專利名稱：基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波采集、測量系統(tǒng)及方法
基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波采集、測量系統(tǒng)及方法技術領域
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)技術領域，具體涉及一種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波 采集、測量系統(tǒng)及方法。
背景技術：
隨著全球工業(yè)化進程的不斷推進，電力電子裝置的應用日益廣泛，電網中的諧波 污染也日益嚴重。諧波的出現(xiàn)使用電設備所處的環(huán)境惡化、引起設備的各種故障和事故，也 對周圍通信系統(tǒng)和公用電網以外的設備帶來危害。此外，諧波還會產生附加的諧波損耗，降 低發(fā)、輸電效率，可能引起局部串聯(lián)或并聯(lián)諧振，導致繼電保護和自動裝置的誤動作，影響 測量儀表的準確度，為電力系統(tǒng)帶來很大的危害。目前，諧波與電磁干擾、功率因數(shù)降低被 列為電力系統(tǒng)的三大公害，因而諧波的測量對于了解諧波狀況、為諧波治理提供數(shù)據支持、 改善供電質量、確保電力系統(tǒng)安全、經濟運行都有著十分重要的意義。諧波測量是諧波問題 中的一個重要分支，也是研究分析諧波問題的出發(fā)點和主要依據。
電力系統(tǒng)諧波最主要的來源是各種非線性負荷用戶，如各種整流設備、調節(jié)設備、 電弧爐、軋鋼機以及電氣拖動設備。近年來，隨著高速電氣化鐵路等大型非線性負荷的蓬 勃發(fā)展，電力系統(tǒng)內的諧波頻譜范圍大幅度增加，高次諧波頻率可達到基波頻率的幾十倍， 這些新的特點可能會引起的高次諧波諧振等問題都會對電力系統(tǒng)的運行構成威脅。IEC 61000-4-30中定義的頻率范圍至9kHz，諧波階次數(shù)至50次，高頻諧波是指頻率范圍為 2. 5kHz-9kHz,帶寬固定為200Hz,中心頻率為2. 7kHz至8. 9kHz的諧波。
由于諧波的非線性、隨機性、分布性、非平穩(wěn)性和影響因素負雜等特征，對諧波進 行準確測量非常困難。目前，各種諧波測量裝置可測量的頻率范圍普遍低于2. 5kHz，大多 數(shù)諧波儀和電能質量監(jiān)測裝置只能測量到工頻50次以內的諧波，已不能滿足現(xiàn)代電網的 諧波監(jiān)測需求。在進行寬頻帶的諧波測量時，需對輸入信號加設帶通濾波器，由于諧波覆蓋 的頻率帶寬很寬(從基波頻率到9kHz)，而濾波器的通帶范圍要受有源器件的帶寬限制，通 帶過寬會使得測量信號產生較大的誤差，嚴重影響測量精度。因此，高頻和寬頻帶范圍的諧 波測量仍是一個難題。發(fā)明內容
為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧 波采集、測量系統(tǒng)及方法，針對低頻段、高頻段諧波，選用不同的濾波電路和采樣率進行信 號采樣，本發(fā)明可測量較寬頻帶的諧波，針對不同適用頻段選擇不同的采樣效率可保證在 滿足測量精度的前提下，提高計算效率，為實現(xiàn)高性能的諧波測量裝置提供了有效的依據。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術方案
—種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波數(shù)字信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括
隔離模塊，用于對被測信號進行隔離；
濾波模塊，用于對隔離后的被測信號進行雙通道濾波，并得到相應的低頻分量和高頻分量，所述雙通道包括低頻和高頻兩路濾波通道；和
AD采樣模塊，用于對被測信號的低頻分量和高頻分量進行采樣。
所述濾波模塊包括低頻濾波模塊和高頻濾波模塊，所述AD采樣模塊包括兩片AD 芯片，所述AD芯片集成在采集板上。
被測信號經隔離模塊進行隔離，經隔離的被測信號分別通過低頻濾波模塊和高頻 濾波模塊進行濾波，進而得到低頻分量和高頻分量，所述濾波模塊將濾波后的被測信號傳 送至采集板，所述采集板對低頻分量和高頻分量進行AD采樣。
一種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括所述數(shù)字信號采集 系統(tǒng)，還包括
變送模塊，用于對被測信號進行轉換；
數(shù)據處理模塊，用于對經AD采樣模塊轉換得到的數(shù)字信號進行諧波分析處理；
管理模塊，用于對數(shù)據處理模塊經諧波分析處理的處理結果進行統(tǒng)計管理；
GPS時間基準模塊，用于整點對時和時序控制；和
外圍模塊，用于對管理模塊的統(tǒng)計處理結果進行顯示和輸出。
