CN113156196A - 一种基于电子互感器的高频采样智能感知终端及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于电子互感器的高频采样智能感知终端及实现方法，所述终端包括电子互感器、模拟信号采集模块、高频采样模块、FPGA功能模块以及上位机；所述方法包括电子互感器将电网中电流信号转换为电压信号，模拟信号采集模块将电压信号调制成满足要求的模拟信号，高频采样模块将模拟信号转换为数字信号并处理得到信号的基波、简谐波和谐波幅值和相角，FPGA功能模块将得到的分析数据缓存和读取，并通过以太网接口将其发送至上位机。本发明具备工频电流、高频滤波及行波采集功能，通过对高频采样模块和FPGA功能模块进行改进，实现不低于1MHz的采样频率，从源头提升了电网信号捕捉能力。
Description
技术领域
本发明涉及电网电线信号智能感知采样技术领域，特别涉及一种基于电子互感器的高频采样智能感知终端及实现方法。
背景技术
近年来，配电网建设了较为完善的以配电自动化技术为主的监测系统，能对一般故障进行诊断隔离。据统计，约30％～40％左右的故障是可以预警的，但是目前在用的配电网监测设备无法有效采集配电网设备的弱特征故障、缺陷信息，因此需要准确提升配电网故障源特征采集和分析能力。配送电站有关的智能感知终端设备的使用，大大提高了整个系统在实际使用过程中的效率，另一个方面，可以通过对整个电力配电系统的不断完善，来达到真正意义上的无人化控制，大大简化了整个电力配电的操作流程，以及减少了在操作室的工作人员的数量。电力配电网络的连接通畅，非常需要自动化设备保驾护航。终端设备相当于整个电力配电系统的控制器，一头连接着所有的电气设备，而另一头则是整套电力系统的主站。
在电网系统运行过程中，一方面由于各种设备的复杂，运动形式多样，故障和故障发生的位置很难确定；另一方面为了实现配电网多种功能，各种设备会产生大量的数据，而不同设备之间的采样率不匹配。比如，目前电子互感器不能满足行波测距装置和电能质量监测装置对高频数据的需求。因此，我们需要提高电子互感器的采样频率，以便于提取大量高频连续的数据来更好地监测配电网运行状态。
公开号为CN111521898A的专利文件，该文件提供了一种电网宽频信号智能感知终端及实现方法，该终端及实现方法最高只能支持25.6kHz(即512点/周期)的采样频率，未能满足不低于1MHz的采样频率需求。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于电子互感器的高频采样智能感知终端及实现方法，所述终端及实现方法通过对电子互感器转换输出的电压信号进行滤波、相位和幅值调制，得出满足高频采样模块采样的模拟信号，高频采样模块采样分析的数据再经FPGA功能模块高速传送至上位机，实现1.024MHz(即20480点/周期)采样频率，解决当前电力系统运行过程中电子互感器采样频率偏低而不能满足行波测距和电能质量监测等装置高频采样问题，达到从源头提升信号捕捉能力目的。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于电子互感器的高频采样智能感知终端，包括电子互感器、模拟量采集模块、高频采样模块、FPGA功能模块、上位机；所述模拟量采集模块包括低通滤波、积分电路和比例电路；所述低通滤波输入端作为模拟量采集模块输入端与电子互感器输出端连接，低通滤波输出端与积分电路输入端连接；所述比例电路输入端与积分电路输出端连接，比例电路输出端作为模拟量采集模块输出端连接高频采样模块输入端；所述高频采样模块包括高采样率ADC芯片和FFT加窗插值；所述高采样率ADC芯片输入端作为高频采样模块输入端与模拟量采集模块的比例电路输出端连接，高采样率ADC芯片输出端与FFT加窗插值输入端连接；所述FFT加窗插值输出端作为高频采样模块输出端与FPGA功能模块输入端连接；所述FPGA功能模块包括FIFO存储器、DMA控制器和FPGA信号处理器；所述FIFO存储器输入端作为FPGA功能模块输入端与高频采样模块的FFT加窗插值输出端连接，FIFO存储器输出端与DMA控制器输入端连接；FPGA信号处理器输入端与DMA控制器输出端连接，FPGA信号处理器输出端作为FPGA功能模块的输出端与上位机连接。
