CN111585567B

CN111585567B - 一种带频率保持功能的快速追踪同步采样系统

Info

Publication number: CN111585567B
Application number: CN202010004604.9A
Authority: CN
Inventors: 蒋富雄; 温航宇; 刘永兆
Original assignee: Shijiazhuang Suin Instruments Co ltd
Current assignee: Shijiazhuang Suin Instruments Co ltd
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2023-03-03
Anticipated expiration: 2040-01-03
Also published as: CN111585567A

Abstract

本发明提供了一种带频率保持功能的快速追踪同步采样系统。该同步采样系统包括A/D转换器、鉴频鉴相器、环路滤波器、DDS频率合成器和锁相环；所述A/D转换器用于采集被测电网信号并进行模数转换，转换后的电信号输出给所述鉴频鉴相器；所述鉴频鉴相器包括半周期有效值计算单元、瞬变检测单元、跳变检测单元以及频率/相位计算单元；所述瞬变检测单元用于检测电信号中是否存在瞬变，所述跳变检测单元用于检测电信号中是否存在跳变；当电网信号中存在瞬变或跳变时，DDS频率合成器可无缝维持提供同步采样频率；待电网稳定后，无需重新捕获信号，只需继续追踪即可。通过本发明可解决现有技术中在电网信号不稳定时难以实现同步采样的问题。

Description

一种带频率保持功能的快速追踪同步采样系统

技术领域

本发明涉及电力系统信号采集领域，具体地说是一种带频率保持功能的快速追踪同步采样系统。

背景技术

根据IEC61000-4-15和IEC61000-4-30标准要求，电力系统进行精确测量时，需要同步采样。目前广泛采用的同步采样方法是通过一个通用锁相环来实现的。通用锁相环存在的主要缺陷是要求参考信号(电网的信号)稳定，当电网出现骤升骤降或者更严重的中断时，通用锁相环将失去参考信号，无法锁定，此时会造成采样频率不稳定，不能完成同步采样，从而严重影响测量结果。通用锁相环还存在另一个缺陷：环路带宽不能实现动态调节，导致要么捕获时间长，要么跟踪状态下输出采样频率稳定度差，导致同步采样的数据引入较大的相位噪声。

发明内容

本发明的目的就是提供一种带频率保持功能的快速追踪同步采样系统，以解决现有技术中在电网信号不稳定时难以实现同步采样的问题。

本发明是这样实现的：一种带频率保持功能的快速追踪同步采样系统，包括A/D转换器、鉴频鉴相器、环路滤波器、DDS频率合成器和锁相环；所述A/D转换器用于采集被测电网信号并进行模数转换，转换后的电信号输出给所述鉴频鉴相器；

所述鉴频鉴相器包括半周期有效值计算单元、瞬变检测单元、跳变检测单元以及频率/相位计算单元；所述半周期有效值计算单元用于接收A/D转换器输出的电信号，并连续性地计算电信号的半周期有效值，计算结果输出给瞬变检测单元和跳变检测单元；所述跳变检测单元与所述半周期有效值计算单元相接，所述跳变检测单元用于根据半周期有效值检测电信号中是否存在跳变，并在电信号中存在跳变时控制频率/相位计算单元不动作，在电信号中不存在跳变时控制频率/相位计算单元动作；所述瞬变检测单元与所述A/D转换器和所述半周期有效值计算单元相接，所述瞬变检测单元用于检测电信号中是否存在瞬变，并在电信号中存在瞬变时控制频率/相位计算单元不动作，在电信号中不存在瞬变时控制频率/相位计算单元动作；

所述频率/相位计算单元与所述A/D转换器、所述瞬变检测单元、所述跳变检测单元和所述环路滤波器相接，所述频率/相位计算单元可在所述瞬变检测单元和所述跳变检测单元的控制下动作，所述频率/相位计算单元动作，具体是：同步采样系统采样初期先进行信号捕获，捕获之后再进行信号锁定；信号捕获时，所述频率/相位计算单元根据所述A/D转换器输出的电信号进行CZT计算，并将计算结果送至所述环路滤波器，由环路滤波器控制所述DDS频率合成器的输出，实现信号的快速捕获；信号锁定时，所述频率/相位计算单元根据所述A/D转换器输出的电信号进行单频DFT计算，并将计算结果送至所述环路滤波器，由环路滤波器控制所述DDS频率合成器的输出，实现信号的稳定跟踪；

