CN111426875A - 一种电气频谱监测装置及方法 - Google Patents

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温富光
邹军
田凯
孙攀
陈贻骜
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Abstract

本发明公开了一种电气频谱监测装置及方法，装置包括时钟同步模块，电气量采集模块，FPGA模块，频谱补偿模块，通信模块。时钟同步模块接收外部B码对时信号，同步输出1PPS信号供装置内部使用；FPGA模块根据内部产生的1PPS信号驱动电气量采集模块进行同步采样（电压和电流采样），FPGA模块同时取整秒的采样数据加窗进行FFT运算得出频谱；频谱补偿模块将FPGA计算得出的频谱结果进行频谱泄漏补偿，得到真实的频谱；通信模块将计算出的带时标的频谱实时上送。本发明方法通过FPGA计算FFT，和CPU协同工作，减少CPU负担，实现了0~2500Hz范围内的谐波、间谐波幅值和频率测量，频率误差不大于0.2Hz；同时本发明通过同步采样，使新能源场站中不同点的频谱计算结果具有同一参考系。

Description

一种电气频谱监测装置及方法
技术领域
本发明属于变电站监电气测技术领域，尤其涉及一种电气频谱监测装置及方法。
背景技术
出于能源枯竭的担忧，各国都在发展新能源。我国在西北等地区大规模的新能源场站(风电、光伏)已实现并网发电，但在这一过程中也暴露出一些问题。
新能源场站内部大量采用电力电子设备，作为非线性设备，产生了大量的谐波、间谐波。谐波、间谐波对电力设备的危害已成共识，两者都可使用电设备产生额外的损耗，降低了设备的效率，同时会影响设备的正常工作，严重时候会造成设备损坏。
新能源场站的谐波、间谐波治理问题已引起相关部门的重视，目前已有谐波、间谐波的测量装置应用于新能源场站，但也暴露出一些问题。当下成熟的频谱算法首推FFT算法，但装置采用FFT算法后，运算量巨大，为减少CPU负荷，目前监测装置的FFT的算法的分辨率一般都设置为5Hz，造成测出的频谱和实际值误差较大。还有，由于地理位置原因新能源场站不同点电气量一般通过不同装置计算出的频谱。不同点的频谱无法在同一时间轴下比较，无法统筹分析谐波、间谐波产生的原因。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种电气频谱监测装置及方法，提高了谐波、间谐波的测量精度，进一步的还能够协助定位谐波、间谐波产生的原因。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种电气频谱监测装置，包括：电气量采集模块、FPGA模块、频谱补偿模块以及通信模块以及时钟同步模块；
时钟同步模块用于接收B码对时信号，并根据该对时信号产生1PPS脉冲信号；
FPGA模块根据1PPS脉冲信号驱动电气量采集模块采集能源场站中节点的电压、电流；
FPGA模块对采集到的电压和电流数据进行FFT运算；
频谱补偿模块用于对FFT运算得到的频谱结果进行频谱泄漏补偿；
通信模块用于将补偿后得到的真实频谱送出。
结合第一方面，进一步的，所述时钟同步模块接收来自外部的B码信号可以为光信号或者电信号，时钟同步模块内部还设有晶振。
第二发面，本发明提供了一种电气频谱监测方法，包括：
通过时钟同步模块接收B码对时信号，并根据该对时信号产生1PPS脉冲信号；
FPGA模块根据1PPS脉冲信号驱动电气量采集模块采集电压、电流；
FPGA模块对采集到的电压和电流数据进行FFT运算；
若FFT运算得到的频谱结果存在频谱泄漏，则频谱补偿模块对该频谱结果进行频谱泄漏补偿得到真实频谱并通过通信模块将真实频谱送出，否则将FFT运算得到的频谱结果通过通信模块直接送出。
结合第二方面，进一步的，所述采集电压、电流的采样率为8192Hz，每秒同步采样，整秒8192个采样点对应的采样序号为0～8191。
结合第二方面，进一步的，所述FPGA模块对采集到的电压和电流数据进行FFT运算包括：
FPGA取上一采样周期内的采样点加汉宁窗，通过FFT算法对加汉宁窗后的采样点进行FFT运算，加汉宁窗后采样点如下所示：
y(t)＝f(t)*0.5*(1-cos(Pi*2*i/(N-1)))
其中f(t)为原始采样点大小，t为时刻，N为采样频率，i为采样点序号。
结合第二方面，进一步的，频谱补偿模块对FFT运算得到的频谱结果进行频谱泄漏补偿得到真实频谱包括：
得到FFT运算得到的频谱结果后，遍历所需监测范围内频谱，比较频谱中各幅值取FFT运算得到的频谱结果中最大幅值频点F以及其两侧各相邻的两个频点F-2、F-1以及F+1、F+2，则真实频点幅值：
Figure BDA0002421365420000021
