本发明涉及电能信息采集技术领域，具体涉及一种风力发电机组电能信息采集装置、系统和方法。
背景技术：
在能源和环境危机逐渐凸显的背景下，风力发电在世界范围内迅速发展。永磁直驱型风力发电系统与双馈风力发电系统相比，采用电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去了齿轮箱这一传统部件，使它具有低风速时高效率、低噪音、高寿命、降低运行维护成本等诸多优点，成为又一研究热点。
风功率的间歇性和电网电能质量对风机的正常运行带来了很大的挑战，因此需要实时监测风机内部关键测量点的电能信息，以根据长期的历史数据，归纳总结出机组的故障判断经验，为电能质量的在线检测与评估提供数据基础。直驱型风力发电机组主要采集的电能信号分为两类，一类是电机侧的电能信号，另一类是并网侧的电能信号。随着风功率的实时变化，电机侧电能信号的频率也会发生变化，即电机侧电能信号为变频信号，目前现有的电能信息采集装置很难满足电机侧变频电能信号的监测需求。
技术实现要素：
本发明实施例提供了一种风力发电机组电能信息采集装置、系统和方法，通过本发明实施例的装置、系统和方法，实现了对风力发电机组的电机侧变频电能信号的电能信息采集及准确测量。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种风力发电机组电能信息采集装置，该采集装置包括用于接收按照预设的采样周期采集得到的风力发电机组中指定采样位置的电能信号采样值的智能电表，智能电表包括主控芯片；
主控芯片，用于根据电能信号采样值确定信号过零点，依据第i个过零点前后两个采样点的电能信号采样值si-和si，以及第i+1个过零点前后两个采样点的电能信号采样值s(i+1)-和s(i+1)，计算第i+1个过零点前的半个信号周期的第一采样点数
根据本发明实施例的另一个方面，提供了一种风力发电机组电能信息采集系统，包括测试平台、上位机以及上述的风力发电机组电能信息采集装置，测试平台的输入端与智能电表的输出端连接，测试平台的输出端与上位机连接；
主控芯片，还用于将计算结果通过智能电表的输出端发送到测试平台；
测试平台，用于接收计算结果，并将计算结果上传到上位机；
上位机，用于接收并存储测试平台发送的计算结果。
根据本发明实施例的再一个方面，提供了一种风力发电组电能信息采集方法，该采集方法包括：
接收按照预设的采样周期采集得到的风力发电机组中指定采样位置的电能信号采样值；
根据电能信号采样值确定信号过零点，依据第i个过零点前后的两个采样点的电能信号采样值si-和si，以及第i+1个过零点前后两个采样点的电能信号采样值s(i+1)-和s(i+1)，计算第i+1个过零点前的半个信号周期的第一采样点数
依据电能信号采样值s(i+1)-和s(i+1)，以及第i+2个过零点前后两个采样点的电能信号采样值s(i+2)-和s(i+2)，计算第i+2个过零点前的半个信号周期的第二采样点数
通过第一采样点数
根据采样周期和目标采样点数，计算对应信号周期的信号瞬时频率。
本发明实施例的风力发电机组电能信息采集装置、系统和方法，由智能电表根据风力发电机组中指定采样位置的电能信号采样值确定信号过零点，并基于信号过零点前后的电能信号采样值和采样周期实现了对电能信号的瞬时频率的准确计算。通过本发明实施例的采集装置、系统和方法，满足了风力发电机组的电机侧变频电能信号的采集及测量需求，为风力发电机组的电能质量的分析评估以及机组内故障判断分析提供了准确的数据基础。
附图说明
通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显,其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。
图1为本发明第一实施例中的一种风力发电机组电能信息采集装置的结构示意图；
图2为本发明第二实施例中的一种风力发电机组电能信息采集装置的结构示意图；
图3a为本发明实施例中的电机侧电压信号的时域波形图；
图3b为图3a中的电压信号经快速傅里叶变换fft后的频谱图；
图4a为图3a中的电压信号经过二阶巴特沃斯模拟滤波器滤波后的时域波形图；
图4b为图4a中的电压信号经fft后的频谱图；
图5为本发明第三实施例中的一种风力发电机组电能信息采集装置的结构示意图；
图6为本发明第四实施例中的一种风力发电机组电能信息采集装置的结构示意图；
图7为采用本发明实施例的风力发电机组电能信息采集装置对给定电能信号进行测量的测量结果示意图；
