一种电力综合测试仪交流量采集和校准实现方法及系统与流程

[0001]
本发明涉及电力仪器仪表技术领域，特别涉及一种电力综合测试仪交流量采集和校准实现方法及系统。


背景技术：

[0002]
随着电力工业的飞速发展，"智能电网"被逐渐运用于电力系统中解决电能使用的诸多问题。作为智能电网末端的监测单元，智能电力仪表主要用于采集电压、电流、频率、相位、功率和电能等电力基础信息，以提高电力资源的利用率。当前大规模集成电路的广泛应用，使得电力仪表已从简单的零部件发展到了集多种功能于一体的集成部件型式，电力行业对其丰富的功能性要求也赋予了电力仪表更多的职能，同时对电力仪表采集精度的要求也越来越高。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的在于克服上述背景技术中的不足，解决现有技术中在宽量程范围下，采集精度无法提高的缺陷。
[0004]
为实现以上目的，采用一种电力综合测试仪交流量采集和校准实现方法，包括如下步骤：
[0005]
获取外部电压电流输入信号，并对外部电压电流输入信号进行预处理，得到小电压信号并作为ad采样模块的输入信号；
[0006]
按照设定的采样频率对ad采样模块的输入信号进行连续周波采样，并对采样点进行dft计算，得到三相电压电流的幅值和相角；
[0007]
在校准模式下，将三相电压电流的幅值和相角与不同档位下三相电压电流的标准值进行计算，得到每个档位下的校准系数，该校准系数包括幅值校准系数和角度校准系数；
[0008]
在采集模式下，根据当前档位下的校准系数和实际输入值，计算当前电压电流的实际采集值；
[0009]
根据当前电压电流的实际采集值来调节ad采样模块的输入档位。
[0010]
进一步地，所述获取外部电压电流输入信号，并对外部电压电流输入信号进行预处理，得到小电压信号并作为ad采样模块的输入信号，包括：
[0011]
对所述外部电压电流输入信号进行pt和ct变比处理，得到小电压电流信号；
[0012]
利用分压电阻和采样电阻分别对小电压电流信号进行处理，得到处理后的电压电流信号；
[0013]
利用不同档位的调理电路和程控放大器对处理后的电压电流信号进行处理，将处理后的电压信号转换成对应区间范围的小电压信号；
[0014]
将对应区间范围的小电压信号作为所述ad采样模块的输入信号。
[0015]
进一步地，所述不同档位的调理电路和程控放大器的放大倍数对应关系为：
[0016]
0v<u≤3v量程下，采用200倍采样，ad输入电压上限值为3/101
×
200≈6v；
[0017]
3v<u≤30v量程下，采用20倍采样，ad输入电压上限值为30/101
×
20≈6v；
[0018]
0v<u≤3v量程下，采用2倍采样，ad输入电压上限值为450/101
×
2≈9v；
[0019]
0a<i≤1a量程下，采用200倍采样，ad输入电压上限值为1/4000
×
120
×
200≈6v；
[0020]
1a<i≤10a量程下，采用20倍采样，ad输入电压上限值为10/4000
×
120
×
20≈6v；
[0021]
10a<i≤100a量程下，采用2倍采样，ad输入电压上限值为100/4000
×
120
×
20≈6v。
[0022]
进一步地，所述按照设定的采样频率对ad采样模块的输入信号进行连续周波采样，并对采样点进行dft计算，得到三相电压电流的幅值和相角，包括：
[0023]
按照设定的采样频率、每周波采样点数对所述ad采样模块的输入信号进行连续周波采样；
[0024]
每个周波对采集到的信号进行傅里叶变换，并根据傅里叶变换的结果计算电压电流信号的基波有效值和相角；
[0025]
对n个周波计算得到的基波有效值和相角取平均值，得到所述三相电压电流的幅值和相角。
[0026]
进一步地，所述在校准模式下，将三相电压电流的幅值和相角与不同档位下三相电压电流的标准值进行计算，得到每个档位下的校准系数，该校准系数包括幅值校准系数和角度校准系数，所述不三相电压电流的标准值包括三相电压、电流、有功和无功的标准值，包括：
