CN105572554A - 无线传感网在线绝缘检测频率自适应测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线同步测量系统，具体是一种无线传感网在线绝缘检测频率自适应测量方法。本发明解决了现有无线同步测量系统在电网频率不断波动的情况下因采样点数非整周期的截断而造成频谱泄漏的问题。无线传感网在线绝缘检测频率自适应测量方法，该方法是采用如下步骤实现的：1）站点硬件及系统结构的设计：2）站点间的采样时钟同步：3）电网频率的跟踪和站点采样频率的调整：3.1）电网频率的跟踪；3.2）站点采样频率的调整：各个站点在获得最新电网频率后，根据采样点数和最新电网频率实时调整站点采样频率，使得站点设定的256个采样点数仍然能完整覆盖一个整周期；3.3）采样的启动。本发明适用于电力设备的绝缘性能测量。
Description
技术领域
本发明涉及无线同步测量系统，具体是一种无线传感网在线绝缘检测频率自适应测量方法。
背景技术
无线同步测量系统（WSN）广泛应用于电力设备的绝缘性能测量中，其常用的介质损耗测量方法原理如下：通过各个站点分别测量电力设备的漏电流（流过绝缘层的电流）和母线电压，然后通过计算漏电流和母线电压之间的相位差来计算出介质损耗角δ（介质损耗角δ的计算公式为：δ=π/2-（φi-φv），其中φi为漏电流的相位角，φv为母线电压的相位角），由此评估电力设备的绝缘性能。
目前，漏电流和母线电压之间的相位差计算通常采用傅里叶算法：先对各个站点测量得到的采样值进行频谱分析，并提取基波分量，再计算基波的相位差，并以此为基础来计算介质损耗角δ。但在实际工作中，无线同步测量系统通常面临如下问题：由于电网频率在不断波动（电力系统允许电网频率有一定的波动），加之各个站点的采样频率保持不变，导致各个站点在被测信号（漏电流和母线电压）出现频率波动时的整周期内的采样点数会出现小数。这种情况下，当使用离散傅立叶变换（DFT）计算被测信号的相位角时，由于采样点数非整周期的截断将造成频谱泄漏，导致相位角的计算产生截断误差，从而导致无线同步测量系统的测量精度降低。为此有必要针对无线同步测量系统发明一种全新的测量方法，以解决现有无线同步测量系统在电网频率不断波动的情况下因采样点数非整周期的截断而造成频谱泄漏的问题。
发明内容
本发明为了解决现有无线同步测量系统在电网频率不断波动的情况下因采样点数非整周期的截断而造成频谱泄漏的问题，提供了一种无线传感网在线绝缘检测频率自适应测量方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：无线传感网在线绝缘检测频率自适应测量方法，该方法是采用如下步骤实现的：
1）站点硬件及系统结构的设计：
无线同步测量系统采用1个主站和多个子站的结构；其中，主站的硬件资源包括SOPC芯片、以太网、GPS接口、nRF905模块，所述SOPC芯片内部集成有ARM处理器硬核和FPGA芯片；子站的硬件资源包括FPGA芯片、nRF905模块；各个站点间的通信采用无线方式实现；
2）站点间的采样时钟同步：
各个站点间通过nRF905模块，并采用无线同步方式实现采样时钟同步；同时，主站定时向各个子站发送采样帧同步命令，使得主站和各个子站之间的采样时钟误差不因为时间持续而累加；
3）电网频率的跟踪和站点采样频率的调整：
3.1）电网频率的跟踪：
最新电网频率由主站获取，获取途径包括三种：a.根据来自数字化变电站系统的IEC61850SMV报文中的实时采样值计算频率值；b.如果数字化变电站系统的过程层已经测量或计算出电网频率，则主站通过以太网直接接收频率值；c.对于非数字化变电站系统，主站直接采样并计算频率值；
主站获得最新电网频率后，通过无线方式将频率值传递给各个子站；
3.2）站点采样频率的调整：
为适应频谱解析常使用的快速傅立叶变换对采样点数基2的要求，各个站点将其在被测信号的整周期内的采样点数设为固定值256；如果电网频率波动，则各个站点在获得最新电网频率后，根据采样点数和最新电网频率实时调整站点采样频率，使得站点设定的256个采样点数仍然能完整覆盖一个整周期，而不会发生非整周期的截断，具体调整公式如下：
（1）；
式（1）中：Ts为各个站点的最新采样周期，单位为纳秒；N为各个站点在被测信号的整周期内的采样点数，其值为256；f为最新电网频率；fs为各个站点的最新采样频率；
3.3）采样的启动：
各个站点均采用100MHz晶振；
各个站点在其FPGA芯片中设计三组时钟信号：10ns时钟信号、100ns时钟信号、1μs时钟信号；其中，10ns时钟信号由100MHz晶振直接产生，100ns时钟信号、1μs时钟信号均由100MHz晶振分频产生；
各个站点在其FPGA芯片中设计三个计数器：一个4位10ns计数器、一个4位100ns计数器、一个7位1μs计数器；