图8为本发明一个实施例中的一种风力发电机组电能信息采集系统的结构示意图；
图9为本发明另一个实施例中的一种风力发电机组电能信息采集系统的结构示意图；
图10为本发明一具体实施例中风力发电机组电能信息采集系统在风力发电机组中的采样连接结构示意图；
图11为本发明实施例中一种风力发电组电能信息采集方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明的更好的理解。本发明决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本发明造成不必要的模糊。
图1示出了本发明一个实施例中一种风力发电机组电能信息采集装置的结构示意图。如图1所示，风力发电机组电能信息采集装置100包括用于接收按照预设的采样周期采集得到的风力发电机组中指定采样位置的电能信号采样值的智能电表120。智能电表120包括主控芯片121。
主控芯片121，用于根据电能信号采样值确定信号过零点，依据第i个过零点前后两个采样点的电能信号采样值si-和si，以及第i+1个过零点前后两个采样点的电能信号采样值s(i+1)-和s(i+1)，计算第i+1个过零点前的半个信号周期的第一采样点数
本发明实施例的电能信号采集装置，通过智能电表120接收风力发电机组中指定采样位置的电能信号采样值，智能电表120接收到电能信号采样值之后，其主控芯片121首先根据电能信号采样值确定信号过零点，在确定出信号过零点后，依据相邻的两个过零点各自前后的电能信号采样值计算得到这两个过零点之间的半个信号周期的采样点数，通过相邻的两个半个信号周期(相邻的两个半个周期即一个采样周期)的采用点数即可确定得到一个信号周期的采样点数，具体的，根据第i个过零点前的电能信号采样值si-和第i个过零点后的电能信号采样值si，以及第i+1个过零点前的电能信号采样值s(i+1)-和第i+1个过零点后的电能信号采样值s(i+1)，计算第i个过零点与第i+1个过零点之间的半个信号周期(即第i+1个过零点前的半个信号周期)的第一采样点数
需要说明的是，本发明实施例中，过零点前后两个采样点的电能信号采样值指的是过零点前的第一个采样点的电能信号采样值和过零点后的第一个采用点的电能信号采样值。
本发明实施例中，每个信号周期的信号瞬时频率f的计算公式为：
其中，fsamp表示采样频率即
上述第i个过零点和第i+2个过零点之间的一个信号周期的信号瞬时频率的计算公式即为：
其中，
需要说明的是，在实际应用中，风力发电机输出的为三相交流电，本发明实施例中表示为a、b、c三相。对应的，上述电能信号采样值也是分别对a、b、c三相的电能信号进行采集得到的，计算得到每个信号周期的信号瞬时频率也分别是对于每一相而言的。
在实际应用，智能电表120的数量可以根据采样需求确定，一个智能电表120可以接收一个指定采样位置或者是一个以上指定采样位置的电能信号采样值。，
本发明实施例中，上述电能信号采样值可以包括电压采样值，电流采样值，或者，电压采样值和电流采样值。
对于风力发电机而言，随着风功率的时时变化，风力发电机侧的电能信号的频率也在时时变化，一般的，电压和电流的频率会在4hz～11hz之间波动。现有的用于并网侧工频信号测量的装置无法满足变频信号的测量问题。本发明实施例的采集装置，实现了对风力发电组指定采样位置的电能信号的瞬时频率的测量，满足了风力发电机组电机侧变频信号的监测要求。
本发明实施例的电能信息采集装置，适用于风力发电组中所有需要监测的位置的电能信号的采集及测量，尤其适用于电机侧的变频信号(机舱发电机的输出信号、该输出信号经过发电机输出端继电器后的输出信号等)的采集及测量。
在实际应用中，上述指定采样位置200可以根据实际的信号采集测量需要确定，可以包括但不限于上述机舱发电机输出端、发电机输出端继电器与塔底变流器之间的传输电缆，还可以包括风力发电机组组内降压变压器与组内自耗电设备之间的传输电缆等位置。其中，风力发电机组组内自耗电设备包括但不限于机舱滑环、机舱冷却系统的耗电设备、机舱偏航系统的耗电设备、塔底冷却系统的耗电设备等。
本发明实施例中，智能电表120还可以包括与主控芯片121连接的数字滤波器122，如图2所示。
数字滤波器122，用于对电能信号采样值进行滤波，得到信号滤波值，将信号滤波值发送到主控芯片121。