其中，Amp(F-2)、Amp(F-1)、Amp(F)、Amp(F+1)、Amp(F+2)分别为频点F-2、F-1、F、F+1、F+2的幅值；在得到真实频点幅值的基础上根据线性插值得到实际频率，根据实际频谱算出真实频谱。
结合第二方面，进一步的，所述在得到真实频点幅值的基础上根据线性插值得到实际频率包括：
比较Amp(F+1)和Amp(F-1)的大小，若Amp(F+1)>Amp(F-1)，取频点F,F+1和其幅值作线性插值；
Figure BDA0002421365420000022
其中，Fr表示真实的频率。
结合第二方面，进一步的，FPGA模块对采集到的电压和电流数据进行FFT运算采用xilinx FFT IP core实现。
结合第二方面，进一步的，FPGA模块对采集到的电压和电流数据进行FFT运算每个采样周期进行一次，FFT运算和频谱泄漏补偿所用时间小于一个采样周期。
有益效果：本发明能够实时监视新能源场站电压和电流谐波、间谐波。该装置和方法，将FFT运算功能由FPGA实现，大大减少了CPU负荷，同时提高了FFT算法的分辨率，实现了0～2500Hz范围内谐波、间谐波的测量，频率误差不大于0.2Hz。同时该装置和方法基于同步采样计算频谱，频谱结果带有时标，使新能源场站不用点的频谱可在同一时间轴下进行比较。该装置和方法可帮助定位谐波、间谐波产生的原因，进而消除谐波、间谐波，提高电能质量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明电气频谱监测装置中频谱计算和通信的时序图；
图3为本发明中频谱补偿模块中频谱泄漏时计算频点幅值的原理示意图；
图4为本发明频谱补偿模块中频谱泄漏时，线性差值得到真实频点的原理示意图。
具体实施方式
为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
如图1-4所示，一种电气频谱监测装置，包括电气量采集模块、FPGA模块、频谱补偿模块、通信模块以及时钟同步模块；
其中，时钟同步模块用于接收B码对时信号，该B码信号由对时装置产生，可以为电信号或者光信号，对时装置接收来自于卫星的时钟信号，并根据该时钟信号产生相应的B码信号，时钟同步模块根据该B码对时信号结合其内部的恒温晶振产生1PPS的脉冲信号。
在t时刻(整秒时刻)，FPGA模块根据时钟同步模块产生的1PPS脉冲信号驱动电气量采集模块同步采集能源场站中各节点装置的电压、电流，采样率为8192Hz，采样周期为一秒，一秒的采样点为8192个，序号为0～8191；
在t+1时刻，此时采样序号为0，上一整秒数据已采样完毕，触发FPGA的FFT运算。FPGA取上一整秒的8192个采样点加汉宁窗，采用汉宁窗可以减少旁瓣泄漏加窗后的采样点y(t)＝f(t)*0.5*(1-cos(Pi*2*i/(N-1)))，f(t)为原始采样点大小，y(t)为FFT算法采用的加窗后的采样点，i为采样点序号，取0～N-1。t1～t2时刻，FPGA进行FFT运算得到频谱，若该频谱存在泄漏扣，则t2～t3时刻，频谱补偿模块取出FPGA计算得到的频谱进行泄漏补偿。补偿完成后，将补偿后得到的真实频谱打上t时刻时标，t1～t3时刻要小于一个采样周期，即1S。保证每秒都能完成一次运算。
如图2所示，t1-FPGA取上一整秒8192个采样点开始进行FFT运算时刻；t2-FPGA完成FFT运算，频谱补偿开始进行频谱补偿时刻；t3-装置完成上一秒采样数据的频谱计算时刻，打上上一秒时标；t4-装置通信模块上送频谱信息开始时刻；
在t+2时刻，此时采样序号为0，触发通信上送，通信模块将带时标的频谱信息上送到监控管理系统。
若FFT运算得到频谱不存在泄漏，则其为真实频谱，不对其进行补偿，将其打上t时刻时标，在t+2时刻，通过通信模块将带时标的频谱信息上送到监控管理系统。
其中，FPGA实现FFT运算时，采用已成熟的基于xilinx FFT IP core实现，无需重新开发FFT算法程序，可缩短开发时间。
频谱泄漏的判断具体为：频谱补偿取到FPGA计算结果后，遍历1～2500Hz(本发明所需监测的频率范围)的频谱(频率为0Hz，代表为直流，本发明不作监测)，比较频谱中各频点幅值大小，得到幅值为波峰值的频点(各频点幅值连起来为一条曲线)，若该频点的两侧频点幅值都不为0，则频谱泄漏存在，需进行频谱泄漏补偿，反之无频谱泄漏，为真实频点。
频谱泄漏时，取幅值为波峰值的频点和其两侧各2个频点的幅值，进行真实频点幅值的计算。附图2所描述，FFT算法的分辨率为1Hz，则频谱中相邻两个频点的频率差则为1Hz。取出最大幅值的频点为F，则两侧各相邻的两个频点为F-2、F-1以及F+1、F+2。Amp(F-2)、Amp(F-1)、Amp(F)、Amp(F+1)、Amp(F+2)分别为频点F-2、F-1、F、F+1、F+2的幅值，则真实频点的幅值
Figure BDA0002421365420000041
