CN111521898B - 一种电网宽频信号智能感知终端及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电网宽频信号智能感知终端及实现方法，所述终端包括低通滤波模块、高频采样模块、宽频信号处理分析模块及辅助的电源模块、同步对时模块、数据通信模块、总线模块和液晶模块；所述方法包括：电网信号经过物理电路的低通滤波后进行高频采样，然后再通过数字信号滤波器进行分类滤波，并针对各类滤波后的信号采用不同的算法实现电网基波、间谐波和谐波信号的测量。本发明能够在变电站现有采集回路的基础上通过智能感知方法的改进，实现电网基波、间谐波和高次谐波全景测量，为电网运行状态的全面感知和实时监测提供新的手段。

Description

一种电网宽频信号智能感知终端及实现方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，尤其涉及一种电网宽频信号智能感知终端及实现方法。

背景技术

以物联网、大数据、云计算等新兴信息技术为基础的应用越来越成熟，制造业的生产方式甚至商业模式也逐步发生变革。智能装备、智能工厂等智能制造正在引领制造方式转变，背后的推动力量，便是人工智能。2017年7月20日，中国发布了《新一代人工智能发展规划》。这个“规划”的精华之一，便是提出了新一代智能制造的发展方向。机器将变得越来越人性化，掌握学习与识别的功能，新人工智能技术的出现必然会引发又一波的信息化技术浪潮——“感知技术”。智能传感已被定义为新一代人工智能核心基础技术，因而，传感与“智能”和“数据”结合是大势所趋，实现云-端交互，将轻量级人工智能算法下沉至传感终端，赋予感知终端“边缘计算”、“在网计算”和“嵌入式计算”能力是必然的技术选择。

目前，大规模新能源并网接入、高压直流输电技术应用给电网注入了大量间谐波和高次谐波信号，引发了次/超同步振荡、高次谐波振荡等一系列影响电网运行安全的事故。现有的测控、PMU、电能质量监测等装置都关注工频信号以及工频信号整数倍的谐波信号，缺乏对大量电力电子设备接入后电网间谐波、高次谐波的感知能力。

从当前传感器的角度看，传感器具有电网宽频信号的传感功能，但由于后续信号分析算法能力的缺失，导致无法感知电网宽频信号，因此如何基于现有传感技术，通过智能感知算法的研究和分析以实现电网宽频信号的测量分析成为当前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电网宽频信号智能感知终端及实现方法，针对但现有自动化测量设备无法实现间谐波、高次谐波实时测量的现状，发明了电网宽频信号智能感知终端，能够基于现有电网信号采集方式，实现基波、间谐波和高次谐波幅值、相角的统一测量，为风电、光伏等大量电力电子设备接入后电网运行状态的实时监测和全面感知提供新的支撑手段，有效保障电网的运行安全。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一方面提供一种电网宽频信号智能感知终端，所述终端包括低通滤波电路模块、高频采样模块和宽频信号处理分析模块；所述高频采样模块接收所述低通滤波电路模块过滤后的信号并进行高频采样，再将采样数据传输给所述宽频信号处理分析模块进行分类数字滤波和计算，获得宽频信号的基波、间谐波和谐波幅值和相角。

在以上方案中优选的是，外部电压、电流信号通过设置的低通滤波电路，过滤高频噪声信号。

还可以优选的是，所述低通滤波电路的截止频率根据感知终端所测量的宽频信号的范围进行设置。

还可以优选的是，所述高频采样模块按照设置的采样频率获取等间隔的离散信号，所述宽频信号处理分析模块对采集的离散信号按照低频、工频和高频的分类方式设置不同的数字滤波器，不同的信号采用不同的计算分析方法以获取基波、间谐波和谐波的测量值。

还可以优选的是，对低频信号采用低通滤波器、工频信号采用带通滤波器、高频信号采用带通滤波器。

还可以优选的是，对于通过低通数字滤波的信号，采样FFT加窗插值的方式进行计算；对于通过带通滤波器的工频信号，采用FFT算法计算；对于通过带通滤波器的高频信号，采用FFT加窗插值的方式计算。

还可以优选的是，低通滤波电路的截止频率为3250Hz。

本发明另一方面提供一种上述电网宽频信号智能感知终端的实现方法，包括以下步骤，

第一步，对宽频信号采用物理电路的低通滤波器和分类的数字滤波器组合设计的方式进行信号滤波；

第二步，经过滤波后的采样信号进行分类处理，通过不同的算法进行计算获得基波、间谐波和谐波的幅值和相角。

在以上方案中优选的是，第一步中，所述低通滤波器和所述数字滤波器滤波器组合时，通过低通滤波电路、高频采样后，对获取的采样数据进行分类滤波，按照低频、工频和高频三类划分。

还可以优选的是，第一步中，对低频信号采用低通滤波器、工频信号采用带通滤波器、高频信号采用带通滤波器。

还可以优选的是，第一步中，对于通过低通数字滤波的信号，采样FFT加窗插值的方式进行计算；对于通过带通滤波器的工频信号，采用FFT算法计算；对于通过带通滤波器的高频信号，采用FFT加窗插值的方式计算。