所述被測信號包括電壓模擬信號和電流模擬信號；所述變送模塊包括電壓互感器 和電流互感器，所述電壓互感器將高電壓轉化為適合設備測量量程的二次電壓，所述電流 互感器將大電流轉化為適合設備測量量程的二次電壓。
所述數(shù)據處理模塊包括DSP處理器，DSP處理器對數(shù)字信號進行加矩形窗的FFT計 算和諧波組、諧波子組均方根值計算。
所述管理模塊包括ARM處理器和隨機存儲器A，經數(shù)據處理模塊諧波分析處理的 數(shù)據保存至數(shù)據處理模塊的隨機存儲器B，所述ARM處理器從隨機存儲器B中取出數(shù)據，將 諧波相關的指標進行統(tǒng)計并生成報表，并將處理結果存儲到隨機存儲器A中。
經管理模塊存儲的處理結果通過PC104總線傳輸?shù)剿鐾鈬K，通過外圍模塊 的顯示屏和打印機進行顯示并輸出，通過RS232或網口進行數(shù)據傳輸。
提供一種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波數(shù)字信號采集方法，該方法包括如下 步驟
對被測信號進行變送轉換；
對經過轉換的被測信號進行隔離后，分別通過低頻、高頻兩路濾波通道進行濾波， 得到被測信號的低頻分量和高頻分量；
對被測信號的低頻分量和高頻分量分別進行不同頻率的采樣后，得到寬頻帶諧波 的數(shù)字信號。
—種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波測量方法，該方法包括如下步驟
采集寬頻帶諧波的數(shù)字信號；
對所采集的數(shù)字信號進行諧波處理、統(tǒng)計管理后，輸出寬頻帶諧波測量結果；
其中，采集寬頻帶諧波的數(shù)字信號的方法包括
對被測信號進行轉換；
對經過轉換的被測信號進行隔離后，分別通過低頻、高頻兩路濾波通道進行濾波， 得到被測信號的低頻分量和高頻分量；
對被測信號的低頻分量和高頻分量進行不同頻率的采樣后，得到寬頻帶諧波的數(shù)字信號。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果在于1.本發(fā)明提供的基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波測量系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)諧波測量儀器測量頻帶窄、測量誤差大等問題，針對低頻段、高頻段諧波，選用不同的濾波電路和采樣率進行信號采樣，本發(fā)明可測量較寬頻帶的諧波，針對不同適用頻段選擇不同的采樣率可保證在滿足測量精度的前提下，提高計算效率，為實現(xiàn)高性能的諧波測量裝置提供了有效的依據。2.針對聞速鐵路等廣生聞頻諧波的新型負荷，本專利提供了一種基于雙通道濾波器的寬頻帶諧波測量方法及實現(xiàn)電路，可有效地、準確地測量寬頻帶范圍內的諧波，適應當前電網的電能質量測量的新要求。本專利可為研究諧波問題提供準確的實際數(shù)據，對于了解諧波狀況、為諧波治理提供數(shù)據支持、改善供電質量、確保電力系統(tǒng)安全、經濟運行都有著十分重要的意義。


圖1是基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波測量系統(tǒng)結構示意圖；圖2是基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波測量系統(tǒng)中電壓信號變送和隔離、濾波電路圖；圖3是基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波測量系統(tǒng)中電流信號變送和隔離、濾波電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。本發(fā)明提供一種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波數(shù)字信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括隔離模塊，用于對被測信號進行隔離；濾波模塊，用于對隔離后的被測信號進行雙通道濾波，并得到相應的低頻分量和高頻分量，所述雙通道包括低頻和高頻兩路濾波通道；和AD采樣模塊，用于對被測信號的低頻分量和高頻分量進行采樣。所述濾波模塊包括低頻濾波模塊和高頻濾波模塊，所述AD采樣模塊包括兩片AD芯片，所述AD芯片集成在采集板上。被測信號經隔離模塊進行隔離，經隔離的被測信號分別通過低頻濾波模塊和高頻濾波模塊進行濾波，進而得到低頻分量和高頻分量，所述濾波模塊將濾波后的被測信號傳送至采集板，所述采集板對低頻分量和高頻分量進行AD采樣。如圖1，一種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括所述數(shù)字信號采集系統(tǒng)，還包括變送模塊，用于對被測信號進行轉換；數(shù)據處理模塊，用于對經AD采樣模塊轉換得到的數(shù)字信號進行諧波分析處理；管理模塊，用于對數(shù)據處理模塊經諧波分析處理的處理結果進行統(tǒng)計管理；GPS時間基準模塊，用于整點對時和時序控制；和
