CN104181402A - 一种混合电场下的直流电场检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合电场下的直流电场检测装置，包括信号接收模块，信号调理模块，相敏检波模块，PSO多频陷波模块；所述信号接收模块包括与所述信号调理模块输入端连接的输出和与所述相敏检波模块输入端连接的输出，所述信号调理模块的输出端与所述相敏检波模块的另一输入端连接，所述相敏检波模块的输出端与所述PSO多频馅波模块的输入端连接。本发明通过PSO多频陷波的设计方法来实现对不必要频率的滤除，与传统的低通滤波器相比，提高了系统的动态响应。

Description

一种混合电场下的直流电场检测装置

技术领域：

本发明涉及一种直流电场检测装置，具体涉及一种在交直流同走廊条件下地面混合电场中的直流电场检测装置。

背景技术

随着特高压直流的高速发展，人们的重视输电线路周边的电磁环境问题，输电线路下的地面混合电场，用旋转式电场传感器测量输电线路下地面混合电场。这种传感器适合线下地面电场的测量。

特高压交流、直流工程的大量上马和输电走廊的日益紧张，越来越多的交流输电线路和直流输电线路同走廊架设，甚至采用同塔架设。

与单独的直流输电线路不同，同走廊架设的交直流线路运行时将产生包括工频电场和直流电场的混合电场，为了测量混合电场中的直流电场，现有技术设计了一种适用于该种环境下的直流电场传感器以研究特高压交直流线路同走廊时的电场分布规律和控制措施，确定合理的线路接近距离、线路最小对地高度和走廊宽度等问题提供有利的支撑。

现有的旋转式电场传感器在同走廊环境下测量地面合成电场存在以下问题：电场中导体的感应电荷与外界所加电场成一定的比例关系，如果被测电场为直流电场，则电场强度E(t)可认为是一个常量，即一个不随时间变化的量。但对于同走廊架设的传输线下存在混合电场E_h，它是由直流电场和交流电场叠加而成的，所以E_h是一个与时间有关的变量。因此，为了克服传统的电场传感器在同走廊环境下，会受到交流电场的干扰，影响合成电场的测量精度，需要提供一种新的混合电场下的直流电场检测装置。

发明内容：

为了克服现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种混合电场下的直流电场检测装置；

本发明提供的技术方案是：一种混合电场下的直流电场检测装置，包括信号接收模块，信号调理模块，相敏检波模块，PSO多频陷波模块；其改进之处在于：所述信号接收模块包括与所述信号调理模块输入端连接的输出和与所述相敏检波模块输入端连接的输出，所述信号调理模块的输出端与所述相敏检波模块的另一输入端连接，所述相敏检波模块的输出端与所述PSO多频馅波模块的输入端连接。

优选的，所述信号接收模块包括电动机，依次安装在所述电动机电机轴上的光电码盘、感应叶片和屏蔽叶片。

进一步，所述屏蔽叶片跟随所述电机轴做周期旋转，对固定不动的所述感应叶片上的电场进行周期性屏蔽；所述感应叶片产生频率和幅值稳定的感应电流，传输给所述信号调理模块。

进一步，所述光电码盘上安装有光电开关，所述光电开关的输出端与整形电路连接，所述整形电路与相敏检波电路的参考信号输入端连接。

进一步，所述光电码盘跟随所述电机轴旋转；所述光电开关产生脉冲信号，通过脉冲信号检测所述光电码盘的转动速度，并通过所述整形电路产生标准方波信号作为参考信号传输给相敏检波电路。

进一步，所述电动机同与供电系统连接的电机控制电路连接；所述供电系统输出3.3V稳压电源给所述电机控制电路供电，所述电机控制电路的稳压芯片upc1470控制所述电动机转速。

优选的，所述信号调理模块包括依次连接的I/V变换电路，前置放大电路和带通滤波电路，所述I/V变换电路的输入端与所述信号接收模块的输出端连接，所述带通滤波电路的输出端与所述相敏检波模块的输入端连接。

