专利名称：交流电物理量测量和数据采集装置和方法
技术领域：
本发明涉及电力系统自动化技术，尤其是交流电物理量测量和数据采集的方法与
背景技术：
在电力调度自动化中，电力物理量的测量和数据采集早些年由远动终端RTU完成，近年来由变电站综合自动化完成，在数字变电站中由测量单元完成；在用电自动化(如用电信息系统、智能用电)中，由电能表或配变终端完成；在配电自动化中，由配电开关终端完成；在发电机励磁控制器中，由测量变送单元完成。在以上提到的所有测量单元或终端中，测量和数据采集(以下简称遥测)过程都是输入交流电流i、交流电压U，按照预定采样时间间隔Δ对i、u采样(模数变换)获得电流电压的采样值ik、uk;ik、uk再经计算获得其他物理参数，如交流电流的有效值Ik、交流电压的有效值Uk、有功功率Pk和无功功率& (其中k= 1,2,...)等，对PkAk累积求得有功电能量Wk、无功电量Vk;再以M为间隔进行重抽样(也被称为按照接收侧给定时刻的冻结数据)，输出电力物理量的重抽样值I」、Uj, Pj和 %到接收侧。接收侧可以就地接收也可以远程接收。就地接收可以在同一装置内，也可以就近安装在不同装置内；远程接收距离远；在接收侧应用接收的遥测数据。在上述遥测过程中，采样时间间隔Δ —般能够满足加农采样定理，即采样频率 f八=1/Δ >2Xf。(其中f。为被采样信号的截止频率)，所以，计算的物理量有效值如Ik、 Uk、Pk和仏等没有混叠问题，然而，重抽样后，由于重抽样频率fw< f。不满足加农采样定理， 因此会引起高频混叠到低频而造成混叠误差。目前，新能源发电、直流输电和非线性负荷越来越多，电力系统中谐波含量越来越大，造成了上述混叠误差越来越大。因为无功功率的计算需要假定电压、电流为正弦信号， 所以无功功率和无功电量的误差更大，这种误差到了不可以忽视的地步。对于接收侧，基波分量的有效值，即<、U)、巧和ρ),比有效值I」、Uj, Pj和A更有价值；对于三相交流电，基波正序分量，即/(',),、U;…、P^WQxmj,比三相有效值I」、Ur Pj和^更有价值；但是，现有技术的测量单元或装置都没有输出基波分量、正序分量，造成了接收侧的电力物理量应用困难。电力应用中的重抽样分三种(1)对ik、Uk重抽样输出ij、U」，称为波形重抽样，重抽样间隔记为Mw，输出为波形值；⑵对Ik、Uk、Pk和&较快重抽样，称为有效值重抽样，重抽样间隔记为Μτ，输出为有效值；(3)对Ik、Uk、Pk和&慢速重抽样，称为稳态重抽样，重抽样间隔记为Ms，输出为稳态值；通常，Mw < Mt < Ms。中国发明专利ZL200910158375. χ和ZL200910158370. 7 (发明人郝玉山，发明名
称“连续物理量测量装置和方法”)中给出了一般物理量的稳态量遥测和全态量遥测，但输出频率不符合以上重抽样频率、输出内容也多，不便直接应用于电力自动化系统中
发明内容
本发明的目的针对以上问题，旨在给出电力物理量遥测装置与方法，输入交流电流i或/和交流电压u (记成交流电)，输出接收侧所需要的交流电的波形值、有效值或稳态值及其基波与序分量的有效值、稳态值。根据本发明的交流电物理量遥测装置，包括模拟采样通道，用于输入交流电，进行模拟采样以输出模拟采样值；采样开关，用于重抽样，以获得接收侧需要的遥测数据频率；寄存器，用于存储来自采样开关的重抽样值；总线，用于将所述寄存器中的重抽样值输出到接收侧；和定时控制器用于控制所述模拟采样通道和采样开关的重抽样频率；其特征在于 还包括数字低通滤波器，输入接模拟采样通道输出的模拟采样值、输出接采样开关，用于滤除采样值中的高频分量，其截止频率应当小于0. 5倍的采样开关的重抽样频率。如果需要对交流有效值进行遥测，需要在上述方案的基础上，在模拟采样通道和数字低通滤波器之间设置求有效值装置，用于对来自模拟采样通道的采样值求有效值，并输出到低通滤波器。