CN117452053A - 一种电力系统多回路高速切换采样方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力系统多回路高速切换采样方法与电力监测装置，涉及电力系统的采样与监测领域，包括以下步骤：根据待监测的回路数和一个基波周期采样点数，对基波信号进行锁相倍频，得到采样频率信号；控制多路切换开关切换并选通一个待测回路输入AD采样芯片进行采样；同时，在两次切换的中间时刻，锁存AD采样数据；核心处理器读取缓存，计算各回路的独立电量参数，校正各回路采样引入相角误差，计算所有回路的综合电量参数；本发明能够实现对多个回路进行高速切换采样，各个回路可以是电压电流的任意组合,节省AD采样芯片的同时，又能做到实时同步采样和采样引入相角误差校正，保证测量精度的同时大大提高了AD芯片的使用效率。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统的采样与监测技术领域，更具体的说是涉及是一种电力系统多回路高速切换采样方法与装置。
背景技术
随着智能电网的建设与发展，电力系统对于电力线路和节点的实时监测和保护变得越来越不可或缺，所以电力系统，特别是配电上，具有大量的电力监测设备用于实时监控电网运行状态。
利用高精度高速AD进行实时采样以后，再通过快速傅里叶变换运算，可以较好的获取基波以及谐波的测量参数，目前电力监测设备多采用此方案。但是，如果同一个站点或者节点处于干线和多个分支线需要同时监测，就会大大增加采样电路的规模，同时需要大量AD采样芯片才能满足这么多的通道要求，AD采样芯片为了保证精度和速度，一般价格较高，经济成本无疑大大增加。
目前有专利引入模拟开关芯片进行通道信号切换，以节省AD芯片。如专利CN101109774A提出利用多路开关切换以后，输入到电能计量芯片进行不同回路测量，但是电能计量芯片获取完整波形才能进行一次参数计算，此方案切换速度比较慢，不满足进行实时监测的要求。
专利CN102262176A，提出的是单通道的方案，不适合多回路大量路数测量信号的要求，而且对高速模拟开关的切换时间是通过软件计算得到，每秒钟进行一次模拟开关切换时间调整，而不是根据每个周波频率调整模拟开关切换时间，这样采样频率就难以和模拟开关切换频率达到同步，造成频谱泄露。
因此，如何能够在多回路待测信号进行切换的同时，保证实时以及同步的采样，而且不影响高精度的分析是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种电力系统多回路高速切换采样方法与装置，实现多回路待测信号能够通过多路切换开关进行采样切换，节省AD芯片的同时，又能够保证多个回路实时采样，不会有波形信息的丢失，同时能够做到同步采样，采样频率依据基波频率实时变化，使采样数据准确反映真实波形，不会造成频谱泄露，同时不影响不同回路之间的数据综合分析。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种电力系统多回路高速切换采样方法，包括以下步骤：
步骤1：根据待监测回路数和一个基波周期采样点数对待测电力系统进行采样，得到基波信号，对基波信号进行锁相倍频，得到采样频率信号；
步骤2：对采样频率信号进行计数，输出开关控制信号；开关控制信号控制多路切换开关切换待测回路，选通一待测回路并连接到AD采样芯片；
步骤3：对采样频率信号进行电平调整，获得采样开始信号；将采样开始信号输入AD采样芯片，控制AD采样芯片对待测回路进行采样，得到AD采样数据，并将AD采样数据进行锁存，同时输出采样完成信号；
步骤4：核心处理器接收采样完成信号，读取开关控制信号以及AD采样数据，并进行缓存；返回步骤2直至所述待测回路均被依次选通；
步骤5：核心处理器根据缓存的AD采样数据，根据快速傅里叶算法计算各个待测回路的独立电量参数；
步骤6：核心处理器根据采样时刻关系，校正各个待测回路采样引入的相角误差，根据快速傅里叶算法计算得到所有待测回路的综合电量参数。
优选的，待测回路是自由组合的测量回路，包括单独N相电压信号、单独的N相电流信号，N相电流加零序电流，或者电力系统中任意两分支的N相电流的组合，其中，N≥1。可以是6路电压信号或者6路电流信号，也可以是3路电压或3路电流信号。
