CN114113794B - 一种基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用阻抗检测技术改进领域，提供一种基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测方法，包括：S1、在线缆末端并联辅助电容并注入频率为f sin的正弦电压；S2、对正弦电压和线缆响应电流和电压进行采样存储；S3、通过快速傅里叶变换和频谱分析得到激励电压和响应电流信号的幅频曲线和相频曲线；S4、对幅频曲线和相频曲线进行参数识别获得f sin处对应的电压、电流的幅值和相角；S5、根据获得的幅值和相角计算得到线缆源端输入阻抗的模和相角；S6、在满足函数式下，线缆阻抗等效参数式联立线缆源端输入阻抗的模和相角计算得到当前线缆的电阻和自感值。通过激励信号和辅助电容便可以准确得到线缆实时电阻和自感值，逻辑简单，易于实现。

Description

一种基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测方法
技术领域
本发明属于阻抗检测技术改进领域，尤其涉及一种基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测方法。
背景技术
用于远距离输电的线缆具有较大电阻和自感，因此电源的远端负载系统输入电压会小于电源的实际输出电压。尤其是低压大电流应用场合，线缆电阻造成的压降较大，并且阻值会随环境因素发生变化从而影响负载系统正常工作。当负载系统出现扰动时，可能会造成线缆末端电压出现波动，由于远距离线缆电感值较大，电源未必能及时响应，可能会使负载系统出现故障或进入保护状态。
现有的长线缆阻抗检测方法主要是通过在线缆末端并联一个足够大的电容以实现负载端较低的交流阻抗，通过连续调制到负载系统的电流来测量由于线路电阻而产生的电压变化，计算得到线缆电阻值，从而进行线缆压降补偿。但是这种方法未能实现线缆自感的检测，使得线缆阻抗模型不完整，不利于电源系统的动态分析和正常工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测方法，旨在解决上述的技术问题。
本发明是这样实现的，一种基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测方法，该检测方法基于的电源系统由电压源、线缆等效总电阻、线缆等效自感、辅助电容或二次电源输入端的滤波电容、负载或二次电源组成，所述基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测方法包括以下步骤：
S1、在线缆末端并联辅助电容或利用二次电源输入端的滤波电容并在电源端注入频率为fsin的正弦电压；
S2、对正弦电压和线缆响应电流和电压进行采样并将数据进行存储；
S3、通过快速傅里叶变换(FFT)和频谱分析得到激励电压和响应电流信号的幅频曲线和相频曲线；
S4、对幅频曲线和相频曲线进行参数识别获得fsin处对应的电压、电流的幅值和相角；
S5、根据获得的幅值和相角计算得到线缆源端输入阻抗的模和相角；
S6、在满足函数式下，线缆阻抗等效参数式联立线缆源端输入阻抗的模和相角计算得到当前线缆的电阻和自感值。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤S5中根据函数式获得线缆源端输入阻抗的模和相角，其中，线缆源端输入阻抗的模函数式为线缆源端输入阻抗的相角函数式为/>Zv_fsin、Zi_fsin为fsin处对应的电压、电流的幅值，/>为fsin处对应的电压、电流的相角。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤S6中所述线缆阻抗可等效为Z＝Rs+j(2πfsinLs)，其中，Rs为当前线缆实际总电阻，Ls为当前线缆实际自感值，j为数学上复数的表达形式，无明确含义，fsin为所需正弦电压的工作频率。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤S1中还包括以下步骤：
S11、设正弦电压的工作频率为fsin；
S12、注入线缆源端后使线缆末端的电压在正弦电压激励下近似为0；
S13、使得辅助电容或二次电源输入端的滤波电容和正弦电压频率满足函数式，函数式：其中，Caux为所需的最小辅助电容，Rs_min取最小配线电阻，Ls_min取最小配线电感，fsin为所需正弦电压的工作频率。
本发明的进一步技术方案是：所述步骤S2中对采样的电流和电压数据进行处理后存储到CPU中。
