CN1888918A - 电力系统定频采样下的变频谐波测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力系统定频采样下的变频谐波测量方法及其实现装置。属于电力系统谐波测量技术领域。包括主控模件、交流模件、面板模件以及电源模件四部分。本发明在定频采样情况下对变频信号进行谐波测量，从而达到同一装置不仅满足电力系统保护功能定频采样的要求，同时保证电力系统谐波测量精度的目的。

Description

电力系统定频采样下的变频谐波测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种电力系统定频采样下的变频谐波测量方法及其实现装置。属于电力系统谐波测量技术领域。

背景技术

现有的谐波测量技术及其装置基于同步采样，首先跟踪信号频率调整采样间隔以达到同步采样的目的，然后对采样结果进行快速傅立叶变换从而得到测量结果；当采样与信号之间的同步出现细微的波动时，可以采取加窗以及频率插值的方式提高测量精度。现有技术基于变频测量，一方面实现有困难，测量精度也不够高，另一方面对保护和测量功能也不能统一实现。定频采样下的变频谐波测量方法及其装置涉及到的背景技术包括模数转换技术、电力信号频率跟踪技术、离散傅立叶变换技术以及以PowerPC微处理器为核心的硬件平台构建技术

发明目的

电力系统在特定场合下要求装置同时提供保护和测量功能。本发明在定频采样情况下对变频信号进行谐波测量，从而达到同一装置不仅满足电力系统保护功能定频采样的要求，同时保证电力系统谐波测量精度的目的。

为了实现上述目的，本发明采取以下的技术方案来实现的：

电力系统定频采样下的变频谐波测量方法，它包括下列步骤：

(1)首先通过设置定时器完成对多路待测量模拟通道的采样，采样结果存储于循环缓冲区中；

(2)对各路信号测量数据进行频率计算，根据频率计算结果生成相应的离散傅立叶变换系数，同时完成整点数和分点数计算；

(3)整点采用离散傅立叶变换完成计算，分点数用于修正；

(4)分别对待测量通道进行计算，每个通道的整点计算结果和分点计算结果之和即为各通道的测量结果。

 前述的电力系统定频采样下的变频谐波测量方法，其特征在于其中(2)和(3)所述的计算采取以下的方法：

经典的离散傅立叶变换公式如下：

$a_n=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\cos \mathrm{nk}\frac{2\mathrm{\π}}{N}$

$b_n=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\sin \mathrm{nk}\frac{2\mathrm{\π}}{N}$

其中，a_n、b_n分别为n次谐波的余弦和正弦分量的幅值，T为基波分量的周期，N为一个周期T中的采样点数；

进而得到n次谐波的幅值和相角：

$I_m\left(n\right)=\sqrt{a_n^2+b_n^2}$

为获得准确的幅度及相角值，采样频率必须与信号频率同步，保证整周期采样；

即当信号基波分量的周期为T(f＝1/T)，采样频率f_s＝1/T_s，数据窗内采样次数为N，满足以下关系：

T/T_s＝N或f_s/f＝N

则称采样频率与信号频率同步；

设采样频率不变，基波分量的周期发生ΔT的变化，则在一个信号周期中，采样到的整点数为

$N_s=\left[\frac{T+\mathrm{\ΔT}}{T_s}\right]$

分点数为 $\mathrm{\ΔN}=\frac{T+\mathrm{\ΔT}}{T_s}-N_s$

针对整点数，按以下公式完成傅立叶变换：

$a_{\mathrm{ns}}=\frac{2T_s}{T+\mathrm{\ΔT}}\underset{k=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\cos \mathrm{nk}\frac{2\mathrm{\π}{T}_s}{T+\mathrm{\ΔT}}$

$b_{\mathrm{ns}}=\frac{2T_s}{T+\mathrm{\ΔT}}\underset{k=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\sin \mathrm{nk}\frac{2\mathrm{\π}{T}_s}{T+\mathrm{\ΔT}}$

针对分点数，按以下公式计算修正值

$\tilde{a}=\frac{2T_s}{T+\mathrm{\ΔT}}\cos (n*N_s\frac{2\mathrm{\π}{T}_s}{T+\mathrm{\ΔT}})$

$\tilde{b}=\frac{2T_s}{T+\mathrm{\ΔT}}\sin (n*N_s\frac{2\mathrm{\π}{T}_s}{T+\mathrm{\ΔT}})$

