CN113884773A - 基于超低频余弦方波的参数采集电路和介损角计算方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了基于超低频余弦方波的参数采集电路和介损角计算方法，电路包括：余弦方波控制发生器分别与分压电阻和电流互感器电连接，余弦方波控制发生器用于产生超低频余弦方波，并控制超低频余弦方波电源的极性切换；信号增益模块的输入端分别与分压电阻和电流互感器电连接，且信号增益模块的输出端与采集卡电连接；采集卡的输出端与处理模块通信连接，且采集卡与余弦方波控制发生器通信连接，用于接收触发信号后高频采集参数。本申请解决了现有技术无法有效采集超低频余弦方波电源在极性切换过程中的运行参数，导致基于参数计算得到的介质损耗角缺乏可靠性的技术问题。

Description

基于超低频余弦方波的参数采集电路和介损角计算方法

技术领域

本申请涉及数据采集技术领域，尤其涉及基于超低频余弦方波的参数采集电路和介损角计算方法。

背景技术

介质损耗是配电电缆状态监测的重要指标之一，介质损耗是指绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗，简称介损。在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角(功率因数角Φ)的余角δ称为介质损耗角，通过测量或计算介质损耗角可评估介质损耗情况。现场测试时通常对被测电缆施加低频交流信号，直接测量交流电压、电流的幅值和相位角作为介质损耗角计算的关键参数缺乏一定的准确性。

而现有的超低频余弦方波电源存在正负电源极性切换的情况，且维持时间较短，采集的主要是维持时间较长的信号状态。在正负电源切换的过程中，最高电压可达到±30kV，如果在对介质损耗测试过程中的电缆施加超低频余弦方波信号，仅关注正负电源维持状态，则计算出的介质损耗角缺乏准确性和可靠性。

发明内容

本申请提供了基于超低频余弦方波的参数采集电路和介损角计算方法，用于解决现有技术无法有效采集超低频余弦方波电源在极性切换过程中的运行参数，导致基于参数计算得到的介质损耗角缺乏可靠性的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了基于超低频余弦方波的参数采集电路，包括：余弦方波控制发生器、分压电阻、电流互感器、信号增益模块、采集卡和处理模块；

所述余弦方波控制发生器分别与所述分压电阻和所述电流互感器电连接，所述余弦方波控制发生器用于产生超低频余弦方波，并控制超低频余弦方波电源的极性切换；

所述信号增益模块的输入端分别与所述分压电阻和所述电流互感器电连接，且所述信号增益模块的输出端与所述采集卡电连接；

所述采集卡的输出端与所述处理模块通信连接，且所述采集卡与所述余弦方波控制发生器通信连接，用于接收触发信号后高频采集参数。

可选的，还包括：通信模块；

所述通信模块包括光纤适配器和WIFI模块；

所述通信模块与所述处理模块通信连接，用于将采集的参数传输至上位机进行参数综合分析。

可选的，所述电流互感器还与被测电缆的线芯电连接。

可选的，所述余弦方波控制发生器包括电源控制器和余弦方波发生器；

所述电源控制器与所述余弦方波发生器之间电连接，且所述余弦方波发生器接地。

可选的，所述分压电阻包括两个阻值不等的电阻，且两个所述阻值不等的电阻之间串联。

可选的，所述信号增益模块包括电压增益模块和电流增益模块；

所述电压增益模块的输入端与所述分压电阻电连接，输出端与所述采集卡电连接；

所述电流增益模块的输入端与所述电流互感器电连接，输出端与所述采集卡电连接。

本申请第二方面提供了基于超低频余弦方波的介损角计算方法，包括：

采用第一方面中任一种基于超低频余弦方波的参数采集电路采集超低频余弦方波电源的极性切换过程的电压信号和电流信号；

根据所述电压信号和所述电流信号计算电压与电流之间的相位差和波形角频率；

基于所述相位差、所述波形角频率和预置波形衰减系数计算介损角。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请中，提供了基于超低频余弦方波的参数采集电路，包括：余弦方波控制发生器、分压电阻、电流互感器、信号增益模块、采集卡和处理模块；余弦方波控制发生器分别与分压电阻和电流互感器电连接，余弦方波控制发生器用于产生超低频余弦方波，并控制超低频余弦方波电源的极性切换；信号增益模块的输入端分别与分压电阻和电流互感器电连接，且信号增益模块的输出端与采集卡电连接；采集卡的输出端与处理模块通信连接，且采集卡与余弦方波控制发生器通信连接，用于接收触发信号后高频采集参数。

本申请提供的基于超低频余弦方波的参数采集电路，通过余弦方波控制发生器产生超低频余弦方波电源，并给采集卡发送触发信号，促使采集卡进行电压和电流信号的采集操作，采集卡的采样方式是高频采样，因此可以针对性的获取到电源极性切换过程中的参数，而精准的获取电源极性切换过程中的参数有利于计算到准确度较高的介质损耗角。因此，本申请能够解决现有技术无法有效采集超低频余弦方波电源在极性切换过程中的运行参数，导致基于参数计算得到的介质损耗角缺乏可靠性的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的基于超低频余弦方波的参数采集电路结构示意图；

