CN105301402B - 一种交流信号采集及自动校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种交流信号采集及自动校准方法，首先利用CPLD接收交流采集模块硬件测频回路采集、整形产生的方波信号，CPLD对方波信号进行频率跟踪及计算，根据测得的频率值每个周期输出等间隔的N个脉冲信号至DSP，并将频率值传送给DSP，由DSP完成每个周波的N点交流信号采集；然后DSP以接收到CPLD的脉冲信号作为启动交流信号采集的基准，在T/N内完成对所有通道交流信号的采集，并在周期T内完成每个交流信号的N点采样；最后对采集的交流信号进行自动校准。本发明应用的这种方法具有采集容量大、遥测精度高、校准方法简单等特点，极大提高了产品的可扩展、易维护性。

Description

一种交流信号采集及自动校准方法
技术领域
本发明涉及电力系统配电自动化领域，具体涉及一种交流信号采集及自动校准方法。
背景技术
在电力系统配电自动化领域，需要配电终端对交流信号进行实时采集及监控。随着城区人口及住宅密度的不断提高，用电的集中度在提高，相对应的配电终端对交流信号的采集量在变大；同时，不同站点对遥测采集容量的要求也存在不一致性。这就要求配电终端能够任意配置遥测采集路数，并保证每个通道能够正确采集高精度原始数据。
目前大多数的配电终端，为满足精度及容量不同的需求，产品多是根据现场需求定制，出厂前确定终端设备的采集容量并完成校准。但这种方案存在一些弊端，比如扩展性不好，站点交流信号容量变动后，配电终端容量无法实时满足需求；即使容量可以更改，也需要在现场进行二次校准。同时，后期的交流采集模块必须与核心单元配套使用。交流信号采集板卡损坏时，维修也存在无法即插即用、必须重新校准等诸多问题。该方案对后期设备维护带来很大的不便。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种对交流采集模块进行独立设计，方便终端装置任意配置遥测容量；并对单个遥测采集模块进行通道独立校准，无需二次校准，实现即插即用的交流信号采集及自动校准方法。
为解决上述问题，本发明采取的技术方案为：一种交流信号采集及自动校准方法，包括如下步骤：
步骤一、频率跟踪及脉冲输出
CPLD接收交流采集模块硬件测频回路采集、整形产生的方波信号，CPLD对方波信号进行频率跟踪及计算，根据测得的频率值每个周期输出等间隔的N个脉冲信号至DSP，并将频率值传送给DSP，由DSP完成每个周波的N点交流信号采集；
步骤二、交流信号采集
DSP以接收到CPLD的脉冲信号作为启动交流信号采集的基准，在T/N内完成对所有通道交流信号的采集，并在周期T内完成每个交流信号的N点采样；
步骤三、对采集的交流信号进行自动校准
校准方法采用单相校准技术，包括幅值校准和相位校准，同时将校准参数保存在交流采集模块的参数芯片中。
单项校准是采用标准源的同一相交流信号对所有测量回路同时校准，该校准技术具有接线方便，基准一致性高等特点。
为同时兼顾谐波分析和采样精度的需要，CPLD根据测得的频率值每个周期输出等间隔的64个脉冲信号至DSP，由DSP完成每个周波的64点交流信号采集。
步骤二中DSP接收到CPLD的脉冲信号后，启动模拟开关切换和AD转换，完成AD一次转换后切换开关换至另一组。
等待AD转换结束标志EOC信号，采用六通道并行转换AD芯片，CPLD每个脉冲触发DSP启动一次模拟开关切换。模拟开关切换后，DSP启动AD芯片完成ADC转换。并读取ADC数据。然后DSP再自行顺序启动三次模拟开关转换，每次模拟开关切换后，DSP启动AD芯片转换，并读取ADC转换数据。最终完成一个CPLD脉冲周期内完成对所有测量回路的一次采样点遍历读取。
CPLD采用余数补偿技术，将频率值与64点相除的余数均分到采样间隔内，提高了数据采集精度。