本发明的另一目的在于提供一种基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测系统，该检测系统基于的电源系统由电压源、线缆等效总电阻、线缆等效自感、辅助电容或二次电源输入端的滤波电容、负载或二次电源组成，所述基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测系统包括
电压注入模块，用于在线缆末端并联辅助电容或利用二次电源输入端的滤波电容并在电源端注入频率为fsin的正弦电压；
采样存储模块，用于对正弦电压和线缆响应电流和电压进行采样并将数据进行存储；
计算幅相频曲线模块，用于通过快速傅里叶变换(FFT)和频谱分析得到激励电压和响应电流信号的幅频曲线和相频曲线；
识别计算模块，用于对幅频曲线和相频曲线进行参数识别获得fsin处对应的电压、电流的幅值和相角；
模和相角计算模块，用于根据获得的幅值和相角计算得到线缆源端输入阻抗的模和相角；
线缆阻感计算模块，用于在满足函数式下，线缆阻抗等效参数式联立线缆源端输入阻抗的模和相角计算得到当前线缆的电阻和自感值。
本发明的进一步技术方案是：所述模和相角计算模块中根据函数式获得线缆源端输入阻抗的模和相角，其中，线缆源端输入阻抗的模函数式为线缆源端输入阻抗的相角函数式为/>Zv_fsin、Zi_fsin为fsin处对应的电压、电流的幅值，为fsin处对应的电压、电流的相角。
本发明的进一步技术方案是：所述线缆阻感计算模块中所述线缆阻抗可等效为Z＝Rs+j(2πfsinLs)，其中，Rs为当前线缆实际总电阻，Ls为当前线缆实际自感值，fsin为所需正弦电压的工作频率。
本发明的进一步技术方案是：所述电压注入模块中还包括以下步骤：
设置频率单元，用于设正弦电压的工作频率为fsin；
激励单元，用于注入线缆源端后使线缆末端的电压在正弦电压激励下近似为0；
条件设置单元，用于使得辅助电容或二次电源输入端的滤波电容和正弦电压频率满足函数式，函数式：其中，Caux为所需的最小辅助电容，Rs_min取最小配线电阻，Ls_min取最小配线电感，fsin为所需正弦电压的工作频率。
本发明的进一步技术方案是：所述采样存储模块中对采样的电流和电压数据进行处理后存储到CPU中。
本发明的有益效果是：仅通过激励信号和辅助电容便可以准确得到线缆实时电阻和自感值，逻辑简单，易于实现；该方法能够实现仅在长线缆的单端进行线缆阻抗检测。该方法解决了远距离线缆电阻压降导致负载系统欠压的问题，可以实现对线缆末端电压的精确控制，无需外挂长线缆检测负载系统输入电压，且对负载系统无任何冲击影响；该方法解决了远距离线缆电感对系统动态的影响，解决了线缆电压延时响应的问题，避免负载系统出现故障。该方法可以应用于任意电源系统，不受负载系统的电路结构制约，具有普适性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的电源系统原理框图。
图2是本发明实施例提供的基于正弦激励的线缆阻抗单端检测方法示意图。
图3是本发明实施例提供的基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测方法的流程图。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明提供的基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测方法，其详述如下：
Step1：在线缆末端并联辅助电容Caux(或利用二次电源输入端的滤波电容)；
Step2：注入频率为fsin的正弦电压激励；
Step3：采样正弦电压激励和线缆响应电流，并存储数据；
Step4：对电压、电流采样数据进行FFT处理和频谱分析；
Step5：进行参数识别，即找到fsin对应的电压、电流的幅值(Zv_fsin、Zi_fsin)和相角
Step6：参数计算。根据和/>计算得到线缆源端输入阻抗的模和相角。
Step7：已知在满足公式(2)的情况下，线缆阻抗可等效为Z＝Rs+j(2πfsinLs)，联立Step6可求解得到当前线缆的电阻和自感值。
电源系统框图如图1所示，整个系统由电压源、线缆等效总电阻Rs、线缆等效自感Ls、辅助电容Caux(Caux也可为二次电源输入端原有的滤波电容)和负载或二次电源组成，其中vo为电压源输出电压(即线缆源端电压)，vL为负载端电压或二次电源输入电压(即线缆末端电压)，iline为线缆流经的电流，Caux为检测中需要的辅助电容。
下面对所提出的基于正弦激励的线缆阻抗单端检测方法进行叙述。