可选的实施方式，所述电子互感器通过罗氏线圈将电网线路的电流信号转变成电压信号。
可选的实施方式，所述积分电路包括集成运算放大器U1、电容C2、电阻R6和电阻R7；所述电阻R6一端作为积分电路输入端VIN与低通滤波输出端相接，所述电阻R6的另一端与电阻R7的一端、电容C2的一端连接集成运算放大器U1的反向输入端；所述集成运算放大器U1的同向输入端接地，所述集成运算放大器的输出端与电阻R7的另一端、电容C2的另一端相接后作为积分电路的输出端VOUT与比例电路的输入端相接。
可选的实施方式，所述比例电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5；所述电阻R2的一端作为比例电路输入端VIN1与积分电路输出端相连，所述电阻2的另一端与电阻R1的一端、电阻R3的一端相接后作为比例电路第一输出端VIN+；所述电阻R1的另一端与电阻R4的一端相接后接入稳压电源1P1V8；所述电阻R4的另一端与电阻R5的一端相接后作为比例电路第二输出端VIN-；所述电阻R5的另一端与电阻R3的另一端相接后接地；所述比例电路第一输出端VIN+与第二输出端VIN-与高频采样模块的高采样率ADC芯片输入端相连。
可选的实施方式，所述高采样率ADC芯片设置为1.024MHz的采样频率(即20480点/周期)。
可选的实施方式，所述FPGA功能模块的FPGA信号处理器将数据通过以太网接口传输至上位机。
一种基于电子互感器的高频采样智能感知终端的实现方法，包括以下步骤：
第一步，采用电子互感器将电网线路的电流信号转换成电压信号输出给模拟量采集模块，经模拟量采集模块的低通滤波处理后由积分电路进行角度矫正，再经比例电路调制成幅值和相角满足要求的电压信号输出给高频采样模块。
第二步，高频采样模块通过设置的采样频率对电压信号采样获取等间隔的离散信号，再通过FFT加窗插值获得信号基波、简谐波和谐波的测量值，并输出到FPGA功能模块。
第三步，高频采样模块输出的测量值进入FPGA功能模块的FIFO存储器缓存，DMA控制器通过专用总线读取FIFO存储器的数据后传送给FPGA信号处理器，由FPGA信号处理器通过以太网接口传输至上位机。
可选的实施方式，第二步中，所述的高频采样模块采集电压信号时，按1.024MHz的采样频率(即20480点/周期)、采样后在ADC芯片的倍频时钟上升沿将数据移位存入寄存器模式来配置并初始化高采样率ADC芯片。
本发明公开了一种基于电子互感器的高频采样智能感知终端及实现方法，所述终端包括电子互感器、模拟信号采集模块、高频采样模块、FPGA功能模块以及上位机；所述方法包括采用电子互感器将电网的电流信号转换为电压信号，模拟信号采集模块将电压信号调制成满足要求的模拟信号，高频采样模块将模拟信号采集转换为数字信号并处理得到信号基波、简谐波和谐波的幅值和相角，FPGA功能模块将得到的分析数据缓存和读取，并通过以太网接口将其发送至上位机。本发明对电子互感器实现了1.024MHz的采样频率，具备工频电流、高频滤波及行波采集功能，解决了当前电力系统运行过程中电子互感器采样频率偏低而不能满足行波测距和电能质量监测等装置高频采样问题，达到了从源头提升信号捕捉能力目的。
附图说明
