CN108535541B - 一种带有数字工频滤波的相位比较装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有数字工频滤波的相位比较装置及方法，装置包括FIR数字工频滤波单元、相位延时消除单元以及相位比较单元；FIR数字工频滤波单元用于将电压互感器开口三角形侧电压、电流信号进行滤波，消除工频信号对后续相位测量的影响；相位延时消除单元用于截取滤波后信号稳定的部分并保证无相位失真；相位比较单元用于对经过相位延时消除单元的信号进行分析，计算出电压、电流信号相位差。本发明省去了示波器的同时消除了电力系统工频信号的干扰，能方便直观的观察电压互感器开口三角形侧电压与电流信号相位差，提高结果精确度。
Description
技术领域
本发明涉及数字信号处理技术领域，尤其涉及一种经过线性数字工频滤波的相位比较装置及方法。
背景技术
随着我国电力系统的不断发展，配电网容量不断加大，输电距离逐渐增加，电力电缆在电力系统中使用的比例也越来越大，基于以上情况，导致电力系统中接地电容电流大大增加，特别在电力系统发生单相接地故障时较大的电容电流会引起弧光过电压，危害设备及人身安全，造成事故，显著降低了电力系统的运行可靠性。为防止此现象发生，在电力系统中，一般采取中性点经消弧线圈接地的方式进行容性电流的补偿，使电感电流与电容电流相互抵消，从而减小故障点电流，保证接地电弧可靠自熄。因此，配电网接地电容电流的准确测量必不可少。
测量配电网电容电流的方法主要有直接测量法和间接测量法两种，而由于两种方法都涉及到电力系统一次侧操作，操作繁琐，同时也存在误操作的危险。准备工作耗时长，测量工作效率低。通常大部分时间耗费在等待调度命令、开工作票、倒闸操作和做安全措施。一天只能测量两至三个站，工作效率非常低，而基于配电网二次侧测量的信号注入法主要是以在电力系统中性点注入小信号来对配电网接地电容电流进行测量，不涉及电网一次侧的操作问题，保证测量的人身安全的同时降低了操作难度，误差也较小，适用于电容电流的实时测量而得到较快发展。
信号注入法中的二频法和谐振法都需要测量电压互感器开口三角形侧电压电流信号的相位差来进行相应的计算，现有技术中，通常是将示波器接在电压互感器开口三角形侧的两端，通过示波器显示的电压电流波形观察相位差，这种方式无法直观的观察相位差，而且没有忽略电力系统的工频干扰。
因此，需要提供一种能够更直观方便并消除工频干扰的电压电流相位测量装置以改善上述缺陷。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种消除工频信号干扰并能直观反映电压互感器开口三角形侧电压电流相位差的相位比较装置及方法。
本发明的装置所采用的技术方案是：一种带有数字工频滤波的相位比较装置，其特征在于：包括FIR数字工频滤波单元、相位延时消除单元以及相位比较单元；
所述FIR数字工频滤波单元用于将电压互感器开口三角形侧电压和电流信号进行滤波，消除工频信号对后续相位测量的影响；所述相位延时消除单元用于截取滤波后信号稳定的部分并保证无相位失真；所述相位比较单元用于对经过相位延时消除单元的信号进行分析，计算出电压与电流之间的信号相位差。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种带有数字工频滤波的相位比较方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集电压互感器开口三角形侧的电压及电流信号，经过FIR数字工频滤波器消除电力系统工频干扰；
步骤2：经过相位延时消除单元，采用固定的延时措施，消除数字滤波器的固定相位延时并使信号保持稳定；
步骤3：将信号输入到相位比较器中计算出电压与电流之间的信号相位差。
本发明的有益之处在于省去了示波器的同时消除了电力系统工频信号的干扰，能方便直观的观察电压互感器开口三角形侧电压与电流信号相位差，提高结果精确度。
附图说明
图1是本发明实施例的系统结构图。
图2是本发明实施例中FIR数字工频滤波流程图；
图3是本发明实施例中相位延时消除单元结构图；
图4是本发明实施例中相位比较单元结构图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1，本发明提供的一种带有数字工频滤波的相位比较装置，包括FIR数字工频滤波单元、相位延时消除单元以及相位比较单元；
FIR数字工频滤波单元用于将电压互感器开口三角形侧电压和电流信号进行滤波，消除工频信号对后续相位测量的影响；相位延时消除单元用于截取滤波后信号稳定的部分并保证无相位失真；相位比较单元用于对经过相位延时消除单元的信号进行分析，计算出电压与电流之间的信号相位差。
本发明还提供了一种带有数字工频滤波的相位比较方法，包括以下步骤：
步骤1：采集电压互感器开口三角形侧的电压及电流信号，经过FIR数字工频滤波器消除电力系统工频干扰；
步骤2：经过相位延时消除单元，采用固定的延时措施，消除数字滤波器的固定相位延时并使信号保持稳定；
步骤3：将信号输入到相位比较器中计算出电压与电流之间的信号相位差。
请见图2，步骤1中FIR数字工频滤波器消除电力系统工频干扰，具体实现包括以下子步骤：
步骤1.1：根据电压互感器开口三角形侧的电压和电流信号频率范围确定合适的采样频率，一般采样频率为最高频率的3-5倍，确保信号无失真的同时尽量减少滤波器阶数。
步骤1.2：以50HZ为对称轴，确定通带截止频率以及阻带截止频率，阻带截止频率应尽量远离工频，而通带截止频率应尽量靠近工频，这样可以提高滤波器的品质因素并对工频有良好的陷波效果，将其都转化为数字频率，公式为：
