一種多通道電氣量同步分析儀的研發(fā)

李勇，宋慶林，李輝

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司昆明供電局，云南 昆明 650000）

0 前言

傳統(tǒng)電氣量分析裝置無(wú)法同步測(cè)量大批量信號(hào)，比如相位伏安表等一般測(cè)試通道最多為支持6路電氣量測(cè)量（如圖1所示）。但隨著綠色能源建設(shè)、大量高鐵負(fù)荷等條件下，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中有時(shí)需要同步測(cè)量大量信號(hào)，如變壓器、母線等所有向量同步測(cè)量。對(duì)測(cè)量結(jié)果人工計(jì)算無(wú)法迅速準(zhǔn)確地完成大量信號(hào)的同步分析判斷，所以需要設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種可擴(kuò)展多通道、多功能的同步電氣量分析裝置，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的各種測(cè)試需要，智能分析各種情況下的接線形式及負(fù)荷特性等參數(shù)，全面分析電網(wǎng)的運(yùn)行特性，提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率，為維護(hù)電網(wǎng)的可靠運(yùn)行提高堅(jiān)實(shí)保障。

圖1 傳統(tǒng)測(cè)量接線圖

1 系統(tǒng)介紹

裝置采用高速數(shù)信號(hào)處理器（DSP）TMS320F28335，它 是TI高 性 能32位 浮 點(diǎn)DSP,處理器主頻高達(dá)150 MHz。

互感器采集待測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)高精度、低溫漂采樣電阻及低通回路濾波后送入AD模數(shù)變換，DSP數(shù)字信號(hào)處理器完成采樣信號(hào)數(shù)據(jù)讀取，高速CPLD完成系統(tǒng)片選及時(shí)序控制，高精度模數(shù)變換芯片AD7606提供高達(dá)16位的雙極性信號(hào)變換，同時(shí)內(nèi)置模擬輸入箝位保護(hù)、二階抗混疊濾波器、跟蹤保持放大，串口控制器完成DSP與觸控屏等外部串口設(shè)備交互顯示及離線數(shù)據(jù)交換，外擴(kuò)RAM及FLASH完成批量數(shù)據(jù)運(yùn)算及錄波數(shù)據(jù),電池組充放電單元完成電池充放電保護(hù)，配合電池組監(jiān)視單元實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充放電電流、電量及溫度等電池狀態(tài)。時(shí)鐘RTC提供系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)鐘顯示，EEPROM掉電不丟失存儲(chǔ)裝置各項(xiàng)參數(shù)，如圖2硬件結(jié)構(gòu)圖所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場(chǎng)接線如圖3現(xiàn)場(chǎng)接線圖所示，將所有傳感器接入各待測(cè)點(diǎn)即可同步完成大批量信號(hào)同步檢測(cè)，方便了完成各種條件下的信號(hào)測(cè)量和分析。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)接線圖

2 功能介紹

裝置功能分為十大功能模塊，每個(gè)模塊可靈活配置、裁剪，方便不同應(yīng)用條件。

1）相位伏安測(cè)量：完成四相電壓四相電流向量計(jì)算顯示，并繪制相應(yīng)六角圖，方便現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行六角圖測(cè)量，并自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。

2）信號(hào)波形實(shí)時(shí)顯示：實(shí)時(shí)顯示各通道電流電壓波形，支持四相電壓電流同時(shí)顯示，方便各變量之間比對(duì)，顯示更直觀。

3）母線向量分析：支持多達(dá)32路出線電流同步顯示，變比輸入觸控輸入，并實(shí)時(shí)計(jì)算相關(guān)差流數(shù)據(jù)，靈活檢測(cè)母線運(yùn)行狀況

4）功率計(jì)算：完成所選線路有功、無(wú)功、電流、電壓、頻率各參數(shù)實(shí)時(shí)分析。

5）變壓器向量分析：根據(jù)不同變壓器及接線情況，根據(jù)各側(cè)電流、變比計(jì)算差流、潮流分析接線故障類(lèi)型，實(shí)時(shí)分析變壓器運(yùn)行狀況。

6）諧波分析：支持各通道電流電壓高達(dá)10次諧波各分量顯示。

7）序分量計(jì)算分析：完成各電壓組、電流組正負(fù)零序分量及各序分量分析。

8）全通道向量分析：同步顯示所有通道向量幅值、相角計(jì)算。

9）線路測(cè)量模塊：完成線路電流、電壓波形、諧波成分、一次、二次電流電壓，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)線路運(yùn)行各參數(shù)。

