CN115825560B - 一种基于频率跟踪技术的低压电网智能核相方法 - Google Patents
一种基于频率跟踪技术的低压电网智能核相方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及低压配用电侧核相技术领域，公开了一种基于频率跟踪技术的低压电网智能核相装置及方法，其技术方案为：智能核相装置包括FPGA处理板、信号采集电路板、接触式挂钩天线与非接触式天线，其中，接触式挂钩天线与非接触式天线分别与信号采集电路板相连，信号采集电路板与FPGA处理板相连。本发明针对现有技术的不足，采用两天线设计，两路信号采集通路，非接触式天线采集通路实时采集跟踪电网中波动的信号，记录并分析线路工频特征，抵消长时间工频信号波动造成的实际误差；解决核相装置检测移动过程中，由于线路中电网信号频率实时波动变化影响而带来的核相准确度低的问题，实时跟踪记录电网中信号的频率波动，提升相位检测准确率。
Description
技术领域
本发明涉及低压配用电侧核相技术领域，尤其涉及一种基于频率跟踪技术的低压电网智能核相方法。
背景技术
随着时代的发展和科技的进步，人们对用电的需求与日俱增，电力***的规模不断扩大，其运行方式和拓扑结构也变得越来越复杂。尤其在部分乡镇等用电环境中，从台区的变压器侧延伸至用户家中的低压供配电网络的线路往往较为混乱。此类台区往往会出现由于负载不平衡等因素造成线损率较高的问题，在进行负荷调整或者监测类新设备安装时，现场工作人员经常遇到三相分辨困难问题。人工沿线分辨相序费时费力，错误率高，给现场的故障抢修作业带来了极大的不便。
核相是通过检测A，B两地线路信号的相位差来判断其是否为同相，通常默认两条线路相位差小于等于30度为同相，否则为异相。在出现线路混乱，三相分辨困难的情景时，核相工作就变得尤为重要。现有检测相位差技术分为硬件实现与软件编程实现。硬件实现主要是通过相应的传感器将两路被测信号的相位差转换成电压信号或者电流信号，从而逆向求解出两路待测信号的相位差，但硬件设计繁琐，传感器器件成本较高，测量精度较低。
软件编程是在处理器芯片中通过相应的处理算法求出待测两条线路的信号差。目前主流的检测相位差的处理算法为过零检测法，即在A点采集到工频信号，定位到其过零点时刻t1，在B点采集到工频信号，定位到其过零点时刻t2，利用工频50Hz信号固定周期20ms，通过求余计算两路信号过零点时间差，从而得出相位差，而t1与t2时刻的相位信息，均是通过核相仪前端采集器获取到的实时信号信息。在计算t1与t2时刻之间的工频信号周期时，假设前提是工频信号是50Hz固定不变的，而实际上电网频率是实时波动的，单终端检测设备在从A点向B点移动过程中在无法感知两时刻之间的工频变化规律，从而经常导致相位判断错误的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于频率跟踪技术的低压电网智能核相方法，本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于频率跟踪技术的低压电网智能核相方法包含以下步骤：
步骤1：接触式挂钩天线采集工频信号，发送至信号调理电路，再执行步骤2；
步骤2：信号调理电路对信号放大滤波，做抬升处理并进入同步ADC采样电路，获得A、B两地的电网信号相位信息，再执行步骤7；
步骤3：非接触式天线采集工频信号，发送至信号调理电路，再执行步骤4；
步骤4：信号调理电路对信号放大滤波，进入自动增益控制电路，再执行步骤5；
步骤5：自动增益控制电路根据输入信号大小对增益进行自动修正，对输入的微弱的mV级的信号进行放大，对超出ADC输入范围要求的信号进行衰减，本设计中将输出信号的幅值稳定在0～2.5V的范围内，进入锁相环电路，再执行步骤6；
步骤6：锁相环模块电路锁定输入信号的频率与相位，实现电网波动频率fin的实时变化跟踪，在核相装置的移动过程中实时跟踪变化的电网信号，输出在变化的周期内固定128个的脉冲，并对信号做抬升处理，进入同步ADC采样电路，再执行步骤7；
步骤7：同步ADC采样电路通过锁相环电路输出的128倍电网频率方波驱动进行实时采样，ADC采样信号进入FPGA处理板，获得在移动过程中实际工频信号周期个数，再执行步骤8；
步骤8：FPGA处理板对ADC采集到的信号进行过零点检测，通过算法进行相位差计算，判断两路信号是否为同相，相位差计算公式如下所示：