进一步，所述I/V变换电路采用斩波稳零运放ICL7650将接受到的感应电流信号转化为电压信号，传输给前置放大电路；所述前置放大电路采用高输入阻抗的同相放大电路将接收到的微弱电压信号放大后，传输给所述带通滤波电路；所述带通滤波电路滤除电压信号中的低频噪声和高频干扰，并将滤波后的电压信号传输给所述相敏检波模块。

优选的，所述相敏检波模块包括移相电路和相敏检波电路，所述移相电路的输入端与带通滤波电路的输出端连接，所述移相电路的输出端与相敏检波电路的输入端连接。

进一步，所述移相电路对接收到的电压信号进行相位补偿，使所述相敏检波电路可鉴别直流电场的相位，并使所述相敏检波电路输出最大；

所述相敏检波电路比较直流电场电压信号的相位和参考信号的相位，确定直流电场的极性，并将交流电场信号和确定极性后的直流电场信号传输给PSO多频陷波模块。

优选的，所述PSO多频陷波模块包括数字多频陷波滤波器和输出级电路，所述数字多频陷波滤波器的输入端与相敏检波电路的输出端连接，所述数字多频馅波滤波器的输出端与输出级电路的输入端连接。

进一步，所述数字多频陷波滤波器为基于粒子群优化的数字多频陷波滤波器，所述数字多频陷波滤波器滤除混合电场信号中的交流电场信号，输出直流电场信号传输给输出级电路。

进一步，所述输出级电路包括后级放大电路和跟随电路，所述后级放大电路的输入端与所述数字多频陷波滤波器的输出端连接，所述后级放大的电路的输出端与所述跟随电路的输入端连接，所述后级放大电路和所述跟随电路控制匹配阻抗和直流电场信号的放大倍数，所述跟随电路输出直流电场的电压信号。

其中所述PSO多频陷波模块中的数字多频陷波滤波器，采用如下方法设计：

(1)、设定种群规模N和最大进化代数T_max，随机初始化各个粒子的位置X(t)(其中t为时间，X为t时刻粒子的位置)与速度V(t)(其中t为时间，V为t时刻粒子的速度)，且每个粒子包含M个求解变量，并确定每个变量的搜索范围。

(2)、计算全频带范围内幅度响应误差平方的积分，并以此作为适应度指标评价所有粒子。

(3)、比较每个粒子的当前适应度和自身的最优值p_Best。若当前适应度优于p_Best，则用当前适应度更新p_Best，并设定p_Best的位置为当前位置。

(4)、比较每个粒子的当前适应度与种群最优值g_Best。如果当前适应度优于g_Best，则将g_Best设置为当前粒子的适应度，并更新群体中各个粒子的速度和位置。

(5)、判断是否满足终止条件即判断是否达到最大进化代数T_max，若满足，则输出极角(其中为第i个陷波频率的输出极角，M表示陷波频率的个数)；结束设计过程；否则，转至(2)重复上述过程。

步骤5中的极角(i＝1,2,…,M)是根据陷波频率ω_i、极径r_i和上述PSO优化步骤(1)-(5)得到，其中陷波频率ω_i为已知量，极径r_i利用公式(1)求得；

Δω_i＝arccos[2r_i ²/(1+r_i ⁴)]           (1)

式中，Δω_i为带宽；

得到输出极角后，可根据公式(2)求得数字多频陷波系统的系统函数H(z)：H(z)＝Y(z)/X(z)，为输出信号的Z变换Y(z)与输入信号的Z变换X(z)的比值。

$H\left(z\right)=K\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}(1-e^{{\mathrm{j\ω}}_i}{z}^{-1})[1-e^{-j{\mathrm{\ω}}_i}{z}^{-1}]}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}(1-r_i{e}^{j{\widehat{\mathrm{\ω}}}_i}{z}^{-1})[1-r_i{e}^{-j{\widehat{\mathrm{\ω}}}_i}{z}^{-1}]}=K\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}(1-2\cos \left({\mathrm{\ω}}_i\right)z^{-1}+z^{-2})}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}(1-2r_i\cos \left({\widehat{\mathrm{\ω}}}_i\right)z^{-1}+{r_i}^2{z}^{-2})}---\left(2\right)$