[0027]
每个采集通道的幅值校准系数的计算公式为：
[0028]
kni＝yn i/xni(i＝0,1,2
…
分别代表ua,ub,uc,ia,ib,ic)
[0029]
其中：kni为在n档位下第i个通道的校准系数，xni为当前通道计算的基波有效幅值，yn i为当前采集通道的标准施加值；
[0030]
设定采集通道ua的角度始终为0度，其它采集通道的相角值为与ua之间的夹角，在所述校准模式下，以固定的相序输出三相电压标准值，计算电压通道的角度校准系数。
[0031]
进一步地，所述电压通道的角度校准系数的计算过程包括：
[0032]
kθnua＝0，
[0033]
kθunb＝240-(xθnub-xθnua)，
[0034]
kθunc＝120-(xθnuc-xθnua)，
[0035]
其中：kθnua，kθnub，kθnuc分别为在n档下ua,ub,uc三个通道角度的校准系数，xθnua，xθnub，xθnuc为当前各个通道dft角度的计算值；
[0036]
再根据所述有功和无功的标准值，计算出电压和电流之间的夹角：
[0037]
ang_ia＝atan(qa/pa)，
[0038]
ang_ib＝atan(qb/pb)，
[0039]
ang_ic＝atan(qc/pc)，
[0040]
kθnia＝0-ang_ia-xθnia+xθnua，
[0041]
kθnib＝240-ang_ib-xθnib+xθnua，
[0042]
kθnic＝120-ang_ic-xθnic+xθnua，
[0043]
其中：kθnia，kθnib，kθnic分别为在n档下ia,ib,ic三个通道角度的校准系数，xθnia，xθnib，xθnic为当前各个通道dft角度的计算值。
[0044]
进一步地，所述在采集模式下，根据当前档位下的校准系数和实际输入值，计算当前电压电流的实际采集值，包括：
[0045]
在采集模式下，根据当前档位下的校准系数计算出电压电流采集计算值的幅值和相角，其中：
[0046]
yn i＝kni
×
xni(i＝0,1,2
…
分别代表ua,ub,uc,ia,ib,ic)，
[0047]
其中：kni为在n档下第i个通道的幅值校准系数，xni为当前通道计算的基波有效幅值，yn i为当前采集通道的电压或电流采集计算值；
[0048]
yθnua＝0，
[0049]
yθnub＝xθnub+kθunb
–
xθnua-kθuna，
[0050]
yθnuc＝xθnuc+kθunc
–
xθnua-kθuna，
[0051]
其中：kθnua，kθnub，kθnuc分别为在n档下ua,ub,uc三个通道角度的校准系数，xθnua，xθnub，xθnuc为当前各个通道dft角度的计算值，yθnua,yθnub,yθnuc为当前采集通道的电压或电流角度计算值。
[0052]
另一方面，采用一种电力综合测试仪交流量采集和校准实现系统，包括：预处理模块、ad采样模块和核心控制模块，其中：
[0053]
预处理模块用于获取外部电压电流输入信号，并对外部电压电流输入信号进行预处理，得到小电压信号并作为ad采样模块的输入信号；
[0054]
核心控制模块按照设定的采样频率对ad采样模块的输入信号进行连续周波采样，并对采样点进行dft计算，得到三相电压电流的幅值和相角；
[0055]
核心控制模块在校准模式下，将三相电压电流的幅值和相角与不同档位下三相电压电流的标准值进行计算，得到每个档位下的校准系数，该校准系数包括幅值校准系数和角度校准系数；
[0056]
核心控制模块在采集模式下，根据当前档位下的校准系数和实际输入值，计算当前电压电流的实际采集值，并根据当前电压电流的实际采集值来调节ad采样模块的输入档位。
[0057]
进一步地，所述预处理模块包括电压互感器、电流互感器、分压电阻、采样电阻、调理电路和程控放大器，其中：
