专利名称：抗十万倍干扰数字化选频测量系统的制作方法
技术领域：
本发明 涉及测量技术领域。
背景技术：
绝大多数电气设备运行于50Hz工频交流电压下，很多情况下需要测量工频50Hz下的状态参数，其中大多是直接测量电压电流信号，或通过传感器将各种物理量转换为电压电流信号然后测量。由于电网中存在很强的50Hz干扰，所以在现场一些微弱的测试信号因与50Hz强干扰而难以测量，往往带来很大的误差甚至无法测量。所以，在很多电气参数测试项目上可采用异频法进行测量，即在设备上加上异于工频的正弦波信号源如55Hz，然后利用选频滤波技术抑制50Hz干扰，只测量该55Hz信号所对应的参数，可求得结果A。然后按同样方法在工频对称偏频测量45Hz求得结果B，取A+B的平均数即可认为是50Hz下的结果C。该方法既可以两点对称变频测量(如45Hz，55Hz)，也可以多点对称变频测量(如45，47，53，55Hz)以提高结果的准确度和可信度。这种变频(或称异频)测量法能有效避免50Hz工频的强干扰所带来的误差，能在有强工频干扰的环境如高压变电站，电厂准确测量电气设备参数。变频测试法已在多种测试仪器上应用，如变频抗干扰介质损耗测试仪，异频线路参数测试仪，变频接地参数测试系统等。变频测试法要达到不受干扰准确测量这个最终目的，主要涉及两个方而的技术变频和选频。变频是需要将50Hz的市电电源转变成电压和频率均可调的正弦波变频电源，选频则是需要在现场各种复杂的干扰中将变频后的微弱信号提取出来，并进行准确测量。变频技术发展时间较早，相对而言比较成熟，作为“源-表”测量系统中的源，不涉及测量和计算结果的输出。同时其一般都通过隔离变压器与外界干扰隔离，不受干扰影响，只需要按其自身内部电路程序变频即可。所以变频电源这部分主要技术差异在于功率大小，其它技术指标方面一般没什么差别。选频技术相对而言要复杂很多，作为“源-表”测量系统中的表，其要在各种复杂的干扰情况下，分离出微弱的变频信号并进行测量输出结果。往往是干扰信号比有用的变频信号幅值强数倍至数十倍，有用的变频信号被“淹没”在各种干扰信号里。而且所测的信号里包括了工频干扰、高频干扰、谐波干扰，再叠加上变频信号，波形已变得杂乱无章复杂多变无明确规律，要在这样杂乱复杂的波形里还原提取出有用的微弱信号还要准确测量，难度可想而知。而且测试频率和干扰频率越近，选频的难度就越大。显然，选频技术直接关系着成套变频测量系统结果的准确性，是成套系统能否达到排除干扰准确测量这个最终目的的关键技术，是成套系统的技术瓶颈。现有的选频测量技术主要是基于模拟式滤波电路或称硬件滤波电路，如LC电感电容器件等。但模拟式滤波电路存在着如下缺点，I、只能抑制和衰减干扰，不能完全真正滤除干扰。2、模拟滤波电路适合于测试信号和干扰频率差别限大的情况(如120Hz和50Hz)，对于两个很接近的频率(如51Hz和50Hz)则难以达到理想效果；3、受硬件电路自身特性限制，其抗干扰能力只能达到数十分之一 ；4、因硬件电路对不同的频率和幅值响应特性不一致，难以保证在各频率各量程下均测量准确；5、模拟电路不利于智能化，自动化，集成化。
发明内容
本发明提供一种抗十万倍干扰数字化选频测量系统，目的在于克服目前现有技术中的不足，设计一种能在40-70HZ范围内IHz步进任意选频的数字化选频滤波测量系统，可大大提高选频测量的抗干扰能力。可在十分接近工频的频率(如51Hz和49Hz)进行测量，从而可得到最接近工频的特性参数。系统核心基于高性能CPU和小波变换算法，而非硬件滤波电路。测量系统可抗十万倍干扰而数据不漂移，在200V，50Hz干扰下选频51Hz测量可将干扰抑制到0. ImV以下，并且可同时选频测量电压电流信号及两者相位差。 本发明的系统核心性能的实现主要基于CPU数字化的小波变换运算分析，能实现±lHz抗十万倍干扰的选频测量，在电气测量领域，特别是在强干扰背景下的电力系统测试领域有着重要的用途。为解决上述问题，本发明采用如下技术方案抗十万倍干扰数字化选频测量系统，其电压测量功能前端电路由电压测量端子，量程自动切换单元，滤波电路单元，隔离放大单元组成，其电流测量功能前端电路由电流测量端子，电流互感器，量程自动切换单元，滤波单元，运算放大单元组成，系统还包括CPU，显示单元，菜单操作旋钮，SD存储卡，打印机单元。电压测量端子的电压信号输入量程自动切换单元，CPU发出信号控制量程自动切换单元自动转换量程，量程自动切换单元接到滤波单元，滤波单元接到隔离放大单元，隔离放大单元输出连接到CPU，由CPU进行分析处理。