式中K为比例常数，ω_i为陷波频率、r_i为极径，为输出极角，M为求解变量(即陷波频率)的个数。

与最接近的技术方案相比，本发明具有如下显著进步：

1、本发明通过对交直流同走廊或同塔设计产生的交直流混合电场进行分析，得到了提取同走廊或同塔设计产生的交直流混合电场中的直流电场分量的装置；

2、本发明采用PSO多频陷波的设计方法来实现对混合电场中交流电场信号的滤除，与传统的低通滤波器相比，提高了系统的动态响应；

3、本发明采用基于粒子群优化的多频陷波滤波器在实现准确陷波的同时获得很好的幅度响应特性。

附图说明：

图1为信号接收模块的结构原理图；

图2为感应叶片输出电流信号的频谱分布图；

图3为电场传感器的结构框图。

其中1-屏蔽叶片；2-感应叶片；3-光电开关；4-光电码盘；5-电动机。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步地说明：

为了测量交直流同走廊条件下地面混合电场中的直流电场，采用信号接收模块接收电场信号，信号接收模块的结构图如图1所示：

包括电动机、电机轴、屏蔽叶片、感应叶片和光电码盘，屏蔽叶片和光电码盘同轴固定在电机轴上，可随电机轴转动，感应叶片安装在屏蔽叶片和光电码盘之间，感应叶片不随电机轴转动；光电码盘上安装有光电开关。

图3为直流电场检测装置的结构框图；

(1)首先由供电系统给电机控制电路供电，电机控制电路采用稳压芯片upc1470控制电动机和电机轴转动，保证电动机工作在额定转速，使其转速波动在规定的误差范围内。

电机轴带动屏蔽叶片做周期性旋转，屏蔽叶片周期性地遮挡固定的感应叶片，对感应叶片上的电场进行周期性屏蔽，相当于对电场信号的幅度进行了调制，在感应叶片上会产生频率和幅值稳定的感应电流，由于混合电场包括交流电场和直流电场，该感应电流由4个频率的电流信号叠加而成，如图2所示，代表直流电场的直流电流信号的角频率为ω_c，幅值为其中ω_c为直流电场角频率ω_c＝bω,，(b为旋转片的开孔数，ω′为电极的旋转角速度)，ε为真空介电常数，S为感应片完全暴露于电场的面积，E₀为直流电场，E₁为交流电场。代表交流电场的交流电流信号由三个不同角频率的信号组成，频率分别为ω_c，ω_c-ω₁，ω_c+ω₁,对应的幅值分别为 $\frac{\mathrm{\ϵS}{\mathrm{\ω}}_1{E}_1}{2},\frac{2\mathrm{\ϵ}{\mathrm{SE}}_1}{{\mathrm{\π}}^2}({\mathrm{\ω}}_c-{\mathrm{\ω}}_1),\frac{2\mathrm{\ϵ}{\mathrm{SE}}_1}{{\mathrm{\π}}^2}({\mathrm{\ω}}_c+{\mathrm{\ω}}_1);$ 其中ε为真空介电常数，S为感应片完全暴露于电场的面积，E₀为直流电场，E₁为交流电场，ω₁是交流电场角频率。

同时，电机轴带动光电码盘做周期性旋转，光电码盘上的光电开关可测量转动速度，同时通过整形电路产生标准的方波信号作为相敏检波模块的参考信号。

(2)信号调理模块包括I/V变换电路、前置放大电路和带通滤波电路；I/V变换电路采用斩波稳零运放ICL7650作为运算放大器，将接收到的感应电流信号转化为电压信号，经前置放大电路放大后传输给带通滤波电路；

前置放大电路采用高输入阻抗的同相放大电路，并在放大电路的反馈电阻两端并联电容。带通滤波电路可有效抑制电压信号中的低频噪声和高频干扰，输出高信噪比的电压信号。

(3)相敏检波模块中的移相电路对输入信号进行相位补偿，改变不同频率信号的相位，使相敏电路能够满足鉴别直流电场相位以及输出最大的特性。

相敏检波电路通过判断输入信号与参考信号之间的相位差来提取输入信号的相位信息，从而分辨直流电场的极性。如果移相电路将输入信号与参考信号的相位调成完全一致即相差为0°，并且相敏检波电路输出为正值信号，则外部直流电场为正电场。如果移相电路将输入信号与参考信号的相位调成完全相反即相差为180°，并且相敏检波电路输出为负值，则外部直流电场为负电场。

