CN105445546B - 一种具有谐波检测功能的光纤接入式电能表 - Google Patents

一种具有谐波检测功能的光纤接入式电能表 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种具有谐波检测功能的光纤接入式电能表，以符合智能化变电站通讯标准。它主要包括：(1)数据采集部分，光纤收发模块接收合并单元发送的符合标准的数据报文，并转发给以太网PHY控制器；以太网PHY控制器对接收的数据进行帧校验并去帧头和帧尾后送入DSP；(2)数据处理部分，DSP接收到数据包后，对数据帧进行解析，提取其中的采样数据，采用FFT算法完成电压、电流、各次谐波及功率值的计算，并通过串口上传至MCU，同时控制功率脉冲输出；(3)数据管理部分，MCU完成有功电能、无功电能、需量等电能参数的计算和管理；(4)数据通讯部分，通过显示模块显示各项数据，并通过红外或485通讯接口进行通讯传输，完成运行参数的监测。

Description

一种具有谐波检测功能的光纤接入式电能表
技术领域
本发明涉及智能化变电站领域，尤其涉及一种具有谐波检测功能的光纤接入式电能表。
背景技术
智能化变电站整个架构基于IEC61850标准进行分层、建模及通讯。在模拟量采集方式上发生了革命性的变化，将传统一次设备输出的模拟量就地数字化，通过网络与二次设备进行通讯，实现信息共享，并用光纤替代现有的电缆。由于负荷性质的非线性、冲击性，以及受电网中相互联系线路发生故障、电能质量恶化等因素的影响，存在谐波超标现象。电力谐波的存在可能会引起局部设备的并联或串联谐振，降低变电站设备的使用效率和寿命。因此，对谐波进行准确检测是变电站电力设备安全稳定运行的基本要求，而常规的数字化电能表不具备此检测功能。
发明内容
本发明的目的是设计一种具有谐波检测功能的光纤接入式电能表，通过采用改进后的FFT算法能高精度的检测谐波分量和谐波电能。
为解决上述问题，本发明实施例提供一种具有谐波检测功能的光纤接入式电能表，包括
数据采集部分，包括光纤收发模块和以太网PHY控制器，所述光纤收发模块接收合并单元发送的符合标准的数据报文，完成信息的采集，并转发给所述以太网PHY控制器；以太网PHY控制器，对接收的数据进行帧校验并去帧头和帧尾；
数据处理部分，包括DSP，所述DSP接收到数据包后，对数据帧进行解析，提取其中的采样数据，采用FFT算法完成电压、电流、各次谐波及功率值的计算，并通过串口上传至MCU，同时控制功率脉冲的输出；
数据管理部分，包括MCU，所述MCU完成有功电能、无功电能、需量等电能参数的计算和管理；
数据通讯部分，根据需要通过显示模块显示各项数据，并通过红外或485通讯接口进行通讯传输，完成运行参数的监测。
可选的，所述FFT算法包括，
蝶形因子初始化，数据报文的采集；
采样，用于每周波对电压和电流采样数据检测准确的过零点；
同步插值，将采样数据进行同步插值处理；
FFT变换调用函数进行FFT变换得到每个采样数据的实部和虚部，并根据FFT变换后的实部和虚部计算得到各次谐波的幅值和相位；
根据计算得到的电压、电流、各次谐波幅值分别计算基波和总谐波的有功功率和无功功率。
可选的，所述采样步骤中采用过零检测法，
当检测到大于一定阀值且第一个大于0的采样点T时，取这个采样点附近的N个采样点拟合直线,通过最小二乘法计算y＝0时t的值，即为准确的过零点。准确的过零点的计算公式：
其中：为采样点的采样值，
为N个采样值的平均值。
可选的，所述同步插值步骤采用基2算法，采用点数为2的整幂次方，同步插值步骤同步为2的整幂次方，同步插值算法公式：
其中：n1为采样点数，n2为同步点数(FFT变换点数)，T1为原采样点下标，T2为同步采样点下标，yT2为同步采样值，yT1为原采样值。
可选的，所述FFT变换步骤中采用内存空间优化处理方法为，
定义一个数组变量data[3][FFTNum]；