优选的，步骤2中多路切换开关的开关控制信号表示当前选通的待测回路的回路数，根据回路数决定当前数据与测量回路的映射关系。
优选的，步骤3中的电平调整为：如果AD采样芯片为上升沿锁存AD采样数据，则对采样频率信号进行反相，反相处理后作为采样开始信号输出；如果AD采样芯片为下降沿锁存AD采样数据，则采样频率信号不变，直接作为采样开始信号输出。
优选的，各个回路之间采样是有时序关系的、连续等间隔的采样，步骤6中的校正各个回路采样引入的相角误差，是指校正因为采样时刻不同引起的各回路之间的相角误差，回路数为L，每个基波周期采样点数为N，则相邻两个回路采样引入的相角误差为360/(L*N)，计算得到任意两个回路之间采样引入的误差。
优选的，所述核心处理器基于非正弦周期信号的无功功率理论，采用快速傅里叶算法计算有功功率和无功功率，取得无功补偿的最佳效果，可以有效地提高投切精度，简化投切策略；计算过程为：
分别以u、i来表示电网电压、电流：
此处，Wkn＝e-j(2π/N)
利用旋转因子的对称性，简化计算，设样本数为2n时，这种样本数为2的整数次幂的计算，称为基2-FFT
x(n)是列长为N的采样序列，将其分为奇样本和偶样本，
偶样本写为：
奇样本写为：
分别以x2k、x2k+1作为实部和虚部，得
xk＝x2k+jx2k+1
功率的计算：
有功功率:
视在功率:S＝U×I
无功功率:
功率因数:
本发明还提供了一种上述电力系统多回路高速切换采样方法的电力监测装置，功能单元包括：
同步采样频率发生单元，根据待监测回路数和一个基波周期采样点数对待测电力系统进行采样，得到基波信号,对基波信号进行锁相倍频，得到采样频率信号；如果待采样回路数定义为L，算法要求每个基波采样点数为N个，则需要倍频频率为L*N。
开关控制单元，从同步采样频率发生单元得到采样频率信号，对采样频率信号进行计数，输出开关控制信号；
多路切换开关，开关控制信号控制多路切换开关切换待测回路，选通一待测回路并连接到AD采样芯片；
电平调整单元，对采样频率信号进行反相，输出采样开始信号；
AD采样芯片，输入采样开始信号，对待测回路进行采样，得到AD采样数据，并将AD采样数据进行锁存，同时输出采样完成信号；
核心处理器，接收采样完成信号作中断处理，读取开关控制信号以及AD采样数据，并进行缓存；根据相应算法计算得到各个待测回路的独立电量参数和所有待测回路的综合电量参数。
优选的，所述同步采样频率发生单元中，待测电力系统的电压信号经过电压互感器以后，通过运放进行过零点检测和电容滤波，输出与基波频率相同的方波信号，方波信号输入锁相环芯片的信号输入端，锁相环芯片输出的信号输入到级联过的两片计数器芯片的时钟输入端，然后从级联过的两片计数器芯片的高位芯片的输出引脚输出信号，将该信号反馈输入到锁相环芯片的相位比较端，从相位比较端输出的信号频率跟踪到基波频率预设的倍频，作为采样频率信号。
优选的，所述开关控制单元，可以接收采样频率输入到CD4024芯片的时钟输入端，然后把Q2-Q1作为模拟开关控制信号输出，控制信号在00、01、10、11之间连续循环切换。
优选的，所述电平调整单元设置非门，采样频率信号输入电平调整单元，进入非门进行反相后，作为AD采样芯片的采样开始信号输出。
优选的，所述核心处理器可选用DSP处理器，同时读取开关控制信号以及AD采样数据，使AD采样数据和待测回路的回路数进行映射，然后进行数据处理。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种电力系统多回路高速切换采样方法与装置，包括以下步骤：根据待监测的回路数和一个基波周期采样点数，对基波信号进行锁相倍频，得到采样频率信号；控制多路切换开关切换并选通一个待测回路输入AD采样芯片进行采样；同时，在两次切换的中间时刻，锁存AD采样数据；核心处理器读取缓存，计算各回路的独立电量参数，校正各回路采样引入相角误差，计算所有回路的综合电量参数。本发明能够实现对多个回路进行高速切换采样，各个回路可以是电压电流的任意组合,节省AD采样芯片的同时，又能做到实时同步采样和采样引入相角误差校正，保证测量精度的同时大大提高了AD芯片的使用效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的电力监测装置的功能单元结构示意图；
图2附图为本发明提供的采样脉冲反相调整示意图；
