一种超幅工频模拟量信号的采样方法和采样系统与流程

本发明涉及电力测量技术领域，尤其涉及一种超幅工频模拟量信号的采样方法。

背景技术：

工频模拟量信号采样是电力系统自动化设备最重要的工频信号获取方式之一，工频模拟量通过模拟量采样前端电路输入模数转换器(adc)，从而获取工频模拟量的值。

但如果模拟量采样前端电路设计跟采样信号不匹配，在极端大电流情况可能会出现被采样的模拟量信号幅值超出模数转换器(adc)的采集范围，导致电流、电压有效值等采样数据的计算不准确。采样数据不准确会给电力系统的继电保护和自动化装置带来严重影响，因此需要对采样数据超范围的情况进行辨别。

现有的常用方案需要两路独立的模拟前端处理电路，其中一路前端处理电路是信号放大电路，另一路是信号衰减电路。正常情况下模拟量信号经过放大电路接入adc转换器，当软件判断出模拟量信号超出adc采集范围时候，经转换开关把模拟量从放大电路切换到衰减电路，防止模拟量超出adc范围溢出的情况。但当模拟量信号在临界区间时候，会因转换开关频繁的从放大电路切换到衰减电路带来的信号跳变问题。

技术实现要素：

为克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种超幅工频模拟量信号的采样方法，当模拟量信号幅值超出模数转换器(adc)的采集范围时，仍能准确获得工频模拟量信号的幅值。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种超幅工频模拟量信号的采样方法，包括以下步骤：

步骤s1，获取工频模拟量信号的周期采样序列；

步骤s2，对一个周期采样序列的采样值进行判定统计，包括以下步骤：

步骤s21，初始化计数器i＝0，j＝0，初始化周期采样数n；

步骤s22，读取采样点i的adc采样值ui；

步骤s23，判定采样值ui是否为有效采样值，当采样值等于adc采样范围的最大值umax或最小值umin或过零点的值u0时，该采样值为无效采样值，跳转步骤s24；其余的采样值为有效采样值，跳转步骤s25；

步骤s24，舍弃无效采样值，计数器j加1，进入步骤s26；

步骤s25，通过采样点i和过零点的相位关系，计算采样点i的实时幅值，进入步骤s26；

步骤s26，循环判定，当i>n-1时，跳转到步骤s27，跳出循环；当i<＝n-1时,跳转到步骤s21，循环；

步骤s27，计算工频模拟量信号在本工频周期的幅值。

进一步的，步骤s1中，在对工频模拟量信号进行采样的同时，将采样值和过零点电压进行比较，当采样值和过零点的值一致时，以该采样值为起始获得一个工频周期的采样值形成工频模拟量信号的周期采样序列，该工频采样序列包括n个采样值ui，i＝0,1,…,n-1，所述过零点电压为工频模拟量信号的直流偏置电压。

进一步的，所述过零点为波形从负半波到正半波的过零点。

进一步的，所述步骤s25包括以下公式：

i≠0且i≠n/2

其中，θ为360/n，umi为采样点i的实时幅值，i<n。

进一步的，所述步骤s27包括以下公式：

其中，无效的采样点的实时幅值umi按0计算。

进一步的，所述n≥60。

本发明的超幅工频模拟量信号的采样方法，对所采样的工频模拟量信号的采样值按工频周期进行取样，并逐个检测各采样点的采样值是否为有效采样值，通过比较，舍弃采样值等于adc最大值、最小值和过零点的采样点，并求取剩余有效采样点的实时幅值或有效值进行算数平均值，获得工频模拟量信号在本工频周期的幅值，当该幅值超出模数转换器的采集范围时，通过软件算法仍能被准确获得。

为实现本目的，本发明还提供了以下方案：

一种超幅工频模拟量信号的采样系统，包括ad采样电路、控制器，所述控制器和所述ad采样电路连接，依采样频率周期性地获得ad采样电路对工频模拟量信号的采样值，当工频模拟量信号的幅值超出ad采样电路的采样范围时，所述控制器执行如上所述的采样方法，对工频模拟量信号的采样值进行处理，获得正确的工频模拟量信号的幅值和有效值。