其中，T0为接触式挂钩天线采集A点线路信号的时刻，T1为A点通过非接触式天线开始稳定的采集空间中波动的工频信号过零点信息的时刻，T2为B点通过非接触式天线开始稳定的采集空间中波动的工频信号过零点信息的时刻，T3为接触式挂钩天线采集B点线路信号的时刻，N为T1到T2时刻之间采集的信号周期数，起始终止时间的时间差精度直接影响了相位差，从而影响了核相精度，GNSS模块用于每秒发送1PPS脉冲信号，对FPGA进行授时校准，避免FPGA内部计时时钟的偏移，保证核相计算结果准确；
步骤9：核相结果通过LED灯相位显示模块展示给用户。
上述方法依托低压电网智能核相装置实施，核相装置包括FPGA处理板、信号采集电路板、接触式挂钩天线与非接触式天线，其中，接触式挂钩天线与非接触式天线分别与信号采集电路板相连，信号采集电路板与FPGA处理板相连。
接触式挂钩天线与非接触式天线为两种前端信号采集器件，分别连接两路信号调理电路；
接触式挂钩天线信号采集通路，采集到工频信号，对信号放大滤波后，做抬升处理直接进入同步ADC采样电路，获得A、B两地的电网信号相位信息；
非接触式天线信号采集通路，用于感应电网辐射到空间中的电场变化，在A、B两地移动过程中实时采集空间中的工频信号，对信号放大滤波后，进入自动增益控制电路；
信号采集电路板包括：两路信号调理电路、自动增益控制电路、锁相环电路、GNSS模块电路、同步ADC采样电路、LED灯相位显示模块；
FPGA处理板用于对ADC采集到的信号进行过零点检测，通过算法进行相位差计算，判断两路信号是否为同相；在锁相环电路中，替代硬件除法器，对锁相输出的信号做除N操作后反馈回锁相环电路。
自动增益控制电路输出与锁相环电路相连，锁相环电路能够锁定输入信号的频率与相位，实现电网波动频率fin的实时变化跟踪，在核相装置的移动过程中实时跟踪变化的电网信号，输出在变化的周期内固定128个的脉冲，锁相环电路包括相位比较器，压控振荡器VCO。
GNSS模块电路根据GPS/北斗卫星自动发出1PPS的标准秒脉冲信号，对FPGA进行校准，用于保证FPGA内部计数器输出的准确性，利用FPGA代替MCU处理器，FPGA定时采集GNSS模块发送的1PPS脉冲信号进行授时校准，消除晶振偏差导致的过零点时刻的累积误差。
同步ADC采样电路对电网波动频率fin的实时变化进行跟踪采样，确保后续FPGA对信号过零检测时能精准判别，减少误差。
锁相环的频率/相位比较器检测到输入的电网信号和FPGA输出的128倍分频后的信号存在相位差，输出误差电压，误差电压驱动压控振荡器VCO输出频率发生变化，FPGA再次将VCO输出频率进行128倍分频后与电网信号进行比较，通过反复的鉴相和调整，VCO输出频率跟随电网频率的变化而变化，始终保持为电网信号频率的128倍。
本发明的有益技术效果为：解决核相装置检测移动过程中，由于线路中电网信号频率实时波动变化影响而带来的核相准确度低的问题。可以实时的跟踪记录电网中信号的频率波动，使得在感应实际线路信号时，检测准确率从原来的80％提升到99％，改善了产品性能，同时也极大地拓展了产品的应用场景。
附图说明
图1为本发明核相装置连接示意图；
图2为本发明核相装置锁相环模块示意图；
图3为本发明核相方法流程图；
图4为本发明核相过程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定本发明。
如图1所示，为本发明核相装置连接示意图，一种基于频率跟踪技术的低压电网智能核相装置包括FPGA处理板、信号采集电路板、接触式挂钩天线与非接触式天线，其中，接触式挂钩天线与非接触式天线分别与信号采集电路板相连，信号采集电路板与FPGA处理板相连。
接触式挂钩天线与非接触式天线为两种前端信号采集器件，分别连接两路信号调理电路；
接触式挂钩天线信号采集通路，采集到工频信号，对信号放大滤波后，做抬升处理直接进入同步ADC采样电路，获得A、B两地的电网信号相位信息；
非接触式天线信号采集通路，用于感应电网辐射到空间中的电场变化，在A、B两地移动过程中实时采集空间中的工频信号，对信号放大滤波后，进入自动增益控制电路；
信号采集电路板包括：两路信号调理电路、自动增益控制电路、锁相环电路、GNSS模块电路、同步ADC采样电路、LED灯相位显示模块；
FPGA处理板用于对ADC采集到的信号进行过零点检测，通过算法进行相位差计算，判断两路信号是否为同相；在锁相环电路中，替代硬件除法器，对锁相输出的信号做除N操作后反馈回锁相环电路。