外圍模塊，用于對管理模塊的統(tǒng)計處理結果進行顯示和輸出。所述被測信號包括電壓模擬信號和電流模擬信號；所述變送模塊包括電壓互感器和電流互感器，所述電壓互感器將高電壓轉化為適合設備測量量程的二次電壓，所述電流互感器將大電流轉化為適合設備測量量程的二次電壓。所述數(shù)據處理模塊包括DSP處理器，DSP處理器對數(shù)字信號進行加矩形窗的FFT計算和諧波組、諧波子組均方根值計算。所述管理模塊包括ARM處理器和隨機存儲器A，經數(shù)據處理模塊諧波分析處理的數(shù)據保存至數(shù)據處理模塊的隨機存儲器B，所述ARM處理器從隨機存儲器B中取出數(shù)據，將諧波相關的指標進行統(tǒng)計并生成報表，并將處理結果存儲到隨機存儲器A中。經管理模塊存儲的處理結果通過PC104總線傳輸?shù)剿鐾鈬K，通過外圍模塊的顯示屏和打印機進行顯示并輸出，通過RS232或網口進行數(shù)據傳輸。設備硬件采用的是雙核CPU (DSP+ARM核)，64位的處理器，DSP負責FFT、諧波計算部分，ARM負責管理部分。諧波測量的基本時間窗寬為10周波，采用與電網基波周期嚴格同步采樣加矩形窗的FFT分析方法。根據IEC61000-4-30規(guī)定，采用諧波組和諧波子組兩種算法。高頻諧波測量的基本時間窗寬為100ms，DFT的頻譜分辨率為10Hz，帶寬固定為200Hz,中心頻率為2. 7kHz至8. 9kHz的諧波，采樣信號無需與電網基波周期同步。如圖2和圖3，變送模塊包括互感器TV5202、互感器TA5282。其中TV5202的變比為120V/3. 53V，可將三相電壓信號轉換為適合設備量程的小電壓；TA5282的變比為10A/3. 53V,可將三相電流信號轉換為適合設備量程的小電壓。隔離電路由平波電容和隔離運放組成，可實現(xiàn)抗干擾性，防止高頻干擾信號傳遞到濾波、采樣電路。為了得到完整頻帶范圍(OlkHz)內的諧波信號，并保證測量的準確性，本專利采用分頻段雙路濾波通道的結構，分別針對低頻段((Γ50次)和高頻段(50次以上)諧波進行濾波，考慮到過渡帶的損耗，本發(fā)明使用截止頻率為2. 7kHz的低通濾波器和通帶為2. 3kHz^l0kHz的帶通濾波器進行濾波。信號經低頻通道、高頻通道濾波后被傳送至采集板進行采樣。裝置以GPS同步信號為準，對所有通道高速同步采樣。采樣板上集成了 2塊AD7606芯片，分別針對低頻通道、高頻通道的波形進行采樣。低頻通道AD芯片的采樣頻率為20. 48kHz (即每10周波采樣4096點)，高頻通道AD芯片的采樣頻率為40. 96kHz (即8192點每10周波)。其中，高頻諧波測量部分，先將低頻段((Γ50次)諧波衰減了 70dB后，再放大4飛倍進行測量。AD7606為16位A/D轉換器件，具有轉換精度高，轉換速度快，同步采樣等優(yōu)點。為防止由于頻率偏離額定值時造成測量誤差，裝置設有頻率自動跟蹤回路，實時調整采樣間隔，滿足同步采樣要求。一種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波數(shù)字信號采集方法，該方法包括如下步驟 對被 測信號進行變送轉換；對經過轉換的被測信號進行隔離后，分別通過低頻、高頻兩路濾波通道進行濾波，得到被測信號的低頻分量和高頻分量；對被測信號的低頻分量和高頻分量分別進行不同頻率的采樣后，得到寬頻帶諧波的數(shù)字信號。一種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波測量方法，該方法包括如下步驟
采集寬頻帶諧波的數(shù)字信號；對所采集的數(shù)字信號進行諧波處理、統(tǒng)計管理后，輸出寬頻帶諧波測量結果；其中，采集寬頻帶諧波的數(shù)字信號的方法包括對被測信號進行轉換；對經過轉換的被測信號進行隔離后，分別通過低頻、高頻兩路濾波通道進行濾波，得到被測信號的低頻分量和高頻分量；對被測信號的低頻分量和高頻分量進行不同頻率的采樣后，得到寬頻帶諧波的數(shù)
字信號。最后應當說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波采集系統(tǒng)，其特征在干，該系統(tǒng)包括 隔離模塊，用于對被測信號進行隔離； 濾波模塊，用于對隔離后的被測信號進行雙通道濾波，并得到相應的低頻分量和高頻分量，所述雙通道包括低頻和高頻兩路濾波通道；和 AD采樣模塊，用于對被測信號的低頻分量和高頻分量進行采樣。
2.根據權利要求1所述的基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波采集系統(tǒng)，其特征在干，所述濾波模塊包括低頻濾波模塊和高頻濾波模塊，所述AD采樣模塊包括兩片AD芯片，所述AD芯片集成在采集板上。
