CN109884571A - 一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法，采用插值算法来对窗函数频谱线的泄漏误差进行修正，插值算法包括加Hanning窗的单谱线插值FFT算法和加Blackman窗的双谱线插值FFT算法，非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法包括非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估技术路线和非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估电路，本发明涉电子技术领域。该基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法，可实现通过采用加Hanning窗的单谱线插值FFT算法和加Blackman窗的双谱线插值FFT算法对整周期采样后的离散信号进行更加精确的处理，避免实际应用中间谐波和频率波动的工况引起常规FFT算法的计算频谱泄露误差的情况发生。

Description

一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体为一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法。

背景技术

为了使得网络输出更加符合实际，需要使用学习算法调整神经元之间的连接权重，即需要一个网络学习过程，方法是将输入输出样本作为训练集送入网络，根据网络的实际输出与期望输出之间的差别来调整连接权重，迭代逼近实际工况，直到在统计学意义上，神经网络判断输出和实际直流电子式互感器运行工况一致为止。

常规FFT算法针对的是整周期采样后的离散信号，然而实际应用中间谐波和频率波动的工况将引起常规FFT算法的计算频谱泄露误差，减少频谱泄漏的方式主要有两种，一种是提高采样率，减小采样间隔，从而提高频率分辨率，但这种方法带来的问题是增加采样点数，增加CPU的负担；另一种是采用窗函数的方法，但是对于非矩形窗而言，本身就会因为窗的扇形损失引入短范围泄漏，对于由信号频率波动引起的算法误差问题可以通过采用性能优秀的窗函数来解决，而对于由于窗函数本身所引起的短范围泄漏误差问题，只能通过对频谱线进行适当的插值算法加以克服。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法，解决了现有FFT算法针对的是整周期采样后的离散信号，会因实际应用中间谐波和频率波动的工况引起常规FFT算法的计算频谱泄露误差，同时会增加采样点数，增加CPU的负担，采用单一的窗函数方法会因为窗的扇形损失引入短范围泄漏的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法，所述采用插值算法来对窗函数频谱线的泄漏误差进行修正，且插值算法包括加Hanning窗的单谱线插值FFT算法和加Blackman窗的双谱线插值FFT算法，所述加Hanning窗的单谱线插值FFT算法，具体包括以下步骤：

S1、首先设单一频率谐波信号为对其进行离散采样，再设采样频率为f_s，采样点数为N，则有

S2、单谱线插值是利用加窗截断信号的频谱表达式进行插值修正，先找到频率f_m对应的最大谱线值及其标号k_m，如果f_m不是频率分辨率f_s/N的整数倍，则有式中0＜δ_m＜1；

S3、信号x_ma(n)加Hanning窗的FFT计算结果为进而可以得到加Hanning窗的单谱线插值FFT算法的修正公式为

所述加Blackman窗的双谱线插值FFT算法，具体包括以下步骤：

T1、利用Blackman窗对公式(2)所示的信号x_ma(n)进行Blackman窗截断，得到x_m(n)＝x_ma(n)·ω_B(n)，对x_m(n)作离散时间傅里叶变换，得到

T2、同单谱线插值不同，双谱线插值需要找到频率f_m对应的最大谱线和次大谱线，设最大谱线标号为k_m，次大谱线为k_m+1，当f_m不是频率分辨率f_s/N的整数倍时，则有(k'为非整数且0＜k'-k_m＜1)；

T3、假设δ＝k'-k_m-0.5(-0.5＜δ＜0.5)，进行频域离散化得进而可以得到加Blackman窗的双谱线插值FFT算法的频率、幅值和相位修正的具体计算公式

优选的，所述非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法包括非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估技术路线和非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估电路。

优选的，所述非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估技术路线包括节点、三相CVT、24位AD采集卡、数据合并单元和计算机，所述节点的数量和三相CVT的数量均为n个，且一个节点对于一个三相CVT进行连接。

优选的，所述三相CVT的接线端通过电缆与24位AD采集卡一侧的接线端连接，且24位AD采集卡另一侧的接线端通过光纤与数据合并单元的输入端连接，所述数据合并单元的输出端通过网线与计算机的输入端连接。

