基于全数字化技术实现的电能采集零压降光纤传输装置制造方法

文档序号:7787439阅读:262来源:国知局
基于全数字化技术实现的电能采集零压降光纤传输装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及基于全数字化技术实现的电能采集零压降光纤传输装置,该传输装置包括:发射端和接收端,所述发射端和接收端之间采用传输光缆或光纤连接,所述发射端包括依次连接的信号调理模块、模数转换模块和电光变换模块,所述接收端包括依次连接的光电变换模块、数字移相模块、数模变换模块和放大输出模块。所述传输装置采取全数字化技术来实现数字移相,使得在零压降光纤传输装置中完全不需要采取模拟电路构成移相器,无需电阻电容等模拟器件,不受外界环境因素影响,大大提高了装置的稳定性和高准确度,具有工程实用价值。
【专利说明】基于全数字化技术实现的电能采集零压降光纤传输装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种电能计量电气回路中的电压信号传输技术,特别是涉及一种基于全数字化技术实现的电能采集零压降光纤传输装置。
【背景技术】
[0002]高压电力线路的电能计量,必须通过PT将高电压按精确的比例降至低压,再送电能表进行测量。通常情况下,PT与电能表的距离为几十至数百米,二者通过二次线路连接。而二次线路电缆存在一定的电阻,线路上的保险、控制开关刀闸和线路接头等也具有一定的接触电阻,因此,当PT负载电流通过二次回路时,将在这些电阻上产生压降。在一些变电站,继电保护装置、自动装置及其他监测仪表与电能表共用一个PT绕组,由此将产生更大的二次线压降。PT 二次线压降致使电能表所测量的电压低于PT输出端口的电压,产生测量误差。这一负误差造成的电能量漏计致使发、供电企业每年产生上千万元的经济损失,成为供电企业亟待解决的技术问题。
[0003]针对PT 二次输出的模拟电压信号传输过程中存在的电压降,国内外提出了很多方法,典型的有:加粗电压互器感二次连接导线的截面、减小二次连接导线的长度,以及减小各接点接触电阻;将电度表调快;装设电度表的专用二次回路采用专用计量回路;采用电压误差补偿器来补偿二次导线压降引起的比差和角差等,但上述方法都不同程度的存在缺陷,以至于长期以来,该问题没有得到很好的解决。
[0004]近年来也有文献表明可采用在PT 二次电压的输出端就地将其数字化,并转换为光信号,通过光缆传输至控制室,在控制室还原成模拟信号,输入电能表,从而达到完全消除信号传输过程中电压降,大大提高整套电能计量装置准确度的目的。因此这种装置也被叫做零压降光纤传输装置或者零压降数字光电计量装置。如图1所示。
[0005]位于PT端子箱内的发射端将电压互感器二次输出电压信号转换成数字光脉冲信号后经光缆传输至接收装置,位于控制室内的接收端将数字脉冲光信号转换成电压信号再输出至电能表。所述的发射端由调理电路、模/数变换电路、电光变换电路组成,接收端由光电变换电路、数/模变换电路、放大输出电路组成。
[0006]但是这种方法在将PT 二次端电压数字化的过程中,不可避免的会产生相位偏移,即一次电压的采样时间通常与二次电压信号模数转换器(不论是采用A/D或者别的模数转换器件)的采样时间不完全一致,原因往往是传输装置中的模拟元件(如信号调理电路中A/D转换前的抗混叠滤波器)产生相位偏移,或是一次电压信息到达A/D转换器之前的延时
坐寸ο
[0007]—般这种延时在频域内表现为上述电压信号传输装置的相位差滞后一次电压波形的实际相位且超出限值。因此必须采取措施来消除这种由于延时引起的相位误差。消除误差的方法一般是采用在控制室将数字信号还原成模拟信号后,再采用模拟电路构成的移相器来进行相位误差的调整,以准确还原一次电压信号的相位。一般是在图1中的接收端中将信号从数字量转换成模拟量后,即数模转换之后的模拟信号放大输出环节实现。[0008]由于这种电能采集零压降光纤传输装置的整体准确度等级为0.05级,其相应的相位误差不能超出±2分,因此,采用上述模拟电路构成的移相器很难达到要求,且在长期运行过程中,由于运行环境温度、湿度等因素的变化,使得模拟器件电阻电容等的稳定性受到影响,其电气参数一旦漂移,将很难满足传输装置整体相位误差不能超出±2分的要求。

【发明内容】

[0009]为了解决现有零压降光纤传输装置中模拟电路构成的移相器电气参数受运行环境温度、湿度等因素的变化,导致传输装置整体稳定性和准确度下降,不能满足实际工程需要的问题。本实用新型提供一种基于全数字化技术实现的电能采集零压降光纤传输装置。采取全数字化技术来实现数字移相,使得在零压降光纤传输装置中完全不需要采取模拟电路构成移相器,无需电阻电容等模拟器件,不受外界环境因素影响,大大提高了装置的稳定性和高准确度,具有工程实用价值。