以整点计算和分点计算结果为基础，得到待测量信号的余弦和正弦分量的幅值；

$a_n=a_{\mathrm{ns}}+\tilde{a}$

$b_n=b_{\mathrm{ns}}+\tilde{b}$

进而得到n次谐波的幅值和相角计算公式：

$I_m\left(n\right)=\sqrt{a_n^2+b_n^2}$

电力系统定频采样下的变频谐波测量装置，包括主控模件、交流模件、面板模件以及电源模件四部分，其中：

(1)主控模件完成模数转换、测量算法计算、波形及计算结果存储等功能；主控模件是本装置的核心，基于PowerPC处理器、16bitA/D转换器以及大容量的FLASH、DRAM存储器，保证本装置能实时对电力信号进行高精度测量，同时能对测量的结果进行实时处理及保存；

采用二阶RC无源低通滤波+高速16bit A/D转换器(250kHz)构成模拟量采集系统，信噪比可达86dBs，采样速率可达到7.2kHz；

(2)交流模件将强电输入信号转换成幅值为±5V的电压电信号，并将输入和输出隔离。其输出信号引入主控模件的A/D采集输入端。

(3)面板模件提供了人机接口。通过SPI总线与主控模件进行通讯，完成测量设定以及测量结果显示等功能；

(4)电源模件输入为110V或220V，其输出供其它模件使用。

前述的电力系统定频采样下的变频谐波测量装置，其特征在于其中所述的装置软件包含主控模件中以实时多任务操作系统为基础的嵌入式软件以及面板模件上单片机的基于前后台模式的嵌入式软件；

主控模件软件包括定时中断采集、采集数据管理、数字信号处理、录波及计算结果存储、事件报告及与面板模件的通讯；

面板模件单片机软件完成液晶显示及信号灯控制、按键信息采集及与主控模件之间的通讯等功能；

主控模件与面板模件之间按照一定的协议通过SPI总线进行通讯。主控模件输出到面板模件的内容为液晶显示内容、读取指示灯状态指令、设置指示灯状态；面板模件输入到主控模件的内容为报文确认和否认、按键及指示灯状态。

本发明的主要技术特征：

a、基于离散傅立叶变换实现谐波测量，包括各次谐波的幅值及相角测量；

b、本装置以高速PowerPC处理器为核心，能对多次谐波进行实时测量，同时提供多种附加功能，如波形及计算结果存储、波形及计算结果显示、测量设定等；

c、当信号基波频率为工频时，采样频率与信号频率同步，当信号频率发生变化，维持采样频率不变，在采样频率与信号频率非同步的情况下，能对信号谐波进行准确跟踪测量；

d、能同时对多个通道不同频率的信号谐波进行准确测量，与FFT变换法相比，在保证精度的同时，能根据需要选择谐波计算次数；

e、面板模件中的单片机作为辅助处理器，根据一定的协议与CPU进行通讯，为本装置提供了完善的人机接口功能。

附图说明

图1装置总体结构图；

图2CPU模件结构框图。

具体实施方式：

如图1-2所示的电力系统定频采样下的变频谐波测量方法及其装置；10kV～35kV电力系统线路保护及测控中可使用本装置。在电力系统中，当线路发生故障后，需要对故障线路进行断路处理，同时对故障信号进行测量，以对故障原因进行分析，本装置可以提供这样的功能。在需要保护及测控的场合，三相电压及电流首先接入交流模件，转换为ADC采样范围内的电压后，进入本装置的6路A/D通道中，完成采样；通过面板选择谐波测量路数及次数，计算结果显示于液晶屏上。同时本装置可加载电力系统相关保护算法，增加若干开入和开出板后，可以控制继电器动作完成线路保护。

电力系统在特定场合下要求装置同时提供继电保护和测量功能，而目前大多继电保护算法都基于定频采样，并且测量功能要求的频率范围为45°～55°。本装置实现了在定频采样情况下对变频信号进行谐波测量，从而达到同一装置不仅满足电力系统保护功能定频采样的要求，同时保证电力系统谐波测量精度的目的。

本装置包括主控模件、交流模件、面板模件以及电源模件四部分。其总体结构如图1所示。硬件设计包含主控模件、交流模件、面板模件以及电源模件的设计。主控模件以PowerPC处理器为核心，包含A/D转换器、DRAM、FLASH等外围芯片，提供模数转换、计算及存储功能；以Mega 16单片机为核心，构建面板模块，提供按键操作输入、液晶及信号灯显示等功能；主控模件和面板模件之间使用SPI总线进行串行通信。

在vxWorks多任务操作系统基础上编写应用软件，完成数据采集、数字信号处理、数据缓冲、数据显示以及事件报告等功能。软件存储于FLASH中，上电后由Bootrom程序搬移至DRAM中运行。使用采样数据，首先对基波频率进行跟踪计算，再以频率为基础计算离散傅立叶系数、整点及分点数；针对周波采样整点以及分点分别完成离散傅立叶计算，其和即为谐波测量结果。

