CN104459296B

CN104459296B - 一种基于傅里叶fft正反变换相对较准阻性电流测量的方法及装置

Info

Publication number: CN104459296B
Application number: CN201410695641.3A
Authority: CN
Inventors: 尚雪嵩; 陈燕午
Original assignee: NANJING SINDO TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NANJING SINDO TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2017-10-13
Anticipated expiration: 2034-11-26
Also published as: CN104459296A

Abstract

本发明涉及一种基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的装置，由精密AGC运放、低通滤波器、精密过零比较器、延时触发器、ADC触发采样单元、采样初相角控制单元、MCU控制器连接构成，解决了现有的智能站、变电站输电系统、高铁电力无处设置PT的现状。

Description

一种基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的方法及装置

技术领域

本发明属于电网监测领域，具体涉及避雷器监测系统领域。

背景技术

现有的避雷器监测系统利用PT取电流的方式监测流经避雷器的电流，而这种方式已不能适应现有的智能站、变电站输电系统、高铁电力无处设置PT的现状，为解决以上问题，本发明采用基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的方法及相应装置解决避雷器测量的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的方法，包括如下步骤：

步骤一：对氧化锌避雷器中电流进行离散采样；

步骤二：通过傅里叶FFT时域信号变化到频域信号转换滤去高次谐波，再利用FFT反变换还原离散采样信号得到：

通过上述表达式分别求出基波和三五次谐波的分量电流I、I₃、I₅，及相应采样初相位θ₂、θ₃、θ₅；

步骤三：在不考虑三五次谐波的情况下，即和真实通过氧化锌避雷器中的全电流相比较，得知在能够满足θ₁＝θ₂情况下根据离散采样FFT变换后求得θ₁，根据I_R＝Icos(θ₁)，即可求出基波下的阻性电流；

步骤四：利用步骤三所述的方法分别求出三五次谐波下的阻性电流，总的阻性电流即为各次谐波向量和的平均值。

优选的，所述步骤一中的同步采样率设为0.99KHz～1.3KHz。

优选的，所述步骤一中的采样点数设为N＝8192，最小物理分辨率为0.12Hz。

本发明还涉及一种基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的装置，包括精密AGC运放、低通滤波器、精密过零比较器、延时触发器、ADC触发采样单元、采样初相角控制单元、MCU控制器，所述的精密AGC运放、低通滤波器、ADC触发采样单元及MCU控制器依次连接，精密AGC运放还与MCU控制器相连，所述的精密过零比较器连接低通滤波器、ADC触发采样单元、延时触发器及MCU控制器，所述的延时触发器还连接有ADC触发采样单元及MCU控制器，所述的采样初相角控制单元与MCU控制器相连接。

所述的精密AGC运放用于放大输入信号，所述的低通滤波器用于实现对在1KHz以上的经过精密AGC运放的输入信号起到滤波作用，经滤波处理后，一路送精密过零比较器，一路送ADC触发采集单元等待采集，所述的精密过零比较器用于当其检测到正向信号过零点，即输出一个上升沿信号，一路给延时触发器，一路给MCU控制器来实现对输入信号的频率实时监测，所述的延时触发器用于根据精密过零比较器输出的上升沿信号延时一个设定值后触发ADC触发采集单元，所述的ADC触发采集单元正常情况下不工作，当延时触发器给ADC触发采集单元一个信号时，ADC触发采集单元开始运行ADC采集工作，所述的ADC采集触发单元电路配合MCU控制器对输入信号的离散采集，完成采样点个数后，通过基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量方法实现对采样信号的分析处理，求出全电流和阻性电流。

所述的采样初相角控制单元用于在测量的阻性电流不准确的情况下，通过MUC控制器调整延时触发器设定的延时值实现对算法中的离散采样基波初相角度的调整。

附图说明

图1为本发明装置原理示意图；

图2为本发明装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明：

实施例一

通过对氧化锌避雷器试品的全伏安特性曲线测试，氧化锌ZnO避雷器工作特性曲线可分为两大段，小电流段线性段，和大电流段非线性区；正常运行时，氧化锌片工作点通常都处在小电流即线性段运行；

根据测试小电流线性段，氧化锌避雷器的等效模型为Rx与Cx的并联方式实现，如图1所示。

根据RC阻容并联特性设参考信号端电压Rx中电流表示为Cx中的电流为

根据理论可得经过氧化锌避雷器的全电流为I为流过氧化锌避雷器全电流的有效值，f₀为工频基波，θ₀为参考初相角，θ₁为阻性电流i_R与全电流i夹角，因I_R＝Icos(θ₁)，所以只要通过测量得到全电流I和θ₁即可求出I_R值。

设同步采样率为Fs，被测信号基波频率(即工频基波)为f₀；

同步采样率要求为其与被测信号频率比值为整数倍关系，即Fs/f₀＝Nk；(Nk为整数)，电路中采样实时跟踪补偿Fs以达到同步采样要求，根据被测信号基波频率f₀变化范围在45Hz～65Hz之间，Nk可取值为Nk＝20；