本发明的有益效果：

本发明的电网宽频信号智能感知终端及实现方法，其终端包括低通滤波模块、高频采样模块、宽频信号处理分析模块及辅助的电源模块、同步对时模块、数据通信模块、总线模块和液晶模块；所述方法包括电网信号经过物理电路的低通滤波后进行高频采样，然后再通过数字信号滤波器进行分类滤波，并针对各类滤波后的信号采用不同的算法实现电网基波、间谐波和谐波信号的测量。本发明能够在变电站现有采集回路的基础上通过智能感知方法的改进，实现电网基波、间谐波和高次谐波全景测量，为电网运行状态的全面感知和实时监测提供新的手段；其能够在有效保障电网的安全稳定运行的前提下，推动风电、光伏等新能源的大规模接入和消纳。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的电网宽频信号智能感知终端宽频信号处理流程图。

图2为本发明的电网宽频信号智能感知终端数字量采集硬件结构图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

实施例1

一种电网宽频信号智能感知终端，参见图1和图2，其包括低通滤波电路模块、高频采样模块和宽频信号处理分析模块；

所述高频采样模块接收所述低通滤波电路模块过滤后的信号并进行高频采样，再将采样数据传输给所述宽频信号处理分析模块进行分类数字滤波和计算，获得宽频信号的基波、间谐波和谐波幅值和相角。

本实施例的电网宽频信号智能感知终端，还可以具体的，外部电压、电流信号通过设置的低通滤波电路，过滤高频噪声信号。

还可以具体的，所述低通滤波电路的截止频率根据感知终端所测量的宽频信号的范围进行设置。

还可以具体的，所述高频采样模块按照设置的采样频率获取等间隔的离散信号，所述宽频信号处理分析模块对采集的离散信号按照低频、工频和高频的分类方式设置不同的数字滤波器，不同的信号采用不同的计算分析方法以获取基波、间谐波和谐波的测量值。

实施例2

如实施例1所述的电网宽频信号智能感知终端的实现方法，参见图1和图2，包括以下步骤，

第一步，对宽频信号采用物理电路的低通滤波器和分类的数字滤波器组合设计的方式进行信号滤波；

第二步，经过滤波后的采样信号进行分类处理，通过不同的算法进行计算获得基波、间谐波和谐波的幅值和相角。

还可以更为具体的，第一步中，所述低通滤波器和所述数字滤波器滤波器组合时，通过低通滤波电路、高频采样后，对获取的采样数据进行分类滤波，按照低频、工频和高频三类划分。

还可以具体的，第一步中，对低频信号采用低通滤波器、工频信号采用带通滤波器、高频信号采用带通滤波器。

还可以具体的，第一步中，对于通过低通数字滤波的信号，采样FFT加窗插值的方式进行计算；对于通过带通滤波器的工频信号，采用FFT算法计算；对于通过带通滤波器的高频信号，采用FFT加窗插值的方式计算。

实施例3

如实施例1所述的电网宽频信号智能感知终端的实现方法，参见图1和图2，包括以下步骤，

信号的低通滤波；PMU、测控装置等以工频信号测量为主，因此为了减少外部高频信号的干扰，往往进行了硬件滤波，以PMU为例，截止频率一般设置较低，如800Hz等，电网中大量高频信号在采集阶段都已被滤除，以确保基波测量的准确性；对于宽频测量，为了实现2500Hz范围内宽频信号的采集测量，滤波器的截止频率需要进行调整，故将其扩展至3250Hz，可有效保障宽频信号的采集及高频噪声的滤除；低通滤波器对固定频率的衰减幅度相对固定，因此后续处理时可同步补偿的方式进行幅值修正；基于物理电路设置低通滤波器可以有效减少噪声等高频信号为信号的测量分析；

数据的采集；智能感知终端设置了高频采样模块，可实现对模拟量数据的高频采集；高频采样模块可以接入多个电气间隔的电压、电流信号，每个电气间隔可同时接入三相电压、三相电流模拟量信号，所有的A/D采样采用16位模数转换芯片，可有效提升数据采样的精度；高频采样模块通过FPGA实现高频信号的等间隔采集，具体的采样频率可以进行动态设置，最高可支持25.6kHz(即512点/周期)；结合当前工程的实际需求，将采样频率设置在12.8kHz(即256点/周期)能够较为容易的实现，且能够满足当前的工程需求；

采样数据的数字滤波；针对高频采样数据，由于涉及宽频域的分析，为了避免各频谱之间的相互干扰，同时提高信号测量的精度，需要对其进行分类滤波；为了保证基波相量测量的准确度，主要对设置带通滤波器，保障工频信号测量的准确性，避免工频带(45-55Hz)以外信号的影响；对于低频信号(0-45Hz)，则采用低通滤波器，滤除高频信号产生的泄露问题，以保证测量准确性；对于高频信号(55-2500Hz)则采用带通滤波器，滤除低频信号，保障高频信号的测量精度；上述三类数字滤波器针对的是同一采样数据，仅仅是在具体处理上设置了多个进程并行运行，以此确保宽频信号的准确测量；

