CN107515324B - 一种对录制的非周期动态电流波形进行回放的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种对录制的非周期动态电流波形进行回放的系统和方法，所述系统包括：2个宽频电流互感器，其用于将大电流信号转化成可测量的电压信号；3个可调增益电路，其用于对输入的信号进行信号调理；AD采集卡，其用于采集系统中的数字信号并发送至上位机；DA输出卡，其用于在系统中输出电流的模拟信号；宽频功放模块，其用于将可调增益电路输出的波形信号进行功率放大，使之具备驱动宽频升流器的能力；宽频升流器，其用于将宽频功放模块输出的带驱动能力的电流波形升流；上位机，其用于接收AD采集卡输出的录制波形和反馈波形，并执行系统中的控制程序，通过执行PID算法，使反馈波形和录制波形的整体输出误差小于预设值。
Description
技术领域
本发明涉及电力测量领域，并且更具体地，涉及一种对录制的非周期动态电流波形进行回放的系统和方法。
背景技术
大量负荷电流具有较高的非周期、非正弦特征，如大型锻钢厂负荷电流，大型电铁牵引站负荷电流等。在锻钢厂主要负荷不运行时，整体负载电流还具有一定的谐波特性，而在厂区日常工作时，负荷电流波形呈现的冲击性，不具有规律性，波形频率和幅值具有较大的变化。电流波形不仅含有谐波及动态信号，还含有幅值变化幅度大、变化过程快的具有冲击特性的冲击型信号，针对该种信号，常规的用快速傅立叶变换(Fast FourierTransform，FFT)谐波分析都已不再准确。电流含有大量谐波，电流为非平稳、非正弦、非周期(局部)信号，此类动态负荷可统一称为非周期动态负荷，受传统电流、电压传感器的传变和衰减特性的限制，录制的波形并不能真实反映高压侧电流电压信号，实际上一次高压实际负荷电流体现的非周期性、冲击性会更加严重。
在研究电网电能质量典型扰动源负荷时，需要分析冲击负荷、动态波动负荷、非线性(谐波源)负荷所引起的测量电气量(电压、电流信号)的变化特征，目前所采用的手段单一，均为使用互感器(分流器)将波形采集并录制后进行实验室分析，如果能够在实验室将现场采集录制的波形回放出来，对研究这种动态高压大电流负荷有十分重要的意义，而关于将现场电流波形回放的装置目前没有，也没有相关文献或专利提及过这种电流波形的回放方法。
发明内容
为了解决背景技术存在的无法将现场电流进行回放的技术问题，本发明提供一种对录制的非周期动态电流波形进行回放的系统，所述系统包括：
第一宽频电流互感器，其用于将现场负荷的大电流信号转化成可测量的电压信号；
第一可调增益电路，其用于对第一宽频电流互感器输出的电压信号进行阻抗匹配与增益误差的匹配，使之能适应AD采集卡的输入端，所述匹配包括电压变化范围的调整和单端/差分输出方式的匹配；
AD采集卡，其用于采集系统中的数字信号并发送至上位机，所述数字信号包括第一可调增益电路输出的录制波形和第三可调增益电路输出的反馈波形；
DA输出卡，其用于在系统中输出电流的模拟信号；
电流模拟信号处理单元，其用于将DA输出卡输出的电流模拟信号进行信号调理，并转化为与AD采集卡匹配的电压信号后输出至AD采集卡；
AD采集卡，其用于采集系统中的数字信号，所述数字信号包括第一可调增益电路输出的录制波形和电流模拟信号处理单元输出的反馈波形；
上位机，其用于接收AD采集卡输出的录制波形和反馈波形，并执行系统中的控制程序，通过执行PID算法，使反馈波形和录制波形的整体输出误差小于预设值。
优选地，所述电流模拟信号处理单元包括：
第二可调增益电路，其用于将DA输出卡输出的电流模拟信号进行信号调理，设置适当增益后输出至宽频功放模块；
宽频功放模块，其用于将第二可调增益电路输出的波形信号进行功率放大，使之具备驱动宽频升流器的能力；
宽频升流器，其用于将宽频功放模块输出的带驱动能力的电流波形升流；
第二宽频电流互感器，其用于降低宽频升流器输出的电流；
第三可调增益电路，其用于将第二宽频电流互感器输出的电流波形转化成电压波形信号，并进行适配后输出至AD采集卡。
优选地，所述系统还包括时钟发生器，其用于提供系统工作的时钟，为AD采集卡与DA输出卡提供时钟源，使AD采集卡和DA输出卡的工作频率一致。