(4)PSO多频陷波模块包括数字多频陷波滤波器和输出级电路，

数字多频陷波滤波器对上一级的输出信号进行PSO多频陷波，将交流电场的电压分量经过基于粒子群优化的数字陷波系统滤除，输出直流信号的电压分量，再经过输出级电路输出直流电场的电压信号。输出级电路包含后级放大电路和跟随电路，主要是为了控制放大倍数以及阻抗匹配。

如果采用传统的低通滤波器，会大大降低系统的动态响应时间。由于感应叶片输出信号的频谱已知，本发明采用多频陷波器来实现对不必要频率分量的滤除。传统的数字多频陷波滤波器的设计存在陷波频率漂移和幅度响应失真等问题，本发明采用PSO多频陷波的设计方法，在实现准确陷波的同时获得了很好的幅度响应特性。

本发明提供的数字多频馅波滤波器的设计过程包括如下步骤：

(1)、设定种群规模N和最大进化代数T_max，随机初始化各个粒子的位置X(t)(其中t为时间，X为t时刻粒子的位置)与速度V(t)(其中t为时间，V为t时刻粒子的速度)，且每个粒子包含M个求解变量，并确定每个变量的搜索范围。

(2)、计算全频带范围内幅度响应误差平方的积分，并以此作为适应度指标评价所有粒子。

(3)、比较每个粒子的当前适应度和自身的最优值p_Best。若当前适应度优于p_Best，则用当前适应度更新p_Best，并设定p_Best的位置为当前位置。

(4)、比较每个粒子的当前适应度与种群最优值g_Best。如果当前适应度优于g_Best，则将g_Best设置为当前粒子的适应度，并更新群体中各个粒子的速度和位置。

(5)、判断是否满足终止条件即判断是否达到最大进化代数T_max，若满足，则输出极角(其中为第i个陷波频率的输出极角，M表示陷波频率的个数)；结束设计过程；否则，转至(2)重复上述过程。

步骤5中的极角(i＝1,2,…,M)是根据陷波频率ω_i、极径r_i和上述PSO优化步骤(1)-(5)得到，其中陷波频率ω_i为已知量，极径r_i利用公式(1)求得；

Δω_i＝arccos[2r_i ²/(1+r_i ⁴)]           (1)

式中，Δω_i为带宽；

得到输出极角后，可根据公式(2)求得数字多频陷波系统的系统函数H(z)：H(z)＝Y(z)/X(z)，为输出信号的Z变换Y(z)与输入信号的Z变换X(z)的比值。

$H\left(z\right)=K\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}(1-e^{{\mathrm{j\ω}}_i}{z}^{-1})[1-e^{-j{\mathrm{\ω}}_i}{z}^{-1}]}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}(1-r_i{e}^{j{\widehat{\mathrm{\ω}}}_i}{z}^{-1})[1-r_i{e}^{-j{\widehat{\mathrm{\ω}}}_i}{z}^{-1}]}=K\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}(1-2\cos \left({\mathrm{\ω}}_i\right)z^{-1}+z^{-2})}{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}(1-2r_i\cos \left({\widehat{\mathrm{\ω}}}_i\right)z^{-1}+{r_i}^2{z}^{-2})}---\left(2\right)$

式中K为比例常数，ω_i为陷波频率、r_i为极径，为输出极角，M为求解变量(即陷波频率)的个数。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (13)

1.一种混合电场下的直流电场检测装置，包括信号接收模块，信号调理模块，相敏检波模块，PSO多频陷波模块；其特征在于：所述信号接收模块包括与所述信号调理模块输入端连接的输出和与所述相敏检波模块输入端连接的输出，所述信号调理模块的输出端与所述相敏检波模块的另一输入端连接，所述相敏检波模块的输出端与所述PSO多频馅波模块的输入端连接。