所述环路滤波器与所述频率/相位计算单元和所述DDS频率合成器相接，所述环路滤波器用于根据所述频率/相位计算单元的计算结果对DDS频率合成器的输出频率进行控制，当所述频率/相位计算单元不动作没有计算结果时，所述环路滤波器控制DDS频率合成器输出以前稳定频率信号；

所述DDS频率合成器与所述环路滤波器和所述锁相环相接，所述DDS频率合成器输出的信号经锁相环后反馈至所述A/D转换器。

所述频率/相位计算单元根据所述A/D转换器输出的电信号进行单频DFT计算，具体是：所述频率/相位计算单元首先将A/D转换器输出的数据进行分块，然后对每块数据逐一进行单频DFT计算，得到每一数据块的相位；

所述频率/相位计算单元将连续两个数据块的相位计算结果送入环路滤波器，环路滤波器根据连续两个数据块的相位误差信息，控制DDS频率合成器输出同步追踪参考频率；DDS频率合成器输出的频率和连续两个数据块的相位误差信息的关系为：

Fddsn＝Fddsp+A*(Phi[k]-Phi[k-1])；

上式中：Fddsn是DDS频率合成器的当前输出频率；Fddsp是DDS频率合成器的上一输出频率；A是环路的增益；Phi[k]和Phi[k-1]是频率/相位计算单元通过单频DFT计算得到的连续两个数据块的相位信息。

信号捕获时，所述频率/相位计算单元根据所述A/D转换器输出的电信号进行CZT计算，并将计算结果送至所述环路滤波器，所述环路滤波器获取频率/相位计算单元输出的CZT计算结果，并将CZT计算结果乘以409.6作为DDS频率合成器输出的初始化值。

所述跳变检测单元检测电信号中是否存在跳变，具体是：所述跳变检测单元根据半周期有效值进行跳变检测，当电压变化量超过滑动参考电压的10％时，就认为产生了跳变；否则认为电信号中不存在跳变；

R＝|[Urms-Usr(n)]|/Usr(n)

式中，Urms表示当前半周期有效值；Usr(n)表示当前滑动参考电压；若R超过10％，则认为产生了跳变；

当前滑动参考电压Usr(n)的计算公式为：

Usr(n)＝0.9967*Usr(n-1)+0.0033*Urms

Usr(n-1)表示上一滑动参考电压。

所述瞬变检测单元检测电信号中是否存在瞬变，具体是：所述瞬变检测单元首先根据半周期有效值的计算结果和对应的标称频率，控制瞬变检测阈值，若电压变化量超过瞬变检测阈值，则认为存在瞬变，否则认为电信号中不存在瞬变。

所述半周期有效值计算单元计算电网信号的半周期有效值，具体是：所述半周期有效值计算单元每次计算整个周期的有效值，每相邻两个整周期有效值计算时采用重叠半个周期的方式，即实现了半周期刷新，计算所得结果称之为半周期有效值。

在所述锁相环内部存在一个环路滤波器，所述锁相环内部的环路滤波器用于抑制DDS频率合成器输出频率的跳变；通过增大锁相环内部环路滤波器的环路带宽，以使其不会对整个采样系统的环路特性造成明显的影响。

本发明所提供的同步采样系统，可以解决目前常用的同步采样系统存在的问题。其包括两个方面的优点：一是在电压断电以后，同步采样系统具有频率保持功能；同步采样系统在短暂失去参考信号(电网暂时中断)时，能继续稳定维持运行，同时在参考信号恢复(供电恢复)时，不再重新锁定，没有暂态过程，同步采样系统一直保持稳定运行；二是能够快速捕获；本发明在同步采样系统刚检测到参考信号(供电接入)时，频率/相位计算单元通过CZT计算进行鉴频，进行精确频率采样分析，控制采样系统快速同步锁定，接着同步采样系统进行精确跟踪状态，保持连续稳定运行。

