一種自適應電網(wǎng)頻率的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方法與裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電能質(zhì)量檢測領域，特別是一種自適應電網(wǎng)頻率的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方法。
【背景技術】
[0002]對電網(wǎng)中諧波進行實時、準確的測量很有必要。針對電力系統(tǒng)的諧波分析，通常都是通過快速傅里葉變換(FFT)來實現(xiàn)的，然而電力系統(tǒng)的頻率并不是時刻都為額定工頻這一恒定值，它會在額定工頻左右的一個范圍內(nèi)發(fā)生變化。、如若沒有進行整周波采樣，采樣頻率和信號頻率不同步，便會產(chǎn)生頻譜泄漏，使計算出的信號參數(shù)(頻率、幅值和相位)不準確，尤其是相位的誤差很大，無法滿足測量精度的要求。
[0003]在實際測量中，采用加窗插值算法對快速傅里葉算法進行修正可減少頻譜泄漏，但是需采集多周期數(shù)據(jù)進行分析，實時性差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種自適應電網(wǎng)頻率的電能質(zhì)量采集方法，通過二階低通濾波器和過零比較器組成的采樣頻率自適應模塊實現(xiàn)采樣頻率自動跟蹤電網(wǎng)頻率，保證采集數(shù)據(jù)的完整性、準確性，提高系統(tǒng)的測量精度。
[0005]本發(fā)明的目的是由以下技術方案來實現(xiàn)的:
[0006]—種自適應電網(wǎng)頻率的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方法。通用電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集模塊對來自互感器的電壓、電流信號進行數(shù)據(jù)采集；采樣頻率自適應模塊采用二階有源低通濾波器和過零比較器將輸入的電力信號轉(zhuǎn)換成方波輸入至FPGA的采樣頻率控制器；采樣頻率控制器通過10MHz時鐘實時地測量被測電信號基波周期和頻率，基波周期的測量誤差控制在±20ns范圍。
[0007]進一步地，電能質(zhì)量參數(shù)的基本測量要求時間間隔為10 (50Hz電力系統(tǒng))或12周期(60Hz電力系統(tǒng))，自適應電網(wǎng)頻率的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置每10周期(50Hz電力系統(tǒng))或者12周期(60Hz電力系統(tǒng))調(diào)整一次采樣頻率；采樣頻率控制器實時調(diào)整ADC的采樣頻率為基波頻率的整數(shù)倍，實現(xiàn)采樣頻率的自適應動態(tài)調(diào)整，最大限度的減小頻譜泄漏，提高諧波分析等電能質(zhì)量參數(shù)測量的精確性。
[0008]本發(fā)明的目的還在于提供一種自適應電網(wǎng)頻率的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置。
[0009]所述裝置包括通用電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集模塊和采樣頻率自適應模塊；通用電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集模塊主要包括低通濾波器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、靜態(tài)隨機存取存儲器SRAM和USB通信模塊；采樣頻率自適應模塊主要包括二階有源低通濾波器、過零比較器和采樣頻率控制器。
[0010]采用本發(fā)明的方案，電壓、電流互感器的電信號經(jīng)過低通濾波器過濾掉高頻干擾和噪聲信號。經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和USB通信。同時，互感器的電信號也會經(jīng)二階低通濾波器濾波，該二階低通濾波器具有較低的截止頻率僅保留基波附近的頻譜信號。濾波后的信號通過過零比較器轉(zhuǎn)換成方波信號傳輸至FPGA內(nèi)部的采樣頻率控制器。采樣頻率控制器通過10MHz時鐘實時地測量信號基波的周期T和頻率f，將ADC的采樣頻率設置為當前電網(wǎng)頻率f的整數(shù)倍。由此實現(xiàn)在電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集時采樣頻率的自適應動態(tài)調(diào)整。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:
[0012](I)采用二階低通濾波器和過零比較器將輸入的電力信號轉(zhuǎn)換成方波，F(xiàn)PGA內(nèi)部采用10MHz時鐘，使測量到的周期誤差控制在±20ns范圍內(nèi)，提高了測量精度。
[0013](2)自適應電網(wǎng)頻率的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置能夠?qū)崟r調(diào)整采樣頻率，并同步輸出采樣值和電網(wǎng)頻率。
[0014](3)通過采樣頻率自適應模塊實現(xiàn)采樣頻率自適應動態(tài)調(diào)整，減小頻譜泄漏，確保采集數(shù)據(jù)的完整性。同時，本發(fā)明不僅適用于電力系統(tǒng)，還可以廣泛應用于空氣動力學領域測試，振動、應變、沖擊結(jié)構(gòu)力學領域的測試等其他數(shù)據(jù)采集領域。
[0015]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步的描述。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的工作框圖。
[0017]圖2是本發(fā)明實施例自適應電網(wǎng)頻率的8通道電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置的示意圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)作進一步的詳述。
[0019]如圖1所示，來自電壓、電流互感器的電信號經(jīng)過低通濾波器輸入至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳輸至FPGA內(nèi)部，由FPGA實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、處理及USB通信功能。同時，互感器的電信號又經(jīng)過二階有源低通濾波器濾波，濾波后的信號通過過零比較器轉(zhuǎn)換成方波信號傳輸至FPGA內(nèi)部的采樣頻率控制器。采樣頻率控制器通過10MHz時鐘實時地測量信號基波的頻率值f，并將ADC的采樣頻率設置為當前電網(wǎng)頻率f的整數(shù)倍，對采樣頻率進行自適應的動態(tài)調(diào)整。