采样率Fs选择为Fs＝Nk*f₀＝20*(45Hz～65Hz)＝0.99KHz～1.3KHz。

根据采样定理和三五次谐波分析要求，采样率Fs选择满足要求，为了准确分析和防止频谱泄露，连续采样点数设为N＝8192，最小物理分辨率为0.12Hz满足测量要求。

如图1所示，通过Rs采样电阻对氧化锌避雷器中全电流的离散采样根据避雷器实际运行情况，主要谐波分量主要集中在三五次谐波中，所以主要分析基波和三五次谐波，通过傅里叶FFT时域信号变化到频域信号转换滤去高次谐波，再利用FFT反变换还原离散采样信号可得到，

即

通过上述表达式分别求出基波和三五次谐波的分量电流I、I₃、I₅，及相应采样初相位θ₂、θ₃、θ₅；先不考虑三五次谐波下，即和真实通过氧化锌避雷器中的全电流相比较，得知在能够满足θ₁＝θ₂情况下根据离散采样FFT变换后求得θ₁，根据I_R＝Icos(θ₁)，即可求出基波下的阻性电流，同样方法分别求出三五次谐波下的阻性电流，总的阻性电流即为各次谐波向量和的平均值。

根据氧化锌避雷器的工作特性测试，在小电流段主要呈线性段，为了达到满足θ₁＝θ₂，本文采用初次进行校准方法实现θ₁＝θ₂；因为θ₁、θ₂实际角度范围都在(-π-+π)之间，通过控制硬件电路配合控制器，调整对全电流离散采样起始采样位置的控制即可实现θ₁＝θ₂，在长期运行中即可保证小电流段测量的准确性，对于大电流非线性段，采样的信号中三五次谐波明显有加剧现象，因该算法是工作各个谐波下的平均值来计算总的阻性电流，所以依然能够满足准确测量要求，即通过测试此方法能够满足对阻性电流的监测任务；

如图2所示，本发明硬件电路设计如下：电路由精密AGC运放、1KHz低通滤波器、精密过零比较器、延时触发器、ADC触发采样单元、采样初相角控制单元、MCU控制器构成：

精密AGC运放：完成对输入信号的放大作用，通过AGC自动增益控制电路使其输入信号被放大到一个合适的幅度范围内，为后期处理准备。

低通滤波器：实现对输入信号频率在1KHz以上起到滤波作用，减小有效信号中的噪声扰动引起测量误差，对于输入信号幅度特别微弱情况下，信号中带有大量的干扰信息，此类信息同时被放大，如若不加处理会造成后端的精密过零比较无法准确判断有效信号的过零点从而引起误差。

精密过零比较器：实现对输入信号过零点的判断工作，实现后端对输入信号的频率判断，从而为后端的同步采样做准备。

延时触发器：当精密过零比较器检测到正向信号过零点，即输出一个上升沿信号，延时触发器根据该上升沿信号延时一个设定值后触发ADC触发采集单元。

ADC触发采集单元：该单元正常情况下不工作，当延时触发器给ADC触发采集单元一个信号时，ADC触发采集单元开始运行ADC采集工作。

采集初相角控制单元：此功能单元实现对算法中的离散采样基波初相角度调整任务，使其满足θ₁＝θ₂要求。

工作原理过程：全电流经过采样电阻Rs后，进入精密AGC运放，经过放大后的信号，通过低通滤波器，滤波处理后，一路送精密过零比较器，一路送ADC触发采集单元等待采集，精密过零比较器工作检测到正向过零点时输出一个上升沿触发信号，一路给延时触发器，一路给MCU控制器来实现对输入信号的频率实时监测，为实现同步测量要求，延时触发器根据设定延时值，延时一定时间达到后，触发ADC采集单元电路工作，ADC采集单元电路配合MCU控制器对输入信号的离散采集，完成采样点个数后，通过傅里叶变换方法按上述算法实现对采样信号的分析处理，求出全电流和阻性电流，在测量的阻性电流不准的情况下，说明电路对采样初相角与真实全电流与阻性电流夹角的跟踪不够准确，此时通过调整采样初相角控制单元电路，即可实现对角度的追踪满足θ₁＝θ₂，实现阻性电流的准确测量工作。

Claims

1.一种基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：对氧化锌避雷器中电流进行离散采样；

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其中，f₀为工频基波，θ₀为参考初相角；

通过上述表达式分别求出基波的分量电流I和采样初相位θ₂、三次谐波的分量电流I₃和采样初相位θ₃、以及五次谐波的分量电流I₅和采样初相位θ₅；

步骤三：在不考虑三五次谐波的情况下，将采样后进行FFT正反变换得到的基波信号和真实通过氧化锌避雷器中的全电流相比较，θ₁为阻性电流i_R与全电流i夹角，在能够满足θ₁＝θ₂情况下，根据离散采样FFT变换后求得的θ₂即为θ₁，根据I_R＝Icos(θ₁)，即可求出基波下的阻性电流；

步骤四：利用步骤三所述的方法求出基波阻性电流，根据基波阻性电流分别求出三五次谐波下的阻性电流，总的阻性电流即为所述三五次谐波下的阻性电流向量和的平均值。

2.根据权利要求1所述的一种基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的方法，其特征在于，所述步骤一中的同步采样率设为0.99KHz～1.3KHz。

3.根据权利要求1所述的一种基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的方法，其特征在于，所述步骤一中的采样点数设为N＝8192，最小物理分辨率为0.12Hz。