将10ns时钟信号连接到4位10ns计数器的计数输入端；将100ns时钟信号连接到4位100ns计数器的计数输入端；将1μs时钟信号连接到7位1μs计数器的计数输入端；
将7位1μs计数器的使能端固定设置为逻辑1；将7位1μs计数器的溢出信号连接到4位100ns计数器的使能端；将4位100ns计数器的溢出信号连接到4位10ns计数器的使能端；将4位10ns计数器的溢出信号通过脉冲宽度保持电路作为ADC采样时钟；
将各个站点的最新采样周期Ts分解为m个1μs、n个100ns、p个10ns；具体分解公式如下：
（2）；
对7位1μs计数器赋初值x，对4位100ns计数器赋初值y，对4位10ns计数器赋初值z；具体赋值公式如下：
（3）；
首先采用7位1μs计数器计数；7位1μs计数器计数满m个后，产生溢出信号并使能4位100ns计数器；4位100ns计数器计数满n个后，产生溢出信号并使能4位10ns计数器；4位10ns计数器计数满p个后，产生的溢出信号通过脉冲宽度保持电路作为最终的ADC采样时钟。
本发明所述的无线传感网在线绝缘检测频率自适应测量方法通过跟踪电网频率的变化，使得各个站点的采样频率可以根据电网频率的变化作出自适应调整，由此使得各个站点在被测信号的整周期内的采样点数始终为整数值（固定值），从而彻底避免了无线同步测量系统在电网频率不断波动的情况下因采样点数非整周期的截断而造成频谱泄漏的问题，最终实现了通过无线同步测量系统对电力设备的绝缘性能进行高精度在线测量。
本发明有效解决了现有无线同步测量系统在电网频率不断波动的情况下因采样点数非整周期的截断而造成频谱泄漏的问题，适用于电力设备的绝缘性能测量。
附图说明
图1是本发明中的无线同步测量系统的结构示意图。
图2是本发明中的主站的结构示意图。
图3是本发明的步骤3.3）的实现示意图。
图4是本发明的步骤3.3）的时序示意图。
具体实施方式
无线传感网在线绝缘检测频率自适应测量方法，该方法是采用如下步骤实现的：
1）站点硬件及系统结构的设计：
无线同步测量系统采用1个主站和多个子站的结构；其中，主站的硬件资源包括SOPC芯片、以太网、GPS接口、nRF905模块，所述SOPC芯片内部集成有ARM处理器硬核和FPGA芯片；子站的硬件资源包括FPGA芯片、nRF905模块；各个站点间的通信采用无线方式实现；
2）站点间的采样时钟同步：
各个站点间通过nRF905模块，并采用无线同步方式实现采样时钟同步；同时，主站定时向各个子站发送采样帧同步命令，使得主站和各个子站之间的采样时钟误差不因为时间持续而累加；
3）电网频率的跟踪和站点采样频率的调整：
3.1）电网频率的跟踪：
最新电网频率由主站获取，获取途径包括三种：a.根据来自数字化变电站系统的IEC61850SMV报文中的实时采样值计算频率值；b.如果数字化变电站系统的过程层已经测量或计算出电网频率，则主站通过以太网直接接收频率值；c.对于非数字化变电站系统，主站直接采样并计算频率值；
主站获得最新电网频率后，通过无线方式将频率值传递给各个子站；
3.2）站点采样频率的调整：
为适应频谱解析常使用的快速傅立叶变换对采样点数基2的要求，各个站点将其在被测信号的整周期内的采样点数设为固定值256；如果电网频率波动，则各个站点在获得最新电网频率后，根据采样点数和最新电网频率实时调整站点采样频率，使得站点设定的256个采样点数仍然能完整覆盖一个整周期，而不会发生非整周期的截断，具体调整公式如下：
（1）；
式（1）中：Ts为各个站点的最新采样周期，单位为纳秒；N为各个站点在被测信号的整周期内的采样点数，其值为256；f为最新电网频率；fs为各个站点的最新采样频率；
3.3）采样的启动：
各个站点均采用100MHz晶振；
各个站点在其FPGA芯片中设计三组时钟信号：10ns时钟信号、100ns时钟信号、1μs时钟信号；其中，10ns时钟信号由100MHz晶振直接产生，100ns时钟信号、1μs时钟信号均由100MHz晶振分频产生；
各个站点在其FPGA芯片中设计三个计数器：一个4位10ns计数器、一个4位100ns计数器、一个7位1μs计数器；
将10ns时钟信号连接到4位10ns计数器的计数输入端；将100ns时钟信号连接到4位100ns计数器的计数输入端；将1μs时钟信号连接到7位1μs计数器的计数输入端；
将7位1μs计数器的使能端固定设置为逻辑1；将7位1μs计数器的溢出信号连接到4位100ns计数器的使能端；将4位100ns计数器的溢出信号连接到4位10ns计数器的使能端；将4位10ns计数器的溢出信号通过脉冲宽度保持电路作为ADC采样时钟；
将各个站点的最新采样周期Ts分解为m个1μs、n个100ns、p个10ns；具体分解公式如下：
（2）；