得到真实幅值后，根据幅值线性插值可得到实际频率，计算步骤如下：比较Amp(F+1)和Amp(F-1)的大小，若Amp(F+1)>Amp(F-1)，取频点F,F+1和其幅值作线性插值，如附图3所描述，
Figure BDA0002421365420000042
可得出真实频率Fr的值；
若Amp(F+1)<Amp(F-1)，取频点F-1,F和其幅值作线性插值，逻辑同Amp(F+1)>Amp(F-1)时线性插值逻辑。
通信模块将计算出的带年、月、日、时、分、秒信息的频谱上送监控后台，后台可在同一时间轴下进行展示，进而分析谐波、间谐波产生的原因。
本发明将FFT运算功能由FPGA实现，大大减少了CPU负荷，FPGA强大的运算能力，可将FFT的算法的分辨率可提高为1Hz，实现了0～2500Hz范围内谐波、间谐波的测量，频率误差不大于0.2Hz。同时该装置和方法基于同步采样计算频谱，频谱结果带有时标，使新能源场站不用点的频谱可在同一时间轴下进行比较。电压、电流频谱知道了就能得到了谐波/间谐波的含量(包含幅值和谐波/间谐波频率)，进而分析为什么会产生这个频率的谐波/间谐波，帮助定位谐波、间谐波产生的原因。该装置和方法可帮助定位谐波、间谐波产生的原因，进而消除谐波、间谐波，提高电能质量。
上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电气频谱监测装置，其特征在于，包括：电气量采集模块、FPGA模块、频谱补偿模块以及通信模块以及时钟同步模块；
时钟同步模块用于接收B码对时信号，并根据该对时信号产生1PPS脉冲信号；
FPGA模块根据1PPS脉冲信号驱动电气量采集模块采集能源场站中节点的电压、电流；
FPGA模块对采集到的电压和电流数据进行FFT运算；
频谱补偿模块用于对FFT运算得到的频谱结果进行频谱泄漏补偿；
通信模块用于将补偿后得到的真实频谱送出。
2.根据权利要求1所述的一种电气频谱监测装置，其特征在于，所述时钟同步模块接收来自外部的B码信号可以为光信号或者电信号，时钟同步模块内部还设有晶振。
3.一种电气频谱监测方法，其特征在于，包括：
通过时钟同步模块接收B码对时信号，并根据该对时信号产生1PPS脉冲信号；
FPGA模块根据1PPS脉冲信号驱动电气量采集模块采集电压、电流；
FPGA模块对采集到的电压和电流数据进行FFT运算；
若FFT运算得到的频谱结果存在频谱泄漏，则频谱补偿模块对该频谱结果进行频谱泄漏补偿得到真实频谱并通过通信模块将真实频谱送出，否则将FFT运算得到的频谱结果通过通信模块直接送出。
4.根据权利要求3所述的一种电气频谱监测方法，其特征在于，所述采集电压、电流的采样率为8192Hz，每秒同步采样，整秒8192个采样点对应的采样序号为0～8191。
5.根据权利要求4所述的一种电气频谱监测方法，其特征在于，所述FPGA模块对采集到的电压和电流数据进行FFT运算包括：
FPGA取上一采样周期内的采样点加汉宁窗，通过FFT算法对加汉宁窗后的采样点进行FFT运算，加汉宁窗后采样点如下所示：
y(t)＝f(t)*0.5*(1-cos(Pi*2*i/(N-1)))
其中f(t)为原始采样点大小，t为时刻，N为采样频率，i为采样点序号。
6.根据权利要求3所述的一种电气频谱监测方法，其特征在于，频谱补偿模块对FFT运算得到的频谱结果进行频谱泄漏补偿得到真实频谱包括：
得到FFT运算得到的频谱结果后，遍历所需监测范围内频谱，比较频谱中各幅值取FFT运算得到的频谱结果中最大幅值频点F以及其两侧各相邻的两个频点F-2、F-1以及F+1、F+2，则真实频点幅值：
Figure FDA0002421365410000021
其中，Amp(F-2)、Amp(F-1)、Amp(F)、Amp(F+1)、Amp(F+2)分别为频点F-2、F-1、F、F+1、F+2的幅值；在得到真实频点幅值的基础上根据线性插值得到实际频率，根据实际频谱算出真实频谱。
7.根据权利要求6所述的一种电气频谱监测方法，其特征在于，所述在得到真实频点幅值的基础上根据线性插值得到实际频率包括：
比较Amp(F+1)和Amp(F-1)的大小，若Amp(F+1)>Amp(F-1)，取频点F,F+1和其幅值作线性插值；
Figure FDA0002421365410000022
其中，Fr表示真实的频率。
8.一种电气频谱监测方法，其特征在于，FPGA模块对采集到的电压和电流数据进行FFT运算采用xilinx FFT IP core实现。
9.根据权利要求1所述一种电气频谱监测方法，其特征在于，FPGA模块对采集到的电压和电流数据进行FFT运算每个采样周期进行一次，FFT运算和频谱泄漏补偿所用时间小于一个采样周期。
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