3.根據權利要求1所述的基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波采集系統(tǒng)，其特征在干，被測信號經隔離模塊進行隔離，經隔離的被測信號分別通過低頻濾波模塊和高頻濾波模塊進行濾波，進而得到低頻分量和高頻分量，所述濾波模塊將濾波后的被測信號傳送至采集板，所述采集板對低頻分量和高頻分量進行AD采樣。
4.一種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波測量系統(tǒng)，其特征在干，該系統(tǒng)包括如權利要求1-3任一所述的采集系統(tǒng)，還包括 變送模塊，用于對被測信號進行轉換； 數(shù)據處理模塊，用于對經AD采樣模塊轉換得到的數(shù)字信號進行諧波分析處理； 管理模塊，用于對數(shù)據處理模塊經諧波分析處理的處理結果進行統(tǒng)計管理； GPS時間基準模塊，用于整點對時和時序控制；和 外圍模塊，用于對管理模塊的統(tǒng)計處理結果進行顯示和輸出。
5.根據權利要求4所述的基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波測量系統(tǒng)，其特征在干，所述被測信號包括電壓模擬信號和電流模擬信號；所述變送模塊包括電壓互感器和電流互感器，所述電壓互感器將高電壓轉化為適合設備測量量程的二次電壓，所述電流互感器將大電流轉化為適合設備測量量程的二次電壓。
6.根據權利要求4所述的基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波測量系統(tǒng)，其特征在干，所述數(shù)據處理模塊包括DSP處理器，DSP處理器對數(shù)字信號進行加矩形窗的FFT計算和諧波組、諧波子組均方根值計算。
7.根據權利要求4所述的基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波測量系統(tǒng)，其特征在干，所述管理模塊包括ARM處理器和隨機存儲器A，經數(shù)據處理模塊諧波分析處理的數(shù)據保存至數(shù)據處理模塊的隨機存儲器B，所述ARM處理器從隨機存儲器B中取出數(shù)據，將諧波相關的指標進行統(tǒng)計并生成報表，并將處理結果存儲到隨機存儲器A中。
8.根據權利要求4所述的基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波測量系統(tǒng)，其特征在干，經管理模塊存儲的處理結果通過PC104總線傳輸?shù)剿鐾鈬K，通過外圍模塊的顯示屏和打印機進行顯示并輸出，通過RS232或網ロ進行數(shù)據傳輸。
9.一種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波采集方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 對被測信號進行變送轉換； 對經過轉換的被測信號進行隔離后，分別通過低頻、高頻兩路濾波通道進行濾波，得到被測信號的低頻分量和高頻分量； 對被測信號的低頻分量和高頻分量分別進行不同頻率的采樣后，得到寬頻帶諧波的數(shù)字信號。
10.一種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波測量方法，其特征在于，該方法包括如下步驟 采集寬頻帶諧波的數(shù)字信號； 對所采集的數(shù)字信號進行諧波處理、統(tǒng)計管理后，輸出寬頻帶諧波測量結果； 其中，采集寬頻帶諧波的數(shù)字信號的方法包括 對被測信號進行轉換； 對經過轉換的被測信號進行隔離后，分別通過低頻、高頻兩路濾波通道進行濾波，得到被測信號的低頻分量和高頻分量； 對被測信號的低頻分量和高頻分量進行不同頻率的采樣后，得到寬頻帶諧波的數(shù)字信號。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于分頻段雙路濾波的寬頻帶諧波采集、測量系統(tǒng)及方法，針對一般諧波測量儀器測量頻帶窄、測量誤差大等問題，采用雙路分頻段濾波電路、雙AD板高頻采樣電路，針對低頻段、高頻段諧波，選用不同的濾波電路和采樣頻率進行信號采樣。本發(fā)明方法可測量較寬頻帶的諧波，針對不同適用頻段選擇不同的采樣頻率可保證在滿足測量精度的前提下，提高計算效率，為實現(xiàn)高性能的諧波測量裝置提供了有效的方法。
文檔編號G01R23/165GK103033685SQ20121049085
公開日2013年4月10日 申請日期2012年11月27日 優(yōu)先權日2012年11月27日
發(fā)明者周勝軍, 王同勛, 溫惠, 安哲, 劉劍 申請人:國網智能電網研究院, 國家電網公司, 遼寧省電力有限公司電力經濟技術研究院