优选地，所述DA输出卡根据时钟发生器提供的时基输出一定采样率的波形，构成任意波形发生器。
优选地，上位机通过执行PID算法，使反馈波形和录制波形的整体输出误差小于1％。
优选地，宽频功放模块的功率放大电源的增益线性度优于0.1％，并具有响应低压输入模拟信号的频带宽度和提升功率放大电源的输出效率的无功补偿装置。
优选地，所述系统回放的电流的范围为0至2500A。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种对录制的非周期动态电流波形进行回放的方法，所述方法包括：
采用宽频电流互感器将实验现场的大电流信号转化为电压信号并经第一可调增益电路进行信号调理后转换为模拟信号输出至AD采集卡；
第二可调增益电路对DA输出卡输出的任意电流波形进行信号调理；
宽频功放模块对调理后的电流波形进行功率放大后输出至宽频升流器，宽频升流器将带驱动能力的电流波形升流；
降低升流后输出的电流并将其转化为电压信号输出至AD采集卡；
上位机对AD采集卡发送的波形信号进行误差计算，当误差小于预设值时，存储波形数据。
优选地，所述方法采用时钟发生器提供系统工作的时钟，使AD采集卡和DA输出卡的工作频率一致。
优选地，所述DA输出卡根据时钟发生器提供的时基输出一定采样率的波形。
优选地，上位机通过执行PID算法，使反馈波形和录制波形的整体输出误差小于1％。
优选地，宽频功放模块的功率放大电源的增益线性度优于0.1％，并具有响应低压输入模拟信号的频带宽度和提升功率放大电源的输出效率的无功补偿装置。
优选地，所述方法回放的电流的范围为0到2500A。
本发明所提供的技术方案与现有技术相比，本发明的技术方案结合AD采集技术，DA输出技术，功率驱动技术，宽频电流传感技术等PID控制技术，实现非周期动态高压大电流波形的回放。受限于各类电流传感器和功放器件的非线性传递特性，本发明对所构建的系统抽象了整体的传递函数，并根据整体传递函数的特性调节PID参数，从而达到能准确回放非周期动态高压大电流的目的。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1是本发明具体实施方式的对录制的非周期动态电流波形进行回放的系统的典型构成图；
图2是本发明具体实施方式的对录制的非周期动态电流波形进行回放的系统的结构图；
图3是本发明具体实施方式的对录制的非周期动态电流波形进行回放的方法的流程图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1是本发明具体实施方式的对录制的非周期动态电流波形进行回放的系统的典型构成图。如图1所示，实验室内非周期动态负荷的回放需要先完成现场录制波形的DA转换，形成后级电路所需的模拟信号。由于录制的动态模型中会存在较高频率的信号，因此DA转换模块需要较高的转换速率和分辨率，DA转换后的模拟信号由后级功率放大电源进行功率放大，并具有能够响应低压输入模拟信号的频带宽度。为能够获得实验现场的一次大电流信号，功率放大电源输出需要配合相应的升流装置。在高频分量较高时，功率放大电源需为实验负荷提供大量无功功率，故方案中还包含必要的无功补偿装置，提升功率放大电源的输出效率。波形回放装置的输出端配置宽频电流互感器，对输出电流进行检测，并与DA转换模块预置波形进行比较，对功率放大电源的输入模拟信号进行相应的调整，以保证输出信号满足预置波形的回放要求。
图2是本发明具体实施方式的对录制的非周期动态电流波形进行回放的系统的结构图。如图2所示，对录制的非周期动态电流波形进行回放的系统包括7个组成部分。
第一宽频电流互感器201，其用于将现场负荷的大电流信号转化成可测量的电压信号；
第一可调增益电路202，其用于对第一宽频电流互感器201输出的电压信号进行阻抗匹配与增益误差的匹配，使之能适应AD采集卡203的输入端，所述匹配包括电压变化范围的调整和单端/差分输出方式的匹配；
DA输出卡203，其用于在系统中输出电流的模拟信号；
电流模拟信号处理单元204，其用于将DA输出卡输出的电流模拟信号进行信号调理，并转化为与AD采集卡205匹配的电压信号后输出至AD采集卡205；
