一种基于双速率双量程采样的电能质量监测装置

摘要

一种基于双速率双量程采样的电能质量监测装置，属于电力系统电能质量监测技术领域，包括宽频带电压互感器PT、宽频带电流互感器CT、锁相环PLL、模数转换器ADC、数字信号处理器DSP和微控器ARM。本发明采用一套模数转换器ADC同时实现双速率、双量程采样，即两种速率同时存在、两种量程自动切换，其效果与装备两套模数转换器ADC完全一样，实现了稳态测量和瞬态捕捉两不误，而成本比装备两套ADC低得多。本发明不仅可应用于电能质量监测装置，还能用于超宽范围电能表或冲击负荷电能表，它能使电能表既保持稳态计量的高精度（尤其是微小负荷），又不丢失任何冲击性电能。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统电能质量监测技术领域，特别涉及电能质量测量和瞬态捕捉技术领域。

背景技术

目前，国际一流水准的电能质量监测装置——如Fluke的F435和F1670、Hioki的3196和3198，不仅能准确测量稳态电能质量指标（IEC61000-4-30-A级），还能准确捕捉和记录变化极快（10MHz）、峰值极高（6kV）的瞬态过程。而国产电能质量监测装置一般只能测量稳态电能质量指标，不能准确捕捉变化极快、峰值极高的瞬态过程。

为了叙述方便，下文将稳态（包括暂态）电能质量指标的测量简称为“稳态测量”，将捕捉和记录变化极快、峰值极高的瞬态过程简称为“瞬态捕捉”。稳态（包括暂态）电能质量指标主要指电压偏差、频率偏差、三相不平衡度、谐波、间谐波、电压波动、电压闪变、电压暂升、电压暂降、电压中断、浪涌电流等，瞬态过程主要指电压尖峰、电压强阻尼振荡、瞬态电流等。

既要有准确的稳态测量、又要有准确的瞬态捕捉——对电能质量监测装置是一个很高的要求，其主要困难是：稳态过程的采样与瞬态过程的采样存在尖锐的矛盾。这里的“采样”包括信号调理、采样、保持和模数转换（ADC）等。

稳态过程要求的采样速率较低、量程（范围）较小，适合稳态测量的采样速率一般是每周波几百点、量程一般是额定值的几倍。在被测信号的幅值不超出量程的前提下，较小的量程可以获得较高的测量精度——尤其对小信号。就稳态测量精度而言，采样速率不宜过低，但也不是越高越好，因为测量精度与采样速率不是线性关系，采样速率过高有时反而导致一些测量算法的精度下降——如FFT算法、IEC闪变算法等。

可是，电力系统的瞬态过程有时频率超过几MHz、峰值高达额定值的几十倍，较低的采样速率可能捕捉不到瞬态过程的真实波形，较小的量程则可能削掉瞬态过程的尖峰。反之，如果按瞬态捕捉的要求确定采样速率和量程，稳态测量精度就会有所牺牲——尤其是小信号时。这就是瞬态过程捕捉与稳态过程测量的尖锐矛盾。

上述国际一流水准的电能质量监测装置是如何解决这个矛盾的呢？从公开的资料来看不外两种办法：一种是同时装备两套ADC——一套执行低速率小量程采样、另一套执行高速率大量程采样，装备两套ADC就需要两套处理器或性能更高的处理器，所以这种办法虽然不错，但成本较高；另一种是手动切换量程和速率——稳态测量时切换到小量程和低速率、瞬态捕捉时切换到大量程和高速率，这种办法虽然简单但稳态测量和瞬态捕捉二者只能取其一。

发明内容

本发明主要目的在于提出一种低成本解决瞬态过程捕捉与稳态过程测量的矛盾的电能质量监测装置，即不仅能准确测量稳态电能质量指标、还能准确捕捉和记录变化极快峰值极高的瞬态过程且成本较低的基于双速率双量程采样的电能质量监测装置。