基于正弦激励的线缆阻抗单端检测方法示意图如图2所示，线缆源端接入正弦电压激励，同时在线缆末端并联一个辅助电容Caux(或利用二次电源输入端的滤波电容)。设正弦电压的工作频率为fsin，注入线缆源端后线缆末端电压为
期望正弦电压激励下线缆末端电压近似为0，因此要求辅助电容和正弦电压频率满足下式：
即
式中Caux为所需的最小辅助电容，Rs_min取最小配线电阻，Ls_min取最小配线电感，fsin为所需正弦电压的工作频率。
在满足上述公式的条件下，工作流程如下：
在线缆的源端注入频率为fsin的正弦电压激励，对正弦电压和线缆响应电流进行采样并将数据存入CPU中，分别对数据作快速傅里叶变换(FFT)和频谱分析，得到激励电压和响应电流信号的幅频曲线和相频曲线。然后对幅频曲线和相频曲线进行参数识别，找到fsin处对应的电压、电流的幅值(Zv_fsin、Zi_fsin)和相角根据公式可计算得到线缆源端输入阻抗的模和相角。已知在满足公式/>的情况下，线缆阻抗可等效为Z＝Rs+j(2πfsinLs)，联立/>可计算得到当前线缆的电阻和自感值。概括上述工作步骤的流程图如图3所示。
仅通过激励信号和辅助电容便可以准确得到线缆实时电阻和自感值，逻辑简单，易于实现；该方法能够实现仅在长线缆的单端进行线缆阻抗检测。该方法解决了远距离线缆电阻压降导致负载系统欠压的问题，可以实现对线缆末端电压的精确控制，无需外挂长线缆检测负载系统输入电压，且对负载系统无任何冲击影响；该方法解决了远距离线缆电感对系统动态的影响，解决了线缆电压延时响应的问题，避免负载系统出现故障。该方法可以应用于任意电源系统，不受负载系统的电路结构制约，具有普适性。
本发明的另一目的在于提供一种基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测系统，该检测系统基于的电源系统由电压源、线缆等效总电阻、线缆等效自感、辅助电容或二次电源输入端的滤波电容、负载或二次电源组成，所述基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测系统包括
电压注入模块，用于在线缆末端并联辅助电容或利用二次电源输入端的滤波电容并在电源端注入频率为fsin的正弦电压；
采样存储模块，用于对正弦电压和线缆响应电流和电压进行采样并将数据进行存储；
计算幅相频曲线模块，用于通过快速傅里叶变换(FFT)和频谱分析得到激励电压和响应电流信号的幅频曲线和相频曲线；
识别计算模块，用于对幅频曲线和相频曲线进行参数识别获得fsin处对应的电压、电流的幅值和相角；
模和相角计算模块，用于根据获得的幅值和相角计算得到线缆源端输入阻抗的模和相角；
线缆阻感计算模块，用于在满足函数式下，线缆阻抗等效参数式联立线缆源端输入阻抗的模和相角计算得到当前线缆的电阻和自感值。
所述模和相角计算模块中根据函数式获得线缆源端输入阻抗的模和相角，其中，线缆源端输入阻抗的模函数式为线缆源端输入阻抗的相角函数式为Zv_fsin、Zi_fsin为fsin处对应的电压、电流的幅值，/>为fsin处对应的电压、电流的相角。
所述线缆阻感计算模块中所述线缆阻抗可等效为Z＝Rs+j(2πfsinLs)，其中，Rs为当前线缆实际总电阻，Ls为当前线缆实际自感值，fsin为所需正弦电压的工作频率。
所述电压注入模块中还包括以下步骤：
设置频率单元，用于设正弦电压的工作频率为fsin；
激励单元，用于注入线缆源端后使线缆末端的电压在正弦电压激励下近似为0；
条件设置单元，用于使得辅助电容或二次电源输入端的滤波电容和正弦电压频率满足函数式，函数式：其中，Caux为所需的最小辅助电容，Rs_min取最小配线电阻，Ls_min取最小配线电感，fsin为所需正弦电压的工作频率。
所述采样存储模块中对采样的电流和电压数据进行处理后存储到CPU中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测方法，其特征在于，该检测方法基于的电源系统由电压源、线缆等效总电阻、线缆等效自感、辅助电容或二次电源输入端的滤波电容、负载或二次电源组成，所述基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测方法包括以下步骤：
S1、在线缆末端并联辅助电容或利用二次电源输入端的滤波电容，并在线缆源端注入频率为fsin的正弦电压激励；
S2、对正弦电压激励和线缆响应电流进行采样并将数据进行存储；
S3、通过快速傅里叶变换(FFT)和频谱分析得到激励电压和响应电流信号的幅频曲线和相频曲线；