AD采集卡205，其用于采集系统中的数字信号，所述数字信号包括第一可调增益电路202输出的录制波形和电流模拟信号处理单元204输出的反馈波形；
上位机206，其用于接收AD采集卡输出的录制波形和反馈波形，并执行系统中的控制程序，通过执行PID算法，使反馈波形和录制波形的整体输出误差小于预设值。
优选地，所述系统还包括时钟发生器207，其用于提供系统工作的时钟，为AD采集卡205与DA输出卡203提供时钟源，使AD采集卡205和DA输出卡203的工作频率一致。
优选地，所述电流模拟信号处理单元204包括：
第二可调增益电路241，其用于将DA输出卡203输出的电流模拟信号进行信号调理，设置适当增益后输出至宽频功放模块242；
宽频功放模块242，其用于将第二可调增益电路241输出的波形信号进行功率放大，使之具备驱动宽频升流器243的能力；
宽频升流器243，其用于将宽频功放模块242输出的带驱动能力的电流波形升流；
第二宽频电流互感器244，其用于降低宽频升流器243输出的电流，本实施例中，是将宽频升流器243输出的电流降低为0至5A的电流；
第三可调增益电路245，其用于将第二宽频电流互感器244输出的电流波形转化成电压波形信号，并进行适配后输出至AD采集卡205。
优选地，所述DA输出卡203根据时钟发生器提供的时基输出一定采样率的波形，构成任意波形发生器。
优选地，上位机206通过执行PID算法，使反馈波形和录制波形的整体输出误差小于1％。
优选地，宽频功放模块242的功率放大电源的增益线性度优于0.1％，并具有响应低压输入模拟信号的频带宽度和提升功率放大电源的输出效率的无功补偿装置。
优选地，所述系统回放的电流的范围为0至2500A。
图3是本发明具体实施方式的对录制的非周期动态电流波形进行回放的方法的流程图。如图3所示，本发明所述对录制的非周期动态电流波形进行回放的方法300从步骤301开始。
在步骤301，采用宽频电流互感器将实验现场的电流信号转化为电压信号并经第一可调增益电路进行信号调理后转换为模拟信号输出至AD采集卡；
在步骤302，第二可调增益电路对DA输出卡输出的任意电流波形进行信号调理；
在步骤303，宽频功放模块对调理后的电流波形进行功率放大后输出至宽频升流器，宽频升流器将带驱动能力的电流波形升流；
在步骤304，降低升流后输出的电流并将其转化为电压信号输出至AD采集卡；
在步骤305，上位机对AD采集卡发送的波形信号进行误差计算，当误差小于预设值时，存储波形数据。
优选地，所述方法采用时钟发生器提供系统工作的时钟，使AD采集卡和DA输出卡的工作频率一致。
优选地，所述DA输出卡根据时钟发生器提供的时基输出一定采样率的波形。
优选地，上位机通过执行PID算法，使反馈波形和录制波形的整体输出误差小于1％。
优选地，宽频功放模块的功率放大电源的增益线性度优于0.1％，并具有响应低压输入模拟信号的频带宽度和提升功率放大电源的输出效率的无功补偿装置。
优选地，所述方法回放的电流的范围为0到2500A。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该【装置、组件等】”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (13)
1.一种对录制的非周期动态电流波形进行回放的系统，所述系统包括：
第一宽频电流互感器，其用于将现场负荷的电流信号转化成可测量的电压信号；
第一可调增益电路，其用于对第一宽频电流互感器输出的电压信号进行匹配，使之能适应AD采集卡的输入端，其中，所述适应AD采集卡的输入端的电压信号为录制波形信号；
DA输出卡，其用于在系统中输出电流的模拟信号，其中，所述模拟信号是将AD采集卡接收的第一可调增益电路的录制波形信号，传输至上位机，由上位机将所述录制波形信号进行处理并输出至DA输出卡，由DA输出卡进行转换后的电流模拟信号；
电流模拟信号处理单元，其用于将DA输出卡输出的电流模拟信号进行信号调理，并转化为与AD采集卡匹配的电压信号后输出至AD采集卡；