本发明包括宽频带电压互感器PT、宽频带电流互感器CT、锁相环PLL、模数转换器ADC、数字信号处理器DSP和微控器ARM。电压互感器PT和宽频带电流互感器CT分别设有交流电压信号和交流电流信号输入端，所述锁相环PLL设有交流电压信号输入端，锁相环PLL的输出端连接在模数转换器ADC的一个输入端，模数转换器ADC与数字信号处理器DSP连接，数字信号处理器DSP和微控器ARM连接；其特征在于：上述电压互感器PT的输出端与电压信号调理器VA连接，电压信号调理器VA的输出端分别连接电压信号瞬态侦测器VC和电压信号变增益放大器VG，电压信号瞬态侦测器VC的输出端连接在数字信号处理器DSP的一个输入端，电压信号变增益放大器VG的输出端连接在模数转换器ADC的输入端，在电压信号变增益放大器VG的输入和输出端之间并联一只电子开关S_u ；上述电流互感器CT的输出端与电流信号调理器IA连接，电流信号调理器IA的输出端分别连接电流信号瞬态侦测器IC和电流信号变增益放大器IG，电流信号瞬态侦测器IC的输出端连接在数字信号处理器DSP的输入端，电流信号变增益放大器IG的输出端连接在模数转换器ADC的输入端，在电流信号变增益放大器IG的输入和输出端之间并联一只电子开关S_i；上述数字信号处理器DSP具有经模数转换器ADC 以频率f_s采样得到电流和电压的直接采样序列、并从直接采样序列每隔K个数据依次抽取1个数据排列成新的二次采样序列的控制器，其中，K为大于0的整数。

本发明主要特征是：

1、在模数转换器ADC的每一个前向通道都有一个瞬态侦测器和一个变增益放大器，用来自动切换量程，稳态测量时变增益放大器的增益为1——小量程，一旦侦测到瞬态过程变增益放大器的增益立即切换到1/L（L＞1）——大量程。

2、一套模数转换器ADC实现两种采样速率，一个是高速采样——采样频率为f_s，另一个是低速采样——采样频率为f_s/K。模数转换器ADC以频率f_s采样得到直接采样序列，DSP将直接采样序列K抽1得到二次抽样序列——实际采样频率为f_s/K。直接采样序列用于高速瞬态捕捉，二次抽样序列用于稳态指标测量。

本发明采用一套模数转换器ADC同时实现双速率、双量程采样，即两种速率同时存在、两种量程自动切换，其效果与装备两套模数转换器ADC完全一样，实现了稳态测量和瞬态捕捉两不误，而成本比装备两套ADC低得多。

本发明不仅可应用于电能质量监测装置，还能用于超宽范围电能表或冲击负荷电能表，它能使电能表既保持稳态计量的高精度（尤其是微小负荷），又不丢失任何冲击性电能。

本发明不但可用于单相系统电能质量监测，还可用于三相系统电能质量监测。

另外，本发明所述电压信号瞬态侦测器VC包括反向器、两组电压比较电路和一个与非门AND，所述一组电压比较电路的一端与电压信号调理器VA的输出端连接，另一端接入与非门AND的一个输入端，所述另一组电压比较电路的一端通过所述反向器与电压信号调理器VA的输出端连接，另一端接入与非门AND的另一个输入端，所述与非门AND的输出端连接到数字信号处理器DSP。

本发明所述电流信号瞬态侦测器IC包括反向器、两组电流比较电路和一个与非门AND，所述一组电流比较电路的一端与电流信号调理器IA的输出端连接，另一端接入与非门AND的一个输入端，所述另一组电流比较电路的一端通过所述反向器与电流信号调理器IA的输出端连接，另一端接入与非门AND的另一个输入端，所述与非门AND的输出端连接到数字信号处理器DSP。

电压信号瞬态侦测器VC和电流信号瞬态侦测器IC都是基于同一工作原理。

以电压信号瞬态侦测器VC工作原理为例：反相器完成负半周电压波形的反相；直接与电压信号调理器VA的输出端连接的一组电压比较电路完成交流信号正半周的瞬时值比较，通过反向器与电压信号调理器VA的输出端连接的另一组电压比较电路完成交流信号负半周的瞬时值比较。

当正半周和负半周的瞬时值都不超出阈值时，VC输出低电平——控制电子开关S_u 闭合——放大器VG的增益为1；VC的输出电平同时送到DSP的开关量输入口——让DSP感知当前放大器VG的的增益是1。

当正半周或负半周的瞬时值超出阈值时，VC输出高电平——控制电子开关S_u断开——放大器VG的增益为1/L_u ；VC的输出电平同时送到DSP的开关量输入口——让DSP感知当前放大器VG的增益是1/L_u 。

