DE102007054306B4

DE102007054306B4 - Verfahren zum Analysieren von Wechselspannungssignalen

Info

Publication number: DE102007054306B4
Application number: DE102007054306A
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl.-Ing. Bösnecker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: US20090125261A1; US7930119B2; DE102007054306A1

Abstract

Verfahren zum Analysieren von Wechselspannungssignalen mit Hilfe eines Transformationsverfahrens, mit den Schritten:
– Festlegen einer Grundfrequenz f₀, nach der ein Eingangssignal untersucht werden soll,
– Festlegen einer natürlichen Zahl n, die vorgibt, dass bis zur n-ten Harmonischen der Grundfrequenz das Eingangssignal untersucht werden soll,
– Berechnen der Standardabtastfrequenz f = 2nf₀ und
– Abtasten des Eingangssignals mit einer Abtastfrequenz f_Abtast'
gekennzeichnet durch
– Multiplizieren der Standardabtastfrequenz f mit einer natürlichen Zahl m, um eine höhere Abtastfrequenz f_Abtast = mf = m2nf₀ zu erhalten und
– Auswählen eines vorbestimmten Abtastwerts und Verwendung jedes m-ten Abtastwerts in der Abtastreihenfolge vor und nach dem vorbestimmten Abtastwert für das Transformationsverfahren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren von Wechselspannungssignalen.
Es handelt sich insbesondere um eine Frequenzanalyse, und zwar mit Hilfe eines Transformationsverfahrens wie z. B. der Schnellen Fourier-Transformation (FFT, Fast Fourier Transformation). Um eine solche Schnelle Fourier-Transformation durchführen zu können, wird üblicherweise eine Abtastfrequenz nach einem Standardverfahren bestimmt, und diese Standardabtastfrequenz bestimmt die Anzahl der Abtastwerte bei vorgegebener Gesamtabtastdauer. Zur Analyse wird eine Grundfrequenz f₀ festgelegt, und es wird nach dieser Grundfrequenz und deren Harmonischen eine Spektrumsanalyse durchgeführt. Sollen bis zur n-ten Harmonischen untersucht werden, ergibt sich diese Standardabtastfrequenz f zu f = 2nf₀. Der Faktor 2 ergibt sich aus dem Shannontheorem. Es werden im Stand der Technik alle Abtastwerte verwendet. Wichtig ist, dass die Abtastwerte möglichst optimal den Kurvenverlauf wiedergeben. Insbesondere die Nulldurchgänge des Eingangssignals müssen präzise durch Abtastwerte wiedergegeben werden. Größere Fehler treten auf, wenn zwei Abtastwerte neben einem Nulldurchgang liegen und der Nulldurchgang von keinem Abtastwert getroffen wird. Der Stand der Technik hat zahlreiche Techniken entwickelt, wie die Abtastwerte möglichst präzise den Nulldurchgang treffen. Damit geht eine aufwändige Apparatur einher.
Aus SCHOUKENS, J. [u. a.]: Fully Automated Spectral Analysis of Periodic Signals. In: IEEE Transactions an Instrumentation and Measurement, vo. 52, no. 4, August 2003, S. 1021–1024 ist bereits ein Verfahren zum Analysieren von Wechselspannungssignalen unter Verwendung der schnellen Fourier-Transformation FFT als Transformationsverfahren bekannt. Bei diesem Verfahren wird eine Grundfrequenz festgelegt und eine natürliche Zahl gewählt, welche mit der Grundfrequenz und einem Faktor 2 multipliziert die Standardabtastfrequenz ergibt. Abgetastet wird dann mit einer Frequenz, die etwas größer als diese Standardabtastfrequenz ist. Im Verlauf des Verfahrens wird der so erhaltene Datensatz an Abtastwerten in mehrere Unter-Datensätze unterteilt und für jeden dieser Datensätze eine Fourier-Transformation durchgeführt, d. h. es wird jeweils nur ein Teil der Abtastwerte für eine Fourier-Transformation verwendet. Auch mit diesem Verfahren ist die Abbildung ebenfalls relativ fehlerbehaftet.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine möglichst fehlerfreie Abbildung eines Wechselspannungssignals, insbesondere bei Abtastung aus dem Stromversorgungsleitungsnetz, in möglichst unaufwändiger Weise zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei Bereitstellung einer Redundanz beim Abtas ten die für das Transformationsverfahren vom Zeitraum in den Frequenzraum (z. B. für die Schnelle Fourier-Analyse) besonders geeigneten Werte auf jeden Fall in der Menge der Abtastwerte enthalten sind. Das Eingangssignal wird mit einer Abtastfrequenz f_Abtast abgetastet, die größer als die genau berechnete Standardabtastfrequenz f ist. In Abhängigkeit von dem Verhältnis von f_Abtast/f kann man ein geeignetes Verfahren finden, welche Abtastwerte für das Transformationsverfahren ausgewählt werden.