此时，上述电能信号采样值si-、si、s(i+1)-、s(i+1)、s(i+2)-和s(i+2)为滤波后的信号滤波值目前，风力发电机的电能信号输出一般是与背靠背整流电路相连，风力发电机输出的电能信号为脉冲宽度调制pwm波，电能信号的谐波含量大，尤其是电压谐波含量，基本在80％～100％之间，电流谐波含量一般在2％～7％。因此，为了提高测量的准确度，本发明实施例中，智能电表120在接收到电能信号采样值后，首选通过数字滤波器122对电能信号采样值进行滤波，得到信号滤波值，再由主控芯片121依据信号滤波值进行目标采样点数和信号瞬时频率的计算。
对于数字滤波器，按照单位脉冲响应分类，可以分为无限脉冲响应(infiniteimpulseresponse，iir)滤波器和有限脉冲响应(finiteimpulseresponse，fir)滤波器。iir滤波器的优点是幅频特性优越，系统函数的极点可以在单位圆内任意位置，因此，用较低的阶数即可获得较高的选择性，同时需要的存储单元较少，滤波效率高。iir滤波器可以参考模拟滤波器的成果，进行简单有效的系数设计，一般都有较成熟的计算公式，可以直接把技术指标带入一组设计方程中计算出滤波器的阶次和系统函数的系数，计算量小。而巴特沃斯butterworth滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。因此，本发明一实施例中，数字滤波器优选为iir巴特沃斯滤波器。
在实际应用中，iir巴特沃斯滤波器的阶数和截止频率可以根据实际采样需求、具体的采样位置的信号特点、采样周期等信息确定，不同的指定采样位置，可以选用不同阶数、不同截止频率的滤波器。
图3a示出了本发明一实施例中，1.5mw风机发电机组电机侧a相电压信号的时域波形的matlab仿真示意图，图中横坐标为时间，纵坐标为信号幅值。图3b为图3a中电压信号经fft变换后的频谱图，图中横坐标为频率，纵坐标为谐波信号幅值占基波信号幅值的百分比，由图中可以看出，基波信号的频率为9.9hz，基波幅值为530.8v。图4a为图3a中的电压信号经过二阶巴特沃斯滤波器滤波后时域波形图，图4b为图4a中的电压信号经fft变换后的频谱图。对比图3b和图4b可以看出，经二阶巴特沃斯滤波器滤波后的总谐波失真(totalharmonicdistortion，thd)由82.31％降至了3.04％。可见，二阶巴特沃斯滤波器具有很好的滤波效果。采用本发明实施例的iir巴特沃斯滤波器简单可行，且滤波效果明显，能够很好的满足对风机发电机组电机侧高谐波电能信号的滤波需求。
在本发明一实施例中，若指定采样位置为机舱发电机输出端和/或发电机输出端继电器与塔底变流器之间的传输电缆，根据电机侧的电能信号特点即低频且变频，iir巴特沃斯滤波器可以选为3阶数字滤波器，滤波器的截止频率可以为80赫兹。
在本发明一实施例中，若指定采样位置为发电机组组内降压变压器与风力发电机组组内自耗电设备之间的传输电缆，由于这些位置的电能信号为工频信号，为了防止造成对工频信号的过度衰减，此时，iir巴特沃斯滤波器可以选为2阶数字滤波器，滤波器的截止频率可以为500赫兹。
在实际应用过程中，还可以参考对采集数据的处理时间的需求，滤波器的参数设计可以采用在线计算法或者查表法。对于在线计算法，是在确定好滤波器的阶数和截止频率后，根据预设的滤波器系数计算算法在线计算出滤波器系数。查表法则是预先计算出不同阶数和不同截止频率下的滤波器系数并存储在滤波器参数表中，在应用时，确定好滤波器的阶数和截止频率后，即可通过查询滤波器参数表快速得到相应的滤波器系数。
本发明实施例中，智能电表120上还可以设有与主控芯片121连接的外接通信接口。
外接通信接口，用于与外接控制终端连接，接收外接控制终端的滤波器参数调节指令，并将该调节指令发送到主控芯片121。
主控芯片121，还用于根据滤波器参数调节指令，对数字滤波器122的参数进行调节。
在实际操作中，可以在智能电表120中配置用于对数字滤波器122进行参数调节的智能电表调试软件，并在智能电表120上预留外接通信接口，通过该外接通信接口可以直接连接外接控制终端，如智能电表个人计算机(smartmeterpersonalcomputer，smpc)，外接控制终端基于上述调试软件实现对数字滤波器122的在线调节，以满足不同工况、不同采样位置的滤波需求。
本发明实施例中，智能电表120还可以包括与主控芯片121连接的电子计数器123，如图5所示。
主控芯片121，具体用于根据上述电能信号采样值si-和si计算第i个过零点时刻与si的采样时刻(即第i个过零点后的第一个采样点的采样时刻)之间的采样点数δcnti，根据所述电能信号采样值s(i+1)-和s(i+1)计算第i+1个过零点时刻与s(i+1)的采样时刻之间的采样点数δcnt(i+1)，向电子计数器123发送计数控制指令，通过电子计数器123的计数值