自动增益控制电路输出与锁相环电路相连，锁相环电路能够锁定输入信号的频率与相位，实现电网波动频率fin的实时变化跟踪，在核相装置的移动过程中实时跟踪变化的电网信号，输出在变化的周期内固定128个的脉冲，锁相环电路包括相位比较器，压控振荡器VCO。
GNSS模块电路根据GPS/北斗卫星自动发出1PPS的标准秒脉冲信号，对FPGA进行校准，用于保证FPGA内部计数器输出的准确性，利用FPGA代替MCU处理器，FPGA定时采集GNSS模块发送的1PPS脉冲信号进行授时校准，消除晶振偏差导致的过零点时刻的累积误差。
同步ADC采样电路对电网波动频率fin的实时变化进行跟踪采样，确保后续FPGA对信号过零检测时能精准判别，减少误差。
如图2所示，为核相装置锁相环模块示意图，锁相环的频率/相位比较器检测到输入的电网信号和FPGA输出的128倍分频后的信号存在相位差，输出误差电压，误差电压驱动压控振荡器VCO输出频率发生变化，FPGA再次将VCO输出频率进行128倍分频后与电网信号进行比较，通过反复的鉴相和调整，VCO输出频率跟随电网频率的变化而变化，始终保持为电网信号频率的128倍。
如图3所示，为核相方法流程图，一种基于频率跟踪技术的低压电网智能核相方法包含以下步骤：
步骤1：接触式挂钩天线采集工频信号，发送至信号调理电路，再执行步骤2；
步骤2：信号调理电路对信号放大滤波，做抬升处理并进入同步ADC采样电路，获得A、B两地的电网信号相位信息，再执行步骤7；
步骤3：非接触式天线采集工频信号，发送至信号调理电路，再执行步骤4；
步骤4：信号调理电路对信号放大滤波，进入自动增益控制电路，再执行步骤5；
步骤5：自动增益控制电路根据输入信号大小对增益进行自动修正，对输入的微弱的mV级的信号进行放大，对超出ADC输入范围要求的信号进行衰减，本设计中将输出信号的幅值稳定在0～2.5V的范围内，进入锁相环电路，再执行步骤6；
步骤6：锁相环模块电路锁定输入信号的频率与相位，实现电网波动频率fin的实时变化跟踪，在核相装置的移动过程中实时跟踪变化的电网信号，输出在变化的周期内固定128个的脉冲，并对信号做抬升处理，进入同步ADC采样电路，再执行步骤7；
步骤7：同步ADC采样电路通过锁相环电路输出的128倍电网频率方波驱动进行实时采样，ADC采样信号进入FPGA处理板，获得在移动过程中实际工频信号周期个数，再执行步骤8；
步骤8：FPGA处理板对ADC采集到的信号进行过零点检测，通过算法进行相位差计算，判断两路信号是否为同相，相位差计算公式如下所示：
其中，T0为接触式挂钩天线采集A点线路信号的时刻，T1为A点通过非接触式天线开始稳定的采集空间中波动的工频信号过零点信息的时刻，T2为B点通过非接触式天线开始稳定的采集空间中波动的工频信号过零点信息的时刻，T3为接触式挂钩天线采集B点线路信号的时刻，N为T1到T2时刻之间采集的信号周期数，起始终止时间的时间差精度直接影响了相位差，从而影响了核相精度，GNSS模块用于每秒发送1PPS脉冲信号，对FPGA进行授时校准，避免FPGA内部计时时钟的偏移，保证核相计算结果准确；
步骤9：核相结果通过LED灯相位显示模块展示给用户。
如图4所示为本发明核相过程示意图，整个核相过程如下所述：在A点按下录波按键，T0时刻通过接触式挂钩天线采集A点线路信号，然后通过非接触式天线检测电网信号频率，在T1时刻采集空间中波动的工频信号过零点信息。此时手持装置向B点移动，在A地到B地移动过程中通过非接触天线不间断监测电网变化，并以实际电网频率的128倍采集电网波形。到达B点后，再次按下录波按键在T2时刻通过接触式挂钩天线采集B点线路信息。通过非接触天线记录到N*128点波形，N为正整数，此时刻记录为在T3，从而获得平均周期(T3-T1)/N。
上述实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可做出各种变换和变化以得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应归入本发明的专利保护范围。
Claims (4)
1.一种基于频率跟踪技术的低压电网智能核相方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤1：接触式挂钩天线采集工频信号，发送至信号调理电路，再执行步骤2；