S4、对幅频曲线和相频曲线进行参数识别获得fsin处对应的电压的幅值和相角以及电流的幅值和相角；
S5、根据获得的幅值和相角计算得到线缆源端输入阻抗的模和相角；
S6、在满足函数式条件下，利用线缆阻抗等效参数式联立线缆源端输入阻抗的模和相角计算得到当前线缆的电阻和自感值；
所述步骤S1中还包括以下步骤：
S11、设正弦电压的工作频率为fsin；
S12、注入线缆源端后使线缆末端的电压在正弦电压激励下近似为0；
S13、使得辅助电容或二次电源输入端的滤波电容和正弦电压频率满足函数式，函数式：其中，Caux为所需的最小辅助电容或最小二次电源输入端的滤波电容，Rs_min取最小配线电阻，Ls_min取最小配线电感，fsin为所需正弦电压的工作频率。
2.根据权利要求1所述的基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测方法，其特征在于，所述步骤S5中根据获得的幅值和相角计算得到线缆源端输入阻抗的模和相角，其中，线缆源端输入阻抗的模函数式为线缆源端输入阻抗的相角函数式为Zv_fsin、Zi_fsin分别为fsin处对应的电压的幅值和电流的幅值，分别为fsin处对应的电压的相角和电流的相角。
3.根据权利要求2所述的基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测方法，其特征在于，所述步骤S6中所述线缆阻抗可等效为Z＝Rs+j(2πfsinLs)，其中，Rs为当前线缆实际总电阻，Ls为当前线缆实际自感值，fsin为所需正弦电压的工作频率。
4.根据权利要求3所述的基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测方法，其特征在于，所述步骤S2中对采样的电流和电压数据进行处理后存储到CPU中。
5.一种基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测系统，其特征在于，该检测系统基于的电源系统由电压源、线缆等效总电阻、线缆等效自感、辅助电容或二次电源输入端的滤波电容、负载或二次电源组成，所述基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测系统包括
电压注入模块，用于在线缆末端并联辅助电容或利用二次电源输入端的滤波电容，并在线缆源端注入频率为fsin的正弦电压激励；
采样存储模块，用于对正弦电压激励和线缆响应电流进行采样并将数据进行存储；
计算幅相频曲线模块，用于通过快速傅里叶变换(FFT)和频谱分析得到激励电压和响应电流信号的幅频曲线和相频曲线；
识别计算模块，用于对幅频曲线和相频曲线进行参数识别获得fsin处对应的电压的幅值和相角以及电流的幅值和相角；
模和相角计算模块，用于根据获得的幅值和相角计算得到线缆源端输入阻抗的模和相角；
线缆阻感计算模块，用于在满足函数式条件下，利用线缆阻抗等效参数式联立线缆源端输入阻抗的模和相角计算得到当前线缆的电阻和自感值；
所述电压注入模块中还包括以下步骤：
设置频率单元，用于设正弦电压的工作频率为fsin；
激励单元，用于注入线缆源端后使线缆末端的电压在正弦电压激励下近似为0；
条件设置单元，用于使得辅助电容或二次电源输入端的滤波电容和正弦电压频率满足函数式，函数式：其中，Caux为所需的最小辅助电容或最小二次电源输入端的滤波电容，Rs_min取最小配线电阻，Ls_min取最小配线电感，fsin为所需正弦电压的工作频率。
6.根据权利要求5所述的基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测系统，其特征在于，所述模和相角计算模块中根据获得的幅值和相角计算得到线缆源端输入阻抗的模和相角，其中，线缆源端输入阻抗的模函数式为线缆源端输入阻抗的相角函数式为Zv_fsin、Zi_fsin分别为fsin处对应的电压的幅值和电流的幅值，分别为fsin处对应的电压的相角和电流的相角。
7.根据权利要求6所述的基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测系统，其特征在于，所述线缆阻感计算模块中所述线缆阻抗可等效为Z＝Rs+j(2πfsinLs)，其中，Rs为当前线缆实际总电阻，Ls为当前线缆实际自感值，fsin为所需正弦电压的工作频率。
8.根据权利要求7所述的基于正弦激励的导电线缆阻抗单端检测系统，其特征在于，所述采样存储模块中对采样的电流和电压数据进行处理后存储到CPU中。
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