将进行同步插值计算后的电流采样值存入data[0]，电压采样值存入data[1]；
计算时，先对电压采样值进行FFT变换，变换结果将自动存入data[1]与data[2]，将data1[1]与data[2]中的数据进行幅值和相位计算后存入data[2]的前半部分，电压谐波幅值及相位计算公式分别如下所示：
其中：Re为实部，Im为虚部；
再对电流采样值进行FFT变换，结果将自动存入data[0]与data[1]，再将计算后的幅值和相位存入data[2]的后半部分，电流谐波幅值及相位计算公式和电压谐波幅值及相位计算公式相同。
可选的，还包括供电单元，所述供电单元采用双路冗余宽范围的开关电源供电，工作电压范围可达65～460Vac或80～650Vac。
可选的，所述光纤收发模块通过光纤介质与合并单元连接并信号传输。
可选的，还包括计量模式，所述计量模式可采用三相三线或三相四线。
与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：同时兼容IEC61850-9-1及IEC61850-9-2标准，可以应用到任意一个智能变电站中，而不会产生任何兼容性问题；采用双路冗余宽范围的电源供电；接收的是纯数字化的采样信息，不存在温度变化、二次电缆压降及二次电缆引起的传导性电磁干扰等问题，精度高于常规电能表；通过光纤与合并单元连接，实现有效的电气隔离，安全事故隐患将得到有效的控制；通过解析合并单元输出的数据报文中的品质因素，将有效避免错误采样信息的接收；根据变电站***组成，可通过改变数据集中的结构，配置计量模式，如三相三线、三相四线计量***，有别于常规电能表需根据外部电缆接线方式。
附图说明
图1是本发明实施例的具有谐波检测功能的光纤接入式电能表的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
本发明一种具有谐波检测功能的光纤接入式电能表采用DSP+MCU相结合的结构，将DSP的数据处理能力与MCU的通讯管理能力相结合。
如图1所示，本发明的电能表包括光纤收发模块、以太网PHY控制器、DSP、MCU及***电路。***电路包括供电单元和与MCU连接的实时时钟、红外通信接口、显示模块、按键模块、双485通讯接口、存储模块。
光纤收发模块通过光纤介质接收合并单元发送的符合IEC61850-9-1/IEC61850-9-2标准的数据报文，完成信息的采集，并转发给以太网PHY控制器。以太网PHY控制器对接收的数据进行帧校验、去帧头和帧尾后送入DSP。DSP通过三相三线/三相四线的计量模式接收到数据包后，对数据帧进行解析，提取其中的采样数据，采用改进的FFT算法完成电压、电流、各次谐波及功率值的计算，并通过串口上传至微控制单元MCU，同时控制功率脉冲的输出。由MCU完成有、无功电能、需量等电能参数的计算和管理，根据需要显示各项数据，并通过并通过红外或485通讯接口进行通讯传输，完成运行参数的监测。
FFT算法的步骤包括：
蝶形因子初始化，数据报文的采集及初始化；
采样，每周波对电压和电流采样数据，检测准确的过零点；
同步插值，将采样数据进行同步插值处理；
FFT变换，调用函数进行FFT变换得到每个采样数据的实部和虚部，并根据FFT变换后的实部和虚部计算得到各次谐波的幅值和相位；
电能参数计算，根据计算得到的电压、电流、各次谐波幅值分别计算基波和总谐波的有功功率和无功功率。
上述算法均在DSP中完成，且蝶形因子初始化和同步插值步骤不存在顺序关系，只要在FFT变换前完成即可。
由于信号调理电路和AD采样电路都已移至电子式互感器，因此，电能算法的好坏直接决定了测量精度。
本发明采用过零检测和最小二乘法得到精确的过零点，通过同步插值算法强制电压、电流的采样点数为2的整幂次方(符合IEC61850标准的数字信号在一周波内的采样点为80个，而FFT是基2算法要求采样点数必须为2的整幂次方，因此，通过同步插值算法强制电压、电流的采样点数)，以数据存储结构的特别处理来提高FFT计算性能。