如果需要对交流谐波的有效值进行遥测，需要在上述有效值遥测方案的基础上， 在模拟采样通道和数字低通滤波器之间与求有效值装置并行设置谐波分解装置，所述谐波分解装置包括，基波/谐波分解装置用于对来自模拟采样通道的采样值进行基波/谐波分解得到基波/谐波矢量；和求幅值装置、求实部装置、求虚部装置，求幅值装置、求实部装置和求虚部装置同时接受来自基波/谐波分解装置的基波/谐波矢量，分别输出基波/谐波幅值、基波/谐波实部和基波/谐波虚部到低通滤波器。因为在谐波分解过程中，遥测数据量会显著增大，因此需要在含有谐波分解的遥测装置中设置选择数据寄存器用于存储接收侧通过总线设置的选择数据；在寄存器前设置一选择开关，对位受控于选择数据寄存器的数据位，当选择位为1 时数据选通、重抽样值进入寄存器中进行存储，否则，寄存器中没有该重抽样值。如果仅需要m次谐波的数据，可设置谐波次数寄存器用于存储接收侧设置的谐波次数数据m，以控制所述基波/谐波分解装置输出m次谐波矢量。如果测量的是三相交流电，在前述交流电物理量遥测装置的基础上，增加序分解装置，对基波/谐波分解装置输出的三个单相电的基波/谐波值进行序分解得到三相交流电的正序分量、负序分量和零序分量，分别同时经过求幅值装置、求实部装置和求虚部装置后输出正序、负序和零序的有效值、实部和虚部，并经低通滤波器滤除高频。如果对交流电的稳态进行遥测，则在前述方案中，所述数字低通滤波器包括，平均装置，连接求有效值装置，用于获得有效值装置输出的交流电有效值、实部、 虚部的平均值；判断装置，连接求有效值装置，按照有效值装置输出的有效值给出标志F到平均装置，当所述有效值处于稳态过程时F = 0，反之，当处于暂态过程时F = 1 ；当F由1变0 时所述平均值清零，当F = 1时所述平均值为不可能达到的值，该不可能达到的值到达接收侧后将做为坏数据剔除。本发明还提出了一种适于单相电能表等计量中使用的交流电遥测装置，包括
模拟采样通道用于输入交流电流i和交流电压U，输出电流采样值ik和电压采样值Uk ；乘法累积器，用于输入电流采样值ik和电压采样值uk，输出有功电能量Wk ；谐波分解装置，用于对所述电流采样值ik和电压采样值Uk进行基波、谐波分解，以获得基波和m次谐波矢量；求幅值装置，用于输入来自谐波分解装置的基波和m次谐波矢量，输出基波和m次谐波的幅值；求功率装置，用于输入来自谐波分解装置的电压和电流的基波和m次谐波矢量， 以获得基波与m次谐波的有功功率和无功功率；累积器，用于输入来自求功率装置的基波无功功率，累积后输出无功电量；平均装置，用于输入基波、m次谐波的来自求幅值装置的幅值和来自求功率装置的有功功率、无功功率，输出它们在的稳态状态下的平均值；采样开关，用于输入来自平均装置的平均值和来自累积器的有功电能量、无功电量，进行重抽样，输出他们的重抽样值；寄存器，用于存储来自采样开关的重抽样值；总线，用于将所述寄存器中的重抽样值输出到接收侧；判断装置，用于按照基波电压幅值、基波电流幅值或基波功率向平均装置发送标志F，标志F由1变0时对平均装置清零，当F = 1时平均装置的输出为不可能达到的值，到接收侧将不可能达到的值作为坏数据予以剔除；定时控制装置，用于定时控制模拟采样通道和采样开关；选择数据寄存器，用于存储接收侧通过总线设置的选择数据；和谐波次数寄存器，用于存储接收侧设置的谐波次数数据m，以控制所述基波/谐波分解装置输出基波和m次谐波矢量。对于三相交流电能表的遥测，不能简单地按前述交流电遥测装置重复处理，需要设置序分解装置，用于输入来自基波/谐波分解装置的三个单相电压、电流的基波/谐波矢量进行序分解，输出三相电压、电流的正、负、零序矢量到求幅值装置。