DE102007054306A1

DE102007054306A1 - Verfahren zum Analysieren von Wechselspannungssignalen

Info

Publication number: DE102007054306A1
Application number: DE102007054306A
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl.-Ing. Bösnecker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: US20090125261A1; DE102007054306B4; US7930119B2

Abstract

Herkömmlicherweise wird mit einer Standardabtastfrequenz f ein Wechselspannungssignal abgetastet, um eine Menge von Abtastwerten zu erhalten, die sämtlich für ein Transformationsverfahren wie etwa eine schnelle Fourier-Transformation verwendet werden. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine höhere Anzahl von Abtastwerten gewonnen, und ein Teil dieser Abtastwerte wird zur Verwendung für eine schnelle Fourier-Transformation ausgewählt. Bevorzugt ist die Abtastfrequenz ein natürliches Vielfaches der Standardabtastfrequenz. Dadurch, dass bei der Erfindung das Wechselspannungssignal wesentlich dichter abgetastet wird als üblich, können herausgehobene Strukturen durch geschickte Auswahl besser erfasst werden. So kann gewährleistet werden, dass die Nulldurchgänge des Wechselspannungssignals besonders gut durch Abtastwerte getroffen werden, wodurch die Qualität der Frequenzanalyse verbessert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren von Wechselspannungssignalen.
Es handelt sich insbesondere um eine Frequenzanalyse, und zwar mit Hilfe eines Transformationsverfahrens wie z. B. der Schnellen Fourier-Transformation (FFT, Fast Fourier Transformation). Um eine solche Schnelle Fourier-Transformation durchführen zu können, wird üblicherweise eine Abtastfrequenz nach einem Standardverfahren bestimmt, und diese Standardabtastfrequenz bestimmt die Anzahl der Abtastwerte bei vorgegebener Gesamtabtastdauer. Zur Analyse wird eine Grundfrequenz f₀ festgelegt, und es wird nach dieser Grundfrequenz und deren Harmonischen eine Spektrumsanalyse durchgeführt. Sollen bis zur n-ten Harmonischen untersucht werden, ergibt sich diese Standardabtastfrequenz f zu f = 2nf₀. Der Faktor 2 ergibt sich aus dem Shannontheorem. Es werden im Stand der Technik alle Abtastwerte verwendet. Wichtig ist, dass die Abtastwerte möglichst optimal den Kurvenverlauf wiedergeben. Insbesondere die Nulldurchgänge des Eingangssignals müssen präzise durch Abtastwerte wiedergegeben werden. Größere Fehler treten auf, wenn zwei Abtastwerte neben einem Nulldurchgang liegen und der Nulldurchgang von keinem Abtastwert getroffen wird. Der Stand der Technik hat zahlreiche Techniken entwickelt, wie die Abtastwerte möglichst präzise den Nulldurchgang treffen. Damit geht eine aufwändige Apparatur einher.
Es ist Aufgabe der Erfindung eine möglichst fehlerfreie Abbildung eines Wechselspannungssignals, insbesondere bei Abtastung aus dem Stromversorgungsleitungsnetz, in möglichst unaufwändiger Weise zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei Bereitstellung einer Redundanz beim Abtas ten die für das Transformationsverfahren vom Zeitraum in den Frequenzraum (z. B. für die Schnelle Fourier-Analyse) besonders geeigneten Werte auf jeden Fall in der Menge der Abtastwerte enthalten sind. Das Eingangssignal wird mit einer Abtastfrequenz f_Abtast abgetastet, die größer als die genau berechnete Standardabtastfrequenz f ist. In Abhängigkeit von dem Verhältnis von f_Abtast/f kann man ein geeignetes Verfahren finden, welche Abtastwerte für das Transformationsverfahren ausgewählt werden.
Besonders einfach gestaltet sich die Sachlage dann, wenn die Abtastfrequenz f_Abtast ein natürliches Vielfaches der Standardabtastfrequenz ist, f_Abtast = mf = m·2·nf₀. Dann kann man nach dem Abtasten einen vorbestimmten Abtastwert auswählen, der sich als besonders geeignet erweist, und es kann dann jeder m-te Abtastwert in der Abtastreihenfolge vor und nach dem vorbestimmten Abtastwert für die Schnelle Fourier-Transformation verwendet werden. Beispielsweise kann derjenige Abtastwert ausgewählt werden, der einem Nulldurchgang des Wechselspannungssignals am nächsten ist. Durch die Wahl der m-fachen Standardabtastfrequenz als Abtastfrequenz wächst die Wahrscheinlichkeit, dass ein Abtastwert besonders nahe am Nulldurchgang liegt oder diesen genau trifft. Werden die verwendeten Abtastwerte in Abhängigkeit von dem ausgewählten Abtastwert festgelegt, sind diese optimal für eine besonders präzise Analyse des Eingangssignals geeignet.
Ein Aspekt der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zum Abtasten eines Wechselspannungssignals (insbesondere aus dem Stromversorgungsleitungsnetz), die dazu ausgelegt ist, eine vorbestimmte Menge von Abtastwerten zu erfassen und nur einen Teil dieser Abtastwerte für eine Schnelle Fourier-Transformation zu verwenden.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist vorgesehen, dass sie dazu ausgelegt ist, aus der vorbestimmten Menge von Abtastwerten einen Abtastwert nach vorbestimmten Kriterien zu ermitteln und die restlichen Abtastwerte von diesem abhängig auszuwählen. Die vorbestimmten Kriterien sind bevorzugt Kriterien, die einen Nulldurchlauf festlegen.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei die einzige FIG schematisch den Schrittablauf bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.
In einem ersten Schritt S10 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Standardabtastfrequenz f festgelegt. Es handelt sich hierbei um diejenige Frequenz, mit der üblicherweise abgetastet wird, wenn eine Schnelle Fourier-Transformation (FFT) durchgeführt werden soll. Sie ergibt sich aus der Grundfrequenz f₀, nach der analysiert werden soll, zu f = 2nf₀, wenn bis zur n-ten Harmonischen analysiert werden soll.
Im folgenden Schritt S12 wird die Standardabtastfrequenz mit einer natürlichen Zahl m zu f_Abtast = mf multipliziert.
Nachfolgend wird über eine Periode mit f_Abtast abgetastet, so dass man Abtastwerte U₀, ... U₁, ... U_N erhält (Schritt S14).
Von diesen Abtastwerten wird nun derjenige Abtastwert U_j ausgewählt, der einem Nulldurchgang des Eingangssignals am nächsten liegt (Schritt S16).
Ist U_j ausgewählt, so verwendet man im Schritt S18 jeden tuten Abtastwert in der Abtastreihenfolge vor und nach dem ausgewählten Abtastwert U_j (also ...U_j-2m, U_j-m, U_j, U_j+m, U_j+2m...) für eine Schnelle Fourier-Transformation.
Durch die Verwendung einer Abtastfrequenz f_Abtast, die größer als die Standardabtastfrequenz f ist, wird das Eingangssignal wesentlich dichter durch Abtastwerte erfasst. Es ist jedoch für die Schnelle Fourier-Transformation nicht die gesamte Menge der Abtastwerte notwendig. Man profitiert von der Dichte der Abtastwerte, um möglichst einen solchen Abtastwert auszuwählen, der für die Schnelle Fourier-Transformation be sonders geeignet ist (Abtastwert nahe am Nulldurchgang). Die anderen Abtastwerte ergeben sich dann aus dem ausgewählten Abtastwert.
Die Erfindung ist auch einsetzbar, wenn anstelle der Schnellen Fourier-Transformation ein anderes Transformationsverfahren verwendet wird, das von einer zeitlichen Darstellung in eine andere Darstellung wie die Frequenzdarstellung transformiert. Ein anderes Transformationsverfahren ist z. B. die herkömmliche Fourier-Transformation (Diskrete Fourier-Transformation, DFT) oder die Laplace-Transformation.