图2为本申请实施例提供的基于超低频余弦方波的介损角计算方法流程示意图；

图3为本申请实施例提供的超低频余弦方波波形图；

图4为本申请实施例提供的超低频余弦方波电源极性切换过程电流回路示意图；

图5为本申请实施例提供的超低频余弦方波电源极性切换过程电压回路示意图；

附图标记：

分压电阻1；电流互感器2；采集卡3；处理模块4；电源控制器5；余弦方波发生器6；电压增益模块7；电流增益模块8；光纤适配器9；WIFI模块10；上位机11。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的基于超低频余弦方波的参数采集电路的实施例，包括：余弦方波控制发生器、分压电阻1、电流互感器2、信号增益模块、采集卡3和处理模块4。

余弦方波控制发生器分别与分压电阻1和电流互感器2电连接，余弦方波控制发生器用于产生超低频余弦方波，并控制超低频余弦方波电源的极性切换。

其中余弦方波控制发生器可以产生电源正负电压换向时无噪音的超低频余弦方波电源，针对现场试验要求，最高输出电压应不小于±30kV，也就是极性切换时可能产生的最大电压；另外还需要控制超低频余弦方波电源的变化过程。分压电阻1用于提取电压信息，而电流互感器2用于采集电流信息。

进一步地，余弦方波控制发生器包括电源控制器5和余弦方波发生器6；电源控制器5与余弦方波发生器6之间电连接，且余弦方波发生器6接地。余弦方波发生器6用于产生超低频余弦方波电源，而电源控制器5则用于控制电源正负向，也就是电源的极性切换；另外，电源控制器5还要通过光电转换器向高电位采集卡3发送触发信号。

信号增益模块的输入端分别与分压电阻1和电流互感器2电连接，且信号增益模块的输出端与采集卡3电连接。信号增益模块主要是对获取到的电流和电压信号进行增益调整，便于提高信号的信噪比。采集卡3则提供采集信号的采集频率，控制采集频率可以获取到不同情况下的信号。

进一步地，分压电阻1包括两个阻值不等的电阻，且两个阻值不等的电阻之间串联。请参阅图1，其中两个电阻R1和R2与余弦方波发生器6串联，且试验要求R1的阻值要远小于R2的阻值，进入采样环节时的电压值V_采样和电源电压值V_电源之间的关系是：

进一步地，信号增益模块包括电压增益模块7和电流增益模块8；电压增益模块7的输入端与分压电阻1电连接，输出端与采集卡3电连接；电流增益模块8的输入端与电流互感器2电连接，输出端与采集卡3电连接。信号增益模块需要分别对电压和电流都进行增益处理，因此，可以分别采用电压增益模块7和电流增益模块8对电压和电流进行处理。

进一步地，电流互感器2还与被测电缆的线芯电连接。电流互感器2是直接串入被测电缆的线芯，采用电磁感应的方式测量流经被测电缆线芯的电流，用于介质损耗的试验中。直接获取被测电缆线芯的电流，可以更真实的反映流经电力电缆线芯的实际电流。

采集卡3的输出端与处理模块4通信连接，且采集卡3与余弦方波控制发生器通信连接，用于接收触发信号后高频采集参数。采集卡3主要是用于电压信号和电流信号的数字化高速采样，采用高速FPGA作为主控元件，采样率不低于200MHz，分辨率不低于12bit，可通过串口、USB或WIFI进行传输数据，采集卡3接收外部触发脉冲，本实施例是接收余弦方波控制发生器的触发信号；采用外部触发脉冲信号作为触发源进行数据采集，采集时间不小于6ms，可确保覆盖余弦方波电源的极性切换全过程。采用不低于200MHz的高速采样可以精确的采集并还原超低频余弦方波电源换向时电压电流幅值和相位。

处理模块4中主要是对采集到的一系列信号进行一些基本处理，例如去噪、加密、压缩和存储等操作，并在必要的情况下将信号发送出去。

进一步地，还包括：通信模块；通信模块包括光纤适配器9和WIFI模块10；通信模块与处理模块4通信连接，用于将采集的参数传输至上位机11进行参数综合分析。采用WIFI或者光纤作为数据传输的载体，实现高低压电位有效绝缘和隔离。WIFI模块10可以做工在点对点模式和路由模式下；光纤适配器9的通信接口可以采用串口或者网口，具体的可以自行根据实际情况选取，在此不作限定。

除此之外，还需要配置电池用于供电，负极连接高压端；还可以为整个系统装置设置参考电位，参考电位连接高压端，实际中还要考虑对地安全距离，具体的根据需要进行设置，在此不作限定。

请参阅图3，超低频余弦方波高压电源的频率通常为0.1Hz，一个完整周期的电源波形时间为10s，正负电压维持的阶段通常用于耐压试验，电源正负换向时间根据电缆长度不同而有所差异，通常换向时间为2～6ms。本实施例在电源换向时进行信号采集。超低频余弦方波电源的正负电压维持阶段可等效为直流电源，对本实施例中的试验无较大意义，因此，本实施例仅关注电源换向阶段电压电流的精确采样。具体的流程为：