图1为一种基于电子互感器的高频采样智能感知终端的原理框图。
图2为积分电路的示意图。
图3为比例电路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
实施例一
一种基于电子互感器的高频采样智能感知终端，其原理框图如附图1所示。所述终端包括有电子互感器、模拟量采集模块、高频采样模块、FPGA功能模块、上位机，目的是提高对电网电信号的采样频率并把数据传输给上位机，需要实现数据的高频采集、高速处理和高速传输。终端中模拟量采集模块包括低通滤波、积分电路和比例电路，高频采样模块包括高采样率ADC芯片和FFT加窗插值，FPGA功能模块包括FIFO存储器、DMA控制器和FPGA信号处理器。各模块中各部份的连接方式如下：模拟量采集模块的低通滤波输入端与电子互感器输出端连接、输出端与积分电路输入端连接，比例电路输入端与积分电路输出端连接、输出端与高频采样模块的高采样率ADC芯片输入端连接；高采样模块的FFT加窗插值输入端与高采样率ADC芯片输出端连接、输出端与FPGA功能模块的FIFO存储器输入端连接；FPGA功能模块的DMA控制器输入端与FIFO存储器输出端连接、输出端与FPGA信号处理器输入端连接，FPGA信号处理器输出端作为FPGA功能模块的输出端与上位机连接。
实施例中，为适用于各种复杂设备、运行形式多样的需求，电子互感器采用罗氏线圈将电网线路的电流信号转变成小电压信号输出给模拟量采集模块的低通滤波部分，满足转换的同时也实现高低压隔离。
实施例中，电压信号经低通滤波后由积分电路对信号进行角度矫正、补偿相位，具体结构如附图2所示。积分电路包括集成运算放大器U1、电容C2、电阻R6和电阻R7。电阻R6的一端作为积分电路输入端VIN与低通滤波输出端相接，所述电阻R6的另一端与电阻R7的一端、电容C2的一端连接集成运算放大器U1的反向输入端。所述集成运算放大器U1的同向输入端接地，所述集成运算放大器U1的输出端与电阻R7的另一端、电容C2的另一端相接后作为积分电路的输出端VOUT与比例电路的输入端相接。
比例电路中，电阻R6和电容C2完成积分功能，而由于集成运算放大器U1一般存在输入偏置电压，积分电路的输出很快便会饱和，因此在电容C2两端并联电阻R7，消耗电容的累积电荷。对于高次谐波，电子互感器的罗氏线圈微分作用使越高次的谐波幅值越被放大，而积分电路中越高次的谐波幅值越被衰减，因此刚好抵消，整体的幅频特性会与基波基本一致。相角误差在基波时最大，随着谐波次数的增加而减小。
实施例中，经积分电路进行角度矫正、补偿相位后的电压信号进入比例电路进行幅值调整，具本比例电路结构如附图3所示。比例电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5。电阻R2的一端作为比例电路输入端VIN1与积分电路输出端相连，所述电阻R2的另一端与电阻R1的一端和电阻R3的一端相接后作为比例电路第一输出端VIN+，所述电阻R1的另一端与电阻R4的一端相接后接入稳压电源1P1V8，所述电阻R4的另一端与电阻R5的一端相接后作为比例电路第二输出端VIN-，所述电阻R5的另一端与电阻R3的另一端相接后接地。比例电路第一输出端VIN+与第二输出端VIN-与高频采样模块的高采样率ADC芯片输入端相连。
由于高采样率ADC芯片采集模拟量量程都比较小，而基于电子互感器的高频采样智能感知终端在应用于行波测距时，需要考虑在电网线路故障情况下电网线路电流瞬间增大、甚至达到30倍额定电流的情况。此时电子互感器转换后输入小电压信号幅值将超过ADC的量程，因此需要通过比例电路将输入信号幅值降低。比例电路设计比例1:7的衰减系数将信号峰值衰减至±1V以下。由于高采样率ADC芯片模拟量输入端采用差分输入，且正负两端的共模电压均不能为负，因此VIN+端需增加直流偏置，而VIN-端的直流偏置应与正端相同，以保证差分输入完全为交流量。
