CN113671245A - 内置时域积分功能的数字接口及时域下一次电压采集方法 - Google Patents

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刘坤雄
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李丰仪
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赵铭
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Electric Power Research Institute of State Grid Shanxi Electric Power Co Ltd
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Electric Power Research Institute of State Grid Shanxi Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种内置时域积分功能的数字接口及时域下一次电压采集方法，数字接口主要包括由信号适配器、信号采集板、时域积分模块及I/O口；其连接结构为：信号适配器与信号采集板适配；信号采集板采集的数据传输至时域积分模块；时域积分模块与I/O口连接输出电压信号。本发明主要解决目前利用CVT测量谐波电压多采用的频域下只能进行谐波电压测量，不具备电压偏差、电压三相不平衡、负序电压等连续型和电压暂降、电压暂升等事件型等电能质量指标的测量，结果分析空间小，且检测系统现场改造难度高的问题。

Description

内置时域积分功能的数字接口及时域下一次电压采集方法
技术领域
本发明属于信号及时处理技术领域，具体涉及一种内置时域积分功能的数字接口及时域下一次电压采集方法。
背景技术
近年来特高压直流和柔性输电工程建设不断加快，电气化铁路、冶炼、新能源及城市轨道交通等干扰源不断增多，电网中的非线性负荷渗透率逐年攀升，公用电网中的谐波等电能质量问题日益突出，对电网中以工频为设计依据的各类敏感设备的正常运行造成了较大威胁，大大增加了设备和电网的运行成本。近年来电力系统中的谐波电压问题呈现出区别于传统技术认知的新特征和新要求，因此亟需提高对电网谐波的监测能力。
目前在高电压等级的现场大量应用的电容式电压互感器(CVT)在测量谐波信号时，由电容分压器等值电容和补偿电抗器电感组成的工频串联谐振回路工作点将发生偏离，变比的幅频和相频特性呈现严重的非线性，对谐波的传递存在严重的畸变，因此国标GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》明确指出电容式电压互感器(CapacitorVoltage Transformer,CVT)不能用于谐波测量。而基于CVT的各种经典的谐波电压测量方法在准确度和经济性方面均存在一定的问题，不能实现对谐波电压的准确测量。目前CVT谐波电压测量计算方法多是在频域条件下实现，其最后得到的结果为各频域下的谐波电压值，频域下只能进行谐波电压测量，不能为电压偏差、电压三相不平衡、负序电压等连续型和电压暂降、电压暂升等事件型等电能质量指标的测量提供基础，且目前测量系统现场改造难度高的问题也待解决。
综上所述，目前频域下的CVT谐波测量结果分析空间小，且检测系统不适合现场实验，现场改造难度高，拥有改进的空间。
发明内容
本发明主要解决目前利用CVT测量谐波电压只能在频域下进行谐波电压测量，测量得到的结果为各次谐波的电压幅值与相角，相较于时域下的连续电压波形，不利于后续电压偏差、频率偏差、电压波动与闪变、三相电压不平衡等连续型和电压暂降、电压暂升及短时中断等事件型等电能质量指标的测量，结果分析空间小，且检测系统现场改造难度高的问题。