电子计数器123，用于根据计数控制指令进行计数，并将计数值
本发明实施例中，主控芯片121，具体用于将
在被测电能信号的频率较低时，如对于电机侧的电能信号，其频率一般在4hz～11hz，为低频，如果采用快速傅里叶变换(fastfouriertransformation，fft)一般需要3～5个信号周期才可以测量频率有效值，将耗费较长的计算时间和存储空间。为了提高计算效率，本发明实施例中采用了基于电子计数器的测频方案。未加偏置电压的正弦信号的频率测量的关键是信号过零点的检测，假设滤波后的信号为理想信号(比如信号发生器产生的信号，可以理解为噪声很小的信号)，信号过零点的测定比较简单，仅需要判定相邻两个信号反向的数据点就可以，如果当前时刻的电能信号采样值和前一时刻的电能信号采样值的乘积小于零即反向则可以认为两个电能信号采样值之间过零，两个电能信号采样值之间存在信号过零点。
本发明实施例中，为了提高频率测量精度，适应变频的测量工况，在计算信号瞬时频率时，需要准确的电子计数器123的计数初值，从而更精确的根据电子计数器123的初值确定出每半个信号周期的采样点数，进而得到整个信号周期的精确采样点数，准确计算出每个信号周期的信号瞬时频率。
如对于第1个过零点和第2个过零点之间的半个信号周期，第1个过零点前后的两个电能信号采样值即s1-和s1用于确定第1个过零点和第2个过零点之间的半个信号周期的计数初值δcnt1，在确定出δcnt1后，主控芯片121控制电子计数器123以δcnt1为计数初值对s1的采样时刻至s2-的采样时刻之间的采样点进行计数。具体的，在s1的采样时刻之后，如果当前电能信号采样值与上一个电能信号采样值的符号相同，则电子计数器123的计算值自加1，若相反则说明这两个电能信号采样值之间存在过零点，即出现第2个过零点，此时的当前电能信号采样值为s2，上一个电能信号采样值为s2-，得到此时的电子计数器123的计数值
本发明实施例中，主控芯片121，具体用于根据上述电能信号采样值si-、si和采样周期，采用最小二乘法直线拟合确定第i个过零点时刻，根据第i个过零点时刻和采样周期确定δcnti。
本发明实施例中，基于最小二乘法在电能信号曲线的信号过零点附近用直线对其进行拟合，求得信号过零点坐标。具体的，对于第i个过零点，对电能信号采样值si-和si进行直线拟合，且该直线过零点即过第i个过零点，基于最小二乘法即可计算出该直线的过零点坐标即第i个过零点时刻的坐标，得到第i个过零点时刻。由于电能信号采样值si-和si之间的时间间隔为采样周期，因此根据第i个过零点的时刻和采样周期即可确定出第i个过零点时刻与si的采样时刻之间的采样点数即δcnti。
本发明实施例中，δcnti的计算公式为：
式中，t表示采样周期，fsamp表示采样频率。
相应的，第i+1个过零点前的半个信号周期的第一采样点数
根据
本发明实施例中，主控芯片121，还用于向电子计数器123发送当前计数值获取指令，以获取电子计数器123当前采样时刻的计数值。
电子计数器123，还用于根据当前计数值获取指令，将当前采样时刻的计数值发送给主控芯片121。
此时，主控芯片121，具体用于在开始采样后，依据过零点前后采样点的电能信号采样值反向确定第一个信号过零点，从第一个信号过零点之后开始，若相邻两个采样点的电能信号采样值反向，且电子计数器当前采样时刻的计数值大于设定阈值，则确定相邻两个采样点之间存在信号过零点。
在信号瞬时频率计算过程中，过零点噪音信号是影响频率测量的主要因素。为了提高频率测量精度，在计算每个信号周期的采样点数时，需要剔除噪声信号的影响。本发明实施例中，根据预设的噪声阈值即上述设定阈值进行噪声信号的判断。具体的，在根据过零点前后采样点的电能信号采样值反向确定出第一个信号过零点后，在之后的信号过零点确定过程中，若相邻两个采样点的电能信号采样值反向，且电子计数器123当前采样时刻的计数值大于设定阈值，则认为捕获到一个合理的过零点，即确定相邻两个采样点之间存在信号过零点，否则，则判定造成反向的原因是由于噪音信号的影响，不判定这两个采样点之间存在过零点，此时，电子计数器123继续自加1进行采样点的计数。
上述设定阈值的大小可以根据实际应用需求进行设置。例如，可以根据采集的电能信号大概的信号频率进行设置，如可以设置为测量的电能信号频率的十分之一左右。
本发明实施例的信号瞬时频率计算方案，电子计数器123的计数采用半周期滑动平均的计数方式，即每半个信号周期主控芯片121会计算一次计数初值，电子计数器123以每次计算出的计数初值重新进行计数，该方式相当于信号频率的一阶滤波环节，有效减少了频率波动，提高了计算出的信号瞬时频率的精度。