[0058]
电压互感器和电流互感器分别对所述外部电压电流输入信号进行pt和ct变比处理，得到小电压电流信号；
[0059]
分压电阻和采样电阻分别对小电压电流信号进行处理，得到处理后的电压电流信号；
[0060]
不同档位的调理电路和程控放大器对处理后的电压电流信号进行处理，将处理后的电压信号转换成对应区间范围的小电压信号作为所述ad采样模块的输入信号。
[0061]
进一步地，所述核心控制模块包括校准系数计算模块，该校准系数计算模块包括幅值校准系数计算单元和角度校准系数计算单元，其中：
[0062]
幅值校准系数计算单元用于计算每个采集通道的幅值校准系数，计算公式为：
[0063]
kni＝yn i/xni(i＝0,1,2
…
分别代表ua,ub,uc,ia,ib,ic)
[0064]
其中：kni为在n档位下第i个通道的校准系数，xni为当前通道计算的基波有效幅值，yn i为当前采集通道的标准施加值；
[0065]
角度校准系数计算单元用于设定采集通道ua的角度始终为0度，其它采集通道的相角值为与ua之间的夹角，在所述校准模式下，以固定的相序输出三相电压标准值，计算电压通道的角度校准系数。
[0066]
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明根据电压电流输入值的范围，自动切换程控放大器到不同的档位，保证ad的采样精度，再通过在不同档位下的幅值和相角校准，进一步提升采集的精度，即使在宽量程范围下，也能提高采集精度。
附图说明
[0067]
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：
[0068]
图1是一种电力综合测试仪交流量采集和校准实现方法的流程图；
[0069]
图2是一种电力综合测试仪交流量采集和校准实现系统的结构图。
具体实施方式
[0070]
为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。
[0071]
如图1所示，本实施例公开了一种电力综合测试仪交流量采集和校准实现方法，包括如下步骤：
[0072]
s1、获取外部电压电流输入信号，并对外部电压电流输入信号进行预处理，得到小电压信号并作为ad采样模块的输入信号；
[0073]
s2、按照设定的采样频率对ad采样模块的输入信号进行连续周波采样，并对采样点进行dft计算，得到三相电压电流的幅值和相角；
[0074]
s3、在校准模式下，将三相电压电流的幅值和相角与不同档位下三相电压电流的标准值进行计算，得到每个档位下的校准系数，该校准系数包括幅值校准系数和角度校准系数；
[0075]
s4、在采集模式下，根据当前档位下的校准系数和实际输入值，计算当前电压电流的实际采集值；
[0076]
s5、根据当前电压电流的实际采集值来调节ad采样模块的输入档位。
[0077]
需要说明的是，本实施例在正常采集模式下，根据计算出的校准系数得出实时采集的电压电流实际值，根据档位划分，切换对应档位的放大系数，使得ad采样的输入电压尽量在满量程范围内，从而保证采样的精度。
[0078]
作为进一步优选的方案，上述步骤s1：获取外部电压电流输入信号，并对外部电压电流输入信号进行预处理，得到小电压信号并作为ad采样模块的输入信号，包括如下细分步骤s11至s14：
[0079]
s11、对所述外部电压电流输入信号进行pt和ct变比处理，得到小电压电流信号；
[0080]
需要说明的是，本实施例采用的是精度达到0.01级的高精度pt和ct，外部输入电压电流信号经过高精度pt和ct后，变比为小电压电流信号。
[0081]
s12、利用分压电阻和采样电阻分别对小电压电流信号进行处理，得到处理后的电压电流信号；
[0082]
s13、利用不同档位的调理电路和程控放大器对处理后的电压电流信号进行处理，
将处理后的电压信号转换成对应区间范围的小电压信号；
[0083]