附图说明

图1是本发明中同步采样系统的结构框图。

图2是图1中鉴频鉴相器的结构框图。

具体实施方式

本发明的适用电网标称频率为50Hz、60Hz或400Hz。各标称频率对应跟踪频率范围为：50Hz电网，跟踪范围为42.5Hz～57.5Hz；60Hz电网，跟踪范围为51Hz～69Hz；400Hz电网，跟踪范围为320Hz～480Hz。

如图1所示，本发明所提供的带频率保持功能的快速追踪同步采样系统包括A/D转换器、鉴频鉴相器、环路滤波器、DDS频率合成器以及锁相环。其整体工作原理为：被监测电网信号首先经衰减网络(或互感器)后，转变为可以被A/D转换器接收的信号；A/D转换器采集信号并将采样结果发送至鉴频鉴相器，鉴频鉴相器经频率和相位的鉴别后将鉴别结果送至环路滤波器，环路滤波器控制DDS频率合成器输出锁相环的同步参考频率，锁相环输出采样时钟控制信号给A/D转换器，从而实现同步采样。

图2中虚线框所示即是本发明中鉴频鉴相器的结构框图。鉴频鉴相器包括半周期有效值计算单元、瞬变检测单元、跳变检测单元以及频率/相位计算单元。下面结合图1和图2，对本发明中同步采样系统进行详细描述。

在本发明中同步采样系统启动之前，首先根据电网标称频率，预置电网频率为50Hz、60Hz或400Hz，同时设置DDS频率合成器的输出频率为20.48kHz，当然，此处也可以设置DDS频率合成器的输出频率为其他值。

同步采样系统启动之后，A/D转换器将所采集到的电压信号输出给鉴频鉴相器，鉴频鉴相器接收A/D转换器所采集的数据，首先由半周期有效值计算单元连续计算电网信号的半周期有效值。半周期有效值的计算，具体是：每次计算整个周期的有效值，每相邻两个整周期有效值计算时采用重叠半个周期的方式，即实现了半周期刷新，故称之为半周期有效值。瞬变检测单元连续对电网信号进行瞬变检测，瞬变检测单元若检测到电网信号中存在瞬变时，则其阻止频率/相位计算单元有进一步的动作，即：瞬变检测单元继续对电网信号进行瞬变检测，直至瞬变消失后，则由频率/相位计算单元执行相应运算。瞬变检测单元检测电网信号中是否存在瞬变的判断方式为：若A/D转换器输出的电压信号的变化量超过瞬变检测阈值，则认为电网信号中存在瞬变，否则则认为不存在瞬变。瞬变检测阈值与输入信号频率以及半周期有效值的计算结果有关，因此，瞬变检测单元首先根据半周期有效值的计算结果和对应的标称频率，控制瞬变检测阈值，之后再进行瞬变检测判断。举例来说，对于标称频率为50Hz和60Hz的电网系统，在15μs时间范围内，若A/D转换器输出的电压信号的变化量超过半周期有效值的2％，则认为电网信号存在瞬变；对于标称频率为400Hz的电网系统，当A/D转换器输出的电压信号的变化量超过半周期有效值的16％时，认为电网信号存在瞬变。此处，对于标称频率为50Hz和60Hz的电网系统，瞬变检测阈值设定为半周期有效值的2％，且限定时间为15μs范围内；对于标称频率为400Hz的电网系统，瞬变检测阈值设定为半周期有效值的16％。

半周期有效值计算单元连续计算电网信号的半周期有效值，跳变检测单元对半周期有效值进行检测，当半周期有效值超过一定阈值后，则认为有有效的信号加入到系统输入端口，此时开始进行同步采样锁定过程。