图3附图为本发明提供的回路采样时序与引入角度误差示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
这里需要首先指出，所谓回路一般是电力测量中三相电压和三相电流的基本量的组合。本方案中具有灵活度，回路可以是单独的几相电压或者单独的几相电流，或者是相电流加零序电流等，也可以是电网中两个分支线的几相电流组合到一块。可以是6路电压信号或者6路电流信号，也可以是3路电压3路电流信号。
实施例1
本发明实施例公开了一种电力系统多回路高速切换采样方法，包括以下步骤：
步骤1：根据待监测回路数和一个基波周期采样点数对待测电力系统进行采样，得到基波信号，对基波信号进行锁相倍频，得到采样频率信号。如果待测回路数定义为L，算法要求每个基波采样点数为N个，则需要倍频频率为L*N。
步骤2：对采样频率信号进行计数，输出开关控制信号；开关控制信号控制多路切换开关切换待测回路，选通一待测回路并连接到AD采样芯片。这里根据待测回路数L，进行L进制计数，输出的多路切换开关的开关控制信号位数应为log2L取整(小数部分进位)。
步骤3：为了保证采样锁存时刻刚好处于多路切换开关两次切换的稳定完成时刻，根据AD芯片的采样特点，对采样频率信号进行电平调整，如果AD采样芯片为上升沿锁存AD采样数据，则对采样频率信号进行反相，反相处理后作为采样开始信号输出；如果AD采样芯片为下降沿锁存AD采样数据，则采样频率信号不变，直接作为采样开始信号输出。如图2为采样频率信号反相调整以后，上升沿在开关切换信号两次变化的中间时刻。
进一步的，将采样开始信号输入AD采样芯片，控制AD采样芯片对待测回路进行采样，得到AD采样数据，并将AD采样数据进行锁存，同时输出采样完成信号.
步骤4：核心处理器接收到AD采样芯片的采样完成信号，此时读取多路切换开关的开关控制信号，可以确定是第几个回路的采样点数据；然后读取AD采样芯片的AD采样数据，根据当前待测回路的回路数，放到相对应的缓存区。需要注意的是，各个回路之间采样是有时序关系的，要求从切换开关控制信号从0开始进行数据记录，保证数据同步。
步骤5：核心处理器接收AD采样数据，如果一个待测回路采样点数据够N个，则可以完成一次傅里叶变换(FFT)，获取这个待测回路相应的电压电流基波数据，并且获取谐波数据，然后根据待测回路内通道信号的关系，通过一定的运算，获得各个待测回路的独立电量参数，如零序电压电流，有功，无功和功率因数等。
步骤6：采样是基本连续等间隔的，L个回路每个基波采样N点，核心处理器在第L个回路接收够N个采样点以后，可以把不同回路之间的采样引入的相角误差进行校正，各个回路之间的相关数据以及主线和分支线之间的数据进行相应的数学运算和综合分析，最终所有需要的综合电量参数，包括上边提到常规的电量参数，同时也有干线电流和支线之间电流关系，三相电流和零序电流之间的关系，不同回路电压比较等深入的分析数据。
具体的，相邻的两个待测回路采样引入相角误差为360/(L*N),以此可以推出任两个回路之间采样引入的相角误差,图3为回路采样时序与引入角度误差示意图。
优选的，所述核心处理器基于非正弦周期信号的无功功率理论，采用快速傅里叶算法计算有功功率和无功功率，取得无功补偿的最佳效果，可以有效地提高投切精度，简化投切策略；计算过程为：
分别以u、i来表示电网电压、电流：
此处，Wkn＝e-j(2π/N)
利用旋转因子的对称性，简化计算，设样本数为2n时，这种样本数为2的整数次幂的计算，称为基2-FFT
x(n)是列长为N的采样序列，将其分为奇样本和偶样本，
偶样本写为：
奇样本写为：
分别以x2k、x2k+1作为实部和虚部，得
xk＝x2k+jx2k+1
功率的计算：
有功功率:
视在功率:S＝U×I
无功功率:
功率因数:
本实施例根据待监测的回路数和一个基波周期采样点数，对基波信号进行锁相倍频，得到采样频率信号；控制多路切换开关切换并选通一个待测回路输入AD采样芯片进行采样；同时，在两次切换的中间时刻，锁存AD采样数据；核心处理器读取缓存，计算各回路的独立电量参数，校正各回路采样引入相角误差，计算所有回路的综合电量参数。
本实施例能够实现对L个回路进行高速切换采样，各个回路可以是电压电流的任意组合,节省AD采样芯片的同时，又能做到实时同步采样和采样引入相角误差校正，保证测量精度的同时大大提高了AD芯片的使用效率。