为达到上述目的，本发明所述一种内置时域积分功能的数字接口，包括信号适配器、信号采集板、时域积分模块及I/O口；信号适配器与信号采集板适配，信号采集板的输出端与时域积分模块的输入端连接；时域积分模块的输出端与I/O口连接，输出电压信号；所述信号适配器用于实现输入信号与A/D采样环节的适配；所述信号采样板用于对信号适配器输入电流信号的采样，得到采样脉冲，并对采样脉冲进行采样频率的调整，使其符合实际工程信号采样要求；时域积分模块接收来自信号采集板的采样信号，并对采样信号进行时域积分，得到电压信号，输出电压信号传输至I/O口。
进一步的，I/O口包括光纤数据传输接口，光纤数据传输接口与外接数字式电能质量分析装置相连，实现电压监测。
进一步的，I/O口包括时钟校准接口，时钟校准接口与时钟源连接，用于输出信号时钟与标准信号时钟的校准。
进一步的，I/O口包括B码对时口，B码对时口与时钟源或外接信号源连接，用于信号同步。
进一步的，采集单元安装于电容式电压互感器底座下方。
一种基于上述的数字接口的时域下一次电压采集方法，包括以下步骤：
S1、从挂网运行的CVT一次侧采集模拟电容电流信号到信号适配器；
S2、信号适配器实现输入模拟电容电流信号与A/D采样的适配，信号采集板将一次采样的模拟电容电流信号转换成到数字信号，得到数字式电容电流，并发送至时域积分模块；
S3、时域积分模块根据接收到的数字式电容电流，结合CVT电容的容值，计算CVT一次侧电压；
S4、将一次侧电压传输至I/O口，I/O口按照通信规约将电压波形输送至电能质量终端。
进一步的，步骤S4之前，对实时CVT一次侧电压进行二次采样，得到整周期时域CVT一次侧电压信号。
进一步的，采用拉格朗日插值的方法进行二次采样。
进一步的，CVT一次侧电压的计算公式为：
Figure BDA0003218666230000031
其中，uin(t)为CVT一次侧电压，C1、C2分别为设置的CVT高压电容、低压电容容值，uC1、uC2分别为高压电容、低压电容两端电压，iC1、iC2分别为流过高压电容、低压电容的电容电流。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
(1)将信号采集单元、模数转换模块、时域积分器以及电压信号处理分析模块统一结合，将电容电流积分计算实现CVT一次侧电压还原一体化，有效实现对电网电压的实时监控，获得时域下的连续一次电压波形，便于后续电压偏差、频率偏差、电压波动与闪变、三相电压不平衡等连续型和电压暂降、电压暂升及短时中断等事件型等电能质量指标的测量。
(2)信号适配器直接采集电流互感器传输的电容电流，输出满足IEC61850-9-2规约的数字时域一次电压信号，传输至电能质量终端，整个测量环节可实现挂网运行。
(3)本发明所述的方法，对比目前常用的谐波电压测量技术，得到的结果为连续的一次电压波形，即可实现时域条件下的连续测量；通过对该连续波形进行分析，可为更多的谐波指标评估提供基础，并且该发明与采集CVT的电容电流的一体式微电流互感器配合使用，可直接采集模拟电流信号并处理，降低工程实际上谐波电压检测的现场改造难度。
(4)本发明直接采集CVT一次侧电容模拟电流信号作为输入信号，输入信号及输出的时域下一次侧连续电压信号均不受CVT内部电磁单元结构的影响，测量结果准确度较高。输出的时域下一次侧连续电压信号通过外接电能质量分析仪分析，可得到谐波电压值、相角及畸变率等结果。
附图说明
图1是本发明内含时域积分功能的数字接口工作原理图；
图2是本发明内含时域积分功能的数字接口结构示意图；
图3是本发明内含时域积分功能的数字接口运行流程图。
附图中：1-信号适配器；2-信号采集板；3-时域积分模块；4-I/O口。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图2，一种内置时域积分功能的数字接口，由信号适配器1、信号采集板2、时域积分模块3及I/O口4构成。其连接结构为：信号适配器1与信号采集板2适配；信号采集板2的输出端与时域积分模块3的输入端连接；时域积分模块3的输出端与I/O口4连接，输出电压信号；