超低频余弦方波正电压维持约5s时，电源控制器5在控制余弦方波发生器6切换电源极性之前，通过发送一个触发脉冲至采集卡3，因采集卡3参考电位为高压电位，此触发脉冲经电/光、光/电转换传输至采集卡3，采集卡3接收到此触发脉冲后开始进行电压电流信号信号采集，采集时间长度不低于6ms，可覆盖电源由正向换向至负向全过程。超低频余弦方波电源换向至负电压并维持5s，在负电压维持期间，电源控制器5不发送触发脉冲，采集卡3处于离线不工作状态。超低频余弦方波负电压维持约5s后，电源控制器5在控制余弦方波发生器6切换电源极性之前，通过发送一个触发脉冲至采集卡3，因采集卡3参考电位为高压电位，此触发脉冲经电/光、光/电转换传输至采集卡3，采集卡3接收到此触发脉冲后开始进行电压电流信号信号采集，采集时间长度不低于6ms，可覆盖电源由负向换向至正向全过程。

本申请实施例提供的基于超低频余弦方波的参数采集电路，通过余弦方波控制发生器产生超低频余弦方波电源，并给采集卡发送触发信号，促使采集卡进行电压和电流信号的采集操作，采集卡的采样方式是高频采样，因此可以针对性的获取到电源极性切换过程中的参数，而精准的获取电源极性切换过程中的参数有利于计算到准确度较高的介质损耗角。因此，本申请实施例能够解决现有技术无法有效采集超低频余弦方波电源在极性切换过程中的运行参数，导致基于参数计算得到的介质损耗角缺乏可靠性的技术问题。

为了便于理解，请参阅图2，本申请提供了基于超低频余弦方波的介损角计算方法的实施例，包括：

步骤201、采用上述电路实施例中任一种基于超低频余弦方波的参数采集电路采集超低频余弦方波电源的极性切换过程的电压信号和电流信号。

步骤202、根据电压信号和电流信号计算电压与电流之间的相位差和波形角频率。

步骤203、基于相位差、波形角频率和预置波形衰减系数计算介损角。

超低频余弦方波电源极性切换过程电压电流图如图4和5所示，L为高压电感，R3为系统等效电阻，C为试品等效电容，R4为试品的等效电阻。极性切换前试品的电压为预设的电压，极性切换开关闭合后，原本预充至预设电压的电容试品与高压电感组成振荡回路，由于系统有电阻的存在，超低频余弦方波电源极性切换为衰减的振荡电压波形半波，此过程属于二阶零输入响应。根据电路可以进行基于电流和电压的电路原理推理，得到介损角的正切值计算公式：

其中，θ为相位差，ω为波形角频率，λ为预置波形衰减系数。通过计算得到的正切值就能够获取到准确的介损角。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.基于超低频余弦方波的参数采集电路，其特征在于，包括：余弦方波控制发生器、分压电阻、电流互感器、信号增益模块、采集卡和处理模块；

所述余弦方波控制发生器分别与所述分压电阻和所述电流互感器电连接，所述余弦方波控制发生器用于产生超低频余弦方波，并控制超低频余弦方波电源的极性切换；

所述信号增益模块的输入端分别与所述分压电阻和所述电流互感器电连接，且所述信号增益模块的输出端与所述采集卡电连接；

所述采集卡的输出端与所述处理模块通信连接，且所述采集卡与所述余弦方波控制发生器通信连接，用于接收触发信号后高频采集参数。

2.根据权利要求1所述的基于超低频余弦方波的参数采集电路，其特征在于，还包括：通信模块；

所述通信模块包括光纤适配器和WIFI模块；

所述通信模块与所述处理模块通信连接，用于将采集的参数传输至上位机进行参数综合分析。

3.根据权利要求1所述的基于超低频余弦方波的参数采集电路，其特征在于，所述电流互感器还与被测电缆的线芯电连接。

4.根据权利要求1所述的基于超低频余弦方波的参数采集电路，其特征在于，所述余弦方波控制发生器包括电源控制器和余弦方波发生器；

所述电源控制器与所述余弦方波发生器之间电连接，且所述余弦方波发生器接地。

5.根据权利要求1所述的基于超低频余弦方波的参数采集电路，其特征在于，所述分压电阻包括两个阻值不等的电阻，且两个所述阻值不等的电阻之间串联。

6.根据权利要求1所述的基于超低频余弦方波的参数采集电路，其特征在于，所述信号增益模块包括电压增益模块和电流增益模块；

所述电压增益模块的输入端与所述分压电阻电连接，输出端与所述采集卡电连接；

所述电流增益模块的输入端与所述电流互感器电连接，输出端与所述采集卡电连接。

7.基于超低频余弦方波电源的介损角计算方法，其特征在于，包括：

采用权利要求1-6中任一种基于超低频余弦方波的参数采集电路采集超低频余弦方波电源的极性切换过程的电压信号和电流信号；

根据所述电压信号和所述电流信号计算电压与电流之间的相位差和波形角频率；

基于所述相位差、所述波形角频率和预置波形衰减系数计算介损角。

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