s14、将对应区间范围的小电压信号作为所述ad采样模块的输入信号。
[0084]
作为进一步优选的方案，ad采样模块的电压输入范围为-10～10v,不同档位调理电路和程控放大器的放大倍数对应关系如下：
[0085]
电压采集范围0～450v，pt电阻分压比例为100:1,采样电阻采用3个200k串联和6k分压：
[0086]
0v<u≤3v量程下，采用200倍采样，ad输入电压上限值为3/101
×
200≈6v；
[0087]
3v<u≤30v量程下，采用20倍采样，ad输入电压上限值为30/101
×
20≈6v；
[0088]
0v<u≤3v量程下，采用2倍采样，ad输入电压上限值为450/101*2≈9v；
[0089]
电流采集范围为0～100a，ct线圈匝数为4000t,采样电阻为120ω：
[0090]
0a<i≤1a量程下，采用200倍采样，ad输入电压上限值为1/4000
×
120
×
200≈6v；
[0091]
1a<i≤10a量程下，采用20倍采样，ad输入电压上限值为10/4000
×
120
×
20≈6v；
[0092]
10a<i≤100a量程下，采用2倍采样，ad输入电压上限值为100/4000
×
120
×
20≈6v。
[0093]
作为进一步优选的方案，上述步骤s2：按照设定的采样频率对ad采样模块的输入信号进行连续周波采样，并对采样点进行dft计算，得到三相电压电流的幅值和相角，包括如下细分步骤s21至s23：
[0094]
s21、按照设定的采样频率、每周波采样点数对所述ad采样模块的输入信号进行连续周波采样；
[0095]
s22、每个周波对采集到的信号进行傅里叶变换，并根据傅里叶变换的结果计算电压电流信号的基波有效值和相角；
[0096]
s23、对n个周波计算得到的基波有效值和相角取平均值，得到所述三相电压电流的幅值和相角。
[0097]
需要说明的是，本实施例中设备以采样频率50hz、每周波采样点数1024，实时采集外部电压电流信号，每个周波对采集到的信号进行一次离散傅里叶变换dft计算，并根据离散傅里叶变换dft的结果得出电压电流信号的基波有效值和相角，然后对n个周波计算值取平均，得出电压电流的幅值和相角。
[0098]
作为进一步优选的方案，上述步骤s3：在校准模式下，将三相电压电流的幅值和相角与不同档位下三相电压电流的标准值进行计算，得到每个档位下的校准系数，该校准系数包括幅值校准系数和角度校准系数，其中，三相电压电流的标准值包括三相电压、电流、有功和无功的标准值，包括：
[0099]
每个采集通道的幅值校准系数的计算公式为：
[0100]
kni＝yn i/xni(i＝0,1,2
…
分别代表ua,ub,uc,ia,ib,ic)
[0101]
其中：kni为在n档位下第i个通道的校准系数，xni为当前通道计算的基波有效幅值，yn i为当前采集通道的标准施加值，为上位机下发；
[0102]
设定采集通道ua的角度始终为0度，其它采集通道的相角值为与ua之间的夹角，在所述校准模式下，以固定的相序输出三相电压标准值，计算电压通道的角度校准系数。
[0103]
具体来说，由于晶振误差和定时器误差，每个通道每个周波采样后dft计算出来的绝对角度是变化的，但是各个通道的角度相对差是不变的，所以设定通道ua的角度始终为0
度，其它通道的相角值为和ua之间的夹角。校准的时候施加三相电压以固定的相序(0
°
,240
°
,120
°
)输出，得出电压通道的角度校准系数如下：
[0104]
kθnua＝0，
[0105]
kθunb＝240-(xθnub-xθnua)，
[0106]
kθunc＝120-(xθnuc-xθnua)，
[0107]
其中：kθnua，kθnub，kθnuc分别为在n档下ua,ub,uc三个通道角度的校准系数，xθnua，xθnub，xθnuc为当前各个通道dft角度的计算值；
[0108]
再根据所述有功和无功的标准值，计算出电压和电流之间的夹角：
[0109]
