一种非线性信号模拟装置的制作方法

本发明属于电网功率分析领域，尤其涉及一种非线性信号模拟装置。

背景技术：

随着用电设备的种类越来越多，电网系统中接入了越来越多非线性负载，特别是各种冲击性负载如地铁、电车、电弧设备等，这类非线性负载在电网中产生大量不同的非线性信号，与传统的线性信号以及稳态畸变信号不同，这类非线性信号通常是瞬时产生，其发生和消失速度快，无法使用常用的功率检测设备进行准确计量，因此对电网电能利用的监测以及对电网用电负荷的评估都造成了很大的困难。由于非线性负载的增加，电网中谐波信号比重不断增加，电网产生的电压和电流波形均发生不同程度的变形，使用传统的功率检测和计算方法也无法进行准确计算。

技术实现要素：

基于上述现状，本发明的目的在于，提供一种能够模拟电网中非线性负载产生的非线性信号的装置，以实现对电网中各类非线性信号进行模拟和测量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种非线性信号模拟装置，包括模拟信号发生装置、信号转换装置、处理装置以及操作装置，所述模拟信号发生器用于产生非线性模拟信号，所述信号转换装置用于将模拟信号转换为计算机可识别和处理的数字信号，所述处理装置用于采集信号以及进行运算，所述操作装置用于实现对设备的操作以及显示设备状态；所述模拟信号发生装置包括内设的存有各类方波、正余弦、三角波等调制函数表的可编程存储器，对样本信号进行处理运算的乘法器、减法器、加法器，还包括用于获取样本信号的取样电阻；所述取样电阻用于获取输入信号，所述乘法器将输入信号与可编程存储器中传递的调制函数信号进行乘法运算，所述加法器将上述经过乘法运算的信号与输入信号做加法运算；转换装置包括a/d转换电路，所述a/d转换电路包括嵌入式开发板、a/d转换芯片以及arm核心板，a/d转换芯片上的启动转换引脚convst相连以实现同步启动转换，以对模拟信号发生器中发出的电流和电压信号同时分别采样；arm核心板向启动转换引脚convst输出脉冲启动信号以控制a/d转换；所述嵌入式开发板的片选和读控制信号相连；所述a/d转换芯片的数据总线与嵌入式开发板总线相连；所述非线性信号模拟装置还包括高频时钟电路，包括处理器提供执行指令所需时钟信号的处理器时钟源，还包括usb通信时钟源、显示模块时钟源以及rtc时钟源。

进一步地，还包括整流电路，所述整流电路连接至取样电阻以修正模拟信号波形。

较优地，所述取样电阻的阻值为1ω。

进一步地，所述arm核心板还包括ddr存储器以及信号通讯接口。

进一步地，所述嵌入式开发板还包括三个相位锁存器，分别用于设置系统内的arm核时钟、axi/ahb总线时钟以及apb总线时钟。

较优地，所述usb时钟源频率为48mhz，所述显示模块时钟源频率为27mhz。

进一步地，所述处理装置包括cpu以及可读存储器，还包括通信接口。

其有益效果在于：

1、本发明的一种非线性信号模拟装置，利用模拟信号发生装置来产生非线性信号，并通过信号转换装置转化为数字信号，进而获得可供测量及研究的非线性模拟信号，通过使用不同的调制函数，使样本信号经过可编程存储器以及乘法器、加法器、减法器的数字计算，模拟出电网中各类不同的非线性信号，通过控制电路中各装置实现信号的同步采集处理，该非线性信号模拟装置结构简单，控制方便，可以便捷地模拟出电网中各类不同的非线性信号。

2、通过整流电路修正系统中模拟信号的波形，以获得更好地波形效果，便于数据处理

3、通过将取样电阻设置为1ω，可以简化数据处理过程，减少计算量，提高系统数据处理速度。

4、利用ddr以及通讯接口完成相关数据的存储和传输。

5、利用不同的时钟控制发送不同控制信号以控制系统。

6、使用相关频率可以简化系统结构，提高系统反映速度。

7、通过设置cpu、存储器以及通讯接口可以使系统连接至pc机等设备实现控制及数据输送。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是电网的简化示意图；

图3是本发明中模拟信号发生装置原理图；

图4是本发明中高频时钟电路示意图；

图5是本发明中a/d转换芯片的连接示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明创造作详细说明。

一、非线性信号的模拟原理

实际电网信号中的非线性信号主要包括电压的上升下降和瞬时通断信号，当上述非线性信号流入时，节点上的电压和电流信号可表示为

u(t)＝u1(t)+u0+∑up(t)+∑uh(t)++uc(t)1-1

i(t)＝i1(t)+i0+∑ip(t)+∑ih(t)+ic(t)1-2

其中u1(t)为基波电压，u0为节点直流电压，∑uh(t)为节点的谐波电压，∑up(t)为节点的间谐波电压，uc(t)是节点间其他形式的电压；i0是流入节点的直流电流，i1(t)是流入此节点的基波电流，∑ih(t)为节点的谐波电流，∑ip(t)为节点的间谐波电流，ic(t)是节点间其他形式的非线性电流；