本发明还提供了一种交流电物理量遥测的方法，包括，对输入的交流电压U和/或单相交流电流i进行模拟采样，采样时间间隔为△，得到电压采样值Uk和或电流采样值ik ；对所述电压采样值Uk和/或电流采样值ik进行低通滤波以滤除高频，其中低通滤波的截止频率f。( 0. 5Xfff(fff为重抽样频率)；按照接收侧给定的间隔Mw重抽样，获得电压重抽样值和/或电流重抽样值ij ；存储所述电压重抽样值和/或电流重抽样值ij ；将存储的数据输出到接收侧。在以上方案中，低通滤波的作用是滤除高频，以避免重抽时样产生混叠错误。低通滤波器的传递函数选取下式G(Z) 二--^―--
α0 + α, · ζ +Λ其中，η = 2，4，6，8，为滤波器的阶数；G(ζ)常用η阶巴特沃斯或η阶切比雪夫滤
7波器。如果需要对有效值进行遥测，需要在上述方案的基础上，在所述模拟抽样和低通滤波之间进行对模拟采样值求有效值。如果需要对各次谐波进行遥测，需要在上述有效值遥测方案的基础上，在模拟采样和数字低通滤波之间与求有效值步骤并行进行谐波分解。因为在求各次谐波的有效值过程中，遥测数据量会显著增大，因此需要在含有谐波分解的遥测方法中设置存储接收侧输入的选择数据；在采样开关后设置一选择开关，对位受控于选择数据的数据位，当选择位为1时数据选通、重抽样值进入寄存器中进行存储，否则，不存储所述重抽样值。如果仅需要m次谐波的数据，可存储接收侧设置的谐波次数m，控制所述谐波分解，以输出m次谐波矢量。由ik和/或Uk按照接收侧给定的次数m谐波分解得到电流的m次谐波矢量序和/或电压的m次谐波矢量@ ；由序和跨获得谐波有功分量if和谐波无功分量ρ；1， Pkm=Re(Ikm-l^)Vn, = Ι η(γ. ,这里，ρ为序的共轭，ReO为取实部，ImO为取虚部；
其中，m= 1,2,3, ... 0 ；m= 1为基波，通常是必选的，另外，接收侧再临时给定一个或数个 m值，可以测量给定的一个或数个谐波。将/f (为序的幅值)和/或t/Γ (为_的幅值)、尸;■和ρ；1也经过上述低通滤波和重抽样，输出谐波有效值广和/或^"、厂和β。如果测量的是三相交流电，在所述交流电遥测方法的基础上，需要增加序分解步骤，对基波/谐波分解步骤输出的三个单相电压和/或电流的基波/谐波矢量进行序分解得到三相电压和/或电流的正、负、零序矢量，分别同时经过求幅值、求实部和求虚部后输出电压和/或电流的正、负、零序有效值、实部和虚部，并经低通滤波滤除高频。正负零序由下面公知的公式给出
权利要求
1.一种交流电物理量测量和数据采集装置，包括模拟采样通道(1)用于对输入的交流电物理量模拟采样以获得模拟采样值；采样开关( 用于对采样值进行重抽样以满足接收侧对采集数据频率的要求；寄存器(3)用于存储来自采样开关O)的重抽样值；总线(4)用于将所述寄存器(3)中的重抽样值输出到接收侧；和定时控制器( 用于控制模拟采样通道(1)和采样开关O)的重抽样频率；其特征在于还包括数字低通滤波器(6)，输入接模拟采样通道(1)输出的模拟采样值、输出接采样开关O)，用于滤除采样值中的高频分量，其截止频率应当小于0. 5倍的采样开关的重抽样频率。
2.根据权利要求1的交流电物理量测量和数据采集装置，其特征在于，在模拟采样通道(1)和数字低通滤波器(6)之间设置求有效值装置(7)，用于对来自模拟采样通道(1)的采样值求有效值，并输出到低通滤波器(6)。
3.根据权利要求2的交流电物理量测量和数据采集装置，其特征在于，在模拟采样通道(1)和数字低通滤波器(6)之间与求有效值装置(7)并行设置基波分解装置，所述基波分解装置包括，基波/谐波分解装置(81)用于对来自模拟采样通道(1) 的采样值进行基波/谐波分解得到基波/谐波矢量；和求幅值装置82、求实部装置83、求虚部装置84，求幅值装置82、求实部装置83和求虚部装置84同时接受来自基波/谐波分解装置(81)的基波/谐波矢量，分别输出基波/谐波幅值、基波/谐波实部和基波/谐波虚部到低通滤波器(6)。