优选的，所述非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估电路包括单相标准功率源、电子式互感器校验仪和整检装置，所述单相标准功率源电压输出端分别与电子式互感器校验仪的电压输入端和整检装置的电压输入端连接。

优选的，所述单相标准功率源电流输出端分别与电子式互感器校验仪的电流输入端和整检装置的电流输入端连接，且电子式互感器校验仪以太网的输入端与整检装置以太网光口的输出端连接。

优选的，所述电子式互感器校验仪的同步时钟端口与整检装置的同步时钟端口实现双向连接。

(三)有益效果

本发明提供了一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法。与现有技术相比具备以下有益效果：该基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法，通过在采用插值算法来对窗函数频谱线的泄漏误差进行修正，且插值算法包括加Hanning窗的单谱线插值FFT算法和加Blackman窗的双谱线插值FFT算法，再通过在非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法包括非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估技术路线和非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估电路，非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估技术路线包括节点、三相CVT、24位AD采集卡、数据合并单元和计算机，所述节点的数量和三相CVT的数量均为n个，且一个节点对于一个三相CVT进行连接，三相CVT的接线端通过电缆与24位AD采集卡一侧的接线端连接，且24位AD采集卡另一侧的接线端通过光纤与数据合并单元的输入端连接，所述数据合并单元的输出端通过网线与计算机的输入端连接，非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估电路包括单相标准功率源、电子式互感器校验仪和整检装置，所述单相标准功率源电压输出端分别与电子式互感器校验仪的电压输入端和整检装置的电压输入端连接，单相标准功率源电流输出端分别与电子式互感器校验仪的电流输入端和整检装置的电流输入端连接，且电子式互感器校验仪以太网的输入端与整检装置以太网光口的输出端连接，电子式互感器校验仪的同步时钟端口与整检装置的同步时钟端口实现双向连接，可实现通过采用加Hanning窗的单谱线插值FFT算法和加Blackman窗的双谱线插值FFT算法对整周期采样后的离散信号进行更加精确的处理，避免实际应用中间谐波和频率波动的工况引起常规FFT算法的计算频谱泄露误差的情况发生，很好的实现了在减少采样点数和降低CPU负担的情况下对采集的信号进行精确处理，防止因为窗的扇形损失引入短范围泄漏。

附图说明

图1为本发明非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估技术路线图；

图2为本发明非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估电气原理图；

图3为本发明直流电子式互感器电气原理图；

图4为本发明直流电子式互感器等效电路图；

图5为本发明直流电子式互感器网络结构图；

图6为本发明仿真谐波信号参数表图；

图7为本发明存在谐波时比差表图；

图8为本发明存在谐波时时相差表图；

图9为本发明仿真频率偏移信号参数表图；

图10为本发明频率偏移时比差表图；

图11为本发明频率偏移时相差表图；

图12为本发明溯源过程试验布置图；

图13为本发明电流通道校准结果表图；

图14为本发明电压通道校准结果表图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-14，本发明实施例提供一种技术方案：一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法，采用插值算法来对窗函数频谱线的泄漏误差进行修正，且插值算法包括加Hanning窗的单谱线插值FFT算法和加Blackman窗的双谱线插值FFT算法，加Hanning窗的单谱线插值FFT算法，具体包括以下步骤：

S1、首先设单一频率谐波信号为对其进行离散采样，再设采样频率为f_s，采样点数为N，则有

S2、单谱线插值是利用加窗截断信号的频谱表达式进行插值修正，先找到频率f_m对应的最大谱线值及其标号k_m，如果f_m不是频率分辨率f_s/N的整数倍，则有式中0＜δ_m＜1；

S3、信号x_ma(n)加Hanning窗的FFT计算结果为进而可以得到加Hanning窗的单谱线插值FFT算法的修正公式为

加Blackman窗的双谱线插值FFT算法，具体包括以下步骤：

T1、利用Blackman窗对公式(2)所示的信号x_ma(n)进行Blackman窗截断，得到x_m(n)＝x_ma(n)·ω_B(n)，对x_m(n)作离散时间傅里叶变换，得到