主控模件完成模数转换、测量算法计算、波形及计算结果存储等功能。其结构框架如图2所示。主控模件是本装置的核心，基于PowerPC处理器、16bitA/D转换器以及大容量的FLASH、DRAM存储器，保证本装置能实时对电力信号进行高精度测量，同时能对测量的结果进行实时处理及保存。

采用二阶RC无源低通滤波+高速16bit A/D转换器(250kHz)构成模拟量采集系统，信噪比可达86dBs，采样速率可达到7.2kHz。

交流模件将强电输入信号转换成幅值为±5V的电压电信号，并将输入和输出隔离。其输出信号引入主控模件的A/D采集输入端。

面板模件提供了人机接口。通过SPI总线与主控模件进行通讯，完成测量设定以及测量结果显示等功能。

电源模件输入为110V或220V，其输出供其它模件使用。

装置软件包含主控模件中以实时多任务操作系统为基础的嵌入式软件以及面板模件上单片机的基于前后台模式的嵌入式软件。

主控模件软件包括定时中断采集、采集数据管理、数字信号处理、录波及计算结果存储、事件报告及与面板模件的通讯。

面板模件单片机软件完成液晶显示及信号灯控制、按键信息采集及与主控模件之间的通讯等功能。

主控模件与面板模件之间按照一定的协议通过SPI总线进行通讯。主控模件输出到面板模件的内容为液晶显示内容、读取指示灯状态指令、设置指示灯状态；面板模件输入到主控模件的内容为报文确认和否认、按键及指示灯状态。

本装置的核心算法为定频采样下的谐波测量算法。首先通过设置定时器完成对多路待测量模拟通道的采样，采样结果存储于循环缓冲区中；对各路信号测量数据进行频率计算，根据频率计算结果生成相应的离散傅立叶变换系数，同时完成整点数和分点数计算；整点采用离散傅立叶变换完成计算，分点数用于修正；分别对待测量通道进行计算，每个通道的整点计算结果和分点计算结果之和即为各通道的测量结果。

经典的离散傅立叶变换公式如下：

$a_n=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\cos \mathrm{nk}\frac{2\mathrm{\π}}{N}$

$b_n=\frac{2}{N}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\sin \mathrm{nk}\frac{2\mathrm{\π}}{N}$

其中，a_n、b_n分别为n次谐波的余弦和正弦分量的幅值，T为基波分量的周期，N为一个周期T中的采样点数。

进而得到n次谐波的幅值和相角：

$I_m\left(n\right)=\sqrt{a_n^2+b_n^2}$

为获得准确的幅度及相角值，采样频率必须与信号频率同步，保证整周期采样。即当信号基波分量的周期为T(f＝1/T)，采样频率f_s＝1/T_s，数据窗内采样次数为N，满足以下关系：

T/T_s＝N或f_s/f＝N

则称采样频率与信号频率同步。

设采样频率不变，基波分量的周期发生ΔT的变化，则在一个信号周期中，采样到的整点数为

$N_s=\left[\frac{T+\mathrm{\ΔT}}{T_s}\right]$

分点数为 $\mathrm{\ΔN}=\frac{T+\mathrm{\ΔT}}{T_s}-N_s$

针对整点数，按以下公式完成傅立叶变换：

$a_{\mathrm{ns}}=\frac{2T_s}{T+\mathrm{\ΔT}}\underset{k=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\cos \mathrm{nk}\frac{2\mathrm{\π}{T}_s}{T+\mathrm{\ΔT}}$

$b_{\mathrm{ns}}=\frac{2T_s}{T+\mathrm{\ΔT}}\underset{k=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\sin \mathrm{nk}\frac{2\mathrm{\π}{T}_s}{T+\mathrm{\ΔT}}$

针对分点数，按以下公式计算修正值

$\tilde{a}=\frac{2T_s}{T+\mathrm{\ΔT}}\cos (n*N_s\frac{2\mathrm{\π}{T}_s}{T+\mathrm{\ΔT}})$

$\tilde{b}=\frac{2T_s}{T+\mathrm{\ΔT}}\sin (n*N_s\frac{2\mathrm{\π}{T}_s}{T+\mathrm{\ΔT}})$

以整点计算和分点计算结果为基础，得到待测量信号的余弦和正弦分量的幅值。

$a_n=a_{\mathrm{ns}}+\tilde{a}$

$b_n=b_{\mathrm{ns}}+\tilde{b}$

进而得到n次谐波的幅值和相角计算公式：

$I_m\left(n\right)=\sqrt{a_n^2+b_n^2}$

上述的实施例不以任何方式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1、电力系统定频采样下的变频谐波测量方法，它包括下列步骤：