4.根据权利要求3的交流电物理量测量和数据采集装置，其特征在于， 设置寄存器(31)用于存储接收侧通过总线设置的选择数据；在寄存器C3)前设置选择开关(32)，对位受控于寄存器(31)的数据位，当选择位为1 时数据选通、数据进入寄存器(3)中，否则，寄存器(3)中没有该数据。
5.根据权利要求3的交流电物理量测量和数据采集装置，其特征在于，设置寄存器 (33)用于存储接收侧设置的谐波次数数据m，以控制所述基波/谐波分解装置(81)输出m 次谐波矢量。
6.根据权利要求4的交流电物理量测量和数据采集装置，其特征在于，还包括序分解装置(9)，对基波/谐波分解装置(81)输出的三个单相交流电基波/谐波矢量进行序分解得到三相交流电基波/谐波的正序、负序、零序矢量，分别同时经过求幅值装置 (82)、求实部装置(8 和求虚部装置(84)后输出三相交流电基波/谐波的正负零序有效值、实部和虚部，并经低通滤波器(6)滤除高频。
7.根据权利要求2的交流电物理量测量和数据采集装置，其特征在于包括，平均装置(Al)，连接求有效值装置(7)，用于获得有效值装置(7)输出的物理量有效值的平均值再连接到采样开关O)；判断装置(A》，连接求有效值装置(7)，按照有效值装置(7)输出的物理量有效值给出标志F到平均装置(Al)，当所述有效值处于稳态过程时F = 0，反之，当处于暂态过程时F =1，当F由1变0时所述平均值清零，当F = 1时所述平均值为不可能达到的值，该不可能达到的值到达接收侧后将作为坏数剔除。
8.一种交流电物理量测量和数据采集装置，包括模拟采样通道(1)用于输入交流电流i和交流电压u，输出电流采样值ik和电压采样值Uk ；乘法累积器(Bi)，用于输入电流采样值ik和电压采样值uk，输出有功电能量Wk; 谐波分解装置(81)，用于对所述采样值进行基波、谐波分解，以获得基波和m次谐波矢量；求幅值装置(82)，用于输入来自谐波分解装置(81)的基波和m次谐波矢量，输出基波和m次谐波的幅值；求功率装置(B2)，用于输入来自谐波分解装置(81)的基波和m次谐波矢量，以获得基波与m次谐波的有功功率和无功功率；累积器(B3)，用于输入来自求功率装置(B2)的基波无功功率，输出无功电量； 平均装置(Al)，用于输入来自求幅值装置(8 的电压、电流基波幅值和来自求功率装置(B2)的有功功率，输出它们在稳态状态下的平均值；采样开关0)，用于输入来自平均装置Al的平均值、来自乘法累积器(Bi)的有功电能量和来自累积器(Β； )的无功电量，进行重抽样，输出他们的重抽样值； 寄存器(3)，用于存储来自采样开关O)的重抽样值； 总线G)，用于将所述寄存器(3)中的重抽样值输出到接收侧； 判断单元(A2)，用于按照基波电压幅值、基波电流幅值或基波功率向平均装置(Al)发送标志F，标志F由1变O时对平均值电路(Al)清零、当F = 1时(Al)的输出为不可能达到的值，到接收侧将不可能达到的值作为坏数据予以剔除；定时控制电路(5)，用于定时控制模拟采样通道(1)和采样开关O)； 寄存器(31)用于存储接收侧通过总线设置的选择数据以对位选通进入寄存器器(3) 的数据；和寄存器(3 用于存储接收侧设置的谐波次数数据m，以控制所述基波/谐波分解装置 (81)输出基波和m次谐波矢量。
9.根据权利要求8的交流电测量和数据采集装置，其特征在于，还包括，序分解装置(9)，用于输入来自基波/谐波分解装置81的三个单相电压、电流基波值进行序分解，输出电压、电流基波的正负零序矢量到求幅值装置(82)。