信号适配器1在IRIG-B(B码)时钟信号的同步作用下，实现微电流互感器采集的模拟电流信号与模拟数字转换器ADC的A/D采样环节的信号同步适配；信号采样板2包括模拟数字转换器ADC和微控制单元MCU，模拟数字转换器ADC包括A/D采样、保持、编码和量化环节，信号采样板2在微控制单元MCU的控制下实现对信号适配器1输入电流信号的等间隔采样，得到采样脉冲，并对采样脉冲进行采样频率的调整，使其符合实际工程信号采样要求；时域积分模块3接收来自信号采集板2的采样信号，并对采样信号进行时域积分，得到连续电压信号，输出电压信号传输至I/O口4；I/O口4主要包括时钟校准接口、B码对时口以及光纤数据传输接口，光纤数据传输接口与外接数字式电能质量分析装置相连，由此完成谐波电压监测。时钟校准接口与时钟源连接，用于输出信号时钟与标准信号时钟的校准；B码对时口与时钟源或外接信号源连接，用于信号同步；
本发明所述的数字接口固定安装于电容式电压互感器CVT底座下方的水泥立柱上，接收一体式微电流传感器发送的电流模拟量，数字接口将模拟电容电流转化为数字量，并将数字电容电流信号进行时域积分，还原电网一次电压数字信号，以IEC61850-9-2报文格式输出；数字信号通过光纤将数据上传至数字式电能质量在线监测终端。
时域积分模块输出电压由式(1)计算而得，
Figure BDA0003218666230000061
其中C1、C2分别为设置的CVT高压电容容值、低压电容容值，uC1、uC2分别为CVT高压电容、低压电容两端电压，iC1、iC2分别为流过CVT高压电容、低压电容的电容电流。由信号采样板对电流进行采样，得到电容电流的数字信号后时域积分器对该时段的电流进行积分，得到CVT高压电容和低压电容两端电压值，对其进行加和还原CVT一次侧电压值。以电能质量指标中的电压闪变为例，根据得到的时域下CVT一次侧电压值，可计算得到观察周期内瞬时闪变视感度，并根据计算数值对电网电压闪变度进行评估。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，所述说明仅作示例用途，本发明的保护范围仍以权利要求书的保护范围为准。
参阅图1和图2，本发明的一种内置时域积分功能的数字接口，具体为一种基于CVT电容电流测量和时域积分还原一次侧电压的CVT一体化数字接口，由信号适配器1、信号采集板2、时域积分模块3及I/O口4构成，实现对CVT一次侧电压时域信号的测量与计算还原。其中，信号适配器1用于输入信号与A/D采样的适配，信号采集板2用于将AD采样环节采集到的电流模拟信号转换为数字信号。
时域积分模块3用于对采集的电流信号进行积分，得到该时段内的CVT一次侧电压波形：
Figure BDA0003218666230000062
其中C1、C2分别为设置的CVT高压电容、低压电容容值，uC1、uC2分别为高压电容、低压电容两端电压，iC1、iC2分别为流过高压电容、低压电容的电容电流。考虑到频率偏差、电压偏差、谐波(间谐波)、不平衡度的监测均需要对整周期信号做处理，因而对实时电压信号进行插值法的二次采样。
参阅图3，时域下一次电压采集方法，包括以下步骤：
(1)参阅图1和图2，将数字接口按照图1所示进行安装：从挂网运行的CVT一次侧采集模拟电容电流信号到信号适配器，由I/O口4输出数字一次电压信号至外接数字式电能质量终端。
(2)信号适配器1实现输入模拟电容电流信号与A/D采样的适配，信号采集板2完成一次采样的模拟电容电流信号到数字信号的转换，得到数字式电容电流，并发送至时域积分模块3。
(3)时域积分模块3根据信号采集板2发出的数字式电容电流，结合CVT电容的容值，根据下式计算CVT一次侧电压uin(t)：
Figure BDA0003218666230000071
其中C1、C2分别为设置的CVT高压电容、低压电容容值，uC1、uC2分别为高压电容、低压电容两端电压，iC1、iC2分别为流过高压电容、低压电容的电容电流。
(4)考虑到频率偏差、电压偏差、谐波(间谐波)、不平衡度的监测均需要对整周期信号做处理，而实际电网频率可能在50Hz附近上下波动，导致固定的采样点数可能并不对应整周期信号，因而时域积分模块3对实时CVT一次侧电压信号进行二次采样，得到整周期时域CVT一次侧电压信号。二次采样采取拉格朗日插值的方法。
