数据除以对应取样电阻值得到被测电端差电流和正交分量和标准器电流值，将这两个数据代入比差计算公式可得到比差；根据过零脉冲，分时取样，并作为采样时标，得到差值与标准端的正交分量，计算出角差，过零脉冲作为第一AD转换器信号采集的中断，中断得到的实时数据即为同相分量，将数值与使用加窗快速傅里叶变换算法得到标准器电压信号的波形的幅值转换成电流量后代入角差公式得到角差，采样过程中根据精度要求调节采样频率，对所采样的数据利用累加器打上时标，用于相关数值的运算；
用于获取标准端上信号的第二取样电路单元8；
与第二取样电路单元8连接，用于提高信噪比以减小噪声等因素干扰的第二前置放大电路单元9；
与第二前置放大电路单元9连接，用于在工作电流降低到额定电流小于20%时把工作信号放大的第二自动增益控制电路单元11；
与第二前置放大电路单元9，用于通过全波整流电路实现交流和直流变换的交流/直流变换电路单元10；
与第二自动增益控制电路单元11连接，用于抑制采样信号中高次谐波的第二滤波电路单元12；
与第二滤波电路单元12连接，用于形成波形标准的信号，输入FPGA作为0°触发信号的整形电路单元13；
与整形电路单元13连接，用于接收整形电路单元13的波形信号，对信号进行过零脉冲处理的过零脉冲单元15；
与第二滤波电路单元12连接，用于对第二滤波电路单元12的信号进行暂存的第二采样保持单元14；
与第二采样保持单元14连接，用于用于把第二取样电路单元8获取标准端上信号的模拟信号转换为数字信号的第二AD转换器单元16；
与第一自动增益控制电路单元3、第二自动增益控制电路单元11和交流/直流变换电路单元10连接，用于对交流/直流变换电路单元10整流后的直流信号和第一自动增益控制电路单元3、第二自动增益控制电路单元11工作信号放大进行显示的百分表单元17；
与百分表单元17连接，用于为百分表单元17提供电源的直流电源单元18；
本发明的FPGA数字信号处理电路单元7接收到过零脉冲单元15的信号，根据过零脉冲，分时取样，并作为采样时标，得到差值与标准端的正交分量；FPGA数字信号处理电路单元7分别采用相应的算法对第一AD转换器单元6和第二AD转换器单元16输出的数字信号进行采样分析，找出基波的幅值，然后根据除法公式求解得比差和相位差，不需要90°移相电路，数值可直接接数字仪表、上位机接口或打包后用于网络传输共享；FPGA数字信号处理电路单元7在处理过程中可以根据采样的数据进行分析和归约，消除失真信号，当采样信号受外界干扰时，也可通过插值算法修正采样数值；对实时的采样数据进行分析后，发现异常数据，将异常数据丢弃，并用所采样数据的前一个时标和后一个时标的值推算出中间值。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量方法，其特征在于，该基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量方法包括以下步骤：
步骤一，通过第一取样电路单元，获取被测信号，第一前置放大电路单元和第一自动增益控制电路单元的组合提高信噪比，第一滤波电路单元滤掉高次谐波，经过第一滤波电路单元滤掉高次谐波的信号通过第一AD转换器单元转换成数字信号；
步骤二，通过第二取样电路单元，获取标准信号，第二前置放大电路单元和第二自动增益控制电路单元组合提高信噪比，第二滤波电路单元滤掉高次谐波，经过第二滤波电路单元滤掉高次谐波的信号分出两路，一路信号通过整形成标准方波，提供过零脉冲，另一路信号通过第二AD转换器单元转换成数字信号；
步骤三，FPGA数字信号处理电路单元，接收到过零脉冲，根据过零脉冲，分时取样，并作为采样时标，得到差值与标准端的正交分量；
步骤四，FPGA数字信号处理电路单元分别采用相应的算法对第一AD转换器单元和第二AD转换器单元输出的数字信号进行采样分析，找出基波的幅值，然后根据除法公式求解得比差和相位差。
2.如权利要求1所述的基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量方法，其特征在于，在步骤二中，标准端信号经滤波、整形成波形标准的信号作为0°触发信号和FPGA数据采集时标的依据。