ang_ia＝atan(qa/pa)，
[0110]
ang_ib＝atan(qb/pb)，
[0111]
ang_ic＝atan(qc/pc)，
[0112]
kθnia＝0-ang_ia-xθnia+xθnua，
[0113]
kθnib＝240-ang_ib-xθnib+xθnua，
[0114]
kθnic＝120-ang_ic-xθnic+xθnua，
[0115]
其中：kθnia，kθnib，kθnic分别为在n档下ia,ib,ic三个通道角度的校准系数，xθnia，xθnib，xθnic为当前各个通道dft角度的计算值。
[0116]
作为进一步优选的方案，上述步骤s4：在采集模式下，根据当前档位下的校准系数和实际输入值，计算当前电压电流的实际采集值，包括：
[0117]
在采集模式下，根据当前档位下的校准系数计算出电压电流采集计算值的幅值和相角，其中：
[0118]
yn i＝kni
×
xni(i＝0,1,2
…
分别代表ua,ub,uc,ia,ib,ic)，
[0119]
其中：kni为在n档下第i个通道的幅值校准系数，xni为当前通道计算的基波有效幅值，yn i为当前采集通道的电压或电流采集计算值；
[0120]
yθnua＝0，
[0121]
yθnub＝xθnub+kθunb
–
xθnua-kθuna，
[0122]
yθnuc＝xθnuc+kθunc
–
xθnua-kθuna，
[0123]
其中：kθnua，kθnub，kθnuc分别为在n档下ua,ub,uc三个通道角度的校准系数，xθnua，xθnub，xθnuc为当前各个通道dft角度的计算值，yθnua,yθnub,yθnuc为当前采集通道的电压或电流角度计算值。
[0124]
作为进一步优选的方案，上述步骤s5：根据当前电压电流的实际采集值来调节ad采样模块的输入档位，包括：
[0125]
在正常采集模式下，根据计算出的校准系数得出实时采集的电压电流实际值，根据档位划分，切换程控放大器到对应档位的放大系数，使得ad采样的输入电压尽量在满量程范围内，从而保证采样的精度。
[0126]
如图2所示，本实施例公开了一种电力综合测试仪交流量采集和校准实现系统，包括：预处理模块10、ad采样模块20和核心控制模块30，其中：
[0127]
预处理模块10用于获取外部电压电流输入信号，并对外部电压电流输入信号进行预处理，得到小电压信号并作为ad采样模块的输入信号；
[0128]
核心控制模块30按照设定的采样频率对ad采样模块的输入信号进行连续周波采
样，并对采样点进行dft计算，得到三相电压电流的幅值和相角；
[0129]
核心控制模块30在校准模式下，将三相电压电流的幅值和相角与不同档位下三相电压电流的标准值进行计算，得到每个档位下的校准系数，该校准系数包括幅值校准系数和角度校准系数；
[0130]
核心控制模块30在采集模式下，根据当前档位下的校准系数和实际输入值，计算当前电压电流的实际采集值，并根据当前电压电流的实际采集值来调节ad采样模块20的输入档位。
[0131]
作为进一步优选的方案，所述预处理模块10包括电压互感器、电流互感器、分压电阻、采样电阻、调理电路和程控放大器，其中：
[0132]
电压互感器和电流互感器分别对所述外部电压电流输入信号进行pt和ct变比处理，得到小电压电流信号；
[0133]
分压电阻和采样电阻分别对小电压电流信号进行处理，得到处理后的电压电流信号；
[0134]
不同档位的调理电路和程控放大器对处理后的电压电流信号进行处理，将处理后的电压信号转换成对应区间范围的小电压信号作为所述ad采样模块20的输入信号。
[0135]
所述不同档位的调理电路和程控放大器的放大倍数对应关系为：
[0136]
0v<u≤3v量程下，采用200倍采样，ad输入电压上限值为3/101
×
200≈6v；
[0137]
3v<u≤30v量程下，采用20倍采样，ad输入电压上限值为30/101
×
20≈6v；
[0138]