T2、同单谱线插值不同，双谱线插值需要找到频率f_m对应的最大谱线和次大谱线，设最大谱线标号为k_m，次大谱线为k_m+1，当f_m不是频率分辨率f_s/N的整数倍时，则有(k'为非整数且0＜k'-k_m＜1)；

T3、假设δ＝k'-k_m-0.5(-0.5＜δ＜0.5)，进行频域离散化得进而可以得到加Blackman窗的双谱线插值FFT算法的频率、幅值和相位修正的具体计算公式

本发明中，非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法包括非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估技术路线和非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估电路。

本发明中，非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估技术路线包括节点、三相CVT、24位AD采集卡、数据合并单元和计算机，节点的数量和三相CVT的数量均为n个，且一个节点对于一个三相CVT进行连接。

本发明中，三相CVT的接线端通过电缆与24位AD采集卡一侧的接线端连接，且24位AD采集卡另一侧的接线端通过光纤与数据合并单元的输入端连接，数据合并单元的输出端通过网线与计算机的输入端连接。

本发明中，非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估电路包括单相标准功率源、电子式互感器校验仪和整检装置，单相标准功率源电压输出端分别与电子式互感器校验仪的电压输入端和整检装置的电压输入端连接。

本发明中，单相标准功率源电流输出端分别与电子式互感器校验仪的电流输入端和整检装置的电流输入端连接，且电子式互感器校验仪以太网的输入端与整检装置以太网光口的输出端连接。

本发明中，电子式互感器校验仪的同步时钟端口与整检装置的同步时钟端口实现双向连接。

图5中，v1、v2、…、vn表示输入，f1、f2、…、fn表示输出，i、j、k表示神经元隐层，本研究内容中，输入为CVT当前运行状态下的空间多样性数据与历史运行数据，输出为CVT计量状态运行态势数据，设W_ij为权值，θ为阈值，则输入输出关系可以表示为：其中，f()为激活函数。

算法性能的仿真评估

在LabVIEW平台上，对常规FFT算法、加Hanning窗的单谱线插值FFT算法和加Blackman窗的双谱线插值FFT算法进行仿真，比较算法的误差。

1、谐波影响试验

仿真信号的基波和谐波参数按图6进行设置，其中，采样率设置为10K，采样点数设置为1000，计算结果如图7和图8所示，从图7和图8可以看出，当系统存在谐波时，采用常规FFT算法时比值误差和其他两种算法相比相差不大，但是基波的相位误差增加到113’，显然无法满足合并单元计量性能校验仪0.05级的要求，加Hanning窗的单谱线插值FFT算法和加Blackman窗的双谱线插值FFT算法都误差都很小，可以忽略不计。

2、频率偏移试验

仿真信号模拟频率偏移情况，调整基波频率，计算49.5-50.5Hz频率下常规FFT算法、加Hanning窗的单谱线插值FFT算法和加Blackman窗的双谱线插值FTT算法三种算法的基波误差，信号源设置如图9所示，采样率设置为10K，采样点数设置为1000，计算结果如图10和图11所示，可以看出当频率偏移时，常规FFT算法由于存在频谱泄露和栅栏效应，相位误差会增大到574.95’，而其余两种算法由于采用了窗函数和插值算法，误差均可以忽略不计。

由仿真结果可以看出，在比值误差方面，加Blackman窗的双谱线插值FFT算法比普通FFT算法和加Hanning窗的单谱线插值算法都更加精确，在相位误差方面，双谱线插值算法在基波的计算上准确度明显高于单谱线插值，双谱线插值算法对于谐波的计算而言，其准确度基本上高于单谱线插值算法，所以基于Blackman窗的双谱线插值FFT算法更适合用于电网基波和谐波分析，最终设计合并单元计量性能校验仪也采用了该种算法。