需要说明的是，在实际应用中，主控芯片121基于电能信号采样值si-、si、s(i+1)-、s(i+1)进行的计算中，为了尽可能减少谐波对计算结果的影响，优选根据上述各电能信号采样值对应的信号滤波值计算。也就是说，基于电能信号采样值si-、si、s(i+1)-、s(i+1)进行的计算中，主控芯片121优选根据各电能信号采样值对应的信号滤波值进行计算。
本发明实施例中，电能信号采样值包括电压采样值和电流采样值。
本发明实施例中，在电能信号采样值包括电压采样值和电流采样值时，主控芯片121，还用于根据每个信号周期的目标采样点数、电压采样值和电流采样值计算每个信号周期的全波有功功率。
本发明实施例中，每个信号周期的全波有功功率p的计算公式为：
其中，n表示一个信号周期内的采样点数，un表示一个信号周期内的第n个采样点的电压采样值，in表示一个信号周期内的第n个采样点的电流采样值。
本发明实施例中，a、b、c三相的全波有功功率p也是分别计算的。
本发明实施例中，主控芯片121，还用于依据每个信号周期的目标采样点数和电能信号采样值计算每个信号周期的信号全波有效值。
本发明实施例中，信号全波有效值s有效的计算公式为：
其中，sn表示第n个采样点的电能信号采样值。如果是电压采样值，则s有效为u有效即电压全波有效值，sn则为un。如果是电流采样值，则s有效为i有效即电流全波有效值，sn则为in。
本发明实施例中，主控芯片121，具体用于确定风力发电机启动后第一个电能信号采样值和停机后最后一个电能信号采样值均大于设定电压值的两个采样点，通过两个采样点之间的每个信号周期的目标采样点数和电能信号采样值，计算两个采样点之间的每个信号周期的信号全波有效值。
在实际应用中，风力发电机组690v机舱发电机侧的主回路电压信号的thd高，一般可高达80％～100％，谐波功率较高，在机组启动和停机过程中，相电压幅值在0v～700v之间波动，只有电压幅值大于一定电压幅值阈值即电压信号相对稳定后，计算出的电压全波有效值才稳定后的电压全波有效值。690v机舱发电机侧主回路的电流信号正常运行时的thd值在2％～7％，电流谐波含量相对较低，但在机组启动和停机过程中，电流幅值较低，且谐波含量较大，只有电流幅值大于一定电流幅值阈值时，电流信号才相对稳定，计算出的电流全波有效值才是稳定后的电流全波有效值。
因此，可以通过设定电能值对风力发电机启动过程和停机过程中的波动大的电能信号采样值进行剔除，只计算信号相对稳定后的信号周期的信号全波有效值。上述设定电能值，对于电压信号来说，为设定电压值，对电流信号来说，则为设定电流值。设定电压值的大小和设定电流值的大小均可分别根据经验值进行设定。
本发明实施例中，主控芯片121，还用于根据每个信号周期的电压全波有效值和电流全波有效值计算每个信号周期的全波视在功率。
本发明实施例中，对于三相交流电而言，a、b、c三相各相的全波视在功率s为每一相的全波电压有效值乘以全波电流有效值。
本发明实施例中，主控芯片121，还用于根据每个信号周期的电压全波有效值和电流全波有效值计算每个信号周期的全波无功功率。
本发明实施例中，全波无功功率q的计算公式为：
即各相的全波无功功率根据各相的全波视在功率和全波有功功率确定。其中，每相的全波无功功率的符号正负由瞬时无功功率值决定，其中，瞬时无功功率值q瞬的计算公式为：
其中，ea、eb、ec分别表示一个信号周期的a、b、c三相的电压全波有效值，ia、ib、ic分别表示一个信号周期的a、b、c三相的电流全波有效值。三相的全波无功功率q的正负符号都是由q瞬决定的。
本发明实施例中，电能信息采集装置100还包括电能传感器110，如图6所示，电能传感器110的输入端连接于风力发电机组的电能信号指定采样位置，电能传感器110的输出端与智能电表120的输入端连接。
电能传感器110，用于按照上述预设的采样周期采集指定采样位置的电能信号采样值，并将电能信号采样值发送到智能电表120。
在实际应用中，电能传感器100的数量也是可以根据实际采样需要进行确定，每个指定采样位置200可以连接一个电能传感器110，一个智能电表120可以连接一个或者一个以上的电能传感器110。电能传感器110可以包括电压传感器，电流传感器，或者，电压和电流传感器。