实施例中，高频采样模块的高采样率ADC芯片的采样频率设置为1.024MHz(即20480点/周期)对电压模拟信号进行采样转换为数字信号后传送给FFT加窗插值得信号的基波、简谐波和谐波的幅值和相角，并传送给FPGA功能模块FIFO存储器。
实施例中，FPGA功能模块的DMA控制器通过一组专用总线将内部和外部存储器相连接，把FIFO存储器的数据高速传输到FPGA信号处理器，由FPGA信号处理器将数据通过以太网接口传输至上位机，实现数据高速传送。
实施例二
一种基于电子互感器的高频采样智能感知终端的实现方法，包括以下步骤：
第一步，采用罗氏线圈式的电子互感器非接触式地将电网线路的电流信号转换成小电压信号输出给模拟量采集模块，在模拟量采集模块内部先由低通滤波对信号进行过滤、排除高频信号的干扰后，由积分电路进行角度矫正、相位补偿。积分电路原理框图如附图2所示，输入输出信号的传递函数如下：
其中，
幅频特性为：
相频特性为：
以上公式中，R6、R7分别表示电阻R6和电阻R7，C2表示电容C2，uo和ui分别表示输出、输入信号，ω表示角速度，ω0表示初始角速度，f0表示初始频率，A表示幅频特性，ψ表示相频特性。
积分电路输出信号再经比例电路调制成幅值满足要求的电压信号输出给高频采样模块，积分电路的原理框图如附图3所示，输入输出传递函数公式如下：
以上公式中，R1、R2、R3分别表示电阻R1、电阻R2、电阻R3，uIN+表示VIN+端的电压，uIN-表示VIN-端的电压，VD表示1P1V8端的电压,ui表示VIN1端电压。
第二步，在高频采样模块内部采用高采样率ADC芯片进行采样，把模拟量采集模块输入的电压模拟信号转换成数字信号。高采样率ADC芯片的采样频率设置为1.024MHz(即20480点/周期)，采样后在ADC芯片的倍频时钟上升沿将数据移位存入寄存器，然后再通过FFT加窗插值获得信号基波、简谐波和谐波的幅值和相位测量值输出到FPGA功能模块，实现了高频率的数据采集。
第三步，高频采样模块输出的测量值进入FPGA功能模块的FIFO存储器缓存后，DMA控制器读取FIFO存储器的数据后传送给FPGA信号处理器，由FPGA信号处理器将采样得到的量化数据通过以太网接口传输至上位机，满足了高频率数据采集的传输。
本发明公开了一种基于电子互感器的高频采样智能感知终端及实现方法，所述终端包括电子互感器、模拟信号采集模块、高频采样模块、FPGA功能模块以及上位机；通过所述电子互感器来测量电网线路的电流信号，满足用于各种复杂设备、运行形式多样的需求，实现检测高低压隔离。同时用模拟信号采集模块对原始检测信号进行调制以满足高频采样的需求，用FPGA功能模块实现数据的高速传输，实现了1.024MHz的电子互感器采样频率和数据输送，兼容不同设备间的采样频率需求，具备工频电流、高频滤波及行波采集功能，解决了当前电力系统运行过程中电子互感器采样频率偏低而不能满足行波测距和电能质量监测等装置高频采样问题，达到了从源头提升信号捕捉能力目的。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于电子互感器的高频采样智能感知终端，包括电子互感器、模拟量采集模块、高频采样模块、FPGA功能模块、上位机，其特征在于，所述模拟量采集模块包括低通滤波、积分电路和比例电路；所述低通滤波输入端作为模拟量采集模块输入端与电子互感器输出端连接，低通滤波输出端与积分电路输入端连接；所述比例电路输入端与积分电路输出端连接，比例电路输出端作为模拟量采集模块输出端连接高频采样模块输入端；所述高频采样模块包括高采样率ADC芯片和FFT加窗插值；所述高采样率ADC芯片输入端作为高频采样