附图说明

图1为本发明的一种结构原理框图。

图2为本发明A相电压信号瞬态侦测器VC的电路原理图。

图3为本发明A相电流信号瞬态侦测器IC的电路原理图。

具体实施方式

一、本发明的具体结构：

图1中，监测装置的输入是电力系统某个监测点的三相电压信号和三相电流信号，为了简洁，图中只详细画了A相结构，B、C相结构依此类推，下面的叙述也是以A相为例，B、C相依此类推。如果去掉B相和C相就成为单相电能质量监测装置原理框图。

锁相环PLL设有交流电压信号输入端，锁相环PLL的输出端连接在模数转换器ADC的输入端，模数转换器ADC与数字信号处理器DSP连接，数字信号处理器DSP和微控器ARM连接。

模数转换器ADC采用16位以上多路高速模数转换器。

数字信号处理器DSP采用32位以上数字信号处理器。

锁相环PLL由压控振荡器和分频器组合而成，PCB板至少采用4层板。

三相电能质量监测装置ADC的输入为6路（3相电压、3相电流），单相电能质量监测装置ADC的输入为2路（1相电压、1相电流）。

数字信号处理器DSP具有经模数转换器ADC 以频率f_s采样得到电压和电流的直接采样序列、并每隔K个数据依次抽取1个数据排列成新的二次采样序列的控制器，其中，K为大于0的整数。

宽频带电压互感器PT设有交流电压信号输入端，电压互感器PT的输出端与电压信号调理器VA连接，电压信号调理器VA的输出端分别连接电压信号瞬态侦测器VC和电压信号变增益放大器VG，电压信号瞬态侦测器VC的输出端连接在数字信号处理器DSP的输入端，电压信号变增益放大器VG的输出端连接在模数转换器ADC的输入端，在电压信号变增益放大器VG的输入和输出端之间并联一只电子开关S_u 。

宽频带电流互感器CT设有交流电流信号输入端，电流互感器CT的输出端与电流信号调理器IA连接，电流信号调理器IA的输出端分别连接电流信号瞬态侦测器IC和电流信号变增益放大器IG，电流信号瞬态侦测器IC的输出端连接在数字信号处理器DSP的输入端，电流信号变增益放大器IG的输出端连接在模数转换器ADC的输入端，在电流信号变增益放大器IG的输入和输出端之间并联一只电子开关S_i 。

A相电压信号u_a(t)经电压互感器PT_a送到电压信号调理器VA_a ，VA_a的输出ū_a(t)分两路：一路送到电压信号变增益放大器VG_a、另一路送到电压信号瞬态侦测器VG_a，VG_a的输出控制VG_a的增益，VG_a的输出送到模数转换器ADC，PT_a、VA_a、VC_a、VG_a一起称为模数转换器ADC的1路前向通道。

三相电能质量监测装置ADC的标准配置为6路（3路电压、3路电流），A相电压是6路中的1路，模数转换器ADC的6路前向通道结构相同。

模数转换器ADC将模拟信号转化为数字量送到数字信号处理器DSP，微控器ARM（或用其它处理器）完成数据存储、分析、显示、远传。

模数转换器ADC的采样频率是f_s，采样周期是T_s=1/f_s 。第n个采样周期DSP存储的A相电压采样数据为ū^＊_a(n)，连续不断的采样数据构成A相电压直接采样序列｛ū^＊_a(n)｝(n=1,2,3,…)。

由电压信号瞬态侦测器VC_a和电子开关S_ua控制电压信号变增益放大器VG_a的增益为1或者1/L_u（L_u ＞1）：当S_ua接通时VG_a的增益为1，而S_ua断开时，VG_a的增益为1/L_u。VC_a将ū_a(t)与预先设定的正、负阈值电平U⁺和U^-进行比较，当U^-＜ū_a(t)＜U⁺时VC_a输出低电平——控制S_ua接通，否则VC_a输出高电平——控制S_ua断开。U⁺和U^-分别是ADC输入模拟量线性范围的上、下界。VC_a的输出电平同时送到DSP的开关量输入口P_ua，让DSP感知变增益放大器VG_a的当前增益。