[0020]實施例
[0021]圖2為自適應電網(wǎng)頻率的8通道電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置的示意圖。其中4路電壓信號UA、UB、Uc、Un由電壓互感器獲得，4路電流信號I A、IB、Ic, In由電流互感器獲得。通過通道Ua來實現(xiàn)對電網(wǎng)頻率的跟蹤測量，同時以此為依據(jù)對所有通道同步進行采樣頻率的調(diào)整。自適應電網(wǎng)頻率的8通道電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置包括8路電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集和I個采樣頻率自適應模塊。通用電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集模塊主要包括低通濾波器(Low-filter)、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC)、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)和USB通信模塊。采樣頻率自適應模塊主要包括二階有源低通濾波器(Second Order Active Low PassFilter)、過零比較器(Zero Passing Comparator)和米樣頻率控制器(Sample FrequencyController)。
[0022]電信號由面板輸入，經(jīng)低通濾波器輸入至16bit高精度ADC，ADC將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成二進制補碼數(shù)據(jù)輸入至FPGA內(nèi)部；同時，將經(jīng)過二階有源低通濾波器所得到的基波正弦信號輸入至過零比較器，過零比較器產(chǎn)生的方波信號也輸入至FPGA內(nèi)部，F(xiàn)PGA內(nèi)部的采樣控制模塊通過10MHz時鐘實時地測量被測信號基波的周期值，實時同步更新采樣頻率為電網(wǎng)基波頻率的整數(shù)倍，實現(xiàn)完整的信號數(shù)據(jù)采集。
[0023]FPGA內(nèi)部的FIFO和SRAM控制器將采集的二進制數(shù)據(jù)存入FPGA外圍的SRAM中，該SRAM被設計成為FIFO的訪問模式，用戶可以連接不斷地進行數(shù)據(jù)采集的存儲，不受存儲深度的限制，實現(xiàn)連續(xù)的數(shù)據(jù)采集與存盤。當一次采樣結(jié)束后，上位機通過USB總線將存在SRAM中的采樣數(shù)據(jù)讀出。
【主權(quán)項】
1.一種自適應電網(wǎng)頻率的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，通用電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集模塊對來自互感器的電壓、電流信號進行數(shù)據(jù)采集；采樣頻率自適應模塊采用二階有源低通濾波器和過零比較器將輸入的電力信號轉(zhuǎn)換成方波輸入至FPGA的采樣頻率控制器；采樣頻率控制器通過10MHz時鐘實時地測量被測電信號基波周期和頻率，基波周期的測量誤差控制在±20ns范圍。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:電能質(zhì)量參數(shù)的基本測量要求時間間隔為10 (50Hz電力系統(tǒng))或12周期(60Hz電力系統(tǒng))，自適應電網(wǎng)頻率的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置每10周期(50Hz電力系統(tǒng))或者12周期(60Hz電力系統(tǒng))調(diào)整一次采樣頻率；采樣頻率控制器實時調(diào)整ADC的采樣頻率為基波頻率的整數(shù)倍，實現(xiàn)采樣頻率的自適應動態(tài)調(diào)整，最大限度的減小頻譜泄漏，提高諧波分析等電能質(zhì)量參數(shù)測量的精確性。3.—種自適應電網(wǎng)頻率的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集裝置，其特征在于，包括通用電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集模塊和采樣頻率自適應模塊；通用電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集模塊主要包括低通濾波器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器ADC、現(xiàn)場可編程門陣列FPGA、靜態(tài)隨機存取存儲器SRAM和USB通信模塊；采樣頻率自適應模塊主要包括二階有源低通濾波器、過零比較器和采樣頻率控制器。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自適應電網(wǎng)頻率的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集方法與裝置，包括通用電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集模塊和采樣頻率自適應模塊。通用電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集模塊對來自互感器的電壓、電流信號進行數(shù)據(jù)采集與存儲，采樣頻率自適應模塊采用二階有源低通濾波器和過零比較器將輸入的電力信號轉(zhuǎn)換成方波輸入至FPGA的采樣頻率控制器(Sample？Frequency？Controller)。采樣頻率控制器通過100MHz時鐘測量被測電信號基波周期和頻率，每隔10周期或者12周期實時調(diào)整ADC的采樣頻率為基波頻率的整數(shù)倍，確保采集數(shù)據(jù)的完整性，實現(xiàn)采樣頻率的自適應動態(tài)調(diào)整，最大限度的減小頻譜泄漏，提高電能質(zhì)量參數(shù)測量的精確性。
【IPC分類】G01R31/00
【公開號】CN105137241
【申請?zhí)枴緾N201510552690
【發(fā)明人】劉煒, 許伶俐, 高師湃, 崔夢雨, 齊永龍, 余俊祥, 廖鈞, 金安旭, 黃玲美, 馬超
【申請人】西南交通大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年9月2日