本发明实施例提供的风力发电机组电能信息采集装置，可以准确的测量出一个信号周期内被采样位置的信号瞬时频率、电压全波有效值、电流全波有效值以及上述各功率的实时值，很好的满足了发电机组内需要监测的关键测量点的电能信息采集及测量需求。此外，本发明实施例的电能信息采集装置，数字滤波器还可在线调节，满足了风力发电机不同工况、不同状态点的滤波要求。本发明实施例的电能采集装置的可测量的电能信号的频率测量范围可以很宽，通过该装置能够同时满足电机侧和并网侧的电能信息监测需求。
本发明实施例提供的风力发电机组电能信息采集装置，通过电能传感器110实时采集采样位置的电能信号采样值，电能信号采样值经过智能电表120的数字滤波器122后，滤波后的数值作为主控芯片121计算测量点瞬时频率、全波有效值和各功率的数据基础。主控芯片121只需要根据电能信号的三个瞬时点(当前信号过零点、前一个信号过零点和前两个信号过零点)前后的电能信号采样值即可准确的实现信号的瞬时频率的计算。此外，还可以进一步计算出电能信号的全波有效值和各功率值。采用本发明实施例的方案，电能信号各参数计算简单且结果准确，很好的满足了实际应用需求。
图7示出了采用本发明实施例的电能信息采集装置对采用onnly测试仪输入10.01hz的给定电能信号(待测量的电能信号)进行处理后的测量结果示意图。其中，给定电能信号的相电压的理论有效值为400v，相电流的理论有效值为3000a，相有功功率为1200kw。由测量结果可以看出，频率测量结果与理论值相等，电压有效值精度为1.6v/400v＝0.004，电流有效值精度为1.9/3000＝0.0006，功率精度为6/1200＝0.005，可见，采用本发明实施例的电能信息采集装置得到的测量结果，频率精度可高达0.1％，电压/电流有效值精度和功率精度也均小于1％，测量准确度很高，能够很好的满足实际应用需求。
基于本发明实施例的电能信息采集装置，本发明实施例还提供一种风力发电机组电能信息采集系统，如图8所示，该电能采集系统测试平台300、上位机400以及本发明实施例的风力发电机组电能信息采集装置。测试平台300的输入端与智能电表120的输出端连接，测试平台300的输出端与上位机400连接。
主控芯片121，还用于将主控芯片的计算结果通过智能电表120的输出端发送到测试平台300。
测试平台300，用于接收计算结果，并将计算结果上传到上位机300。
上位机400，用于接收并存储测试平台300发送的计算结果。
本发明实施例中，通过测试平台300和上位机400实现了对采集测量结果的传输和存储，为进一步基于测量数据分析建立运行数据库提供了数据基础，为模拟仿真设计提供了真实数据模型，为基于测量的实际值给出专家诊断方案，指导风电场运维人员进行相应的整改措施提供了依据。
本发明一实施例中，测试平台300可以包括设置于塔底侧的测试主平台310和设置于机舱侧的测试子平台320，如图9所示，测试主平台310和测试子平台320分别通过数据总线与上位机400连接。
测试主平台310，用于接收连接于塔底侧的智能电表120的主控芯片121的计算结果，并将接收到的计算结果上传到上位机400。
测试子平台320，用于接收连接于机舱侧的智能电表120的主控芯片121的计算结果，并将计算结果上传到上位机400。
通过分别在机舱侧和塔底侧设置测试平台，分别对两侧的采集测量结果进行收集，再上传至上位机，更好的满足了风电场实际场景的应用需求，降低了实际操作中布线连接等方面的复杂度。
本发明实施例中，测试主平台310，还用于获取风力发电机组的风电主控系统中与指定采样位置相对应的被采样设备的控制信息、以及塔底侧与指定采样位置相对应的塔底侧被采样设备的环境参数信息，将接收到的计算结果、控制信息和塔底侧被采样设备的环境参数信息按同一时间坐标轴上传到上位机400。
测试子平台320，还用于获取机舱侧与指定采样位置相对应的机舱侧被采样设备的环境参数信息，将接收到的计算结果和机舱侧被采样设备的环境参数信息按同一时间坐标轴上传到上位机400。
本发明实施例中，通过在采集测量指定采样位置的电能信号信息的同时，通过测试主平台310从风电主控系统中获取与指定采样位置对应的被采样设备的控制信息，分别通过测试主平台310和测试子平台320获取塔底侧对应采样设备的环境参数信息和电机侧对应采样设备的环境参数信息，为实现机组内各采样位置的电能信号的精确分析、电能信息的检测和评估、以及归纳总结机组的故障判断提供了更加全面的数据基础。其中，上述环境参数信息包括但不限于设备的温度、湿度等环境信息。