0v<u≤3v量程下，采用2倍采样，ad输入电压上限值为450/101
×
2≈9v；
[0139]
0a<i≤1a量程下，采用200倍采样，ad输入电压上限值为1/4000
×
120
×
200≈6v；
[0140]
1a<i≤10a量程下，采用20倍采样，ad输入电压上限值为10/4000
×
120
×
20≈6v；
[0141]
10a<i≤100a量程下，采用2倍采样，ad输入电压上限值为100/4000
×
120
×
20≈6v。
[0142]
作为进一步优选的方案，所述核心控制模块30包括校准系数计算模块，该校准系数计算模块包括幅值校准系数计算单元和角度校准系数计算单元，其中：
[0143]
幅值校准系数计算单元用于计算每个采集通道的幅值校准系数，计算公式为：
[0144]
kni＝yn i/xni(i＝0,1,2
…
分别代表ua,ub,uc,ia,ib,ic)
[0145]
其中：kni为在n档位下第i个通道的校准系数，xni为当前通道计算的基波有效幅值，yn i为当前采集通道的标准施加值；
[0146]
角度校准系数计算单元用于设定采集通道ua的角度始终为0度，其它采集通道的相角值为与ua之间的夹角，在所述校准模式下，以固定的相序输出三相电压标准值，计算电压通道的角度校准系数。
[0147]
作为进一步优选的方案，角度校准系数计算单元具体用于：
[0148]
kθnua＝0，
[0149]
kθunb＝240-(xθnub-xθnua)，
[0150]
kθunc＝120-(xθnuc-xθnua)，
[0151]
其中：kθnua，kθnub，kθnuc分别为在n档下ua,ub,uc三个通道角度的校准系数，xθnua，xθnub，xθnuc为当前各个通道dft角度的计算值；
[0152]
再根据所述有功和无功的标准值，计算出电压和电流之间的夹角：
[0153]
ang_ia＝atan(qa/pa)，
[0154]
ang_ib＝atan(qb/pb)，
[0155]
ang_ic＝atan(qc/pc)，
[0156]
kθnia＝0-ang_ia-xθnia+xθnua，
[0157]
kθnib＝240-ang_ib-xθnib+xθnua，
[0158]
kθnic＝120-ang_ic-xθnic+xθnua，
[0159]
其中：kθnia，kθnib，kθnic分别为在n档下ia,ib,ic三个通道角度的校准系数，xθnia，xθnib，xθnic为当前各个通道dft角度的计算值。
[0160]
作为进一步优选的方案，所述核心控制模块30具体用于在采集模式下，根据当前档位下的校准系数计算出电压电流采集计算值的幅值和相角，其中：
[0161]
yn i＝kni
×
xni(i＝0,1,2
…
分别代表ua,ub,uc,ia,ib,ic)，
[0162]
其中：kni为在n档下第i个通道的校准系数，xni为当前通道计算的基波有效幅值，yn i为当前采集通道的电压或电流采集计算值；
[0163]
yθnua＝0，
[0164]
yθnub＝xθnub+kθunb
–
xθnua-kθuna，
[0165]
yθnuc＝xθnuc+kθunc
–
xθnua-kθuna，
[0166]
其中：kθnua，kθnub，kθnuc分别为在n档下ua,ub,uc三个通道角度的校准系数，xθnua，xθnub，xθnuc为当前各个通道dft角度的计算值，yθnua,yθnub,yθnuc为当前采集通道的电压或电流角度计算值。
[0167]
需要说明的是，由上面公式计算出采集值后，核心控制模块30根据采集值的大小，来自动切换ad输入档位。例如，当前在2倍放大系数档位下，采集计算所得的电压是20v，根据上述档位的划分情况，控制程控放大器的放大倍数从2倍切换到20倍档位从而保证ad的采样精度。
[0168]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。