A相电流信号i_a(t)经电流互感器CT_a送到电流信号调理器LA_a，LA_a的输出                                                分两路：一路经电流信号变增益放大器IG_a送到ADC、另一路送到电流信号瞬态侦测器IG_a，IG_a的输出控制IG_a的增益，第n个采样周期DSP存储的A相电流采样数据为，A相电流直接采样序列为。和都是带正负符号的数字量。

由瞬态侦测器IC_a和电子开关S_ia控制电流信号变增益放大器IG_a的增益为1或者1/L_i（L_i ＞1）：当S_ia接通时IG_a的增益为1，当S_ia断开时IG_a的增益为1/L_i。IC_a将与阈值电平U⁺和U^-进行比较，当时IC_a输出低电平——控制S_ia接通，否则IC_a输出高电平——控制S_ia断开。IC_a的输出电平同时送到DSP的开关量输入口P_ia ，让DSP感知变增益放大器IG_a的当前增益。

A相电压信号瞬态侦测器VC_a的结构如图2所示，VC_a包括反向器、两组电压比较电路和一个与非门AND₁，一组电压比较电路的一端与电压信号调理器VA_a的输出端连接，另一端接入与非门AND₁的一个输入端，另一组电压比较电路的一端通过所述反向器与电压信号调理器VA_a的输出端连接，另一端接入与非门AND₁的另一个输入端，与非门AND₁的信号输出端连接在数字信号处理器DSP的I/O口上。

其中CM₁和CM₂是比较器，CM₁完成交流信号ū_a(t)正半周的比较，CM₂完成交流信号ū_a(t)负半周的比较，反相器RP₁完成ū_a(t)的反相。电阻R₁₂和R₁₃构成的分压器提供正方向阈值U⁺，电阻R₁₄和R₁₅构成的分压器提供负方向阈值U^-。当U^-＜ū_a(t)＜U⁺时CM₁和CM₂均输出高电平，经与非门AND₁后输出低电平——Y_ua=0；当ū_a(t)>U⁺时CM₁输出低电平，当ū_a(t)＜U^-时CM₂输出低电平，与非门AND₁的任一个输入为低电平都输出高电平——Y_ua=1。比较器、反相器、与非门均采用高频器件，电阻R₁₂、R₁₃、R₁₄和R₁₅均采用精密电阻。

B、C相电压信号瞬态侦测器VC_b、VC_c的结构与VC_a相同。

A相电流信号瞬态侦测器IC_a的结构如图3所示，IC_a包括反向器、两组电流比较电路和一个与非门AND₁，一组电流比较电路的一端与电流信号调理器IA_a的输出端连接，另一端接入与非门AND₁的一个输入端，另一组电流比较电路的一端通过所述反向器与电流信号调理器IA_a的输出端连接，另一端接入与非门AND₂的另一个输入端，与非门AND₂的信号输出端连接在数字信号处理器DSP的I/O口上。

B、C相电流信号瞬态侦测器IC_b、IC_c的结构与IC_a相同。

二、本发明自动双量程的工作原理：

1、             增益确定原则

根据ADC的原理，ADC输出的数字量与输入的模拟量成正比（忽略整量化误差），ADC输入模拟量有一个线性范围——U^-～U⁺,当输入模拟量是交流信号时U^-=-U⁺。U^-和U⁺对应的数字量分别为D^-和D⁺，比如，16位ADC的D^-=8000H、D⁺=7FFFH。

设PT_a加VA_a的总增益为G_ua（V/V）——即ū_a(t)= G_uau_a(t)，又设电压稳态测量范围（有效值）是U_min～U_max，那么确定G_ua的原则就是——即稳态测量信号不超出ADC的线性范围，其中，是电压波形系数（一般取=2～3）。这意味着，不出现超出范围U^-～U⁺的瞬态过程时ADC转换的数字量一定在D^-～D⁺之间。

设CT_a加LA_a的总增益为G_ia（V/A）——即，又设电流稳态测量范围（有效值）是I_min～I_max，那么确定G_ia的原则就是，是电流波形系数（一般取=3～4）。

由于电压瞬态峰值一般比大得多——如果不缩小就可能超出ADC的线性范围，所以，当出现超出范围U^-～U⁺的瞬态电压时VG_a的增益就变为1/L_u（L_u ＞1）——保证加到ADC的电压不超出ADC的线性范围。设需要捕捉的最大电压瞬态峰值是U_peak，则确定L_u的原则应当是G_uaU_peak / L_u＜U⁺。