图10示出了本发明一具体实施例中，本发明实施例的电能信号采集系统在风力发电机组中的连接结构示意图。本具体实施例中，机舱风力发电机g侧的电压输出为690v交流电，经变流器ac-dc-ac整流后的690v交流电经组内690v/400v降压变压器后输出为400v交流电，400v交流电用于风力发电机组组内自耗电设备的供电。表1中示出了本具体实施例中各指定采集位置及位置描述。
表1
由表1可以看出，本具体实施例中的指定采样位置包括风力发电机输出端(对应图10中发电机输出端继电器k的输入端)、继电器k与变流器ac-dc-ac的传输线上、组内降压变压器的输出端(400v总耗电采样位置)、以及降压变压器与风力发电机组组内自耗电设备之间的传输电缆即组内自耗电设备的输入端，本具体实施例的组内自耗电设备包括滑环、电机散热风扇和偏航电机，以及塔底侧变流器水冷设备(对应图10中的水冷系统)。表中的mm2和a前的数值分别表示与对应设备连接的电缆的截面积和额定电流值，例如，滑环400v(100a、35mm2)表示滑环的额定电压为400v，额定电流为100a，连接的电缆的截面积为35mm2。
本具体实施例中表1中各个测量点即采样位置的智能电表的输入信号特点如下：
低频三相智能电表1#：pwm波，电压谐波含量基本在80％～100％之间，电流谐波含量在2％～7％，随着风功率的时时变化，电压和电流的频率在4hz～11hz间波动。
低频三相智能电表2#：pwm波，电压谐波含量基本在80％～100％之间，电流谐波含量在2％～7％，随着风功率的时时变化，电压和电流的频率在4hz～11hz间波动。
工频三相智能电表3#：工频正弦波，电压约为400v，电流随负载的变化而变化。
工频三相智能电表4#：工频正弦波，电压约为400v，电流随负载的变化而变化。
工频三相智能电表5#：工频正弦波，电压约为400v，电流随负载的变化而变化。
工频三相智能电表6#：工频正弦波，电压约为400v，电流随负载的变化而变化。
工频三相智能电表7#：工频正弦波，电压约为400v，电流随负载的变化而变化。
工频三相智能电表8#：工频正弦波，电压约为400v，电流随负载的变化而变化。
各测量点上分别连接电能传感器110(图10中所示的椭圆)，本具体实施例中的电能传感器110为电压和电流传感器，能够同时采集电压和电流。测试平台300采用plc测试平台，plc测试平台包括机舱侧的plc测试平台子站即测试子平台320和plc测试平台主站即测试主平台310。各测量点数据由电压和电流传感器采集后通过传感器信号线输入至对应的智能电表120，智能电表120以modbus总线通讯形式作为通讯链路，将主控芯片121的计算结果上传至与智能电表连接的plc测试平台子站或plc测试平台主站。
本具体实施例中，plc测试平台主站和plc测试平台子站通过风机光纤和风机光电转换器hub将智能电表上传的数据再上传至中央监控室的上位机400中。在实际操作中，可以根据测试平台与上位机之间的传输距离等信息在风机光纤传输线路上通过光纤集线器opticalhub进行光纤连接，以满足长距离的数据传输需求。
本具体实施例中，智能电表120与测试平台300之间、以及测试平台300与上位机400之间基于tcp/ip传输控制协议进行数据的传输。测试平台平行于风机的风电主控系统(图10中的风机主控plc)独立运行，plc测试平台主站与风电主控系统通信，并通过通讯总线获取主控系统内的部分数据，主要包括被采样设备的控制信息，并与智能电表120的计算结果按照同一个时间坐标轴保存到上位机中。此外，plc测试平台主站和plc测试平台子站还可以根据需要获取机组内设备的环境参数信息，如图8中所示的机舱、发电机关键部分的温度和湿度等参数信息，变流器、主柜、周边环境等参数信息，这些信息均为模拟量，并将智能电表120的计算结果、获取的控制信息以及环境参数信息按同一个时间坐标轴保存到上位机中，为机组内各采样位置的电能信号分析、机组内电能质量的评估，以及故障分析判断提供更全面的数据。
本发明实施例中还提供了一种风力发电组电能信息采集方法，如图11所示，该电能信息采集方法主要可以包括以下步骤：
步骤s1：接收按照预设的采样周期采集得到的风力发电机组中指定采样位置的电能信号采样值。
步骤s2：根据电能信号采样值确定信号过零点，依据第i个过零点前后的两个采样点的电能信号采样值si-和si，以及第i+1个过零点前后两个采样点的电能信号采样值s(i+1)-和s(i+1)，计算第i+1个过零点前的半个信号周期的第一采样点数
步骤s3：依据电能信号采样值s(i+1)-和s(i+1)，以及第i+2个过零点前后两个采样点的电能信号采样值s(i+2)-和s(i+2)，计算第i+2个过零点前的半个信号周期的第二采样点数