AD采集卡，其用于采集系统中的数字信号，所述数字信号包括第一可调增益电路输出的录制波形信号和电流模拟信号处理单元输出的录制波形信号的反馈波形信号；
上位机，其用于接收AD采集卡输出的录制波形信号和反馈波形信号，并执行系统中的控制程序，通过执行PID算法，使反馈波形信号和录制波形信号的整体输出误差小于预设值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电流模拟信号处理单元包括：
第二可调增益电路，其用于将DA输出卡输出的电流模拟信号进行信号调理，设置适当增益后输出至宽频功放模块；
宽频功放模块，其用于将第二可调增益电路输出的波形信号进行功率放大，使之具备驱动宽频升流器的能力；
宽频升流器，其用于将宽频功放模块输出的带驱动能力的电流波形升流；
无功补偿装置，其用于接收宽频升流器的升流，并进行系统无功功率的补偿；
第二宽频电流互感器，其用于降低无功补偿装置输出的电流；
第三可调增益电路，其用于将第二宽频电流互感器输出的电流转化成电压信号，并进行适配后输出至AD采集卡。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
时钟发生器，其用于提供系统工作的时钟，为AD采集卡与DA输出卡提供时钟源，使AD采集卡和DA输出卡的工作频率一致。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述DA输出卡根据时钟发生器提供的时基输出一定采样率的波形，构成任意波形发生器。
5.根据权利要求1至3中任意一个所述的系统，其特征在于，上位机通过执行PID算法，使反馈波形和录制波形的整体输出误差小于1％。
6.根据权利要求1至3中任意一个所述的系统，其特征在于，宽频功放模块的功率放大电源的增益线性度优于0.1％，并具有响应低压输入模拟信号的频带宽度和提升功率放大电源的输出效率的无功补偿装置。
7.根据权利要求1至3中任意一个所述的系统，其特征在于，所述系统回放的现场负荷的电流信号的范围为0至2500A。
8.一种对录制的非周期动态电流波形进行回放的方法，所述方法包括：
采用第一宽频电流互感器将实验现场的大电流信号转化为电压信号并经第一可调增益电路进行信号调理后的录制波形信号输出至AD采集卡；
AD采集卡将接收的录制波形信号传输至上位机，由上位机进行处理并传输至DA输出卡，由DA卡转换为电流模拟信号；
第二可调增益电路对DA输出卡输出的所述电流模拟信号进行信号调理；
宽频功放模块对调理后的电流波形进行功率放大后输出至宽频升流器，宽频升流器将带驱动能力的电流波形升流；
无功补偿装置接收宽频升流器输出的电流，并对系统进行无功功率补偿后，输出电流至第二宽频电流互感器；
第二宽频电流互感器降低无功补偿装置输出的电流，并通过第三可调增益电路将其转化为电压信号后输出至AD采集卡；
上位机对AD采集卡发送的录制波形信号和录制波信号的反馈波形信号进行误差计算，当误差小于预设值时，存储波形数据。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法采用时钟发生器提供系统工作的时钟，使AD采集卡和DA输出卡的工作频率一致。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述DA输出卡根据时钟发生器提供的时基输出一定采样率的波形。
11.根据权利要求8或者9所述的方法，其特征在于，上位机通过执行PID算法，使反馈波形和录制波形的整体输出误差小于1％。
12.根据权利要求8或者9所述的方法，其特征在于，宽频功放模块的功率放大电源的增益线性度优于0.1％，并具有响应低压输入模拟信号的频带宽度和提升功率放大电源的输出效率的无功补偿装置。
13.根据权利要求8或者9所述的方法，其特征在于，所述方法回放的现场负荷的电流信号的范围为0到2500A。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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