10）突變量錄波：手動(dòng)或突變量自動(dòng)錄波，錄波周期可設(shè)定，方便對(duì)新能源及高鐵線路負(fù)荷進(jìn)行捕捉分析。

3 算法介紹

裝置采用傅氏及卡爾曼優(yōu)化濾波算法。

傅氏濾波算法由于其良好的濾波性能在各領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，他的基本思路來(lái)自傅里葉級(jí)數(shù)，當(dāng)信號(hào)是周期函數(shù)時(shí)，它可以被分解為一個(gè)函數(shù)序列之和，即將信號(hào)分解到完備正交三角函數(shù)集。

傅里葉經(jīng)采樣值計(jì)算并表示成實(shí)虛部為：

N為每基頻周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。將模擬信號(hào)離散化的對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)代入上式即可計(jì)算對(duì)應(yīng)頻率分量實(shí)部、虛部、幅值、相角等信息。但采樣頻率應(yīng)滿(mǎn)足相應(yīng)奈奎斯特采樣定理。

卡爾曼算法是一種利用線性系統(tǒng)狀態(tài)方程，通過(guò)系統(tǒng)輸入輸出觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的算法。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾的影響，所以最優(yōu)估計(jì)也可看作是濾波過(guò)程。

估計(jì)方程為：

測(cè)量方程為：

其中：wk、vk為互不相關(guān)白噪聲。

卡爾曼算法利用前一時(shí)刻的估計(jì)值和現(xiàn)時(shí)刻的觀測(cè)值來(lái)更新對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì)，求出當(dāng)前時(shí)刻的估計(jì)值，由于觀測(cè)數(shù)據(jù)中包括系統(tǒng)中的噪聲和干擾等因素，卡爾曼算法計(jì)算的結(jié)果依賴(lài)于初值的選取和對(duì)系統(tǒng)噪聲的估計(jì)，大量的迭代估計(jì)預(yù)測(cè)計(jì)算，無(wú)法保證速度和收斂度。

卡爾曼濾波算法適用于線性、離散和有限維系統(tǒng)。每一個(gè)有外部變量的系統(tǒng)，最大缺點(diǎn)是必須用到無(wú)限過(guò)去的數(shù)據(jù)。所以在滿(mǎn)足條件情況下精簡(jiǎn)有效的過(guò)去數(shù)據(jù)成為一種研究方向，卡爾曼濾波是以最小均方誤差為估計(jì)的最佳準(zhǔn)則，來(lái)尋求一套遞推估計(jì)的算法，其基本思想是：采用信號(hào)與噪聲的狀態(tài)空間模型，利用前一時(shí)刻的估計(jì)值和當(dāng)前時(shí)刻的觀測(cè)值來(lái)更新對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì)，求出當(dāng)前時(shí)刻的估計(jì)值。

而通過(guò)與傅里葉結(jié)合的算法，確定其迭代初值，確保卡爾曼算法能更快收斂，同時(shí)根據(jù)傅里葉算法結(jié)果調(diào)整修正估計(jì)噪聲，校正反饋，再通過(guò)數(shù)字濾波消除部分干擾，提高了其計(jì)算速度，同時(shí)使用電壓跟蹤調(diào)整采樣頻率相結(jié)合的方法，自適應(yīng)調(diào)節(jié)各通道信號(hào)特征參數(shù)，結(jié)合低通模擬濾波電路對(duì)干擾進(jìn)行有效濾除，達(dá)到最優(yōu)測(cè)量結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）完善計(jì)算機(jī)配套輔助軟件、離線數(shù)據(jù)處理及智能數(shù)據(jù)庫(kù)。

2）優(yōu)化智能算法中噪聲識(shí)別判斷，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)弱信號(hào)的高精度檢測(cè)。

3）對(duì)電路板抗干擾、防靜電及電路板布局等技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高裝置工作穩(wěn)定性。

4）通過(guò)開(kāi)展研發(fā)，獲得了多通道信號(hào)處理和智能分析的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)了多通道同步電氣量測(cè)試分析儀樣機(jī)，并完成了該項(xiàng)技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化。多通道同步電氣量測(cè)試分析儀具備良好的市場(chǎng)前景，下一步將對(duì)樣機(jī)不斷完善，滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

5）在智能電網(wǎng)應(yīng)用方面，依據(jù)IEC61850通訊規(guī)約，研究增加與光互感器或電子式互感器的通訊輸入輸出接口，使其更好應(yīng)用于智能電網(wǎng)。