10.一种交流电物理量测量和数据采集的方法，包括，对输入的交流电压u和/或交流电流i进行模拟采样，采样时间间隔为△，得到电压采样值Uk和/或电流采样值ik;对所述电压采样值Uk和/或电流采样值ik进行低通滤波以滤除高频； 按照接收侧给定的间隔Mw重抽样(重抽样频率为fw)，获得电压重抽样值和/或电流重抽样值、，其中低通滤波的截止频率fc彡0. 5Xfw ； 存储所述电压重抽样值和/或电流重抽样值ij ； 按照控制信号输出所述重抽样值。
11.根据权利要求10的交流电物理量测量和数据采集方法，其特征在于，在所述模拟采样和低通滤波之间进行对采样值求有效值。
12.根据权利要求11的交流电物理量测量和数据采集方法，其特征在于，在模拟采样和数字低通滤波之间与求有效值步骤并行进行基波/谐波分解，以分别获得基波/谐波幅值、基波/谐波实部和基波/谐波虚部。
13.根据权利要求12的交流电物理量测量和数据采集方法，其特征在于，在基波/谐波分解的步骤中存储接收侧通过总线设置的选择数据；在采样开关后设置一选择开关，对位受控于选择数据寄存器的数据位，当选择位为1 时数据选通、重抽样值进入寄存器中进行存储，否则，不存储所述重抽样值。
14.根据权利要求12的交流电物理量测量和数据采集方法，其特征在于，存储接收侧设置的谐波次数m，控制所述基波/谐波的分解，以输出基波和m次谐波矢量。
15.根据权利要求12的交流电物理量遥测方法，其特征在于，对经过基波/谐波分解的三个单相电基波/谐波矢量进行序分解得到正负零序矢量， 分别同时进行求幅值、求实部和求虚部，输出基波/谐波正负零序有效值、实部和虚部，并低通滤波滤除高频。
16.一种交流电测量和数据采集方法，包括输入交流电流i和交流电压u进行模拟采样，输出电流采样值ik和电压采样值Uk ； 对所述电流采样值ik和电压采样值Uk进行乘法累积，输出有功电能量Wk ； 对所述采样值进行基波、谐波分解，以获得基波和m次谐波矢量； 对所述基波和m次谐波矢量求幅值，输出基波和m次谐波的幅值； 对所述基波和m次谐波矢量求功率，以获得基波与m次谐波的有功功率和无功功率； 对所述基波、m次谐波的幅值和有功功率、无功功率求平均值，输出它们在稳态状态下的平均值；累积所述基波无功功率，输出无功电量；对所述平均值、有功电能量和所述无功电量，进行重抽样，输出他们的重抽样值； 存储所述重抽样值；将所述存储的重抽样值经总线输出到接收侧；和判断步骤(A2)按照基波电压幅值、基波电流幅值或基波功率向平均值发送标志F，标志F由1变0时对平均值清零、当F= 1时平均值为不可能达到的值，到接收侧将不可能达到的值作为坏数据予以剔除。
17.根据权利要求16的交流电遥测方法，其特征在于，对基波/谐波分解的三个单相电压、电流基波值进行序分解，输出电压正负零序矢量和电流正负零序矢量以求出它们的幅值。
全文摘要
一种交流电物理量遥测装置，包括模拟采样通道，用于输入交流电，进行模拟采样以输出模拟采样值；采样开关，用于重抽样，以获得接收侧需要的遥测数据频率；寄存器，用于存储来自采样开关的重抽样值；总线，用于将所述寄存器中的重抽样值输出到接收侧；和定时控制器用于控制所述模拟采样通道和采样开关的重抽样频率；其特征在于还包括数字低通滤波器，输入接模拟采样通道输出的模拟采样值、输出接采样开关，用于滤除采样值中的高频分量，其截止频率应当小于0.5倍的采样开关的重抽样频率。本发明还给出了相应的方法。本发明提高了电力物理量的遥测精度，不仅重抽样输出波形值，还输出有效值、稳态值及其基波谐波有效值、稳态值，从而，满足接收侧对遥测数据的多种需求。
文档编号G01R19/00GK102331535SQ20111016113
公开日2012年1月25日 申请日期2011年6月9日 优先权日2011年6月9日
发明者郝玉山 申请人:郝玉山