对7位1μs计数器赋初值x，对4位100ns计数器赋初值y，对4位10ns计数器赋初值z；具体赋值公式如下：
（3）；
首先采用7位1μs计数器计数；7位1μs计数器计数满m个后，产生溢出信号并使能4位100ns计数器；4位100ns计数器计数满n个后，产生溢出信号并使能4位10ns计数器；4位10ns计数器计数满p个后，产生的溢出信号通过脉冲宽度保持电路作为最终的ADC采样时钟。
具体实施时，4位10ns计数器的溢出信号和同步帧CD信号采用“或（or）”逻辑组合后，连接到4位10ns计数器、4位100ns计数器、7位1μs计数器的清零端（CLR）；同步帧CD信号连接到时钟分频器的清零端（CLR）；
4位10ns计数器计数满p个后，产生的溢出信号通过清零端（CLR）对4位10ns计数器、4位100ns计数器、7位1μs计数器同时清零；由于计数被清零，7位1μs计数器的溢出信号除能4位100ns计数器，4位100ns计数器的溢出信号除能4位10ns计数器；此时，重新对7位1μs计数器赋初值x，重新对4位100ns计数器赋初值y，重新对4位10ns计数器赋初值z，即可开始下一次计数周期；
根据式（1）-（2）可知：当电网频率f为50.5Hz时，各个站点的最新采样周期为77.351μs，则m=77、n=3、p=5，精度达到10ns。
Claims (1)
1.一种无线传感网在线绝缘检测频率自适应测量方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：
1）站点硬件及系统结构的设计：
无线同步测量系统采用1个主站和多个子站的结构；其中，主站的硬件资源包括SOPC芯片、以太网、GPS接口、nRF905模块，所述SOPC芯片内部集成有ARM处理器硬核和FPGA芯片；子站的硬件资源包括FPGA芯片、nRF905模块；各个站点间的通信采用无线方式实现；
2）站点间的采样时钟同步：
各个站点间通过nRF905模块，并采用无线同步方式实现采样时钟同步；同时，主站定时向各个子站发送采样帧同步命令，使得主站和各个子站之间的采样时钟误差不因为时间持续而累加；
3）电网频率的跟踪和站点采样频率的调整：
3.1）电网频率的跟踪：
最新电网频率由主站获取，获取途径包括三种：a.根据来自数字化变电站系统的IEC61850SMV报文中的实时采样值计算频率值；b.如果数字化变电站系统的过程层已经测量或计算出电网频率，则主站通过以太网直接接收频率值；c.对于非数字化变电站系统，主站直接采样并计算频率值；
主站获得最新电网频率后，通过无线方式将频率值传递给各个子站；
3.2）站点采样频率的调整：
为适应频谱解析常使用的快速傅立叶变换对采样点数基2的要求，各个站点将其在被测信号的整周期内的采样点数设为固定值256；如果电网频率波动，则各个站点在获得最新电网频率后，根据采样点数和最新电网频率实时调整站点采样频率，使得站点设定的256个采样点数仍然能完整覆盖一个整周期，而不会发生非整周期的截断，具体调整公式如下：
（1）；
式（1）中：Ts为各个站点的最新采样周期，单位为纳秒；N为各个站点在被测信号的整周期内的采样点数，其值为256；f为最新电网频率；fs为各个站点的最新采样频率；
3.3）采样的启动：
各个站点均采用100MHz晶振；
各个站点在其FPGA芯片中设计三组时钟信号：10ns时钟信号、100ns时钟信号、1μs时钟信号；其中，10ns时钟信号由100MHz晶振直接产生，100ns时钟信号、1μs时钟信号均由100MHz晶振分频产生；
各个站点在其FPGA芯片中设计三个计数器：一个4位10ns计数器、一个4位100ns计数器、一个7位1μs计数器；
将10ns时钟信号连接到4位10ns计数器的计数输入端；将100ns时钟信号连接到4位100ns计数器的计数输入端；将1μs时钟信号连接到7位1μs计数器的计数输入端；
将7位1μs计数器的使能端固定设置为逻辑1；将7位1μs计数器的溢出信号连接到4位100ns计数器的使能端；将4位100ns计数器的溢出信号连接到4位10ns计数器的使能端；将4位10ns计数器的溢出信号通过脉冲宽度保持电路作为ADC采样时钟；
将各个站点的最新采样周期Ts分解为m个1μs、n个100ns、p个10ns；具体分解公式如下：
（2）；
对7位1μs计数器赋初值x，对4位100ns计数器赋初值y，对4位10ns计数器赋初值z；具体赋值公式如下：
（3）；
首先采用7位1μs计数器计数；7位1μs计数器计数满m个后，产生溢出信号并使能4位100ns计数器；4位100ns计数器计数满n个后，产生溢出信号并使能4位10ns计数器；4位10ns计数器计数满p个后，产生的溢出信号通过脉冲宽度保持电路作为最终的ADC采样时钟。
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