进一步的，所述采样频率大于等于8000hz。

该采样方法不增加硬件投入，可通过软件算法扩展对工频模拟量信号幅值或有效值的检测范围，在电力系统的电力监测上具有积极意义。

附图说明

图1是工频模拟量信号示意图；

图2是超出adc采集范围的工频模拟量信号示意图；

图3是本发明一实施例的获取工频模拟量信号的周期采样序列的流程图；

图4是本发明一实施例的超幅工频模拟量信号的判定统计流程图；

图5是本发明一实施例的工频模拟量信号采样系统的功能框图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1所示的是一个工频模拟量信号，该工频模拟量信号的幅值在adc的采样范围之内，ad采样电路按固定采样周期对工频模拟量信号进行采样，精确获取每个采样值，控制器从adc模块读取采样值，并形成离散采样序列。

控制器可以获取离散采样序列的某一工频周期的周波采样序列，通过查找获取每个工频周期的最大值和最小值，当该最大值和最小值均在adc的采样范围之内，则可获得工频模拟量信号的峰-峰值up-p，并通过公式：

进而获得工频模拟量信号的幅值um，该方式运算量小，但精度较差。

图2是本发明示例性的超出adc采集范围的工频模拟量信号示意图，当工频模拟信号的幅值超出adc的幅度限制，则超出部分的数据被限幅至adc的最大值或最小值，被限幅的采样值失去了有效性，现有技术的方案是增加信号衰减电路，正常情况下，模拟量信号经过放大电路接入adc转换器，当软件判断出模拟量信号超出adc采集范围时候，经转换开关把模拟量从放大电路切换到衰减电路，防止模拟量超出adc范围而发生限幅的情况。但当模拟量信号在临界区间时候，会因转换开关频繁的从放大电路切换到衰减电路带来的信号跳变问题。

实施例一

本发明的公开了一种超幅工频模拟量信号的采样方法，采用现有的工频模拟量信号采样电路，不通过衰减电路来扩大工频模拟量信号的可检测范围，通过软件算法方式获得精确的幅值。即能有效监测如图2所示的超幅工频模拟量信号。

对于本实施例中所示出的工频模拟量信号采样系统相关的技术内容，在此做简要说明：

本实施例中，工频模拟量信号采样系统包括adc电路，由于adc为单电源供电，工频模拟量信号以交流耦合方式输入adc，adc取其中值电压为参考点，对工频模拟量信号的采样值进行模数转换，此时，adc的中值电压对应工频模拟量信号的过零点，一个工频周期有两个过零点，该点对应的模数转换的电压值为已知，因此在截取一个工频周期的采样值时，可以以过零点为参考点进行取值，选取过零点及过零点之后的n的采样值。

当输入的工频模拟量信号的采样值超出adc的采样范围(即工频模拟量信号的正半周超出adc允许输入的最大值或工频模拟量信号的负半周超出adc允许输入的最小值)，adc则按其采样范围的最大值或最小值进行输出，如图2所示。

通常adc的采样范围的最大值为其电源电压值vcc，最小值为电源地。

在本实施例中，adc的供电电压为3.3v，其采样的最大值为3.3v，最小值为0v，因此其中值点为1.65v，该中值点即为工频模拟量信号的过零点，adc的采样频率为8000hz，工频的频率为50hz，即一个工频周期进行160次采样，工频周期的采样数n为160。一个工频周期的采样数越多，所求取的工频模拟量信号的平均值就越精确。

在本实施例中，超幅工频模拟量信号的采样方法包括两个流程，分别如图3和图4所示：

流程s1：对工频模拟量信号进行采样，获取工频模拟量信号的周期采样序列；

流程s2：超幅工频模拟量信号的判定统计流程。

流程s1中，在对工频模拟量信号进行采样的同时，将采样值和过零点进行比较，当采样值和过零点的值一致时，以该采样值为起始获得一个工频周期的采样值形成工频模拟量信号的周期采样序列，该工频采样序列包括n个采样值ui，i＝0,1,…,n-1；一个工频周期有两个过零点，为使用方便，选取其中工频模拟量信号的波形从负半波到正半波的过零点。