Claims

Verfahren zum Analysieren von Wechselspannungssignalen, mit den Schritten: – Festlegen einer Grundfrequenz f₀, nach der ein Eingangssignal untersucht werden soll, – Festlegen einer natürlichen Zahl n, die vorgibt, dass bis zur n-ten Harmonischen der Grundfrequenz das Eingangssignal untersucht werden soll, – Berechnen der Standardabtastfrequenz f = 2nf₀, – Abtasten des Eingangssignals mit einer Abtastfrequenz f_Abtast > f zum Erhalt von Abtastwerten, – Verwenden nur eines Teils der Abtastwerte für ein Transformationsverfahren.
Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt des Multiplizierens der Standardabtastfrequenz f mit einer natürlichen Zahl m, um eine höhere Abtastfrequenz f_Abtast = mf = m2nf₀ zu erhalten, wobei nach dem Abtasten ein vorbestimmter Abtastwert ausgewählt wird und jeder m-te Abtastwert in der Abtastreihenfolge vor und nach dem vorbestimmten Abtastwert für das Transformationsverfahren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass derjenige Abtastwert ausgewählt wird, der einem Nulldurchgang des Wechselspannungssignals am nächsten ist.
Vorrichtung zum Abtasten eines Wechselspannungssignals, die dazu ausgelegt ist, eine vorbestimmte Menge von Abtastwerten zu erfassen und nur einen Teil dieser Abtastwerte für das Transformationsverfahren zu verwenden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, die dazu ausgelegt ist, aus der vorbestimmten Menge von Abtastwerten einen Abtastwert nach vorbestimmten Kriterien zu ermitteln und die restlichen Abtastwerte von diesem abhängig auszuwählen.