CN107765074A - 牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法及检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法，包括以下步骤：采集牵引变流器的输出电流信号；对输出电流信号进行放大滤波处理；对前述输出的信号进行模数转换处理以获取数字信号；设置数字带通滤波器的中心频率、通带以及截止频率，利用数字带通滤波器对数字信号进行处理；利用滑动窗计算器对数字带通滤波器的输出信号进行取有效值处理，进而获取牵引变流器的信号强度值。本发明中的牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法对信号进行了纯时域信号处理，处理过程更加简单。在滤波处理过程中数字带通滤波器的特性基本不受环境因素影响，此外利用滑动窗计算器处理数据，可以实时跟踪输入信号的变化，解决了对突变信号无法很好响应的缺陷。

Description

牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法及检测系统
技术领域
本发明涉及轨道电路技术领域，特别涉及一种牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法，还涉及牵引变流器谐波电流信号强度的检测系统。
背景技术
牵引变流器广泛应用在轨道车辆上，牵引变流器的功能是转换直流制和交流制间的电能量，并对各种牵引电动机起控制和调节作用，从而控制车辆的运行，如此对牵引变流器谐波电流信号强度的检测直接影响车辆的正常运行。现有技术中多采用时频域信号处理技术实现对牵引变流器谐波电流信号强度的检测，主要使用的检测方法包括基于模拟带通或带阻滤波器的检测方法、基于傅立叶变换的检测方法、基于瞬时无功功率的检测方法、基于小波分析的检测方法、基于神经网络的检测方法。
1、基于模拟带通或带阻滤波器的测量方法通过输入信号经放大后送入一组并行联接的模拟带通滤波器，各模拟带通滤波器的中心频率f1、f2、...、fn是固定的，为工频的整数倍，且f1<f2<...<fn(其中n是谐波的最高次数)，然后送至多路显示器显示被测量中所含谐波成分及其幅值。采用模拟滤波器谐波测量的优点是电路结构简单、造价低。但该方法也有许多缺点，如模拟滤波器的中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相频特性，当输入信号频率发生波动时，不仅影响检测精度，而且检测出的谐波电流中含有较多的基波分量。
2、基于傅立叶变换的谐波检测方法是当今应用最多也是最广泛的一种方法，它由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成，使用此方法测量谐波，精度较高，功能较多，使用方便。其缺点是需要一定时间的输入值，且需进行2次变换，计算量大，计算时间长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。而且在采样过程中，当输入信号频率和采样频率不一致时，使用该方法会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参数(即频率、幅值和相位)不准确，尤其是相位的误差很大，无法满足测量精度的要求。
3、基于瞬时无功功率的检测方法一般不需要分解出各次谐波分量，而只需检测出除基波有功电流之外总的畸变电流，从而最终对谐波或无功实现快速补偿。谐波及无功电流检测信号作为补偿电流发生电路的指令信号，其准确与否将影响到整个混合有源电力滤波系统的滤波特性。传统的检测方法是将电网电流进行傅立叶分解，将各次谐波合成得出谐波电流信号，这种方法响应慢。目前，国内外学者提出的大部分谐波检测方法都基于瞬时无功功率理论，这些检测方法能够较好地检测谐波电流和无功电流。在瞬时无功功率的基础上有三种谐波电流的检测方法：p-q法、ip–iq法和d-q法。这三种方法都能准确、实时地测量三相三线制对称电路的总谐波分量。后两种方法的适用范围更广，不仅在电网畸变时适用，在电网电压不对称时也同样有效，使用p-q法测量电网电压畸变时的谐波会存在较大误差，瞬时无功功率理论方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，检测基波正序无功分量、不对称分量及高次谐波分量的实现电路比较简单，并且延时小，具有很好的实时性，但是这是基于三相三线制电路提出的。对于单相电路，必须先将三相电路分解，然后再构造基于瞬时无功功率理论的单相电路的谐波检测电路。
4、基于小波分析的检测方法是针对傅立叶变换在分析非稳定信号方面的局限性而形成和发展起来的一种十分有效的时域分析工具。与傅立叶相比，它是一个时间和频率的局域变换，因而能有效地从信息中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对信号进行多尺度细化分析，克服了傅立叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，对波动谐波、快速变化谐波的检测有很大的优越性，是波动谐波、快速变化谐波的主要测量方法。但是它并不能够完全取代傅立叶变换，这是因为：一方面小波变换在稳态谐波检测方面并不具备理论优势，另一方面小波变换的理论和应用研究时间相对比较短，小波变换应用在谐波检测方面尚且处于初始阶段，还存在着许多不完善的地方。比较典型的应用有基于小波变换的多分辨分析，将含有谐波的信号分解成不同频率的块信号，将低频段的结果看成是基波分量，高频段为各次谐波，利用软件构成谐波检测环节，快速跟踪谐波的变化。