(5)时域积分模块将积分所得的整周期时域CVT一次侧电压信号uin(t)传输至I/O口4，I/O口4按照IEC61850通信规约将电压波形输送至外部电能质量终端。
工作原理分析
本发明由信号适配器1、信号采集板2、时域积分模块3及I/O口4构成。信号适配器1实现输入信号与A/D采样的适配，信号采集板完成电流模拟信号到数字信号的转换，时域积分模块根据信号采集板接收到的电容电流，结合CVT电容的容值，利用时域积分法计算还原CVT一次侧电压，得到时域下的连续电压波形信号，并对信号进行二次采样。最后由I/O口按照IEC61850通信规约将电压波形输送至外部电能质量终端。本发明将测量、采集、计算环节一体化，减少中间操作环节，现场施工简单，工程量小，节约人力物力。本发明输出的电压信号为时域连续电压信号，可以实现电能质量多指标分析。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种内置时域积分功能的数字接口，其特征在于，包括信号适配器(1)、信号采集板(2)、时域积分模块(3)及I/O口(4)；信号适配器(1)与信号采集板(2)适配，信号采集板(2)的输出端与时域积分模块(3)的输入端连接；时域积分模块(3)的输出端与I/O口(4)连接，输出电压信号；
所述信号适配器(1)用于实现输入信号与A/D采样环节的适配；所述信号采样板(2)用于对信号适配器(1)输入电流信号的采样，得到采样脉冲，并对采样脉冲进行采样频率的调整，使其符合实际工程信号采样要求；时域积分模块(3)接收来自信号采集板(2)的采样信号，并对采样信号进行时域积分，得到电压信号，输出电压信号传输至I/O口(4)。
2.根据权利要求1所述的一种内置时域积分功能的数字接口，其特征在于，所述I/O口(4)包括光纤数据传输接口，光纤数据传输接口与外接数字式电能质量分析装置相连，实现电压监测。
3.根据权利要求1所述的一种内置时域积分功能的数字接口，其特征在于，所述I/O口(4)包括时钟校准接口，时钟校准接口与时钟源连接，用于输出信号时钟与标准信号时钟的校准。
4.根据权利要求1所述的一种内置时域积分功能的数字接口，其特征在于，所述I/O口(4)包括B码对时口，B码对时口与时钟源或外接信号源连接，用于信号同步。
5.根据权利要求1所述的一种内置时域积分功能的数字接口，其特征在于，所述采集单元安装于电容式电压互感器底座下方。
6.一种基于权利要求1所述的数字接口的时域下一次电压采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、从挂网运行的CVT一次侧采集模拟电容电流信号到信号适配器(1)；
S2、信号适配器(1)实现输入模拟电容电流信号与A/D采样的适配，信号采集板(2)将一次采样的模拟电容电流信号转换成到数字信号，得到数字式电容电流，并发送至时域积分模块(3)；
S3、时域积分模块(3)根据接收到的数字式电容电流，结合CVT电容的容值，计算CVT一次侧电压；
S4、将一次侧电压传输至I/O口(4)，I/O口(4)按照通信规约将电压波形输送至电能质量终端。
7.根据权利要求6所述的时域下一次电压采集方法，其特征在于，在步骤S4之前，对实时CVT一次侧电压进行二次采样，得到整周期时域CVT一次侧电压信号。
8.根据权利要求7所述的时域下一次电压采集方法，其特征在于，采用拉格朗日插值的方法进行二次采样。
9.根据权利要求6所述的时域下一次电压采集方法，其特征在于，CVT一次侧电压的计算公式为：
Figure FDA0003218666220000021
其中，uin(t)为CVT一次侧电压，C1、C2分别为设置的CVT高压电容、低压电容容值，uC1、uC2分别为高压电容、低压电容两端电压，iC1、iC2分别为流过高压电容、低压电容的电容电流。
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