一种利用双频传输且基于傅里叶FFT正反变换相对校准阻性电流测量的系统

摘要

本发明涉及一种利用双频传输且基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的系统，包括双频传输系统和基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的装置，解决了传统的传输方式不仅工程量大，工程改造成本高周期长，以及现有技术不能适应现有的智能站、变电站输电系统、高铁电力无处设置PT的现状。

说明书

技术领域

本发明属于电网监测领域，具体涉及避雷器监测系统领域。 

背景技术

现有的避雷器监测系统利用PT取电流的方式监测流经避雷器的电流，而这种方式已不能适应现有的智能站、变电站输电系统、高铁电力无处设置PT的现状，除此之外，目前避雷器监测系统多采用传统有线方式，随着技术的发展，基于无线传输方式越来越多，传统的传输方式不仅工程量大，工程改造成本高周期长，解决此问题，采用无线传输方式，由于应用环境的特殊处于高压电网环境中，变电站的频谱干扰严重，对于常规无线直接使用必然会带来数据的传输稳定问题，为解决此问题，本发明采用基于傅里叶FFT正反变换相对校准阻性电流测量的方法及相应装置解决避雷器测量的问题，除此之外，本发明特采用基于Zigbee协议增加物理层改进方案传输机制实现高可靠性无线传输避雷器在线监测系统。 

发明内容

一种利用双频传输且基于于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的系统，包括双频传输系统和基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量的装置，所述的双频传输系统包括集中控制器、后台监测系统及若干避雷器采集节点，所述的集中控制器连接后台监测系统，所述的避雷器采集节点用于上电完成两种无线频点数据初始化配置工作，上电默认选用两个同步频点，完成底层初始化任务后，各避雷器采集节点通过最佳无线频点通道向集中控制器传输信息；包括精密AGC运放、低通滤波器、精密过零比较器、延时触发器、ADC触发采样单元、采样初相角控制单元、MCU控制器，所述的精密AGC运放、低通滤波器、ADC触发采样单元及MCU控制器依次连接，精密AGC运放还与MCU控制器相连，所述的精密过零比较器连接低通滤波器、ADC触发采样单元、延时触发器及MCU控制器，所述的延时触发器还连接有ADC触发采样单元及MCU控制器，所述的采样初相角控制单元与MCU控制器相连接。 

优选的，所述系统按照Zigbee自组网协议方式传输信息。 

所述的后台监测系统用于监测单位时间内各频点接收到同频载波信号次数 将其传输给集中控制器，所述的集中控制器用于选择最低次数的频点通道作为此次控制系统使用的最佳无线频点通道，初始化双频点信道，集中控制器首先配置成默认频点A和频点B，与避雷器采集节点首次通信时集中控制器使用默认频点通道，向周围有效范围内发送寻找避雷器采集节点广播指令，并进入1s的循环等待时间，目的实现完成接收避雷器采集节点返回的应答信号，所述的避雷器采集节点用于，在集中控制器有效范围内的避雷器采集节点接收到集中控制器指令后，完成注册任务和相关数据处理后，根据各设备的物理地址使用默认频点通道实现排队上报应答信号，集中控制器正确接收到的避雷器采集节点上报的应答信号，正常处理后即可成功完成注册此系统任务。 

所述的集中控制器用于判断系统选择的最佳无线频点通道，如果不是默认频点通道，集中控制器会根据注册表中成功注册的所有避雷器采集节点号，发送频点通道切换指令，为保证频点通道成功搬移，集中控制器采用一一问答配置方式来实现，使所有成功注册的设备搬移到指定的频点通道上。 

对于后期需要新加入的避雷器采集节点，在不能重新复位集中控制器的情况下，所述集中控制器用于采用定期轮询方式使用系统默认频点通道发送寻找新设备指令，并要求加入此系统，成功通信后集中控制器自动刷新注册表，使该设备成功注册。 

当在线的避雷器采集节点中途丢失时，所述的集中控制器中给每个成功注册的设备号都定义了一个通信“活跃指数变量”用来计数单位时间内成功通信的次数，如果活跃指数≤1，即认为此设备通信丢失，集中控制器删除此设备在注册表中位置，实现中途丢失设备自动退出控制系统。 

所述的基于无线双频段同步传输的避雷器监测系统还设有显示端，集中控制器处理数据定期定期按指定协议送显示端显示实现实时显示功能。 

所述的精密AGC运放用于放大输入信号，所述的低通滤波器用于实现对在1KHz以上的经过精密AGC运放的输入信号起到滤波作用，经滤波处理后，一路送精密过零比较器，一路送ADC触发采集单元等待采集，所述的精密过零比较器用于当其检测到正向信号过零点，即输出一个上升沿信号，一路给延时触发器，一路给MCU控制器来实现对输入信号的频率实时监测，所述的延时触发器用于根据精密过零比较器输出的上升沿信号延时一个设定值后触发ADC触发采集单元， 所述的ADC触发采集单元正常情况下不工作，当延时触发器给ADC触发采集单元一个信号时，ADC触发采集单元开始运行ADC采集工作，所述的ADC采集触发单元电路配合MCU控制器对输入信号的离散采集，完成采样点个数后，通过基于傅里叶FFT正反变换相对较准阻性电流测量方法实现对采样信号的分析处理，求出全电流和阻性电流。 