实施例2
一种采用上述电力系统多回路高速切换采样方法的电力监测装置，图1为该电力检测装置的结构框图，具体包括以下结构：
同步采样频率发生单元，根据待监测回路数和一个基波周期采样点数对待测电力系统进行采样，得到基波信号,对基波信号进行锁相倍频，得到采样频率信号；如果待采样回路数定义为L，算法要求每个基波采样点数为N个，则需要倍频频率为L*N。
具体的，待测电力系统的电压信号经过电压互感器以后，通过运放进行过零点检测和电容滤波，输出与基波频率相同的方波信号，方波信号输入锁相环芯片CD4046的信号输入端，锁相环芯片CD4046输出的信号输入到级联过的两片CD4024计数器芯片的时钟输入端，然后从级联过的两片CD4024计数器芯片的高位芯片的Q1引脚输出信号，将该信号反馈到锁相环芯片CD4046的相位比较端，从相位比较端输出的信号频率跟踪到基波频率的256倍，作为采样频率信号。
开关控制单元，从同步采样频率发生单元得到采样频率信号，然后计数输出2位的开关控制信号。接收采样频率信号输入到CD4024芯片的时钟输入端，然后把Q2-Q1作为开关控制信号输出，开关控制信号在00、01、10、11之间连续循环切换。
多路切换开关，得到开关控制单元的2位开关控制信号，选用CD4052双4选1切换开关，数量需要3片，进行24选6的信号切换选择。开关控制单元的开关控制信号输入到AD采样芯片的控制端进行待测回路的切换。模拟开关VDD和VEE端需要输入正反向电压，才能保证输入信号正负半波都能正常输出。经过互感器的待测电力系统的电压信号电平范围为±10V，向VDD提供12V，向VEE提供-12V。
电平调整单元，采样频率信号进入非门进行反相，频率不变，输出AD采样芯片的采样开始信号。
AD采样芯片，选用6通道的AD7616芯片，在电平调整单元输出的采样脉冲上升沿处，对待测回路进行采样得到6个模拟信号的AD采样数据，将AD采样数据进行锁存，同时输出采样完成信号到核心处理器。
核心处理器，选用DSP处理器，接收AD采样芯片的采样完成信号后，使用DMA通道接收采样数据，一个通道一个采样点是1个字节，那么24个待测通道每个周波64个点，接收24*64个字节数据以后，则完成一个周期的完整采样进入计算处理，从中提取单个信号的64个采样点数据，进行FFT运算，得到基波的电压、电流信息以及各次谐波的信息；然后把同时采样的每个待测回路内部的数据进行数学运算和综合分析，得到一些新的电量参数如有功、无功、功率因数、各相之间相位差等；最后，把不同待测回路之间的采样引入的相角误差进行校正，各个回路之间的相关数据数学运算和综合分析，得到最终需要的所有综合电量参数，包括上边提到常规的电量参数，同时也有干线电流和支线之间电流关系，三相电流和零序电流之间的关系，不同回路电压比较等深入的分析数据。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种电力系统多回路高速切换采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据待监测回路数和一个基波周期采样点数对待测电力系统进行采样，得到基波信号，对基波信号进行锁相倍频，得到采样频率信号；
步骤2：对采样频率信号进行计数，输出开关控制信号；开关控制信号控制多路切换开关切换待测回路，选通一待测回路并连接到AD采样芯片；
步骤3：对采样频率信号进行电平调整，获得采样开始信号；将采样开始信号输入AD采样芯片，控制AD采样芯片对待测回路进行采样，得到AD采样数据，并将采样数据进行锁存，同时输出采样完成信号；
步骤4：核心处理器接收采样完成信号，读取开关控制信号以及AD采样数据，并进行缓存；返回步骤2直至所述待测回路均被依次选通；
步骤5：核心处理器根据缓存的AD采样数据，根据快速傅里叶算法计算各个待测回路的独立电量参数；
步骤6：核心处理器根据采样时刻关系，校正各个待测回路采样引入的相角误差，根据快速傅里叶算法计算得到所有待测回路的综合电量参数。
2.根据权利要求1所述的一种电力系统多回路高速切换采样方法，其特征在于，待测回路是自由组合的回路，包括单独N相电压信号、单独的N相电流信号、N相电流信号加零序电流信号或者电力系统中任意两分支的N相电流信号的组合，其中，N≥1。
