一种自适应电网频率的电能质量数据采集方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电能质量检测领域，特别是一种自适应电网频率的电能质量数据采集方法。
【背景技术】
[0002]对电网中谐波进行实时、准确的测量很有必要。针对电力系统的谐波分析，通常都是通过快速傅里叶变换(FFT)来实现的，然而电力系统的频率并不是时刻都为额定工频这一恒定值，它会在额定工频左右的一个范围内发生变化。、如若没有进行整周波采样，采样频率和信号频率不同步，便会产生频谱泄漏，使计算出的信号参数(频率、幅值和相位)不准确，尤其是相位的误差很大，无法满足测量精度的要求。
[0003]在实际测量中，采用加窗插值算法对快速傅里叶算法进行修正可减少频谱泄漏，但是需采集多周期数据进行分析，实时性差。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种自适应电网频率的电能质量采集方法，通过二阶低通滤波器和过零比较器组成的采样频率自适应模块实现采样频率自动跟踪电网频率，保证采集数据的完整性、准确性，提高系统的测量精度。
[0005]本发明的目的是由以下技术方案来实现的:
[0006]—种自适应电网频率的电能质量数据采集方法。通用电能质量数据采集模块对来自互感器的电压、电流信号进行数据采集；采样频率自适应模块采用二阶有源低通滤波器和过零比较器将输入的电力信号转换成方波输入至FPGA的采样频率控制器；采样频率控制器通过10MHz时钟实时地测量被测电信号基波周期和频率，基波周期的测量误差控制在±20ns范围。
[0007]进一步地，电能质量参数的基本测量要求时间间隔为10 (50Hz电力系统)或12周期(60Hz电力系统)，自适应电网频率的电能质量数据采集装置每10周期(50Hz电力系统)或者12周期(60Hz电力系统)调整一次采样频率；采样频率控制器实时调整ADC的采样频率为基波频率的整数倍，实现采样频率的自适应动态调整，最大限度的减小频谱泄漏，提高谐波分析等电能质量参数测量的精确性。
[0008]本发明的目的还在于提供一种自适应电网频率的电能质量数据采集装置。
[0009]所述装置包括通用电能质量数据采集模块和采样频率自适应模块；通用电能质量数据采集模块主要包括低通滤波器、模拟数字转换器ADC、现场可编程门阵列FPGA、静态随机存取存储器SRAM和USB通信模块；采样频率自适应模块主要包括二阶有源低通滤波器、过零比较器和采样频率控制器。
[0010]采用本发明的方案，电压、电流互感器的电信号经过低通滤波器过滤掉高频干扰和噪声信号。经ADC转换成数字信号，通过FPGA实现数据存储和USB通信。同时，互感器的电信号也会经二阶低通滤波器滤波，该二阶低通滤波器具有较低的截止频率仅保留基波附近的频谱信号。滤波后的信号通过过零比较器转换成方波信号传输至FPGA内部的采样频率控制器。采样频率控制器通过10MHz时钟实时地测量信号基波的周期T和频率f，将ADC的采样频率设置为当前电网频率f的整数倍。由此实现在电能质量数据采集时采样频率的自适应动态调整。
[0011]本发明的有益效果是:
[0012](I)采用二阶低通滤波器和过零比较器将输入的电力信号转换成方波，FPGA内部采用10MHz时钟，使测量到的周期误差控制在±20ns范围内，提高了测量精度。
[0013](2)自适应电网频率的电能质量数据采集装置能够实时调整采样频率，并同步输出采样值和电网频率。
[0014](3)通过采样频率自适应模块实现采样频率自适应动态调整，减小频谱泄漏，确保采集数据的完整性。同时，本发明不仅适用于电力系统，还可以广泛应用于空气动力学领域测试，振动、应变、冲击结构力学领域的测试等其他数据采集领域。
[0015]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步的描述。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的工作框图。
[0017]图2是本发明实施例自适应电网频率的8通道电能质量数据采集装置的示意图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图对本发明的结构作进一步的详述。