将电网的电路模型进行简化，如图2所示，理想条件下，则节点a的电压和电流可表示为可表示为：

ua(t)＝u1(t)+us(t)

ia(t)＝i1(t)+is(t)

其中u1(t)/i1(t)为a点基波电压/电流，us(t)/is(t)为a点的非线性电压/电流，且线路阻抗上的压降可表示为

δu(t)＝δu1(t)+δus(t)

其δu1(t)中表示线路阻抗压降中的基波分量，δus(t)表示线路阻抗压降中的畸变分量。

根据节点的瞬时功率关系式pa(t)＝ua(t)*i(t)计算节点a的平均功率：

其中，p1为基波功率、p1s路是基波电压与畸变电流间相互作用产生的功率、ps1是畸变电压与基波电流间相互作用产生的功率、ps为畸变功率。

结合电路简化图2，ps＜0对电网造成了污染，其以畸变功率的形式回馈电网因此计算计量功率时不予计量，因此在含有非线性畸变信号情况下计量功率p的合理计算公式应当为：

p＝p1+p1s+ps1+ps＝pa-ps1-4

如图3中所示，通过模拟信号发生装置内设的存有各类方波、正余弦、三角波等函数表β(x)的可编程存储器，进行运算的乘法器、减法器、加法器，整形电路以及电阻等其他附件，利用模拟信号发生装置，可以将电流信号i1(t)经取样电阻r1将其转换为电压信号u1(t)，且满足

u1(t)＝i1(t)*r1

将可编程存储器中函数表中的β(t)函数在乘法器中与u1(t)相乘之后再在加法器中与u1(t)相加得到u2(t)信号，且满足

u2(t)＝u1(t)+u1(t)*β(t)

＝[1+β(t)]u1(t)

＝[1+β(t)]i1(t)r1

经过上述电路获得的模拟电网电流信号io(t)通过线路电阻r0得到线损电压δu0(t)，且满足

δu0(t)＝i0(t)*r0。

则被测点a的电压ua(t)满足

结合公式1-4和1-5，使用不同的β(t)信号即可实现对电网中不同的非线性信号(电压、电流)进行模拟，并在此基础上对非线性模拟信号的合理计量功率进行研究。

二、非线性信号模拟装置

如图1所示，本发明的一种非线性信号模拟装置，包括模拟信号发生装置、数字模拟信号转换装置、处理装置以及操作装置，模拟信号发生器用于产生非线性模拟信号，数字模拟信号转换装置用于将模拟信号转换为计算机可识别和处理的数字信号，处理装置用于采集信号以及进行运算，操作装置用于实现对设备的操作以及显示设备状态。

其中模拟信号发生装置如图3所示，其包括内设的存有各类方波、正余弦、三角波等函数表β(x)的可编程存储器，对样本信号进行处理运算的乘法器、减法器、加法器，还包括用于获取样本信号的取样电阻。

转换装置是将非线性信号转换为数字信号的关键，其主要包括转换电路，其电路图如图5所示。通过使a/d转换芯片上的启动转换引脚convst相连以实现同步启动转换，以可对模拟信号发生器中发出的电流和电压信号同时分别采样。

本发明的非线性信号模拟装置需要使用自有的时钟频率，由于该时钟频率较高，因此本发明还包括高频时钟电路，其电路图如图4中所示。其中pll为实施例中cpu处理模块内置的锁相环，通过设置寄存器控制通道的开闭，控制电路图中三个锁相环调节核心总线上的频率，使系统可在高频率下工作，针对图5所示电路，使用公式fout(优先输出)＝mdiv*12/(pdiv*21)可计算系统工作频率。系统启动之后，xtipll起振频率为12mhz(复位开关为低)，当复位开关为高时，时钟系统开始工作，设置plllock时间，利用vco使系统始终达到所需高频率，进而满足设备需求。

进一步地，为向处理器提供执行指令所需要的时钟信号，需要外接时钟源信号，包括处理器时钟源、usb通信时钟源、显示模块时钟源以及rtc时钟源。

具体实施过程中，

一、非线性信号的模拟，针对电网中不同非线性信号存在的情况，具体实施时有以下几种情况(举例说明)：

1、谐波和间谐波同时存在

谐波信号

间谐波信号

对应的β(t)函数：

2、直流、谐波和间谐波同时存在

其对应β(t)的函数为：

γ(t)取值为1(当t≥0)或0(当t＜0)

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明创造的技术方案，而非对本发明创造保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明创造作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明创造的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明创造技术方案的实质和范围。