步骤s4：通过第一采样点数
步骤s5：根据采样周期和目标采样点数，计算对应信号周期的信号瞬时频率。
本发明实施例中，电能信息采集方法，还可以包括：
将电能信号采样值进行滤波，得到滤波后的信号滤波值。
此时，电能信号采样值si-、si、s(i+1)-、s(i+1)、s(i+2)-和s(i+2)对应为滤波后的信号滤波值。
本发明实施例中，将电能信号采样值进行滤波，包括：
将电能信号采样值通过无限脉冲响应iir巴特沃斯滤波器进行滤波。
本发明实施例中，若指定采样位置为机舱发电机输出端和/或发电机输出端继电器与塔底变流器之间的传输电缆，iir巴特沃斯滤波器为3阶数字滤波器，滤波器的截止频率为80赫兹。
本发明实施例中，若指定采样位置为风力发电机组组内降压变压器与组内自耗电设备之间的传输电缆，iir巴特沃斯滤波器为2阶数字滤波器，滤波器的截止频率为500hz赫兹。
本发明实施例中，依据第i个过零点前后的两个采样点的电能信号采样值si-和si，以及第i+1个过零点前后两个采样点的电能信号采样值s(i+1)-和s(i+1)，计算第i+1个过零点前的半个信号周期的第一采样点数
根据电能信号采样值si-和si计算第i个过零点时刻与si的采样时刻之间的采样点数δcnti。
根据电能信号采样值s(i+1)-和s(i+1)计算第i+1个过零点时刻与s(i+1)的采样时刻之间的采样点数δcnt(i+1)；
确定si的采样时刻至s(i+1)-的采样时刻之间的采样点数c。
将δcnti、c和1-δcnt(i+1)三者之和确定为第一采样点数
本发明实施例中，根据电能信号采样值si-和si计算第i个过零点时刻与si的采样时刻之间的采样点数δcnti，包括：
根据电能信号采样值si-、si和采样周期，采用最小二乘法直线拟合确定第i个过零点时刻，根据第i个过零点时刻和采样周期确定δcnti。
本发明实施例中，确定si的采样时刻至s(i+1)-的采样时刻之间的采样点数c，包括：
根据第i个过零点时刻和采样周期确定si的采样时刻。
根据第i+1个过零点时刻和采样周期确定s(i+1)-的采样时刻。
依据采样周期确定si的采样时刻至s(i+1)-的采样时刻之间的采样点数c。
本发明实施例中，根据电能信号采样值确定信号过零点，包括：
在开始采样后，依据过零点前后采样点的信号采样值反向确定第一个过零点。
从第一个过零点之后开始，若相邻两个采样点的电能信号采样值反向，且上一个过零点时刻至相邻两个采样点中的前一个采样点时刻之间的采样点数大于设定阈值，则确定相邻两个采样点之间存在信号过零点。
本发明实施例中，电能信号采样值包括电压采样值和电流采样值。
本发明实施例中，风力发电机组电能信息采集方法还可以包括：
根据每个信号周期的目标采样点数、电压采样值和电流采样值计算每个信号周期的全波有功功率。
本发明实施例中，风力发电机组电能信息采集方法还可以包括：
依据每个信号周期的目标采样点数和电能信号采样值计算每个信号周期的信号全波有效值。
本发明实施例中，依据每个信号周期的目标采样点数和电能信号采样值计算每个信号周期的信号全波有效值，包括：
确定风力发电机启动后第一个电能信号采样值和停机后最后一个电能信号采样值均大于设定电压值的两个采样点。
通过两个采样点之间的每个信号周期的目标采样点数和电能信号采样值，计算两个采样点之间的每个信号周期的信号全波有效值。
本发明实施例中，风力发电机组电能信息采集方法还可以包括：
根据每个信号周期的电压全波有效值和电流全波有效值计算每个信号周期的信号全波视在功率。
本发明实施例中，风力发电机组电能信息采集方法还可以包括：
根据每个信号周期的电压全波有效值和电流全波有效值计算每个周期的信号全波无功功率。
本发明实施例提供的风力发电机组电能信息采集方法，实现了对指定采样位置的电能信号一个信号周期的瞬时频率的准确计算，还能够进一步基于目标采样点数和电能信号采样值实现信号全波有效值、有功功率、无功功率和视在功率的计算。通过本发明实施例的采样方法，能够同时满足风力发电机组电机侧和并网侧的电能信息的测量需求。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、rom、闪存、可擦除rom(erom)、软盘、cd-rom、光盘、硬盘、光纤介质、射频(rf)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
本发明可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明的范围之中。