电气信号数字化检测技术及应用研究

摘要

现代化电力生产要求实现电力系统和电气设备的数字化监测、控制与保护，而这些都基于对电气信号的及时、准确和可靠检测。本文综合运用数字信号处理技术、微机技术和电力系统自动化技术，探讨真实反映电气信号物理本质、精度高、速度快、实现代价小、工程实用的电气信号检测理论和实现方法，重点研究电气信号采样方法及电气参数估计有效算法。全文主要工作和贡献包括以下8个方面：1)全面分析了硬件同步采样、软件同步采样、异步采样3种采样方式的采样同步误差及均匀误差的产生原因，并提出了相应的抑制误差的措施。特别针对应用最广泛的软件同步采样，提出了三个提高采样同步度和均匀度的改进方法。方法一动态调节采样周期，使由采样周期量化误差引起的同步误差和各采样点的采样时间误差均不大于定时器最小分辨时间的一半，显著提高采样同步精度；方法二对采样值进行校正，使存在同步误差和均匀误差的实际采样值序列转化为理想均匀同步采样序列；方法三能消除软件同步采样时间间隔不均匀引起的信号周期测量误差，并通过修正采样周期减小采样同步误差。方法实现简单，应用范围广，增加工作量小，能显著提高测量精度，对电气检测交流采样系统的软、硬件设计具有指导作用。 2)提出了一种抑制故障电气信号中非周期分量的采样值修正算法。与其它方法相比，它不针对任何特定算法而设计，对所有算法均适用。在微机保护中，采用该方法对采样值进行修正，可显著减小非周期分量对计算的影响。 3)根据电气信号的频谱特点，在频谱校正理论的基础上，提出了适合电气参数微机测量的DFT校正算法，论述了其“短时间窗”和“长时间窗”算法的实现。通过选用不同的采样时间窗长度、采样点数及与之相适应的窗函数，新算法可以满足高精度计量及快速电气测量等多种应用场合对测量精度、实时性等性能的不同要求。算法实现简单，速度快、精度高、通用性强。 4)应用“短时间窗”DFT校正算法，并根据同期并列特点和要求，提出了微机自动准同期并列算法。该算法对同一电压信号的两个采样序列进行DFT，并根据两次DFT结果及差值确定电压参数。它不需要同步采样，在采样频率固定不变的情况下，可以对频率在较大范围内变化的信号进行频率、幅值和相位的较精确测量，从而解决了传统算法由于并列两侧电压信号频率不相等，不能同时同步采样，难以同时精确测量的难题。 5)提出了一种新型窗函数——矩形自卷积窗。m阶卷积窗由m个矩形窗通过卷积运算，并适当添零生成；其幅频特性在零点处的1至m-1阶导数均为0，在零点附近的值很小，这一特性使其特别适合于电气信号的检测。 6)提出了基于卷积窗的谐波检测算法。算法对采样序列加卷积窗，有效抑制了基波及整数次谐波之间的相互干扰，与谐波分析常用的余弦窗相比，加卷积窗可以获得高得多的计算精度；此外，采用基于相位比较的校正算法，并通过对校正算法实现方法的改进，显著减小计算量。 7)提出了一种电压、电流有效值及有功功率的测量算法，该算法将有效值或有功功率的估计，转化为对某一构造信号的零频率分量的估计，并设计一脉冲响应为卷积窗的多阻带滤波器，用该滤波器滤除构造信号中的基波及各次谐波分量，实现在采样存在同步误差时的有效值和有功功率的高精度测量。 8)将上述研究成果应用到电气信号数字检测的实践中，研制了“微机型电容补偿及谐波滤波成套设备”、“谐波滤波器微机监控装置”、“微机型自动准同期并列装置”、“基于虚拟仪器技术的电气参数综合测试仪”等设备。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1电气信号检测发展历程及本文研究意义

1.2电气信号数字化检测技术研究现状

1.2.1电气信号观测模型

1.2.2电气信号采样及交流采样同步技术

1.2.3电气信号检测原理及算法

1.3本文研究的主要内容

第2章交流采样同步及数据预处理技术研究

2.1电气信号的采样

2.2交流同步采样

2.3硬件同步误差及其抑制

2.4软件同步误差及其抑制方法

2.4.1采样时间间隔的动态调整(方法一)

2.4.2采样值校正(方法二)

2.4.3信号周期测量与采样周期校正(方法三)

2.5异步采样的同步误差及其抑制

2.6滤除衰减直流分量的采样值修正法

2.7仿真研究及应用实例

2.7.1交流采样同步方法仿真

2.7.2软件同步改进方法在谐波测量中的应用

2.7.3滤出衰减直流分量采样值修正算法仿真及应用实例

2.8小结

第3章基于DFT校正的电气参数微机测量算法

3.1引言

3.2 DFT校正原理

3.3电气参数测量的频谱校正算法

3.3.1电气信号频谱特点及测量要求

3.3.2电气参数的频谱校正算法

3.3.3算法误差及窗序列选择

3.3.4算法计算量

3.4算法实现及仿真

3.4.1短时间窗算法

3.4.2长时间窗算法

3.5算法在准同期并列装置中的应用

3.6小结

第4章矩形自卷积窗及其频谱特性

4.1序列添0后的频谱

4.2矩形自卷积窗及其频谱

4.3小结

第5章矩形自卷积窗在周期电气参数测量中的应用

5.1基于矩形自卷积窗的谐波检测算法

5.1.1算法原理及误差分析

5.1.2卷积窗与余弦窗频谱特性比较

5.1.3求取频率校正量

5.1.4仿真分析及实践

5.2矩形自卷积窗在有效值及有功功率测量中的应用

5.2.1算法原理

5.2.2算法实现步骤

5.2.3算法仿真与实践

5.3小结

结论

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B攻读学位期间参加的科研项目