3.如权利要求1所述的基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量方法，其特征在于，在步骤四中，FPGA数字信号处理电路单元在处理过程中根据采样的数据进行分析和归约，消除失真信号，当采样信号受外界干扰时，通过插值算法修正采样数值。
4.一种基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量系统，其特征在于，该基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量系统包括：
用于获取被测端产生的电压差的第一取样电路单元；
与第一取样电路单元连接，用于提高信噪比以减小噪声因素干扰的第一前置放大电路单元；
与第一前置放大电路单元连接，用于在工作电流降低到小于额定电流的20％时把工作信号放大的第一自动增益控制电路单元；
与第一自动增益控制电路单元连接，用于抑制采样信号中高次谐波的第一滤波电路单元；
与第一滤波电路单元连接，用于对通过第一滤波电路单元进行滤波的第一取样电路单元所获取的被测端产生的电压差进行暂存的第一采样保持单元；
与第一采样保持单元连接，用于把第一取样电路单元获取被测端产生电压差的模拟信号转换为数字信号的第一AD转换器单元；
用于获取标准端上信号的第二取样电路单元；
与第二取样电路单元连接，用于提高信噪比以减小噪声因素干扰的第二前置放大电路单元；
与第二前置放大电路单元连接，用于在工作电流降低到小于额定电流的20％时把工作信号放大的第二自动增益控制电路单元；
与第二前置放大电路单元连接，用于通过全波整流电路实现交流和直流变换的交流/直流变换电路单元；
与第二自动增益控制电路单元连接，用于抑制采样信号中高次谐波的第二滤波电路单元；
与第二滤波电路单元连接，用于形成波形标准的信号，输入FPGA作为0°触发信号的整形电路单元；
与整形电路单元连接，用于接收整形电路单元的波形信号，对信号进行过零脉冲处理的过零脉冲单元；
与第二滤波电路单元连接，用于对第二滤波电路单元的信号进行暂存的第二采样保持单元；
与第二采样保持单元连接，用于把第二取样电路单元获取标准端上信号的模拟信号转换为数字信号的第二AD转换器单元；
分别与第一AD转换器单元、第二AD转换器单元、过零脉冲单元连接、用于对第一AD转换器单元转换的数字信号和标准器二次侧取样电路的数字信号进行采样分析的FPGA数字信号处理电路单元，由FPGA数字信号处理电路单元对被测端电压差的数据信号和标准器数据信号进行实时采集存入RAM中，找出基波的幅值得到比差，使用加窗快速傅里叶变换算法得到被测端电压差信号和标准器电压信号的波形的幅值，将两个幅值数据除以对应取样电阻值得到被测端差电流和标准器电流值，将这两个数据代入比差计算公式可得到比差；根据过零脉冲，分时取样，并作为采样时标，得到差值与标准端的正交分量，计算出角差，过零脉冲作为第一AD转换器单元信号采集的中断，中断得到的实时数据即为同相分量，将数值与使用加窗快速傅里叶变换算法得到标准器电压信号的波形的幅值转换成电流量后代入角差公式得到角差，采样过程中根据精度要求调节采样频率，对所采样的数据利用累加器打上时标，用于相关数值的运算；
与第一自动增益控制电路单元、第二自动增益控制电路单元和交流/直流变换电路单元连接，用于对交流/直流变换电路单元整流后的直流信号和第一自动增益控制电路单元、第二自动增益控制电路单元工作信号放大进行显示的百分表单元；
与百分表单元连接，用于为百分表单元提供电源的直流电源单元。
5.如权利要求4所述的基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量系统，其特征在于，FPGA数字信号处理电路单元的比差和角差数值以及时标提供给上位机接口使用。
6.如权利要求4所述的基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量系统，其特征在于，FPGA数字信号处理电路单元可以根据采样的数据进行分析和归约，消除失真信号，当采样信号受外界干扰时，通过插值算法修正采样数值。
7.如权利要求6所述的基于数字信号处理的电磁式互感器误差测量系统，其特征在于，插值算法修正采样数值的方法为：对实时的采样数据进行分析后，发现异常数据，将异常数据丢弃，并用所采样数据的前一个时标和后一个时标的值推算出中间值。
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