(1)首先通过设置定时器完成对多路待测量模拟通道的采样，采样结果存储于循环缓冲区中；

(2)对各路信号测量数据进行频率计算，根据频率计算结果生成相应的离散傅立叶变换系数，同时完成整点数和分点数计算；

(3)整点采用离散傅立叶变换完成计算，分点数用于修正；

(4)分别对待测量通道进行计算，每个通道的整点计算结果和分点计算结果之和即为各通道的测量结果。

2、根据权利要1所述的电力系统定频采样下的变频谐波测量方法，其特征在于其中(2)和(3)步骤是采取以下的方法实现的：

即当信号基波分量的周期为T(f＝1/T)，采样频率f_s＝1/T_s，数据窗内采样次数为N，满足以下关系：

T/T_s＝N或f_s/f＝N

则称采样频率与信号频率同步；

设采样频率不变，基波分量的周期发生ΔT的变化，则在一个信号周期中，采样到的整点数为

$N_s=\left[\frac{T+\mathrm{\ΔT}}{T_s}\right]$

分点数为 $\mathrm{\ΔN}=\frac{T+\mathrm{\ΔT}}{T_s}-N_s$

针对整点数，按以下公式完成傅立叶变换：

$a_{\mathrm{ns}}=\frac{{2T}_s}{T+\mathrm{\ΔT}}\underset{k=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\cos \mathrm{nk}\frac{{2\mathrm{\πT}}_s}{T+\mathrm{\ΔT}}$

$b_{\mathrm{ns}}=\frac{{2T}_s}{T+\mathrm{\ΔT}}\underset{k=1}{\overset{N_s}{\mathrm{\Σ}}}i\left(k\right)\sin \mathrm{nk}\frac{{2\mathrm{\πT}}_s}{T+\mathrm{\ΔT}}$

针对分点数，按以下公式计算修正值

$\tilde{a}=\frac{{2T}_s}{T+\mathrm{\ΔT}}\cos (n*N_s\frac{{2\mathrm{\πT}}_s}{T+\mathrm{\ΔT}})$

$\tilde{b}=\frac{{2T}_s}{T+\mathrm{\ΔT}}\sin (n*N_s\frac{{2\mathrm{\πT}}_s}{T+\mathrm{\ΔT}})$

以整点计算和分点计算结果为基础，得到待测量信号的余弦和正弦分量的幅值；

$a_n=a_{\mathrm{ns}}+\tilde{a}$

$b_n=b_{\mathrm{ns}}+\tilde{b}$

进而得到n次谐波的幅值和相角计算公式：

$I_m\left(n\right)=\sqrt{a_n^2+b_n^2}$

3、电力系统定频采样下的变频谐波测量装置，包括主控模件、交流模件、面板模件以及电源模件四部分；其中：

(1)主控模件完成模数转换、测量算法计算、波形及计算结果存储等功能；主控模件是本装置的核心，基于PowerPC处理器、16bitA/D转换器以及大容量的FLASH、DRAM存储器，保证本装置能实时对电力信号进行高精度测量，同时能对测量的结果进行实时处理及保存；

采用二阶RC无源低通滤波+高速16bit A/D转换器(250kHz)构成模拟量采集系统，信噪比可达86dBs，采样速率可达到7.2kHz；

(2)交流模件将强电输入信号转换成幅值为±5V的电压电信号，并将输入和输出隔离。其输出信号引入主控模件的A/D采集输入端。

(3)面板模件提供了人机接口。通过SPI总线与主控模件进行通讯，完成测量设定以及测量结果显示等功能；

(4)电源模件输入为110V或220V，其输出供其它模件使用。

4、根据权利要求3所述的电力系统定频采样下的变频谐波测量装置，其特征在于其中所述的装置软件包含主控模件中以实时多任务操作系统为基础的嵌入式软件以及面板模件上单片机的基于前后台模式的嵌入式软件；

主控模件软件包括定时中断采集、采集数据管理、数字信号处理、录波及计算结果存储、事件报告及与面板模件的通讯；

面板模件单片机软件完成液晶显示及信号灯控制、按键信息采集及与主控模件之间的通讯等功能；

主控模件与面板模件之间按照一定的协议通过SPI总线进行通讯。主控模件输出到面板模件的内容为液晶显示内容、读取指示灯状态指令、设置指示灯状态；面板模件输入到主控模件的内容为报文确认和否认、按键及指示灯状态。

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