宽频信号的计算分析；在经过物理电路的低通滤波、高频采样和分类数字滤波后，低频、工频和高频信号将进行信号的处理和分析；对于工频信号，仍然采用常用的快速傅里叶算法(FFT)进行计算，获取工频信号的基波相量和幅值；对于低频或者高频信号，则为有效避免频谱的泄露，数据加窗方式是较为有效的有段，常用的加窗算法有汉宁窗、海明窗、Blackman窗等，窗函数选择上要保证主瓣尽可能窄，以提高谱估计时的频率分辨率和减小泄露；尽量减小窗函数频谱的最大旁瓣的相对幅度，以便旁瓣高度随频率尽快衰减。因此汉宁窗比较适合间谐波和高次谐波的计算分析；虽然加窗算法可以有效抑制频谱泄露，但是由于算法时间窗的选择上，很难保障频率的分辨率与真实间谐波频率吻合，因此最终得出的频率谱线会在最大幅值谱线前后均匀分布，此时需要对频率进行修正，而采用Grande的双谱线插值方式能够有效实现频率的修正，提升频率测量的准确度；因此，宽频信号的处理分析上，对于低频信号或者高频信号，则采用FFT加窗插值的方式获得信号的频率、幅值和相角；

当然，宽频信号智能感知终端还设置有通用的电源模板、同步对时模块、数据通信模块、总线背板模块等；其中电源模为装置提供工作电源；同步对时模块接收外部的同步对时信号，如IRIG-B对时信号；数据通信模块支持IEC61850标准和可扩展GB/T26865.2规约，实现测量数据的传输；总线背板模块与各板块进行连接，实现各功能模块之间的信息交互；

为了提高智能感知终端的灵活性，本发明同时也配置了液晶模块，实现采样频率等参数的设置、宽频测量数据的实时显示；同时也具有远程虚拟液晶功能，可通过网络连接对装置参数进行设置，同时可在远程实现相关数据的展示。

本发明按照优选实施例进行了说明，应当理解，上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用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。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (2)

1.一种电网宽频信号智能感知终端，其特征在于，所述终端包括低通滤波电路模块、高频采样模块和宽频信号处理分析模块；所述高频采样模块接收所述低通滤波电路模块过滤后的信号并进行高频采样，再将采样数据传输给所述宽频信号处理分析模块进行分类数字滤波和计算，获得宽频信号的基波、间谐波和谐波幅值和相角；

外部电压、电流信号通过设置的低通滤波电路，过滤高频噪声信号；

所述低通滤波电路的截止频率根据感知终端所测量的宽频信号的范围进行设置；

所述高频采样模块按照设置的采样频率获取等间隔的离散信号；所述采样频率能够通过液晶模块或者远程网络进行设置；

所述宽频信号处理分析模块对采集的离散信号按照低频、工频和高频的分类方式设置不同的数字滤波器，不同的信号采用不同的计算分析方法并行处理以获取基波、间谐波和谐波的测量值；

对0-45Hz低频信号采用低通滤波器、工频信号采用带通滤波器、55-2500Hz高频信号采用带通滤波器；

对于通过低通数字滤波的信号，采样FFT加窗插值的方式进行计算，获得信号的频率、幅值和相角；对于通过带通滤波器的工频信号，采用FFT算法计算，获取工频信号的基波相量和幅值；对于通过带通滤波器的高频信号，采用FFT加窗插值的方式计算，获得信号的频率、幅值和相角；FFT加窗插值均采用汉宁窗和Grandke的双谱线插值方式实现间谐波信号幅值、相角的测量；

所述电网宽频信号智能感知终端还包括电源模板、同步对时模块、数据通信模块和总线背板模块；其中电源模板为电网宽频信号智能感知终端提供工作电源；同步对时模块用于接收外部的同步对时信号；数据通信模块支持IEC61850标准和可扩展GB/T26865.2规约，实现测量数据的传输；总线背板模块与各板块进行连接，实现各功能模块之间的信息交互。

2.一种如权利要求1所述的电网宽频信号智能感知终端的实现方法，其特征在于，包括以下步骤，

第一步，对宽频信号采用物理电路的低通滤波器和分类的数字滤波器组合设计的方式进行信号滤波；

第二步，经过滤波后的采样信号进行分类处理，通过不同的算法并行处理计算获得基波、间谐波和谐波的幅值和相角；

第一步中，所述低通滤波器和所述数字滤波器组合时，通过低通滤波电路、高频采样后，对获取的采样数据进行分类滤波，按照低频、工频和高频三类划分；

第一步中，对低频信号采用低通滤波器、工频信号采用带通滤波器、高频信号采用带通滤波器；

第一步中，对于通过低通数字滤波的信号，采样FFT加窗插值的方式进行计算；对于通过带通滤波器的工频信号，采用FFT算法计算；对于通过带通滤波器的高频信号，采用FFT加窗插值的方式计算；FFT加窗插值均采用汉宁窗和Grandke的双谱线插值方式实现间谐波信号幅值、相角的测量。

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