所述的采样初相角控制单元用于在测量的阻性电流不准确的情况下，通过MUC控制器调整延时触发器设定的延时值实现对算法中的离散采样基波初相角度的调整。 

附图说明

图1为双频传输系统结构示意图； 

图2为基于于傅里叶FFT正反变换相对校准阻性电流测量装置结构示意图； 

图3为双频传输系统中避雷器采集节点结构示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。 

实施例一 

通过对氧化锌避雷器试品的全伏安特性曲线测试，氧化锌ZnO避雷器工作特性曲线可分为两大段，小电流段线性段，和大电流段非线性区；正常运行时，氧化锌片工作点通常都处在小电流即线性段运行； 

根据测试小电流线性段，氧化锌避雷器的等效模型为Rx与Cx的并联方式实现，如图2所示。 

根据RC阻容并联特性设参考信号端电压Rx中电流表示为Cx中的电流为 

根据理论可得经过氧化锌避雷器的全电流为I为流过氧化锌避雷器全电流的有效值，f₀为工频基波，θ₀为参考初相角，θ₁为阻性电流i_R与全电流i夹角，因I_R＝Icos(θ₁)，所以只要通过测量得到全电流I和θ₁即可求出I_R值。 

设同步采样率为Fs，被测信号基波频率(即工频基波)为f₀； 

同步采样率要求为其与被测信号频率比值为整数倍关系，即Fs/f₀＝Nk；(Nk为整数)，电路中采样实时跟踪补偿Fs以达到同步采样要求，根据被测信号基波频率f₀变化范围在45Hz～65Hz之间，Nk可取值为Nk＝20； 

采样率Fs选择为Fs＝Nk*f₀＝20*(45Hz～65Hz)＝0.99KHz～1.3KHz。 

根据采样定理和三五次谐波分析要求，采样率Fs选择满足要求，为了准确分析和防止频谱泄露，连续采样点数设为N＝8192，最小物理分辨率为0.12Hz满足测量要求。 

如图2所示，通过Rs采样电阻对氧化锌避雷器中全电流的离散采样根据避雷器实际运行情况，主要谐波分量主要集中在三五次谐波中，所以主要分析基波和三五次谐波，通过傅里叶FFT时域信号变化到频域信号转换滤去高次谐波，再利用FFT反变换还原离散采样信号可得到， 

即 

$i_{\left(n\right)}=\sqrt{2}\mathrm{ISin}(2\pi f_0\mathrm{n\Delta t}+{\theta }_0+{\theta }_2)+\sqrt{2}{I}_3\mathrm{Sin}(2\pi 3f_0\mathrm{n\Delta t}+{\theta }_3)+\sqrt{2}{I}_5\mathrm{Sin}(2\pi 5f_0\mathrm{n\Delta t}+{\theta }_5);$

通过上述表达式分别求出基波和三五次谐波的分量电流I、I₃、I₅，及相应采样初相位θ₂、θ₃、θ₅；先不考虑三五次谐波下，即和真实通过氧化锌避雷器中的全电流相比较，得知在能够满足θ₁＝θ₂情况下根据离散采样FFT变换后求得θ₁，根据I_R＝Icos(θ₁)，即可求出基波下的阻性电流，同样方法分别求出三五次谐波下的阻性电流，总的阻性电流即为各次谐波向量和的平均值。 

根据氧化锌避雷器的工作特性测试，在小电流段主要呈线性段，为了达到满足θ₁＝θ₂，本文采用初次进行校准方法实现θ₁＝θ₂；因为θ₁、θ₂实际角度范围都在(-π-+π)之间，通过控制硬件电路配合控制器，调整对全电流离散采样起始采样位置的控制即可实现θ₁＝θ₂，在长期运行中即可保证小电流段测量的准确性，对于大电流非线性段，采样的信号中三五次谐波明显有加剧现象，因该算法是工作各个谐波下的平均值来计算总的阻性电流，所以依然能够满足准确测量要 求，即通过测试此方法能够满足对阻性电流的监测任务； 

如图2所示，本发明硬件电路设计如下：电路由精密AGC运放、1KHz低通滤波器、精密过零比较器、延时触发器、ADC触发采样单元、采样初相角控制单元、MCU控制器构成： 

精密AGC运放：完成对输入信号的放大作用，通过AGC自动增益控制电路使其输入信号被放大到一个合适的幅度范围内，为后期处理准备。 

低通滤波器：实现对输入信号频率在1KHz以上起到滤波作用，减小有效信号中的噪声扰动引起测量误差，对于输入信号幅度特别微弱情况下，信号中带有大量的干扰信息，此类信息同时被放大，如若不加处理会造成后端的精密过零比较无法准确判断有效信号的过零点从而引起误差。 