同步采样系统启动锁定过程后，先进行捕获，而后再进行锁定。在锁定之前，本发明由频率/相位计算单元进行CZT(线性调频z变换)计算，根据CZT计算结果控制DDS频率合成器的输出，达到快速捕获的目的。本发明采用CZT计算，进行快速鉴频，得到电网输入信号的实际频率。CZT计算，主要用于窄带高分辨率频率抽样。CZT计算运算量比较大，但是相对于现在的DSP运算速度来说，其运算量完全可以满足。通过CZT在Z平面单位圆上，根据预置的电网标称频率，对一定范围内的频率信号进行高精度抽样运算，用于检测实际电网的输入频率。对于标称频率为50Hz的电网，CZT的频率采集范围为40～60Hz；对于标称频率为60Hz的电网，CZT的频率采集范围为50～70Hz；对于标称频率为400Hz的电网，CZT的频率采集范围为300～500Hz。举例来说，在400Hz电网的标称频率下，在其频率采集范围内，计算1000点的CZT，CZT的频率分辨率为200/1000＝0.2Hz。通过在CZT计算结果中，查找最大幅值的频谱线，得到输入信号(这里的输入信号指A/D转换器的输出信号)的频率。

得到输入信号的频率后，频率/相位计算单元将输入信号的频率送至环路滤波器，环路滤波器获取输入信号的频率，并使其乘以409.6，所得数据作为DDS频率合成器输出的初始化值(即环路滤波器把Fddsn和Fddsp(见下文描述)都初始化成由CZT计算得到的电信号频率乘以409.6)。频率/相位计算单元通过环路滤波器控制DDS频率合成器的输出，同步采样系统进入准同步状态，之后开始进行相位跟踪。DDS频率合成器的输出频率设置为：

Fdds＝Fx*409.6； 50Hz电网

Fdds＝Fx/1.2*409.6； 60Hz电网

Fdds＝Fx/8*409.6； 400Hz电网

上式中：Fdds为DDS频率合成器的输出频率；Fx为电网的实际频率。

上式中的数据仅为举例说明，并不用于限定本发明。

DDS频率合成器的输出频率作为锁相环(PLL)的输入参考频率。由于环路滤波器在改变所输出的DDS频率合成器的控制字后，DDS频率合成器的输出频率会出现瞬间突变，如果将DDS频率合成器的输出直接提供给A/D转换器作为采样时钟控制信号，则会导致A/D转换器采集完的信号，频率也是突变的。因此，本发明在DDS频率合成器后面串联一级锁相环，从而来抑制DDS频率合成器的输出频率跳变。本实施例中，锁相环的倍频系数为8，A/D转换器在标称频率下的工作频率为163.84kHz。

锁相环(PLL)在输入参考频率(DDS频率合成器的输出)突变以后，由于其本身还有一个环路滤波器，其本身的环路滤波器控制PLL输出频率缓慢变化，经过一定时间后实现PLL的输出频率重新等于输入参考频率的倍频，从而来抑制DDS频率合成器输出频率的跳变。通过增大PLL自身环路滤波器的环路带宽，以使其不会对整个采样系统的环路特性造成明显的影响。

同步采样系统通过CZT计算快速鉴频并控制DDS频率合成器的输出，完成快速捕获以后，转入跟踪保持状态。

在同步采样系统进入跟踪保持状态后，为了降低鉴频鉴相器的运算量，频率/相位计算单元不再进行CZT计算，而是根据标称频率设置，计算50Hz、60Hz或400Hz处的单频DFT(离散傅里叶变换)。在同步采样状态下，不管实际输入电网信号频率是多少，A/D转换器转换完的数据，电网频率都是50Hz、60Hz和400Hz中的一个，根据标称频率设置，直接计算对应频率的单频DFT就可以实现同步采样的频率跟踪。具体计算时，通过将A/D转换器输出的数据分块，对每块数据逐一进行单频DFT计算，得到每一数据块的相位。

本实施例中，将A/D转换器输出的数据抽取8倍，然后进行数据分块，每块数据的的长度为4096点，4096点包含的波形个数为：

N＝4096/(163840/8/50)＝10；50Hz电网

N＝4096/(163840/8/60)＝12；60Hz电网

N＝4096/(163840/8/400)＝80；400Hz电网

上式中，N为4096点数据块中包含的波形个数。从中可以看出，在同步采样状态下，4096点数据块中包含的波形，是完美的整数个波形。对每块数据进行单频DFT计算，得到采集数据块的相位，记为Phi[k]。结合上面的波形个数计算等式，可以得出：