Besonders einfach gestaltet sich die Sachlage dann, wenn die Abtastfrequenz f_Abtast ein natürliches Vielfaches der Standardabtastfrequenz ist, f_Abtast = mf = m·2·nf₀. Dann kann man nach dem Abtasten einen vorbestimmten Abtastwert auswählen, der sich als besonders geeignet erweist, und es kann dann jeder m-te Abtastwert in der Abtastreihenfolge vor und nach dem vorbestimmten Abtastwert für die Schnelle Fourier-Transformation verwendet werden. Beispielsweise kann derjenige Abtastwert ausgewählt werden, der einem Nulldurchgang des Wechselspannungssignals am nächsten ist. Durch die Wahl der m-fachen Standardabtastfrequenz als Abtastfrequenz wächst die Wahrscheinlichkeit, dass ein Abtastwert besonders nahe am Nulldurchgang liegt oder diesen genau trifft. Werden die verwendeten Abtastwerte in Abhängigkeit von dem ausgewählten Abtastwert festgelegt, sind diese optimal für eine besonders präzise Analyse des Eingangssignals geeignet.
Ein Aspekt der Erfindung besteht im Abtasten eines Wechselspannungssignals (insbesondere aus dem Stromversorgungsleitungsnetz), wobei eine vorbestimmte Menge von Abtastwerten zu erfassen und nur einen Teil dieser Abtastwerte für eine Schnelle Fourier-Transformation zu verwenden ist. Dabei wird aus der vorbestimmten Menge von Abtastwerten einen Abtastwert nach vorbestimmten Kriterien ermittelt und die restlichen Abtastwerte von diesem abhängig ausgewählt. Die vorbestimmten Kriterien sind bevorzugt Kriterien, die einen Nulldurchlauf festlegen.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei die einzige FIG schematisch den Schrittablauf bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
In einem ersten Schritt S10 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Standardabtastfrequenz f festgelegt. Es handelt sich hierbei um diejenige Frequenz, mit der üblicherweise abgetastet wird, wenn eine Schnelle Fourier-Transformation (FFT) durchgeführt werden soll. Sie ergibt sich aus der Grundfrequenz f₀, nach der analysiert werden soll, zu f = 2nf₀, wenn bis zur n-ten Harmonischen analysiert werden soll.
Im folgenden Schritt S12 wird die Standardabtastfrequenz mit einer natürlichen Zahl m zu f_Abtast = mf multipliziert.
Nachfolgend wird über eine Periode mit f_Abtast abgetastet, so dass man Abtastwerte U₀, ...U_i, ...U_N erhält (Schritt S14).
Von diesen Abtastwerten wird nun derjenige Abtastwert U_j ausgewählt, der einem Nulldurchgang des Eingangssignals am nächsten liegt (Schritt S16).
Ist U_j ausgewählt, so verwendet man im Schritt S18 jeden m-ten Abtastwert in der Abtastreihenfolge vor und nach dem ausgewählten Abtastwert U_j (also ... U_j-2m, U_j-m, U_j+m, U_j+2m ...) für eine Schnelle Fourier-Transformation.
Durch die Verwendung einer Abtastfrequenz f_Abtast, die größer als die Standardabtastfrequenz f ist, wird das Eingangssignal wesentlich dichter durch Abtastwerte erfasst. Es ist jedoch für die Schnelle Fourier-Transformation nicht die gesamte Menge der Abtastwerte notwendig. Man profitiert von der Dichte der Abtastwerte, um möglichst einen solchen Abtastwert auszuwählen, der für die Schnelle Fourier-Transformation be sonders geeignet ist (Abtastwert nahe am Nulldurchgang). Die anderen Abtastwerte ergeben sich dann aus dem ausgewählten Abtastwert.
Die Erfindung ist auch einsetzbar, wenn anstelle der Schnellen Fourier-Transformation ein anderes Transformationsverfahren verwendet wird, das von einer zeitlichen Darstellung in eine andere Darstellung wie die Frequenzdarstellung transformiert. Ein anderes Transformationsverfahren ist z. B. die herkömmliche Fourier-Transformation (Diskrete Fourier-Transformation, DFT) oder die Laplace-Transformation.

Claims

Verfahren zum Analysieren von Wechselspannungssignalen mit Hilfe eines Transformationsverfahrens, mit den Schritten: – Festlegen einer Grundfrequenz f₀, nach der ein Eingangssignal untersucht werden soll, – Festlegen einer natürlichen Zahl n, die vorgibt, dass bis zur n-ten Harmonischen der Grundfrequenz das Eingangssignal untersucht werden soll, – Berechnen der Standardabtastfrequenz f = 2nf₀ und – Abtasten des Eingangssignals mit einer Abtastfrequenz f_Abtast' gekennzeichnet durch – Multiplizieren der Standardabtastfrequenz f mit einer natürlichen Zahl m, um eine höhere Abtastfrequenz f_Abtast = mf = m2nf₀ zu erhalten und – Auswählen eines vorbestimmten Abtastwerts und Verwendung jedes m-ten Abtastwerts in der Abtastreihenfolge vor und nach dem vorbestimmten Abtastwert für das Transformationsverfahren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Abtastwert ausgewählt wird, der einem Nulldurchgang des Wechselspannungssignals am nächsten ist.