同理，设需要捕捉到的最大电流瞬态峰值是I_peak，则确定L_i的原则是G_iaI_peak /L_i＜U⁺。

、数据计算

由于S_ua接通和断开时ADC前向通道的增益是不同的，所以，当DSP的输入口P_ua=0——S_ua接通（VG_a=1）时，DSP从ADC读到的A相电压采样值直接存储为ū^＊_a(n)；当DSP的输入口P_ua=1——S_ua断开（VG_a=1/L_u）时，DSP从ADC读到的A相电压采样值要扩大L_u倍后存储为ū^＊_a(n)。显然，取L_u为2的整次幂可以减少DSP的计算量。

不难看出，数字量ū^＊_a(n)对应模拟量ū_a(t)，而输入电压（被测电压）u_a(t)对应的数字量应当是——u^＊_a(n)=ū^＊_a(n) / G_ua。

同理，当DSP的输入口P_ia=0——S_ia接通（IG_a=1）时，DSP从ADC读到的A相电流采样值直接存储为；当DSP的输入口P_ia=1——S_ia断开（IG_a=1/L_i）时，DSP从ADC读到的A相电流采样值要扩大L_i倍后存储为。显然，取L_i为2的整次幂可以减少DSP的计算量。

不难看出，数字量对应模拟量，而输入电流（被测电流）i_a(t)对应的数字量应当是——。

三、本发明的自动双速率工作原理：

1、采样频率的确定

DSP对电压、电流信号的采样频率为f_s，f_s主要考虑稳态测量和瞬态捕捉两方面的需求，如果稳态测量合适的采样频率为f_r、瞬态捕捉的最高频率为f_t，则f_s应同时满足下列条件：（1），（2）f_s=Kf_r（K为正整数），（3）f_r为电网频率的整数倍。

之所以取是为了保证能捕捉和复现频率为f_t的瞬态过程，之所以取f_s=Kf_r是为了实现双速率采样（参见下文‘2）双速率的实现’），之所以取f_r为电网频率的整数倍是为了满足IEC61000-4-30标准的相关要求。

同步采样由PLL和DSP控制，PLL是锁相环，它的作用就是保证采样频率为电网频率的整数倍——即‘同步采样’，IEC61000-4-30标准允许的最大同步误差是万分之三。因为采样频率f_s很高，所以上述条件可以同时满足。

、双速率的实现

瞬态捕捉和记录（录波）用直接采样序列和，所以，瞬态捕捉的实际采样频率就是f_s。

稳态测量要对直接采样序列和进行‘K抽1’抽样，即从直接采样序列中每隔K个数据依次抽取1个数据排列成二次抽样序列，从直接采样序列中每隔K个数据依次抽取1个数据排列成二次抽样序列，稳态测量的计算基于二次抽样序列和。因为f_s=Kf_r，所以稳态测量的实际采样频率是f_r。这就实现了双速率采样。

四、举例说明：

某电能质量监测装置要求：稳态电压测量范围（有效值）是10～600V，电压波形系数=3；稳态电流测量范围（有效值）是0.06～6A，电流波形系数=4；稳态测量采样速率为每周波256点。

瞬态捕捉的最大电压峰值是U_peak=6000V，瞬态捕捉的最大电流峰值是I_peak=180A，瞬态捕捉最高频率不小于f_t =1MHz。

设ADC输入模拟量线性范围为-1.0V～+1.0V,按公式，即，取；按公式，即，取G_ia=0.04（V/A）。

按公式，即，取L_u=4——瞬态捕捉的最大电压峰值可达7840V以上；按公式，即，取L_i = 8——瞬态捕捉的最大电流峰值可达196A以上。

设电网频率为f₁，按上述确定采样频率f_s的三个条件，可取采样频率——即每周波65536点，这时瞬态捕捉的最高频率可达约1.6383MHz。因为，所以抽样率。

注意到：采样频率f_s不是常数——随电网频率而变——这是IEC61000-4-30标准要求的，不变的是倍频比和抽样率，f_s的倍频比为65536、f_r的倍频比为256，倍频由PLL实现。