[0010]本实用新型的目的通过以下技术方案来实现:
[0011]基于全数字化技术实现的电能采集零压降光纤传输装置,包括:发射端和接收端,所述发射端和接收端之间采用传输光缆或光纤连接,所述发射端包括依次连接的信号调理模块、模数转换模块和电光变换模块,所述接收端包括依次连接的光电变换模块、数字移相模块、数模变换模块和放大输出模块。
[0012]所述数字移相模块为FPGA微处理器。
[0013]本实用新型的优点在于:
[0014]采用全数字化技术来实现数字移相,从而达到用数字化方法消除装置输出的相位误差,实现电能采集零压降光纤传输装置的高稳定性和准确度。
【专利附图】

【附图说明】
[0015]图1:电能采集零压降光纤传输装置构成原理框图;
[0016]图2:本实用新型全数字化电能采集零压降光纤传输装置构成原理框图;
[0017]图3:数字移相示意图;
[0018]图4:移相效果仿真示意图;
[0019]图5:采用FPGA实现数字移相原理框图;
[0020]图6:采用FPGA实现数字移相算法实现流程图。
【具体实施方式】
[0021]以下结合附图详细说明本实用新型,如图1为电能采集零压降光纤传输装置构成原理框图,该传输装置包括发射端I和接收端2,所述发射端I和接收端2之间采用光缆3或者光纤连接。所述发射端包括依次连接的信号调理模块4、模数转换模块5和电光变换模块6,所述接收端包括依次连接的光电变换模块7、数模变换模块8和放大输出模块9。
[0022]如图2所示为本实用新型全数字化电能采集零压降光纤传输装置构成原理框图。本实用新型和现有技术的同类产品主要差别在于在雯压降光纤传输装置的接收部分,在接收端实用新型采用全数字化技术来实现数字移相,数字移相模块插入在光电变换和数模变换模块之间。[0023]如图2所示,全数字化电能采集零压降光纤传输装置包括:发射端21和接收端22,所述发射端21和接收端22之间采用传输光缆23或光纤连接,所述发射端21包括依次连接的信号调理模块24、模数转换模块25和电光变换模块26,所述接收端22包括依次连接的光电变换模块27、数字移相模块28、数模变换模块29和放大输出模块20。
[0024]所述发射端设置于PT 二次端子箱内,所述接收端设置于控制室内。该发射端将电压互感器二次输出电压信号转换成数字光脉冲信号后经光缆传输至接收端,接收端将数字脉冲光信号还原成模拟电压信号后再输入后续电能表。
[0025]所述接收端将接收到的有相位延迟的光数字信号转换为电数字信号,经过数字移相模块校正相位,再进行数模变换和功率放大。目前我国电力系统使用工频电压为50Hz,周期为20ms。对应正弦曲线每度即为55.6 μ s,每分为0.9267 μ S。因此通过将相位与时间对应,可以通过插值实现数字信号的移相。
[0026]装置试验调试时通过相位检测设备发现本装置模拟信号输出整体相位滞后一次电压信号实际相位时,例如滞后10',可以算出10'对应的时间标度为9.267 μ S,当接收端的微处理器使用50Μ的时钟时,定时器精度可以达到0.02 μ S,因此采用微处理器进行数字移相的精度为9.26 μ s,对应数字移相误差为0.007 μ S,也就是0.0076',相对于每分对应的0.9267 μ s而言,该误差可以忽略不计。
[0027]如图3所示,假设B、C为从发射端通过光纤传输来的两个相邻的数字化采集信号的瞬时值,其相位滞后η分,那么对应的延迟时间ts2为n*0.9267us。通过数字同步的循环缓存,接收端的微处理器将接收到的B和C点数据使用数字插值算法求出ts2时间之后的数值B’和C’,即向前移相η分之后的BI和Cl的值,在微处理器发送数据给后续的数模转换器时,使用BI替换B,Cl替换C,从而实现了信号的数字移相。
[0028]如图4所示为数字移相效果仿真示意图。图4中虚线是一个经过发射端的A/D变换得到的标准正弦波形,使用算法对其进行移相处理,移相后的波形为实线,可以看出,移相后的波形超前原始波形,实现了输出波形的移相功能,消除了装置输出和原始一次电压信号比较,相位滞后的误差。
[0029]此移相功能是通过测试装置输出信号相位误差的大小并将其通过软件写入到微处理器中来实现的,和模拟电路无关,因此,可以完全避免环境因素的影响,实现了电能采集零压降光纤传输装置的高稳定性和准确度。
[0030]本实施例中数字移相单元可以采用FPGA微处理器实现,下面以FPGA作为微处理器来说明本实用新型的具体实施过程。
[0031]步骤及流程图:
[0032]从发射端传输具有相位延迟的信号至接收端,接收端将信号进行数字移向,然后经数模转换之后放大输出。数字移相的角度大小即为本装置模拟信号输出与一次电压信号的相位差,在装置试验调试时,通过相位检测设备可以测出。假设测出相位差为η分,那么对应的时间为n*0.9267us。