流程s2，对一个周期采样序列的采样值进行判定统计，包括以下步骤：

步骤s21，初始化计数器i＝0，j＝0，初始化周期采样数n；

步骤s22，读取采样点i的adc采样值ui；

步骤s23，判定采样值ui是否为有效采样值，当采样值等于adc采样范围的最大值umax或最小值umin或过零点的值u0时，该采样值为无效采样值，跳转步骤s24；其余的采样值为有效采样值，跳转步骤s25；

步骤s24，舍弃无效采样值，计数器j加1，进入步骤s26；

步骤s25，通过采样点i和过零点的相位关系，计算所述采样点i的实时幅值umi，进入步骤s26；

步骤s26，循环判定，当i>159(即i>n-1)时，跳转到步骤s27，跳出循环；当i<＝159(即i<＝n-1)时,跳转到步骤s21，循环；

步骤s27，计算工频模拟量信号在本工频周期的幅值um。

步骤s25，当周期采样序列以过零点为起始采样点，有效采样点i的相位可通过i*θ表示，从而计算出该采样点i所对应的实时幅值umi；

采样点i的采样值ui和其实时幅值umi有如下关系：

具体通过公式：

ui-u0＝umi*sin(i*θ)

经变换，通过如下公式

i≠0且i≠n/2

获得采样点i的实时幅值umi。

步骤s27中，根据以下公式计算工频模拟量信号在本工频周期的幅值和有效值：

其中，无效的采样点的实时幅值umi按0计算。

工频模拟量信号的幅值和有效值的关系为

因此在获得工频模拟量信号的幅值的任意阶段也可获得其有效值，并最终获得工频模拟量信号在本工频周期的有效值。

通过该算法，按工频周期从工频模拟量信号的离散采样序列获取周波采样序列，并从周波采样序列中舍弃具有超范围幅值的采样点，求取剩余采样点的实时幅值，并求取剩余采样点的实时幅值的平均值，从而获得精确的工频模拟量信号在该工频周期的幅值和有效值。

对于本算法，有效的实时幅值的数量越多，所求取的平均幅值就越准确，当工频模拟量信号的幅值在不大于adc采样范围的2-3倍时，在一个工频周期内，有效采样点足够多且占所有采样点的比例在可接受范围之类，如一个工频周期内的有效采样点至少占所有采样点的1/3，通过有效采样值所对应的实时幅值所获得的工频模拟量信号在该工频周期的幅值和有效值，即可被认为是有效的。通过该方式可精确获得并有效记载一定程度内(如为adc的采样范围的2-3倍)的过流、过压信号的幅值和有效值。为保证该方法有效，一个工频周期的采样数n大于等于60。

该采样方法不增加硬件投入，可通过软件算法扩展对工频模拟量信号幅值或有效值的检测范围，在电力系统的电力监测上具有积极意义。

实施例二

如图5所示，本发明公开了工频模拟量信号的采样系统的一个实施例，包括ad采样电路10和控制器20，控制器20将采样时钟40输出给ad采样电路10，ad采样电路10采集工频模拟量信号后输出采样值30，该采样值30可以以串行信号或并行信号形式发送给控制器，从而被控制器读取。当工频模拟量信号的幅值超出ad采样电路的限值时，采样值30输出ad采样电路的最大限值或最小限值，应用实施例一中的工频模拟量的采样方法，可以准确、有效地获得超幅的工频模拟量信号的幅值。

在本实施例中，控制器20的输出的采样时钟40的频率为8000hz，即每个工频周期采样160次。

在控制器20的处理能力可行，且在ad采样电路10所允许的采样频率范围内，提高采样频率，可在一个工频周期内获得更多的采样值，从而降低因工频信号超幅而获得的无效采样值较多，而引起的有效采样值经统计获得的平均幅值出现劣化的情况，可有效获得超出ad采样电路范围2-3倍的工频模拟量信号的幅值。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。