采样
过零检测法是一种测周期的方法，检测正弦信号相邻的两个过零点。过零点是否精确将直接影响基波和谐波的精度，因此过零算法相当重要。
具体方法：当检测到大于一定阀值且第一个大于0的采样点T时；取这个采样点附近的N个采样点拟合直线y＝x0+x1t,通过最小二乘法计算y＝0时t的值，即为准确的过零点。公式如下：
其中：为采样点的采样值，
为N个采样值的平均值。
同步插值
本发明采用的FFT是基2算法，要求采样点数是2的整幂次方，因此需将采样数据通过同步插值算法同步为2的整幂次方，同步插值算法公式如下：
其中：n1为采样点数，n2为同步点数(FFT变换点数)，
T1为源采样点下标，T2为同步采样点下标，yT2为同步采样值，yT1为源采样值。
FFT变换
在进行FFT变换时，调用的FFT函数会将每个采样数据计算为两部分：实部和虚部。因此输出数据是输入数据的两倍，为优化内存空间提高FFT计算性能，进行了如下处理：
1)定义一个数组变量data[3][FFTNum]；
2)将进行同步插值计算后的电流采样值存入data[0]，电压采样值存入data[1]；
3)计算时，先对电压采样值进行FFT变换，变换结果将自动存入data[1]与data[2]，将data1[1]与data[2]中的数据进行幅值和相位计算后存入data[2]的前半部分，电压谐波幅值及相位计算公式分别如式(4)(5)所示；
其中：Re为实部，Im为虚部
4)再对电流采样值进行FFT变换，结果将自动存入data[0]与data[1]，这时data[1]中数据已使用，被覆盖也不会出现问题，再将计算后的幅值和相位存入data[2]的后半部分，电流谐波幅值及相位计算公式和公式(4)(5)相似，不再累赘。
电能参数计算
根据计算得到的电压、电流各次谐波幅值计算基波和总谐波的有功功率和无功功率，公式分别为(6)、公式(7)
基于所采用的算法，分次电流谐波幅值误差如表1所示：
电流谐波次数 电流标准值 电流测量值 误差％
基波 1.5 1.4997 -0.02
15次谐波 0.15 0.1497 -0.2
24次谐波 0.15 0.1491 -0.6
33次谐波 0.15 0.1486 -0.933333333
44次谐波 0.15 0.148 -1.333333333
64次谐波 0.15 0.1476 -1.6
表1 分次电流谐波幅值误差
分次电压谐波幅值误差如表2所示：
电压谐波次数 电压标准值 电压测量值 误差％
基波 57.735 57.7323 -0.004676539
15次谐波 5.7735 5.7692 -0.074478219
24次谐波 5.7735 5.766 -0.129903871
33次谐波 5.7735 5.7595 -0.242487226
44次谐波 5.7735 5.7503 -0.401835975
64次谐波 5.7735 5.7442 -0.507491123
表2 分次电压谐波幅值误差
本发明带来的有益效果和优点：同时兼容IEC61850-9-1及IEC61850-9-2标准，可以应用到任意一个智能变电站中，而不会产生任何兼容性问题；具有1～64次谐波检测功能，能实时检测电网上的谐波污染；采用双路冗余宽范围的电源供电；自DSP部分起接收的是纯数字化的采样信息，不存在温度变化、二次电缆压降及二次电缆引起的传导性电磁干扰等问题，精度高于常规电能表；通过光纤与合并单元连接，实现有效的电气隔离，安全事故隐患将得到有效的控制；通过解析合并单元输出的数据报文中的品质因素，将有效避免错误采样信息的接收；根据变电站***组成，可通过改变数据集中的结构，配置计量模式，如三相三线、三相四线计量***，有别于常规电能表需根据外部电缆接线方式。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有谐波检测功能的光纤接入式电能表，其特征在于，包括