电流测量端子的电流信号经过电流互感器输入到量程自动切换单元，CPU发出信号控制量程自动切换单元自动转换量程，量程自动切换单元接到滤波单元，滤波单元接到运算放大单元，运算放大单元输出连接到CPU，由CPU进行分析处理。显示单元、SD存储卡，打印机，菜单操作旋钮都连到CPU。电压测量端子接到量程自动切换单元，量程切换单元由多个不同阻值的电阻串联而成，在不同的位置分出5个量程，分别对应20mV，200mV, 2V，20V, 200V量程。CPU程序识别并自动控制切换对应的继电器，使得信号幅值大小在最佳的测量范围内。量程切换后点电压送入滤波单元，滤波单元由电感电容组成的PI滤波电路，可以将部分高频信号滤除。信号由滤波单元送出，接到隔离放大器，由隔离放大器隔离后接到CPU的AD管脚，进行采样分析。两个电流测量端子通过导线短接，导线上穿过电流互感器感应出电压信号接到量程切换单元，量程切换由多个不同阻值的电阻串联而成，在不同的位置分出4个量程，分别对应20mA，200mA, 2k, 20A量程。CPU程序识别并自动控制切换对应的继电器，使得信号幅值大小在最佳的测量范围内。量程切换后电压送入滤波单元，滤波单元由电感电容组成的PI滤波电路，可以将部分高频信号滤除。信号由滤波单元送出，进过运放单元放大后接到CPU的AD管脚，进行采样分析。电压、电流信号分两路送入CPU的不同的AD管脚，经过CPU内置的AD转换电路进行高速采样模数转换，转换成程序可识别的数字信号。然后CPU对数字信号进行小波变换分析，从复杂的波形中分离出所需要测量的微弱频率正弦波信号。CPU通过软件可同时分离出指定频率下的电压，电流信号并计算出两者间的相位差。CPU可同时控制存储，打印，显示，菜单操作等功能。
CPU可选常用的TI公司DSP型号如TMS320F2812，也可以是其它通用处理器，如ARM架构处理器。DSP也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点(I)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。(2)程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。(3)片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。(5)快速的中断处理和硬件I/O支持。(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生 器。(7)可以并行执行多个操作。(8)支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。小波变换当前应用数学和工程学科中一个迅速发展的新领域，经过近10年的探索研究，重要的数学形式化体系已经建立，理论基础更加扎实。传统的信号理论，是建立在傅里叶分析基础上的，而傅里叶变换作为一种全局性的变化，其有一定的局限性。在实际应用中人们开始对傅里叶变换进行各种改进，小波分析由此产生了。小波分析是一种新兴的数学分支，它是泛函数、傅里叶分析、调和分析、数值分析的最完美的结晶；在应用领域，特别是在信号处理、图像处理、语音处理以及众多非线性科学领域，它被认为是继傅里叶分析之后的又一有效的时频分析方法。小波变换与傅里叶变换相比，是一个时间和频域的局域变换因而能有效地从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析，解决了傅里叶变换不能解决的许多困难问题。与现有技术相比，本发明的数字化选频测量系统具有如下优点(I)选频抗干扰能力强，比以往模拟选频电路抗干扰能力提高数百倍以上。(2)可数字化任意IHz变频选频，在50Hz强干扰下也能选择非常接近49Hz，51Hz等频率进行测量，这就保证了测量结果与工频的等效性。(3)可数字化的进行软件校准，保证了各频率和各量程下测量的准确性。
(4)智能化程度高。可自动切换量程，可保存打印结果，可保存及导出测试波形，非常有利于进一步的技术分析。(5)电路架构清晰，前端模拟电路较简单。(6)系统核心部分为CPU和软件算法，有利于保护知识产权。本测量系统在电气测量领域，特别是在电厂，变电站等强干扰环境下的电气设备参数测量领域有着广泛的应用前景和经济价值。