试验验证

为了验证基于Blackman窗的双谱线插值FFT算法的有效性，在国家高压计量站进行了采用本算法的合并单元计量性能校验仪的校准试验，试验布置图如图12所示，多用工频比率电源产生两路电压/电流信号，两路信号具有固定的比差和相差，通过校准试验测试校验装置能否正确测量出该固定比差和相差，标准通道由标准转换器、8位半数字万用表Agilent 3458A和计算机组成，标准转换器将多用工频比率电源产生的电压或电流信号转换为小信号供8位半数字万用表进行采集，采集的数据通过GPIB总线发送给计算机，再转换为IEC61850格式数据包，通过网口发送给模拟量输入合并单元计量性能校验装置，作为校准试验的标准数据。被测通道由标准信号变换器和PCI 4472采集卡组成，由PCI 4472采集卡采集的数据为被测数据，通过串口接收的TDC数据作为相位误差补偿的数据，校验装置通过对三路数据进行分析处理和对比运算计算出比差和相差，并和源信号的固定比差和相差对比，从而完成模拟量输入合并单元计量性能校验装置的校准试验。电流通道测试点选取5％(上升)，20％(上升)，100％，20％(下降)，5％(下降)5个测试点，电压通道选取80％(上升)、100％(上升)、120％、100％(下降)、80％(下降)5个测试点，每个测试点测试10次，如图13和图14所示，图13和图14测试结果为10次测试后的平均值，

从校准试验结果可以看出，采用基于Blackman窗的双谱线插值FFT算法的校验装置的电压电流测试通道比差的单点波动不超过0.02％，角差的单点波动不超过0.2分，均满足0.05级准确度要求。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法，其特征在于：所述采用插值算法来对窗函数频谱线的泄漏误差进行修正，且插值算法包括加Hanning窗的单谱线插值FFT算法和加Blackman窗的双谱线插值FFT算法，所述加Hanning窗的单谱线插值FFT算法，具体包括以下步骤：

S1、首先设单一频率谐波信号为对其进行离散采样，再设采样频率为f_s，采样点数为N，则有

S2、单谱线插值是利用加窗截断信号的频谱表达式进行插值修正，先找到频率f_m对应的最大谱线值及其标号k_m，如果f_m不是频率分辨率f_s/N的整数倍，则有式中0＜δ_m＜1；

S3、信号x_ma(n)加Hanning窗的FFT计算结果为进而可以得到加Hanning窗的单谱线插值FFT算法的修正公式为

所述加Blackman窗的双谱线插值FFT算法，具体包括以下步骤：

T1、利用Blackman窗对公式(2)所示的信号x_ma(n)进行Blackman窗截断，得到x_m(n)＝x_ma(n)·ω_B(n)，对x_m(n)作离散时间傅里叶变换，得到

T2、同单谱线插值不同，双谱线插值需要找到频率f_m对应的最大谱线和次大谱线，设最大谱线标号为k_m，次大谱线为k_m+1，当f_m不是频率分辨率f_s/N的整数倍时，则有(k'为非整数且0＜k'-k_m＜1)；

T3、假设δ＝k'-k_m-0.5(-0.5＜δ＜0.5)，进行频域离散化得进而可以得到加Blackman窗的双谱线插值FFT算法的频率、幅值和相位修正的具体计算公式

2.根据权利要求1所述的一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法，其特征在于：所述非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法包括非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估技术路线和非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估电路。

3.根据权利要求2所述的一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法，其特征在于：所述非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估技术路线包括节点、三相CVT、24位AD采集卡、数据合并单元和计算机，所述节点的数量和三相CVT的数量均为n个，且一个节点对于一个三相CVT进行连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法，其特征在于：所述三相CVT的接线端通过电缆与24位AD采集卡一侧的接线端连接，且24位AD采集卡另一侧的接线端通过光纤与数据合并单元的输入端连接，所述数据合并单元的输出端通过网线与计算机的输入端连接。

5.根据权利要求2所述的一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法，其特征在于：所述非标准器多传感器融合的直流互感器计量性能评估电路包括单相标准功率源、电子式互感器校验仪和整检装置，所述单相标准功率源电压输出端分别与电子式互感器校验仪的电压输入端和整检装置的电压输入端连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法，其特征在于：所述单相标准功率源电流输出端分别与电子式互感器校验仪的电流输入端和整检装置的电流输入端连接，且电子式互感器校验仪以太网的输入端与整检装置以太网光口的输出端连接。

7.根据权利要求5所述的一种基于非标准器多传感器融合的直流互感器计量方法，其特征在于：所述电子式互感器校验仪的同步时钟端口与整检装置的同步时钟端口实现双向连接。