3.根据权利要求1所述的一种电力系统多回路高速切换采样方法，其特征在于，步骤2中多路切换开关的开关控制信号表示当前选通的待测回路的回路数，根据回路数决定当前数据与测量回路的映射关系。
4.根据权利要求1所述的一种电力系统多回路高速切换采样方法，其特征在于，步骤3中的电平调整为：如果AD采样芯片为上升沿锁存AD采样数据，则对采样频率信号进行反相，反相处理后作为采样开始信号输出；如果AD采样芯片为下降沿锁存AD采样数据，则采样频率信号不变，直接作为采样开始信号输出。
5.根据权利要求1所述的一种电力系统多回路高速切换采样方法，其特征在于，各个待测回路之间采样是有时序关系的、连续等间隔的采样，步骤6中的校正各个待测回路采样引入的相角误差，是指校正因为采样时刻不同引起的各个待测回路之间的相角误差，回路数为L，每个基波周期采样点数为N，则相邻两个回路采样引入的相角误差为360/(L*N)，计算得到任意两个回路之间采样引入的误差。
6.根据权利要求1所述的一种电力系统多回路高速切换采样方法，其特征在于，所述核心处理器采用快速傅里叶算法计算有功功率和无功功率，取得无功补偿的最佳效果；
分别以u、i来表示电网电压、电流：
此处，Wkn＝e-j(2π/N)
功率的计算：
有功功率:
视在功率:S＝U×I
无功功率:
功率因数:
7.一种根据权利要求1-6中任一项所述的一种电力系统多回路高速切换采样方法的电力监测装置，其特征在于，包括：
同步采样频率发生单元，根据待监测回路数和一个基波周期采样点数对待测电力系统进行采样，得到基波信号，对基波信号进行锁相倍频，得到采样频率信号；
开关控制单元，从同步采样频率发生单元得到采样频率信号，对采样频率信号进行计数，输出开关控制信号；
多路切换开关，开关控制信号控制多路切换开关切换待测回路，选通一待测回路并连接到AD采样芯片；
电平调整单元，对采样频率信号进行反相，输出采样开始信号；
AD采样芯片，输入采样开始信号，对待测回路进行采样，得到AD采样数据，并将AD采样数据进行锁存，同时输出采样完成信号；
核心处理器，接收采样完成信号作中断处理，读取开关控制信号以及AD采样数据，并进行缓存；根据快速傅立叶变换计算得到各个待测回路的独立电量参数和所有待测回路的综合电量参数。
8.根据权利要求7所述的一种电力系统多回路高速切换采样的电力监测装置，其特征在于：所述同步采样频率发生单元中，待测电力系统的电压信号经过电压互感器以后，通过运放进行过零点检测和电容滤波，输出与基波频率相同的方波信号，方波信号输入锁相环芯片的信号输入端，锁相环芯片输出的信号输入到级联过的两片计数器芯片的时钟输入端，然后从级联过的两片计数器芯片的高位芯片的输出引脚输出信号，将该信号反馈输入到锁相环芯片的相位比较端，从相位比较端输出的信号频率跟踪到基波频率预设的倍频，作为采样频率信号。
9.根据权利要求7所述的一种电力系统多回路高速切换采样的电力监测装置，其特征在于：所述电平调整单元设置非门，采样频率信号输入电平调整单元，进入非门进行反相后，作为AD采样芯片的采样开始信号输出。
10.根据权利要求7所述的一种电力系统多回路高速切换采样的电力监测装置，其特征在于：所述核心处理器，同时读取开关控制信号以及AD采样数据，使AD采样数据和待测回路的回路数进行映射，然后进行数据处理。
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| CN202311230732.5A CN117452053A (zh) | 2023-09-22 | 2023-09-22 | 一种电力系统多回路高速切换采样方法与装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118130895A (zh) * | 2024-05-08 | 2024-06-04 | 深圳市东升源电气设备有限公司 | 一种配电柜监控方法和系统 |
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2023
- 2023-09-22 CN CN202311230732.5A patent/CN117452053A/zh active Pending
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