图I是本发明结构示意图。
具体实施例方式下面用最佳的实施例对本发明做详细的说明。如图I所示，抗十万倍干扰数字化选频测量系统，其电压测量功能前端电路由电压测量端子，量程自动切换单元，滤波电路单元，隔离放大单元组成，其电流测量功能前端电路由电流测量端子，电流互感器，量程自动切换单元，滤波单元，运算放大单元组成，系统还包括CPU，显示单元，菜单操作旋钮，SD存储卡，打印机单元。电压测量端子的电压信号输入量程自动切换单元，CPU发出信号控制量程自动切换单元自动转换量程，量程自动切换单元接到滤波单元，滤波单元接到隔离放大单元，隔离放大单元输出连接到CPU，由CPU进行分析处理。电流测量端子的电流信号经过电流互感器输入到量程自动切换单元，CPU发出信号控制量程自动切换单元自动转换量程，量程自动切换单元接到滤波单元，滤波单元接到运算放大单元，运算放大单元输出连接到CPU，由CPU进行分析处理。显示单元、SD存储卡，打印机，菜单操作旋钮都连到CPU。
系统选频滤波功能主要由CPU基于小波变换算法进行高速分析运算而实现。该系统选频范围为接近工频的40-70HZ，频率步进IHz任意可选。该系统同时选频测量电压，电流及两者间的相位差，并可自动切换量程，可满足很大范围的测量。该系统选频滤波前和滤波后的电压、电流波形可显示，可缩放，可存储和导出。该系统使用了 SD卡作为数据存储介质，测试数据可存储，可导出，可打印。最后应说明的是显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
权利要求
1.抗十万倍干扰数字化选频测量系统，其特征在于，其电压测量功能前端电路由电压测量端子，量程自动切换单元，滤波电路单元，隔离放大单元组成，其电流测量功能前端电路由电流测量端子，电流互感器，量程自动切换单元，滤波单元，运算放大单元组成，系统还包括CPU，显示单元，菜单操作旋钮，SD存储卡，打印机单元。电压测量端子的电压信号输入量程自动切换单元，CPU发出信号控制量程自动切换单元自动转换量程，量程自动切换单元接到滤波单元，滤波单元接到隔离放大单元，隔离放大单元输出连接到CPU，由CPU进行分析处理。电流测量端子的电流信号经过电流互感器输入到量程自动切换单元，CPU发出信号控制量程自动切换单元自动转换量程，量程自动切换单元接到滤波单元，滤波单元接到运算放大单元，运算放大单元输出连接到CPU，由CPU进行分析处理。显示单元、SD存储卡，打印机，菜单操作旋钮都连到CPU。
2.如权利要求I所述抗十万倍干扰数字化选频测量系统，其特征在于，系统选频滤波功能主要由CPU基于小波变换算法进行高速分析运算而实现。
3.如权利要求I所述抗十万倍干扰数字化选频测量系统，其特征在于，该系统选频范围为接近工频的40-70HZ，频率步进IHz任意可选。
4.如权利要求I所述抗十万倍干扰数字化选频测量系统，其特征在于，该系统同时选频测量电压，电流及两者间的相位差，并可自动切换量程，可满足很大范围的测量。
5.如权利要求I所述抗十万倍干扰数字化选频测量系统，其特征在于，该系统选频滤波前和滤波后的电压、电流波形可显示，可缩放，可存储和导出。
6.如权利要求I所述抗十万倍干扰数字化选频测量系统，其特征在于，该系统使用了SD卡作为数据存储介质，测试数据可存储，可导出，可打印。
全文摘要
抗十万倍干扰数字化选频测量系统，涉及测量技术领域。其电压测量功能前端电路由电压测量端子，量程自动切换单元，滤波电路单元，隔离放大单元组成，CPU发出信号控制量程自动切换单元自动转换量程，量程自动切换单元接到滤波单元，滤波单元接到隔离放大单元，隔离放大单元输出连接到CPU。电流测量端子的电流信号经过电流互感器输入到量程自动切换单元，CPU发出信号控制量程自动切换单元自动转换量程，量程自动切换单元接到滤波单元，滤波单元接到运算放大单元，运算放大单元输出连接到CPU，由CPU进行分析处理。本发明能实现±1Hz抗十万倍干扰的选频测量，在电气测量领域，特别是在强干扰背景下的电力系统测试领域有着重要的用途。
文档编号G01R19/25GK102645577SQ20121013462
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月3日 优先权日2012年5月3日
发明者余月仙 申请人:上海大帆电气设备有限公司