[0019]如图1所示，来自电压、电流互感器的电信号经过低通滤波器输入至模拟数字转换器ADC，转换后的数字信号传输至FPGA内部，由FPGA实现数据的存储、处理及USB通信功能。同时，互感器的电信号又经过二阶有源低通滤波器滤波，滤波后的信号通过过零比较器转换成方波信号传输至FPGA内部的采样频率控制器。采样频率控制器通过10MHz时钟实时地测量信号基波的频率值f，并将ADC的采样频率设置为当前电网频率f的整数倍，对采样频率进行自适应的动态调整。
[0020]实施例
[0021]图2为自适应电网频率的8通道电能质量数据采集装置的示意图。其中4路电压信号UA、UB、Uc、Un由电压互感器获得，4路电流信号I A、IB、Ic, In由电流互感器获得。通过通道Ua来实现对电网频率的跟踪测量，同时以此为依据对所有通道同步进行采样频率的调整。自适应电网频率的8通道电能质量数据采集装置包括8路电能质量数据采集和I个采样频率自适应模块。通用电能质量数据采集模块主要包括低通滤波器(Low-filter)、模拟数字转换器ADC)、现场可编程门阵列(FPGA)、静态随机存取存储器(SRAM)和USB通信模块。采样频率自适应模块主要包括二阶有源低通滤波器(Second Order Active Low PassFilter)、过零比较器(Zero Passing Comparator)和米样频率控制器(Sample FrequencyController)。
[0022]电信号由面板输入，经低通滤波器输入至16bit高精度ADC，ADC将输入的模拟信号转换成二进制补码数据输入至FPGA内部；同时，将经过二阶有源低通滤波器所得到的基波正弦信号输入至过零比较器，过零比较器产生的方波信号也输入至FPGA内部，FPGA内部的采样控制模块通过10MHz时钟实时地测量被测信号基波的周期值，实时同步更新采样频率为电网基波频率的整数倍，实现完整的信号数据采集。
[0023]FPGA内部的FIFO和SRAM控制器将采集的二进制数据存入FPGA外围的SRAM中，该SRAM被设计成为FIFO的访问模式，用户可以连接不断地进行数据采集的存储，不受存储深度的限制，实现连续的数据采集与存盘。当一次采样结束后，上位机通过USB总线将存在SRAM中的采样数据读出。
【主权项】
1.一种自适应电网频率的电能质量数据采集方法，其特征在于，通用电能质量数据采集模块对来自互感器的电压、电流信号进行数据采集；采样频率自适应模块采用二阶有源低通滤波器和过零比较器将输入的电力信号转换成方波输入至FPGA的采样频率控制器；采样频率控制器通过10MHz时钟实时地测量被测电信号基波周期和频率，基波周期的测量误差控制在±20ns范围。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:电能质量参数的基本测量要求时间间隔为10 (50Hz电力系统)或12周期(60Hz电力系统)，自适应电网频率的电能质量数据采集装置每10周期(50Hz电力系统)或者12周期(60Hz电力系统)调整一次采样频率；采样频率控制器实时调整ADC的采样频率为基波频率的整数倍，实现采样频率的自适应动态调整，最大限度的减小频谱泄漏，提高谐波分析等电能质量参数测量的精确性。3.—种自适应电网频率的电能质量数据采集装置，其特征在于，包括通用电能质量数据采集模块和采样频率自适应模块；通用电能质量数据采集模块主要包括低通滤波器、模拟数字转换器ADC、现场可编程门阵列FPGA、静态随机存取存储器SRAM和USB通信模块；采样频率自适应模块主要包括二阶有源低通滤波器、过零比较器和采样频率控制器。
【专利摘要】本发明公开了一种自适应电网频率的电能质量数据采集方法与装置，包括通用电能质量数据采集模块和采样频率自适应模块。通用电能质量数据采集模块对来自互感器的电压、电流信号进行数据采集与存储，采样频率自适应模块采用二阶有源低通滤波器和过零比较器将输入的电力信号转换成方波输入至FPGA的采样频率控制器(Sample？Frequency？Controller)。采样频率控制器通过100MHz时钟测量被测电信号基波周期和频率，每隔10周期或者12周期实时调整ADC的采样频率为基波频率的整数倍，确保采集数据的完整性，实现采样频率的自适应动态调整，最大限度的减小频谱泄漏，提高电能质量参数测量的精确性。
【IPC分类】G01R31/00
【公开号】CN105137241
【申请号】CN201510552690
【发明人】刘炜, 许伶俐, 高师湃, 崔梦雨, 齐永龙, 余俊祥, 廖钧, 金安旭, 黄玲美, 马超
【申请人】西南交通大学
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月2日