交流采集模块通过SPI总线接口将经AD转换后的数字量传输至DSP。
交流采集模块与DSP通讯采用标准的SPI接口，即串行外设接口，DSP通过不同片选识别不同的交流采集模块。配置多个板卡时，系统同时启动所有板卡的转换，但仅响应基础板卡中断，然后从基础板卡开始逐一读取遥测数据。这样既减少系统中断资源，又可及时同步读取相同周期的所有交流采集量。交流采集模块可实现对交流采集量依次采集并转为数字量，通过SPI总线接口将数字量传输至DSP，可降低模拟信号传输引起的精度降低。
所述的幅值校准为：DSP将输入信号按周波进行FFT计算即快速傅氏变换，提取FFT后的基波向量模乘以参考电压的ADC量化数值后作为本次的校准数据，累加256次的校准数据进行均值化，将该均值化数据作为该通道的幅值校准参数；正常采集时将实际采集值FFT后，使用幅值校准参数对实际采集基波向量做向量模的等比例缩放，即得到准确的交流幅值。
所述的相位校准为：以第一通道的相位为基准相位，DSP按周波进行FFT计算后，将每个通道的基波向量分别与第一通道的基波向量相除，得到校准向量，分别累加256次向量实部、虚部后进行均值化，将该均值向量作为相位校准参数；正常采集时将实际采集值FFT后，使用相位校准参数对实际采集基波向量相位补偿校准即得到准确的交流相位。
系统在校准过程中将校准参数更新至自带的存储芯片中。每次上电正常采集交流信号时，系统都重新读取交流采集模块的自身校准参数至系统内部，对实际采集数据进行幅值校准和相位校准，得到准确的交流采集信号。单相校准可以有效避免因为不同通道元器件差异引起的采集信号固有的相位和幅值偏差。该方法还具有接线方便、无需二次校准等优点。
按照上述原理，设计几种常规配置容量的交流采集模块，如12通道、18通道等容量模块。在系统组装时，既可实现遥测采集容量任意配置，又可实现装置、板卡的互插操作，方便后期维护，实现即插即用。
本发明应用的这种方法具有采集容量大、遥测精度高、校准方法简单等特点，极大提高了产品的可扩展、易维护性。
附图说明
图1是CPLD测频及交流信号的采集流程图；
图2是自动校准流程图；
具体实施方式
如图1、图2所示，一种交流信号采集及自动校准方法，包括如下步骤：
步骤一、频率跟踪及脉冲输出
CPLD接收交流采集模块硬件测频回路采集、整形产生的方波信号，CPLD对方波信号进行频率跟踪及计算，根据测得的频率值每个周期输出等间隔的64个脉冲信号至DSP，并将频率值传送给DSP，由DSP完成每个周波的64点交流信号采集，同时CPLD采用余数补偿技术，将频率值与64点相除的余数均分到采样间隔内；
步骤二、交流信号采集
DSP以接收到CPLD的脉冲信号作为启动交流信号采集的基准，启动模拟开关切换和AD转换，完成AD一次转换后切换开关换至另一组，最后交流采集模块通过SPI总线接口将经AD转换后的数字量传输至DSP；在T/64内完成对所有通道交流信号的采集，并在周期T内完成每个交流信号的64点采样，将交流采集信号的采样点数据存入指定数据缓冲区内；
DSP判断采样数据缓存区一组数据当前是否正在进行写操作.如果没有写操作则再判定当前采集的数据是否为校准操作；当系统判定该组数据为校准操作后，系统将进入交流自动校准计算；当系统判定该组数据非校准操作后，系统将进入交流周波采样计算。
步骤三、对采集的交流信号进行自动校准
校准方法采用单相校准技术，包括幅值校准和相位校准，同时将校准参数保存在交流采集模块的参数芯片中；
所述的幅值校准为：DSP将输入信号按周波进行FFT计算即快速傅氏变换，提取FFT后的基波向量模乘以参考电压的ADC量化数值后作为本次的校准数据，累加256次的校准数据进行均值化，将该均值化数据作为该通道的幅值校准参数；正常采集时将实际采集值FFT后，使用幅值校准参数对实际采集基波向量做向量模的等比例缩放，即得到准确的交流幅值；