Phi[k]-Phi[k-1]＝0

通过上式可以看出，在同步采样状态下，连续数据块的相位信息差值为0。同时，在非同步采样状态下，连续两个数据块的相位信息差值不为0。本发明使用连续两个数据块的相位信息的差值作为同步采样频率追踪的误差信号。

从快速捕获转到同步跟踪状态后，第一次通过单频DFT计算得到的数据块的相位Phi[0]，直接保存在鉴频鉴相器的RAM中，等第二个数据块的相位计算完以后，将该连续两个数据块的相位计算结果送入环路滤波器，作为环路滤波器的误差信号。

环路滤波器依据每一个数据块的相位信息，通过误差积分以后，输出DDS频率合成器的误差控制字，实现DDS频率合成器的输出频率实时追踪被测电网信号，达到同步采样的目的。

环路滤波器根据连续两个数据块的相位误差信息，控制DDS频率合成器输出同步追踪参考频率。DDS频率合成器输出的频率和连续两个数据块的相位误差信息的关系为：

Fddsn＝Fddsp+A*(Phi[k]-Phi[k-1])；

上式中：Fddsn是DDS频率合成器的当前输出频率；Fddsp是DDS频率合成器的上一输出频率；A是环路的增益；Phi[k]和Phi[k-1]是通过单频DFT计算得到的连续两个数据块的相位信息。通过调整A的大小，可以调整环路的动态特性。

通过单频DFT计算的相位信息，在输入电网信号稳定可靠的状态下，可直接送入环路滤波器，实现稳定频率追踪。当输入电网信号出现大波动(骤升、骤降或者短时中断)时，通过单频DFT计算的数据块的相位信息，会出现较大波动，如果此时送入环路滤波器，会导致环路出现波动，导致同步采样系统出现抖动。因此，本发明通过跳变检测单元对电网信号进行跳变检测，若跳变检测单元检测到电网信号中存在骤升、骤降或者短时中断等的大波动跳变时，则跳变检测单元阻止频率/相位计算单元将单频DFT计算结果送入环路滤波器，频率/相位计算单元直接抛弃通过单频DFT计算得到的相位信息，由跳变检测单元继续对电网信号进行跳变检测，待跳变检测单元判断输入电网重新达到稳定状态后，频率/相位计算单元将通过单频DFT计算得到的相位信息记为Phi[0]，待下一次计算得到另一个新的相位信息Phi[1]后，将该连续两个数据块的相位计算结果送入环路滤波器，继续调整DDS频率合成器的输出，实现稳定频率追踪。

跳变检测单元检测电网信号中是否存在跳变的判断方式为：跳变检测单元根据连续的半周期有效值，计算得到一个滑动参考电压，计算公式为：

Usr(n)＝0.9967*Usr(n-1)+0.0033*Urms

上式中，Usr(n)表示当前滑动参考电压；Usr(n-1)表示上一滑动参考电压；Urms表示当前半周期有效值。需要说明的是，采样系统启动时，跳变检测单元判断半周期有效值是否超过一定阈值，对于半周期有效值超过一定阈值的情况，则认为有有效的信号加入到系统输入端口，此时可将初始信号设定为初始的滑动参考电压。

根据半周期有效值进行跳变检测，其原理为：当电压变化量超过滑动参考电压的10％时，就认为产生了跳变。

R＝|[Urms-Usr(n)]|/Usr(n)

Urms表示当前半周期有效值，Usr(n)表示当前滑动参考电压，“‖”为绝对值。

如果R超过10％，就判断为发生了跳变。当跳变检测单元检测到发生了跳变时，就不再将半周期有效值送入滑动参考电压公式计算，从而保持原有的滑动参考电压不变。

在电网输入信号出现短暂的尖峰(比如持续5μs的尖峰)时，半周期有效值并不会出现明显的跳动。本发明通过引入瞬变检测单元，当瞬变检测单元检测到输入电网信号有瞬变时，瞬变检测单元阻止频率/相位计算单元将通过单频DFT计算得到的相位信息送入环路滤波器，频率/相位计算单元直接抛弃通过单频DFT计算得到的相位信息。当瞬变消失后，频率/相位计算单元将通过单频DFT计算得到的相位信息记为Phi[0]，待下一次计算得到另一个新的相位信息Phi[1]后，将该连续两个数据块的相位计算结果送入环路滤波器，继续调整DDS频率合成器的输出，实现稳定频率追踪。