数据采集部分，包括光纤收发模块和以太网PHY控制器，所述光纤收发模块接收合并单元发送的符合标准的数据报文，完成信息的采集，并转发给所述以太网PHY控制器；以太网PHY控制器，对接收的数据进行帧校验并去帧头和帧尾；
数据处理部分，包括DSP，所述DSP接收到数据包后，对数据帧进行解析，提取其中的采样数据，采用FFT算法完成电压、电流、各次谐波及功率值的计算，并通过串口上传至MCU，同时控制功率脉冲的输出；
数据管理部分，包括MCU，所述MCU完成有功电能、无功电能及需量电能参数的计算和管理；
数据通讯部分，根据需要通过显示模块显示各项数据，并通过红外或485通讯接口进行通讯传输，完成运行参数的监测；
所述FFT算法包括，
蝶形因子初始化，数据报文的采集；
采样，用于每周波对电压和电流采样数据检测准确的过零点；
同步插值，将采样数据进行同步插值处理；
FFT变换，调用函数进行FFT变换得到每个采样数据的实部和虚部，并根据FFT变换后的实部和虚部计算得到各次谐波的幅值和相位；
根据计算得到的电压、电流、各次谐波幅值分别计算基波和总谐波的有功功率和无功功率；
所述FFT变换步骤中采用内存空间优化处理方法为，
定义一个数组变量data[3][FFTNum]；
将进行同步插值计算后的电流采样值存入data[0]，电压采样值存入data[1]；
计算时，先对电压采样值进行FFT变换，变换结果将自动存入data[1]与data[2]，将data[1]与data[2]中的数据进行幅值和相位计算后存入data[2]的前半部分，电压谐波幅值及相位计算公式分别为：
其中：Re为实部，Im为虚部；
再对电流采样值进行FFT变换，结果将自动存入data[0]与data[1]，再将计算后的幅值和相位存入data[2]的后半部分，电流谐波幅值及相位计算公式和电压谐波幅值及相位计算公式相同。
2.如权利要求1所述的具有谐波检测功能的光纤接入式电能表，其特征在于，所述采样步骤中采用过零检测法，
当检测到大于一定阀值且第一个大于0的采样点T时，取这个采样点附近的N个采样点拟合直线y＝x0+x1t，通过最小二乘法计算y＝0时t的值，即为准确的过零点，准确的过零点的计算公式：
其中：yi为采样点的采样值，
为N个采样值的平均值。
3.如权利要求1所述的具有谐波检测功能的光纤接入式电能表，其特征在于，所述同步插值步骤采用基2算法，采用点数为2的整幂次方，通过同步插值步骤将实际采样点个数变为2的整幂次方的一个值，同步插值算法公式：
其中：n1为采样点数，n2为同步点数，T1为原采样点下标，T2为同步采样点下标，yT2为同步采样值，yT1为原采样值，yT1+1为采样点T1+1的采样值。
4.如权利要求1所述的具有谐波检测功能的光纤接入式电能表，其特征在于，还包括供电单元，所述供电单元采用双路冗余宽范围的开关电源供电，工作电压范围可达65～460Vac或80～650Vac。
5.如权利要求1所述的具有谐波检测功能的光纤接入式电能表，其特征在于，所述光纤收发模块通过光纤介质与合并单元连接并实现信号传输。
6.如权利要求1所述的具有谐波检测功能的光纤接入式电能表，其特征在于，还包括计量模式，所述计量模式可采用三相三线或三相四线。
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基于Hermite插值同步化算法的电网谐波与无功测量方法;章梦哲等;《电力***保护与控制》;20090616;第37卷(第12期);第58页第1栏第1段-第60页第2栏最后1段 *
多功能谐波电能计量主机功能板设计与实现;高云鹏等;《电力自动化设备》;20090131;第29卷(第1期);第127页第1栏第1段-第130页第1栏最后1段及图1、图2 *

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