以第一通道的相位为基准相位，DSP按周波进行FFT计算后，将每个通道的基波向量分别与第一通道的基波向量相除，得到校准向量，分别累加256次向量实部、虚部后进行均值化，将该均值向量作为相位校准参数；正常采集时将实际采集值FFT后，使用相位校准参数对实际采集基波向量相位补偿校准即得到准确的交流相位。
交流信号的一个周波采样计算
DSP判断采样数据缓存区一组数据当前是否正在进行写操作。如果没有写操作则再判定当前采集的数据是否为校准操作。当系统判定该组数据非校准操作后，系统将进入正常采集计算流程。
系统首先读取该组全部的所有采样数据，按照通道序号先后，对通道的本周波数据开始进行计算。系统对一个通道的64点数据进行FFT变换。将每个点的实部、虚部分别存储至一个连续的缓存数组中。FFT转换结束后，系统会调取该通道的校准系数进行逐点幅值和相角补偿校正。
幅值补偿校正
其中幅值校准系数为实数。将每个点的实部、虚部分别乘以幅值校准系数后更新到原数据缓存区。
相角补偿校正
相角校准系数为复数。将每个点FFT变换后的复数与相角校准系数复数按照向量相除,偏移相应的相角。得到校准后相角。
按上述两步校准算法，将补偿校准后的修正复数放在处理后的缓存区中。依次遍历得到所有通道修正后的数据。其他算法将从此缓存区读取修正后的数据，做后续故障判断、数据显示等算法。

Claims (7)

1.一种交流信号采集及自动校准方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一、频率跟踪及脉冲输出
CPLD接收交流采集模块硬件测频回路采集并整形产生的方波信号，CPLD对方波信号进行频率跟踪及计算，根据测得的频率值每个周期输出等间隔的N个脉冲信号至DSP，并将频率值传送给DSP，由DSP完成每个周波的N点交流信号采集；
步骤二、交流信号采集
DSP以接收到CPLD的脉冲信号作为启动交流信号采集的基准，在T/N内完成对所有通道交流信号的采集，并在周期T内完成每个交流信号的N点采样；
步骤三、对采集的交流信号进行自动校准
校准方法采用单相校准技术，包括幅值校准和相位校准，同时将校准参数保存在交流采集模块的参数芯片中。
2.根据权利要求1所述的交流信号采集及自动校准方法，其特征在于：CPLD根据测得的频率值每个周期输出等间隔的64个脉冲信号至DSP，由DSP完成每个周波的64点交流信号采集。
3.根据权利要求1所述的交流信号采集及自动校准方法，其特征在于：步骤二中DSP接收到CPLD的脉冲信号后，启动模拟开关切换和AD转换，完成AD一次转换后切换开关换至另一组。
4.根据权利要求2或3所述的交流信号采集及自动校准方法，其特征在于：CPLD采用余数补偿技术，将频率值与64相除的余数均分到采样间隔内。
5.根据权利要求3所述的交流信号采集及自动校准方法，其特征在于：交流采集模块通过SPI总线接口将经AD转换后的数字量传输至DSP。
6.根据权利要求3所述的交流信号采集及自动校准方法，其特征在于：所述的幅值校准为：DSP将输入信号按周波进行FFT计算即快速傅氏变换，提取FFT后的基波向量模乘以参考电压的ADC量化数值后作为本次的校准数据，累加256次的校准数据进行均值化，将均值化数据作为该通道的幅值校准参数；正常采集时将实际采集值FFT后，使用幅值校准参数对实际采集基波向量做向量模的等比例缩放，即得到准确的交流幅值。
7.根据权利要求3所述的交流信号采集及自动校准方法，其特征在于：所述的相位校准为：以交流采集模块的第一通道的相位为基准相位，DSP按周波进行FFT计算后，将每个通道的基波向量分别与交流采集模块的第一通道的基波向量相除，得到校准向量，分别累加256次向量实部、虚部后进行均值化，均值化后的校准向量作为相位校准参数；正常采集时将实际采集值FFT后，使用相位校准参数对实际采集基波向量相位补偿校准即得到准确的交流相位。
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