5.基于神经网络的检测方法是基于人脑的神经元细胞对外界反应得局部性而提出的，是一种前馈式系统，具有较高的运算速度，能以任意精度全局逼近一个非线性函数。神经网络谐波电流检测方法能实时准确的检测谐波，具备较强的自适应能力。但神经网络是基于大样本的学习，受样本的影响较大，有时会导致训练不成功。而且受初值的影响，有时会陷入局部最小化。且神经网络只能离线训练，在线检测，泛化能力差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法及检测系统，能通过纯时域信号处理技术进行牵引变流器谐波电流信号强度的实时在线检测。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、采集牵引变流器的输出电流信号；
步骤2、对输出电流信号进行放大滤波处理；
步骤3、对步骤2输出的信号进行模数转换处理以获取数字信号；
步骤4、设置数字带通滤波器的中心频率、通带以及截止频率，利用数字带通滤波器对数字信号进行处理；
步骤5、利用滑动窗计算器对数字带通滤波器的输出信号进行取有效值处理，进而获取牵引变流器的信号强度值。
为了避免牵引变流器产生的信号对轨旁电路产生干扰而影响安全行车，将牵引变流器的信号强度值与设定的门限阈值进行比较，如果牵引变流器的信号强度值超过设定的门限阈值，则发出告警信号。
为了降低采样率，提高计算速度，步骤4中，先对获取的数字信号按照设定的采样周期进行抽取采样，数字带通滤波器对抽取采样的数字信号进行处理。
简单地，所述步骤5中，利用利用滑动窗计算器对数字带通滤波器的输出信号进行RMS求值以获取牵引变流器的信号强度值。
一种牵引变流器谐波电流信号强度的检测系统包括用于采集牵引变流器输出电流的电流传感器、与所述电流传感器相连接的谐波电流检测装置、与所述谐波电流检测装置相连接的安全继电器，所述谐波电流检测装置包括信号放大滤波电路、模数转换电路、数字信号处理电路，所述数字信号处理电路包括数字带通滤波器以及与所述数字带通滤波器相连接的滑动窗计算器；
所述信号放大滤波电路的输入端与所述与电流传感器输出端相连接，所述模数转换电路的输入端与信号放大滤波电路的输出端相连接，所述数字信号处理电路的输入端与模数转换电路的输出端相连接。
作为改进，所述数字信号处理电路包括控制器、EMC防护电路、电源电路、看门狗电路、RS485收发器，所述控制器内设置有所述的数字带通滤波器和滑动窗计算器，所述控制器上还设置有I/O接口、RS485隔离收发接口；
所述控制器的数据输入端与模数转换电路的输出端相连接，所述电源电路的输入端通过EMC防护电路与直流电源相连接，所述电源电路的输出端与控制器的电源连接端相连接，所述看门狗电路与控制器相连接，所述RS485收发器通过高速光耦与控制器上的RS485隔离收发接口相连接，所述安全继电器通过高速光耦与控制器上的I/O接口相连接。
可选择地，所述控制器采用双核浮点DSP、通用的MCU或者可编程逻辑器件。
优选地，所述数字带通滤波器采用高阶巴特沃斯滤波器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法采用数字带通滤波器和滑动窗计算器结合对牵引变流器输出的采样信号进行处理，对信号进行了纯时域信号处理，处理过程更加简单。在滤波处理过程中数字带通滤波器的特性基本不受环境因素影响，此外利用滑动窗计算器处理数据，可以实时跟踪输入信号的变化，解决了对突变信号无法很好响应的缺陷。另外数字带通滤波器和滑动窗计算器的参数特性可配置，解决了硬件模拟滤波器特性固定、不够灵活的缺陷。
本发明中的牵引变流器谐波电流信号强度的检测系统因采用数字带通滤波器，其计算精度高。另外数字带通滤波器的性能参数可调，灵活性大。并且受噪声及环境影响小，故障率低。此外，该数字带通滤波器可实现数据并行处理，处理速度快。
附图说明
图1为本发明实施例中牵引变流器谐波电流信号强度的检测系统的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例中的牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法的检测系统，包括电流传感器1、谐波电流检测装置2、安全继电器3。
谐波电流检测装置2包括信号放大滤波电路21、模数转换电路22、数字信号处理电路23。
信号放大滤波电路21的输入端与所述与电流传感器1输出端相连接，模数转换电路22的输入端与信号放大滤波电路21的输出端相连接。其中电流传感器1用于采集母排上牵引变流器的输出电流，该电流传感器1采集的为模拟电流信号。信号放大滤波电路21包括依次连接设置的第一滤波电路、放大电路以及第二滤波电路，电流传感器1采集的模拟电流信号经过信号放大滤波电路21的处理后转换为数据信号。
数字信号处理电路23包括控制器231、EMC防护电路232、电源电路233、看门狗电路234、RS485收发器235，根据需要控制器231可选择使用双核浮点DSP、通用的MCU或者可编程逻辑器件。
控制器231内设置有数字带通滤波器2311和滑动窗计算器2312，数字带通滤波器2311采用通带内平缓度好的高阶巴特沃斯滤波器，一方面降低通带内信号波纹，同时保证其衰减特性。滑动窗计算器2312连接在数字带通滤波器2311的输出端。控制器231上还设置有I/O接口2313、RS485隔离收发接口2314。控制器231的数据输入端与模数转换电路22的输出端相连接，模数转换电路22输出的数字信号输入至控制器231中通过数字带通滤波器2311和滑动窗计算器2312进行处理，将处理后的信号幅值作为牵引变流器谐波电流信号强度数据。