式中wp为数字频率，fp为通带(阻带)截止频率，fs为采样频率。
步骤1.3：计算过渡带宽，并根据阻带最小衰减选取合适窗函数，过渡带宽具体公式为：
ΔB＝ws1-wp1
式中ΔB为过渡带宽，ws1为阻带下限截止数字频率，wp1为通带下限截止数字频率。
步骤1.4：结合第三步计算所得的过渡带宽及选定的窗函数，通过窗函数查表求得滤波器阶数。
步骤1.5：计算归一化阻带下限截止数字频率和阻带上限截止数字频率，计算公式为：
式中w1为归一化阻带下限截止数字频率，w2为归一化阻带上限截止数字频率，wp1为通带下限截止数字频率，wp2为通带上限截止数字频率。
步骤1.6：利用MATLAB提供的基于标准频率响应的fir1()函数来实现FIR数字工频滤波单元的窗函数设计。
相位延时消除单元结构图如图3所示，图中的输入为经过FIR数字工频滤波单元处理后的电压和电流信号，固定相位延时与若干周期延时相加后作为开关的闭合时间，这样就在保持相位无失真的同时只保留了信号的稳定段，使后续的相位差测量更加准确。
基于上述结构，本实施例的步骤2的具体实现包括以下子步骤：
步骤2.1：利用公式(N-1)/(2*fs)计算滤波后的固定相位延时，其中N表示滤波器阶数，fs表示滤波器采样频率；
步骤2.2：在固定延时上加上若干个电压/电流周期得到信号截取开始时间，使其截取后的波形稳定且无相位失真，电压和电流信号延时周期数相同。
相位比较单元结构图如图4所示，经过相位延时消除单元处理的电压和电流正弦信号由过零比较器转化为相位一致的方波信号，电流方波信号取反后与电压方波信号相乘得到带有相位差信息的一系列脉冲信号，每一个完整的脉冲宽度都与相位差有关，而不完整的脉冲则需舍弃，图4中虚线框部分为完整脉冲选择模块：由状态保持器保持相位延时消除单元开关闭合时间的信号值，与1相加，若输出为1，则表明第一个脉冲信号是完整的，因此选取通道1输出，将第一个脉冲保留，其余脉冲舍去；若输出为2，则表明第二个脉冲信号才是完整的，因此选取通道2输出，将第二个脉冲保留，其余脉冲舍去。最后通过积分运算得到脉冲宽度并乘以电压(电流)角频率得到电压与电流之间的信号相位差。
基于上述结构，本实施例的步骤3的具体实现包括以下子步骤：
步骤3.1：将通过相位延时消除单元的电压电流信号变成与原信号相位一致的方波信号，并对电流方波信号取反；
步骤3.2：对电压方波信号以及电流方波取反信号进行与运算，得到与相位差有关的一系列脉冲信号；
步骤3.3：选取其中一个完整的脉冲信号对其进行积分运算并乘以原信号角频率得到电压与电流之间的信号相位差。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (3)
1.一种带有数字工频滤波的相位比较方法，采用带有数字工频滤波的相位比较装置；
其特征在于：所述装置包括FIR数字工频滤波单元、相位延时消除单元以及相位比较单元；
所述FIR数字工频滤波单元用于将电压互感器开口三角形侧电压和电流信号进行滤波，消除工频信号对后续相位测量的影响；所述相位延时消除单元用于截取滤波后信号稳定的部分并保证无相位失真；所述相位比较单元用于对经过相位延时消除单元的信号进行分析，计算出电压与电流之间的信号相位差；
所述方法包括以下步骤：
步骤1：采集电压互感器开口三角形侧的电压及电流信号，经过FIR数字工频滤波器消除电力系统工频干扰；
步骤2：经过相位延时消除单元，采用固定的延时措施，消除数字滤波器的固定相位延时并使信号保持稳定；
步骤3：将信号输入到相位比较器中计算出电压与电流之间的信号相位差；
步骤3中，相位比较单元中，经过相位延时消除单元处理的电压和电流正弦信号由过零比较器转化为相位一致的方波信号，电流方波信号取反后与电压方波信号相乘得到带有相位差信息的一系列脉冲信号，每一个完整的脉冲宽度都与相位差有关，而不完整的脉冲则需舍弃，由状态保持器保持相位延时消除单元开关闭合时间的信号值，与1相加，若输出为1，则表明第一个脉冲信号是完整的，因此选取通道1输出，将第一个脉冲保留，其余脉冲舍去；若输出为2，则表明第二个脉冲信号才是完整的，因此选取通道2输出，将第二个脉冲保留，其余脉冲舍去；最后通过积分运算得到脉冲宽度并乘以电压或电流角频率得到电压与电流之间的信号相位差。
2.根据权利要求1所述的带有数字工频滤波的相位比较方法，其特征在于，步骤1中所述FIR数字工频滤波器消除电力系统工频干扰，具体实现包括以下子步骤：
步骤1.1：根据电压互感器开口三角形侧电压和电流信号频率范围确定合适的采样频率；
步骤1.2：确定滤波器通带截止频率以及阻带截止频率；
步骤1.3：计算过渡带宽，并根据阻带最小衰减选取合适窗函数；
步骤1.4：根据过渡带宽和确定的窗函数查表得到滤波器阶数；
步骤1.5：计算归一化阻带下限截止数字频率和阻带上限截止数字频率；
步骤1.6：利用MATLAB提供的fir1（）函数实现数字工频滤波。
3.根据权利要求1所述的带有数字工频滤波的相位比较方法，其特征在于，步骤2的具体实现包括以下子步骤：
步骤2.1：利用公式（N-1）/(2*fs)计算滤波后的固定相位延时，其中N表示滤波器阶数，fs表示滤波器采样频率；
步骤2.2：在固定延时上加上若干个电压/电流周期得到信号截取开始时间，使其截取后的波形稳定且无相位失真，电压和电流信号延时周期数相同。
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