步骤2：信号调理电路对信号放大滤波，做抬升处理并进入同步ADC采样电路,获得A、B两地的电网信号相位信息，再执行步骤7；
步骤3：非接触式天线采集工频信号，发送至信号调理电路，再执行步骤4；
步骤4：信号调理电路对信号放大滤波，进入自动增益控制电路，再执行步骤5；
步骤5：自动增益控制电路根据输入信号大小对增益进行自动修正，对输入的微弱的mV级的信号进行放大，对超出ADC输入范围要求的信号进行衰减，本设计中将输出信号的幅值稳定在0～2.5V的范围内，进入锁相环电路，再执行步骤6；
步骤6：锁相环模块电路锁定输入信号的频率与相位，实现电网波动频率fin的实时变化跟踪，在核相装置的移动过程中实时跟踪变化的电网信号，输出在变化的周期内固定128个的脉冲，并对信号做抬升处理，进入同步ADC采样电路,再执行步骤7；
步骤7：同步ADC采样电路通过锁相环电路输出的128倍电网频率方波驱动进行实时采样，ADC采样信号进入FPGA处理板，获得在移动过程中实际工频信号周期个数，再执行步骤8；
步骤8：FPGA处理板对ADC采集到的信号进行过零点检测，通过算法进行相位差计算，判断两路信号是否为同相，相位差计算公式如下所示：
其中，T0为接触式挂钩天线采集A点线路信号的时刻，T1为A点通过非接触式天线开始稳定的采集空间中波动的工频信号过零点信息的时刻，T2为B点通过非接触式天线开始稳定的采集空间中波动的工频信号过零点信息的时刻，T3为接触式挂钩天线采集B点线路信号的时刻，N为T1到T2时刻之间采集的信号周期数，起始终止时间的时间差精度直接影响了相位差，从而影响了核相精度，GNSS模块用于每秒发送1PPS脉冲信号，对FPGA进行授时校准，避免FPGA内部计时时钟的偏移，保证核相计算结果准确；
步骤9：核相结果通过LED灯相位显示模块展示给用户；
所述方法依托低压电网智能核相装置实施，该装置包括FPGA处理板、信号采集电路板、接触式挂钩天线与非接触式天线，其中，接触式挂钩天线与非接触式天线分别与信号采集电路板相连，信号采集电路板与FPGA处理板相连；
其所述接触式挂钩天线与非接触式天线为两种前端信号采集器件，分别连接两路信号调理电路；
接触式挂钩天线信号采集通路，采集到工频信号，对信号放大滤波后，做抬升处理直接进入同步ADC采样电路，获得A、B两地的电网信息；
非接触式天线信号采集通路，用于感应电网辐射到空间中的电场变化，在A、B两地移动过程中实时采集空间中的工频信号，对信号放大滤波后，进入自动增益控制电路；
所述信号采集电路板包括：两路信号调理电路、自动增益控制电路、锁相环电路、GNSS模块电路、同步ADC采样电路、LED灯相位显示模块；
所述FPGA处理板用于对ADC采集到的信号进行过零点检测，通过算法进行相位差计算，判断两路信号是否为同相；在锁相环电路中，替代硬件除法器，对锁相输出的信号做除N操作后反馈回锁相环电路；
所述自动增益控制电路输出与锁相环电路相连，锁相环电路能够锁定输入信号的频率与相位，实现电网波动频率fin的实时变化跟踪，在核相装置的移动过程中实时跟踪变化的电网信号，输出在变化的周期内固定128个的脉冲，锁相环电路包括相位比较器，压控振荡器VCO。
2.根据权利要求1所述的一种基于频率跟踪技术的低压电网智能核相方法，其特征在于所述GNSS模块电路根据GPS/北斗卫星自动发出1PPS的标准秒脉冲信号，对FPGA进行校准，用于保证FPGA内部计数器输出的准确性，利用FPGA代替MCU处理器，FPGA定时采集GNSS模块发送的1PPS脉冲信号进行授时校准，消除晶振偏差导致的过零点时刻的累积误差。
3.根据权利要求1所述的一种基于频率跟踪技术的低压电网智能核相方法，其特征在于所述同步ADC采样电路对电网波动频率fin的实时变化进行跟踪采样，确保后续FPGA对信号过零检测时能精准判别，减少误差。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于频率跟踪技术的低压电网智能核相方法，其特征在于，锁相环的频率/相位比较器检测到输入的电网信号和FPGA输出的128倍分频后的信号存在相位差，输出误差电压，误差电压驱动压控振荡器VCO输出频率发生变化，FPGA再次将VCO输出频率进行128倍分频后与电网信号进行比较，通过反复的鉴相和调整，VCO输出频率跟随电网频率的变化而变化，始终保持为电网信号频率的128倍。
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