2.如权利要求1所述的一种混合电场下的直流电场检测装置，其特征在于：

所述信号接收模块包括电动机，依次安装在所述电动机电机轴上的光电码盘、感应叶片和屏蔽叶片。

3.如权利要求2所述的一种混合电场下的直流电场检测装置，其特征在于：

所述屏蔽叶片跟随所述电机轴做周期旋转，对固定不动的所述感应叶片上的电场进行周期性屏蔽；所述感应叶片产生频率和幅值稳定的感应电流，传输给所述信号调理模块。

4.如权利要求2所述的一种混合电场下的直流电场检测装置，其特征在于：

所述光电码盘上安装有光电开关，所述光电开关的输出端与整形电路连接，所述整形电路与相敏检波电路的参考信号输入端连接。

5.如权利要求4所述的一种混合电场下的直流电场检测装置，其特征在于：

所述光电码盘跟随所述电机轴旋转；所述光电开关产生脉冲信号，通过脉冲信号检测所述光电码盘的转动速度，并通过所述整形电路产生标准方波信号作为参考信号传输给相敏检波电路。

6.如权利要求2所述的一种混合电场下的直流电场检测装置，其特征在于：

所述电动机同与供电系统连接的电机控制电路连接；所述供电系统输出3.3V稳压电源给所述电机控制电路供电，所述电机控制电路的稳压芯片upc1470控制所述电动机转速。

7.如权利要求1所述的一种混合电场下的直流电场检测装置，其特征在于：

所述信号调理模块包括依次连接的I/V变换电路，前置放大电路和带通滤波电路，所述I/V变换电路的输入端与所述信号接收模块的输出端连接，所述带通滤波电路的输出端与所述相敏检波模块的输入端连接。

8.如权利要求7所述的一种混合电场下的直流电场检测装置，其特征在于：

所述I/V变换电路采用斩波稳零运放ICL7650将接受到的感应电流信号转化为电压信号，传输给前置放大电路；所述前置放大电路采用高输入阻抗的同相放大电路将接收到的微弱电压信号放大后，传输给所述带通滤波电路；所述带通滤波电路滤除电压信号中的低频噪声和高频干扰，并将滤波后的电压信号传输给所述相敏检波模块。

9.如权利要求1所述的一种混合电场下的直流电场检测装置，其特征在于：

所述相敏检波模块包括移相电路和相敏检波电路，所述移相电路的输入端与带通滤波电路的输出端连接，所述移相电路的输出端与相敏检波电路的输入端连接。

10.如权利要求9所述的一种混合电场下的直流电场检测装置，其特征在于：

所述移相电路对接收到的电压信号进行相位补偿，使所述相敏检波电路可鉴别直流电场的相位，并使所述相敏检波电路输出最大；

所述相敏检波电路比较直流电场电压信号的相位和参考信号的相位，确定直流电场的极性，并将交流电场信号和确定极性后的直流电场信号传输给PSO多频陷波模块。

11.如权利要求1所述的一种混合电场下的直流电场检测装置，其特征在于：

所述PSO多频陷波模块包括数字多频陷波滤波器和输出级电路，所述数字多频陷波滤波器的输入端与相敏检波电路的输出端连接，所述数字多频馅波滤波器的输出端与输出级电路的输入端连接。

12.如权利要求11所述的一种混合电场下的直流电场检测装置，其特征在于：

所述数字多频陷波滤波器为基于粒子群优化的数字多频陷波滤波器，所述数字多频陷波滤波器滤除混合电场信号中的交流电场信号，输出直流电场信号传输给输出级电路。

13.如权利要求12所述的一种混合电场下的直流电场检测装置，其特征在于：

所述输出级电路包括后级放大电路和跟随电路，所述后级放大电路的输入端与所述数字多频陷波滤波器的输出端连接，所述后级放大的电路的输出端与所述跟随电路的输入端连接，所述后级放大电路和所述跟随电路控制匹配阻抗和直流电场信号的放大倍数，所述跟随电路输出直流电场的电压信号。