当输入电网信号短暂中断后，频率/相位计算单元失去了参考信号，无法连续鉴频鉴相，此时由DDS频率合成器作为本地的采样频率保持单元。本发明在失去电网输入信号后，频率/相位计算单元不再提供误差信息，DDS频率合成器就维持当前频率稳定运行，实现无缝稳定运行。克服了传统PLL同步采样方法失去电网信号输入以后PLL就会失锁的问题，待电网恢复以后，又需要重新锁定。传统PLL重新锁定过程中，会导致电网刚恢复时的谐波分析和电网电压测量不准确，失去参考意义。本发明在电网中断以后，DDS频率合成器无缝维持提供同步采样频率，在电网恢复供电时，频率/相位计算单元重新进行单频DFT计算，这时，只需要先计算一次供电恢复后的相位信息做为Phi[0]，保存在RAM中，继续计算下一数据块的相位信息得到Phi[1]后，再送入环路滤波器，整个环路不需要重新捕获，而是处于继续追踪状态，不存在重新锁定的暂态过程。

Claims

1.一种带频率保持功能的快速追踪同步采样系统，其特征是，包括A/D转换器、鉴频鉴相器、环路滤波器、DDS频率合成器和锁相环；所述A/D转换器用于采集被测电网信号并进行模数转换，转换后的电信号输出给所述鉴频鉴相器；

所述跳变检测单元根据半周期有效值检测电信号中是否存在跳变，具体是：所述跳变检测单元根据半周期有效值进行跳变检测，当电压变化量超过滑动参考电压的10%时，就认为产生了跳变；否则认为电信号中不存在跳变；

R = |[Urms - Usr(n)]| / Usr(n)

式中，Urms表示当前半周期有效值；Usr(n)表示当前滑动参考电压；若R超过10%，则认为产生了跳变；

当前滑动参考电压Usr(n)的计算公式为：

Usr(n) = 0.9967*Usr(n-1) + 0.0033*Urms

Usr(n-1)表示上一滑动参考电压；

所述瞬变检测单元检测电信号中是否存在瞬变，具体是：所述瞬变检测单元首先根据半周期有效值的计算结果和对应的标称频率，控制瞬变检测阈值，若电压变化量超过瞬变检测阈值，则认为存在瞬变，否则认为电信号中不存在瞬变；

2.根据权利要求1所述的带频率保持功能的快速追踪同步采样系统，其特征是，所述频率/相位计算单元根据所述A/D转换器输出的电信号进行单频DFT计算，具体是：所述频率/相位计算单元首先将A/D转换器输出的数据进行分块，然后对每块数据逐一进行单频DFT计算，得到每一数据块的相位；

Fddsn = Fddsp + A * (Phi[k] - Phi[k-1])

3.根据权利要求2所述的带频率保持功能的快速追踪同步采样系统，其特征是，信号捕获时，所述频率/相位计算单元根据所述A/D转换器输出的电信号进行CZT计算，并将计算结果送至所述环路滤波器，所述环路滤波器获取频率/相位计算单元输出的CZT计算结果，并将CZT计算结果乘以409.6作为DDS频率合成器输出的初始化值。

4.根据权利要求1所述的带频率保持功能的快速追踪同步采样系统，其特征是，所述半周期有效值计算单元计算电网信号的半周期有效值，具体是：所述半周期有效值计算单元每次计算整个周期的有效值，每相邻两个整周期有效值计算时采用重叠半个周期的方式，即实现了半周期刷新，计算所得结果称之为半周期有效值。

5.根据权利要求1所述的带频率保持功能的快速追踪同步采样系统，其特征是，在所述锁相环内部存在一个环路滤波器，所述锁相环内部的环路滤波器用于抑制DDS频率合成器输出频率的跳变；通过增大锁相环内部环路滤波器的环路带宽，以使其不会对整个采样系统的环路特性造成影响。