[0033]如图3所示,根据已知采样点Α、Β (或者更多的离散点数据)进行最小二乘法曲线拟合,即找出某条光滑的曲线S,它能最佳地拟合数据,使数据点的误差平方和最小。得出拟合曲线S后,计算出B点之后ts2即n*0.9267US时刻点B’,并把该点值作为采样点B时刻输出值BI,同理可以得出Cl点。由此得到的BI点和Cl点超前原始波形数据B点和C点,超前相位为η分,即SI曲线超前S曲线η分,由此实现了移向。
[0034]从数学理论上,由最小二乘曲线拟合算法,可以计算出S的拟合曲线:
[0035]s (t) =a0*f0 (t) +B1^f1 (t) +a2*f2 (t) +...+an*fn (t)。
[0036]其中,a0,ai,…,an为拟合多项式系数,Wthf1⑴,…,fn(t)为多项式基函数。
[0037]假设在T时刻输出瞬时值为:
[0038]s ⑴=a0*f0 ⑴ +aff^ ⑴ +a2*f2 ⑴ +…+an*fn ⑴。
[0039]移相时间为Δ t,那么移相之后,在时刻T输出的信号瞬时值为:
[0040]s (T) =a0*f0 (Τ+ Δ t) +B1^f1 (Τ+ Δ t) +a2*f2 (T+ At)+...+an*fn (T+ Δ t)。
[0041]以三阶线性8点拟合为例,即拟合函数的基函数选取4(0=1,fi(t)=t,f2(t)=t2, f3(t)=tS拟合曲线时使用8个数据点,那么拟合出来的曲线S表达式为:
S (t) =a0+a1^t+a2 氺 t2+a3 氺 t3。
[0042]用FPGA进行数字移向的处理和运算时,输入数据是接收端接收到的采样离散值e (n)、e (n-1)、e (η_2)…e (n_7),输出数据是移相之后的离散值e- (η)。首先根据需要移相的角度,计算出迭代系数Κ1、时,将Κ1、Κ2…Κ8分别与接收端接收到的离散值e (n)、e (n-1)、 e (n_2)…e (n_7)相乘,然后相加作为移相之后的数据,采用FPGA实现数字移相原理框图如图5所不。图5中,e(n)、e(n-l)、e(n-2)为输入的米样离散值,Z—1为延迟因子,K1、K2…K8为事先计算好的三阶线性8点拟合迭代系数,其大小由移向角度计算出来,eout (η)为e(n)移相之后的值。
[0043]离散情况下,向前移相η分的三阶线性8点拟合迭代系数Κ1、Κ2…Κ8的具体计算方法如下:
[0044]①确定三阶拟合曲线方程{(tkad+aft+aj^i^+adt3 ;
[0045]②确定拟合基函数:f。(t)=1 ;f\ (t) =t ;f2 (t) =t2 ;f3 (t) =t3 ;
[0046]③假设从h时刻,每8点开始拟合,接收到的8点数据为:fW),fh),f(t2),f (t3) , f (t4) , f (t5) , f (t6) , f (t7);
[0047]④由取得的8点数据和拟合曲线方程可以写出拟合方程组:
a0 + a1*t0 + a2*V+a3*t03 =/(t0);
「編a。+ ai % + a2 * t/ + a3 * t/ = /(I1);
[0048]
M
a0+a, *t7+a2 * t72+a3 *t73 = /(i )
[0049]⑤对于上述方程组,令基函数值矩阵G为:
'I t, ζ-
^ I t, t2 Ii
[0050]G= 11 1 ,
MMO M
、l tj Λ t; J
[0051 ]系数矩阵 a 为:a = (a。,a” a2, a3),
[0052]函数值矩阵y 为:y = (f (t0),f (t),A f (t6),f (t7))T,
[0053]从数学上可以证明,G,a, y三个矩阵的关系为GTGa = GTy,由此计算出系数矩阵a为:a =(GTG”GTy。[0054]⑥假设f(t7)向前移相η分的值为S(t7),即在f(t7)点处,输出S (t7),根据系数矩阵求出S(t7)为:
【权利要求】
1.基于全数字化技术实现的电能采集零压降光纤传输装置,其特征在于,该传输装置包括:发射端和接收端,所述发射端和接收端之间采用传输光缆或光纤连接,所述发射端包括依次连接的信号调理模块、模数转换模块和电光变换模块,所述接收端包括依次连接的光电变换模块、数字移相模块、数模变换模块和放大输出模块。
2.根据权利要求1所述的基于全数字化技术实现的电能采集零压降光纤传输装置,其特征在于,所述数字移相模块为FPGA微处理器。
【文档编号】H04B10/25GK203554443SQ201320660222
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】张新瑞, 齐火箭, 常志峰 申请人:国家电网公司, 国网冀北电力有限公司张家口供电公司
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