精密过零比较器：实现对输入信号过零点的判断工作，实现后端对输入信号的频率判断，从而为后端的同步采样做准备。 

延时触发器：当精密过零比较器检测到正向信号过零点，即输出一个上升沿信号，延时触发器根据该上升沿信号延时一个设定值后触发ADC触发采集单元。 

ADC触发采集单元：该单元正常情况下不工作，当延时触发器给ADC触发采集单元一个信号时，ADC触发采集单元开始运行ADC采集工作。 

采集初相角控制单元：此功能单元实现对算法中的离散采样基波初相角度调整任务，使其满足θ₁＝θ₂要求。 

工作原理过程：全电流经过采样电阻Rs后，进入精密AGC运放，经过放大后的信号，通过低通滤波器，滤波处理后，一路送精密过零比较器，一路送ADC触发采集单元等待采集，精密过零比较器工作检测到正向过零点时输出一个上升沿触发信号，一路给延时触发器，一路给MCU控制器来实现对输入信号的频率实时监测，为实现同步测量要求，延时触发器根据设定延时值，延时一定时间达到后，触发ADC采集单元电路工作，ADC采集单元电路配合MCU控制器对输入信号的离散采集，完成采样点个数后，通过傅里叶变换方法按上述算法实现对采样信号的分析处理，求出全电流和阻性电流，在测量的阻性电流不准的情况下，说明电路对采样初相角与真实全电流与阻性电流夹角的跟踪不够准确，此时通过调整采样初相角控制单元电路，即可实现对角度的追踪满足θ₁＝θ₂，实现阻性电流的准确测量工作。 

所述的双频传输系统主要由集中控制器、后台监测系统及若干避雷器采集节点构成，此系统工作流程是：避雷器节点上点完成两种无线频点数据初始化配置工作，上电默认选用433M和2.4G作为两个同步频点，完成底层初始化任务后，按照Zigbee自组网协议方式。 

1、集中控制器上电，通过后台监测系统监测“单位时间内”各频点接收到“同频载波”信号次数，选择最低次数的频点通道作为此次控制系统使用的“最佳无线频点通道”，初始化双频点信道，集中控制器首先配置成默认频点A和频点B，与“避雷器采集节点”首次通信时集中控制器使用默认频点通道，向周围有效范围内发送“寻找避雷器采集节点广播指令”，并进入1s的循环等待时间，目的实现完成接收“避雷器采集节点”返回的“应答信号”，有效范围内的“避雷器采集节点”接收到集中控制器指令后，完成注册任务(即此时“避雷器采集节点”具备只识别此系统集中控制器指令能力)和相关数据处理后，根据各设备的“物理地址”使用默认频点通道实现“排队上报数据(即应答信号)”(排队上报是指各设备采用“延时＝N*10ms”时间，N表示设备物理地址(1、2、3、4……))，来解决“避雷器采集节点”同时上报数据发生同频相互干扰无法正常通信问题。2、被集中控制器正确接收到的“避雷器采集节点”的上报指令(即应答信号)，正常处理后即可成功完成注册此系统任务。 

3、集中控制器判断系统选择的“最佳无线频点通道”如果不是默认频点通道，集中控制器会根据注册表中成功注册的所有“避雷器采集节点”号，发送频点通道切换指令(此系统集中控制器名、默认频点通道与功率、切换频点通道与功率)，为保证频点通道成功搬移，集中控制器采用一一问答配置方式来实现(集中控制器会允许最多6次问答配置，都失败即认为该设备频点搬移失败置相应标志位，并进入下一个设备号频点搬移工作)，使所有成功注册的设备搬移到指定的频点通道上。(如果成功搬移个数少于总注册数的1/2时，说明系统选择的“最佳无线频点通道”不是最佳或有故障问题，目前版本系统采用放弃此次频点搬移，对已搬移的设备再次重新搬回到默认频点通道上)。 

4、集中控制器即完成系统设备查询初始化工作进入循环。 

5、对于后期需要新加入的“避雷器采集节点”，在不能重新复位集中控制器的情况下，集中控制器采用同上方法即定期(即采用每隔500ms)轮询方 式使用系统默认频点通道发送寻找新设备指令，并要求加入此系统(此条件是避雷器采集节点被身份被认证通过)，成功通信后集中控制器会自动刷新注册表，使该设备成功注册。 

6、对于在线的“避雷器采集节点”中途丢失情况，系统的解决办法是，集中控制器中给每个成功注册的设备号都定义了一个通信“活跃指数变量”用来计数单位时间(即每6s)内成功通信的次数，如果活跃指数≤1，即认为此设备通信丢失，集中控制器删除此设备在注册表中位置，实现中途丢失设备自动退出控制系统。 

7、集中控制器处理数据定期“按指定协议”送显示端显示实现实时显示功能，便于直观性的查看当前设备注册情况。 

所述的双频传输系统具有表头无线数据传输、双频点、自组网的特点，此外还具有路由功能。