模块输入端与模拟量采集模块的比例电路输出端连接，高采样率ADC芯片输出端与FFT加窗插值输入端连接；所述FFT加窗插值输出端作为高频采样模块输出端与FPGA功能模块输入端连接；所述FPGA功能模块包括FIFO存储器、DMA控制器和FPGA信号处理器；所述FIFO存储器输入端作为FPGA功能模块输入端与高频采样模块的FFT加窗插值输出端连接，FIFO存储器输出端与DMA控制器输入端连接；FPGA信号处理器输入端与DMA控制器输出端连接，FPGA信号处理器输出端作为FPGA功能模块的输出端与上位机连接。
2.如权利要求1所述的基于电子互感器的高频采样智能感知终端，其特征在于，所述电子互感器通过罗氏线圈将电网线路的电流信号转变成电压信号。
3.如权利要求1所述的基于电子互感器的高频采样智能感知终端，其特征在于，所述积分电路包括集成运算放大器U1、电容C2、电阻R6和电阻R7；所述电阻R6一端作为积分电路输入端VIN与低通滤波输出端相接，所述电阻R6的另一端与电阻R7的一端、电容C2的一端连接集成运算放大器U1的反向输入端；所述集成运算放大器U1的同向输入端接地，所述集成运算放大器U1的输出端与电阻R7的另一端、电容C2的另一端相接后作为积分电路的输出端VOUT与比例电路的输入端相接。
4.如权利要求1所述的基于电子互感器的高频采样智能感知终端，其特征在于，所述比例电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和电阻R5；所述电阻R2的一端作为比例电路输入端VIN1与积分电路输出端相连，所述电阻R2的另一端与电阻R1的一端、电阻R3的一端相接后作为比例电路第一输出端VIN+；所述电阻R1的另一端与电阻R4的一端相接后接入稳压电源1P1V8；所述电阻R4的另一端与电阻R5的一端相接后作为比例电路第二输出端VIN-；所述电阻R5的另一端与电阻R3的另一端相接后接地；所述比例电路第一输出端VIN+与第二输出端VIN-与高频采样模块的高采样率ADC芯片输入端相连。
5.如权利要求1所述的基于电子互感器的高频采样智能感知终端，其特征在于，所述高采样率ADC芯片支持1.024MHz的采样频率。
6.如权利要求1所述的基于电子互感器的高频采样智能感知终端，其特征在于，所述FPGA功能模块的FPGA信号处理器将数据通过以太网接口传输至上位机。
7.一种基于电子互感器的高频采样智能感知终端的实现方法，其特征在于，应用于权利要求1至6中任一项所述的基于电子互感器的高频采样智能感知终端，包括以下步骤：
第一步，采用电子互感器将电网线路的电流信号转换成电压信号输出给模拟量采集模块，经模拟量采集模块的低通滤波处理后由积分电路进行角度矫正，再经比例电路调制成幅值和相角满足要求的电压信号输出给高频采样模块；
第二步，高频采样模块通过设置的采样频率对电压信号采样获取等间隔的离散信号，再通过FFT加窗插值获得信号基波、简谐波和谐波的测量值，并输出到FPGA功能模块；
第三步，高频采样模块输出的测量值进入FPGA功能模块的FIFO存储器缓存，DMA控制器通过专用总线读取FIFO存储器的数据后传送给FPGA信号处理器，由FPGA信号处理器通过以太网接口传输至上位机。
8.所权利要求7所述的基于电子互感器的高频采样智能感知终端的实现方法，其特征在于，第二步中，所述的高频采样模块采集电压信号时，按1.024MHz的采样频率、采样后在ADC芯片的倍频时钟上升沿将数据移位存入寄存器模式来配置并初始化高采样率ADC芯片。
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| Title |
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