电源电路233的输入端通过EMC防护电路232与直流电源相连接，电源电路233的输出端与控制器231的电源连接端相连接，看门狗电路234与控制器231相连接，RS485收发器235通过高速光耦236与控制器231上的RS485隔离收发接口2314相连接，安全继电器3通过高速光耦236与控制器231上的I/O接口2313相连接。
牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法的检测方法包括如下步骤：
步骤1、利用电流传感器1采集牵引变流器的输出电流信号；
步骤2、通过信号放大滤波电路21对输出电流信号进行放大滤波处理；
步骤3、利用模数转换电路22对步骤2输出的信号进行模数转换处理以获取数字信号；
步骤4、对获取的数字信号按照设定的采样周期进行抽取采样，设置数字带通滤波器2311的中心频率、通带以及截止频率，利用数字带通滤波器2311对数字信号进行处理；
步骤5、利用滑动窗计算器2312对数字带通滤波器2311的输出信号进行RMS求值，获取的信号幅值即作为牵引变流器的信号强度值。
步骤6、将牵引变流器的信号强度值与设定的门限阈值进行比较，如果在设定时间内计算获取的牵引变流器的信号强度值均超过设定的门限阈值，则控制器231控制安全继电器3导通，进而发出告警信号，工作人员根据告警信号进行处理，防止牵引变流器产生的信号对轨旁电路产生干扰而影响安全行车。

Claims (8)

1.一种牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、采集牵引变流器的输出电流信号；
步骤2、对输出电流信号进行放大滤波处理；
步骤3、对步骤2输出的信号进行模数转换处理以获取数字信号；
步骤4、设置数字带通滤波器(2311)的中心频率、通带以及截止频率，利用数字带通滤波器(2311)对数字信号进行处理；
步骤5、利用滑动窗计算器(2312)对数字带通滤波器(2311)的输出信号进行取有效值处理，进而获取牵引变流器的信号强度值。
2.根据权利要求1所述的牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法，其特征在于：将牵引变流器的信号强度值与设定的门限阈值进行比较，如果在设定时间内计算获取的牵引变流器的信号强度值均超过设定的门限阈值，则发出告警信号。
3.根据权利要求1所述的牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法，其特征在于：步骤4中，先对获取的数字信号按照设定的采样周期进行抽取采样，数字带通滤波器(2311)对抽取采样的数字信号进行处理。
4.根据权利要求1所述的牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法，其特征在于：所述步骤5中，利用利用滑动窗计算器(2312)对数字带通滤波器(2311)的输出信号进行RMS求值以获取牵引变流器的信号强度值。
5.一种实现如权利要求1至4任一权利要求所述的牵引变流器谐波电流信号强度的检测方法的检测系统，其特征在于：包括用于采集牵引变流器输出电流的电流传感器(1)、与所述电流传感器(1)相连接的谐波电流检测装置(2)、与所述谐波电流检测装置(2)相连接的安全继电器(3)，所述谐波电流检测装置(2)包括信号放大滤波电路(21)、模数转换电路(22)、数字信号处理电路(23)，所述数字信号处理电路(23)包括数字带通滤波器(2311)以及与所述数字带通滤波器(2311)相连接的滑动窗计算器(2312)；
所述信号放大滤波电路(21)的输入端与所述与电流传感器(1)输出端相连接，所述模数转换电路(22)的输入端与信号放大滤波电路(21)的输出端相连接，所述数字信号处理电路(23)的输入端与模数转换电路(22)的输出端相连接。
6.根据权利要求5所述的牵引变流器谐波电流信号强度的检测系统，其特征在于：所述数字信号处理电路(23)包括控制器(231)、EMC防护电路(232)、电源电路(233)、看门狗电路(234)、RS485收发器(235)，所述控制器(231)内设置有所述的数字带通滤波器(2311)和滑动窗计算器(2312)，所述控制器(231)上还设置有I/O接口(2313)、RS485隔离收发接口(2314)；
所述控制器(231)的数据输入端与模数转换电路(22)的输出端相连接，所述电源电路(233)的输入端通过EMC防护电路(232)与直流电源相连接，所述电源电路(233)的输出端与控制器(231)的电源连接端相连接，所述看门狗电路(234)与控制器(231)相连接，所述RS485收发器(235)通过高速光耦(236)与控制器(231)上的RS485隔离收发接口(2314)相连接，所述安全继电器(3)通过高速光耦(236)与控制器(231)上的I/O接口(2313)相连接。
7.根据权利要求6所述的牵引变流器谐波电流信号强度的检测系统，其特征在于：所述控制器(231)采用双核浮点DSP、通用的MCU或者可编程逻辑器件。
8.根据权利要求5所述的牵引变流器谐波电流信号强度的检测系统，其特征在于：所述数字带通滤波器(2311)采用高阶巴特沃斯滤波器。
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