一种基于ADC的低频计量三相电能表制造技术

本发明专利技术公开了一种基于ADC的低频计量三相电能表。本发明专利技术包括低频信号调理单元、数据处理单元和数据管理单元；三相电网电压、电流模拟信号分别通过电阻分压取样电路和零磁通电流互感器取样电路进行信号调理，得到单极性的交流信号送入ADC转换器进行采样数据A/D转换，输出采样数据至数据处理单元；所述的采样数据经过数字低通滤波、直流偏置校正、比差和角差校正后，由数据处理单元完成离散四项三阶Nuttall窗构建，进行Nuttall窗快速FFT插值算法处理与多折射率校准补偿算法，得到精确的电压、电流、频率与功率。本发明专利技术不受专用计量芯片性能和功能的限制，精确定量地测量柔性低频电力系统中电性能参数，实现更高准确度的电能计量。量。量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于ADC的低频计量三相电能表


[0001]本专利技术属于电能表领域，具体地说是一种基于ADC的低频计量三相电能表。

技术介绍

[0002]柔性低频输电是以全控型电力电子器件为基础的一种新型高效的交流输电技术，通过高压大容量交交换流器将50Hz工频降至约20Hz低频，减小线路阻抗，减少电缆线路充电无功，通过对频率维度的潜力挖掘，实现系统功率传输能力和柔性调控能力的提升。
[0003]与工频交流输电和直流输电相比，柔性低频输电具备以下技术特点：1)可以对电网进行柔性功率支撑；2)能够提升线路输送容量并降低电压损耗；3)交流组网能力强；4)可以降低建设与运维成本。柔性低频输电需要能在20Hz频率下可靠计量的三相电能表。普通三相电能表一般采用专用计量芯片，适用于50Hz频率下电能计量，电网中电压电流畸变造成的基频变化，会使专用计量芯片采样频率和50Hz不匹配造成计量误差，无法应用于20Hz的柔性交流输电系统。
[0004]20Hz基波电能计量检测技术一般有：(1)基于频域分析的FFT方法，其特点是电网频率波动时，出现非整周波的截断(即非同步采样)时会发生栅栏效应和频谱泄露，影响计量精度；(2)滤波器检测谐波方法，其特点是难以获得理想频率特性，在设定电网参数情况下数据处理效率高，无法针对所有运行情况调节滤波器系数，计量算法灵活性低；(3)基于瞬时无功功率理论的方法，其特点是计算量大，处理复杂；(4)基于神经网络理论和小波变换的方法，特点是计算量大，功耗要求高，难以在嵌入式低功耗表计中实现。
[0005]在数字信号处理器上实现基于FFT的基波电能算法，是当今应用最广泛的一种谐波分析方法。在电力系统中，电网电压、电流畸变导致基波频率变化，由于非同步采样造成FFT算法存在频谱泄露和栅栏效应等问题，使得基波与谐波检测的精度受到影响，减少FFT算法的频谱泄露和栅栏效应影响、提高电测量中基波和各谐波检测精度是电测量信号分析和电能质量管理中的难题。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于ADC的低频计量三相电能表，以减少FFT算法带来的频谱泄露和栅栏效应影响，提高电测量中基波和各谐波检测精度。
[0007]为此，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于ADC的低频计量三相电能表，其包括低频信号调理单元、数据处理单元和数据管理单元；
[0008]所述低频信号调理单元，包括ADC转换器、电阻分压取样电路和零磁通电流互感器取样电路；三相电网电压、电流模拟信号分别通过电阻分压取样电路和零磁通电流互感器取样电路进行信号调理，得到单极性的交流信号送入ADC转换器进行采样数据A/D转换，输出采样数据至数据处理单元；
[0009]所述的采样数据经过数字低通滤波、直流偏置校正、比差和角差校正后，由数据处
理单元完成离散四项三阶Nuttall窗构建，进行Nuttall窗快速FFT插值算法处理与多折射率校准补偿算法，得到精确的电压、电流、频率与功率，并将处理后的数据发送给数据管理单元进行存储、通信和显示处理。
[0010]进一步地，采用的Nuttall窗快速FFT插值算法是指在非同步采样情况下，离散谱线与真实频率谱线存在偏差，通过寻找真实频率点附近的三根峰值谱线，采用多项式拟合的方法，求出实用的插值计算式，由此求取真实谱线处的频率值、幅值和初相位。
[0011]进一步地，所述Nuttall窗快速FFT插值算法的过程如下：
[0012]假设输入信号电压和电流如下：
[0013][0014]其中，f0表示采样频率，A
i
和θ
i
分别表示各次谐波中对应的幅值和相角，x(t)表示输入信号的电压和电流；在采样频率f0的基础上，对x(t)进行离散采样得到x(n)，然后用H阶最大旁瓣衰减窗w(n)对x(t)完成截断进而获得x
w
(n)，n表示截断点的个数，n＝0,1,...,N
‑
1,N，在忽略负频率的基础上进行傅里叶变化，得：
[0015][0016]式中，k表示截断后进行FFT的点数、v
i
表示频域截断点对应的个数、X
w
表示原始采样值信号x(t)经过加窗进行截断后的频域信号，|W(H)|表示H阶最大旁瓣衰减窗w(n)的傅里叶变换式，对应的表达式为：
[0017][0018]四项三阶Nuttall窗抑制旁瓣能量泄露的性能最为优良，其各项系数分别为b0＝0.338946，b1＝0.481973，b2＝0.161054，b3＝0.018027；M为进行加窗截断点数，m＝0,1,2,3
……
M；
[0019]因为非同步采样和栅栏效应的影响，式中，v
i
用v
i
＝k
i
+δ
i
代替，k
i
代表最大谱线的位置，通过最大谱线搜索可得；δ
i
在
‑
0.5≤δ
i
≤0.5区间内，运用插值算法运算获得，由
[0020][0021]将公式(2)和公式(3)代入公式(4)，化简后得到
[0022][0023]式中，H表示四项三阶Nuttall窗；
[0024]解得
[0025][0026]因此，第i次谐波的频率f
i
为
[0027][0028]式中，f
s
表示信号采样频率；
[0029]幅值和相角为
[0030][0031]θ
i
＝Phase{X
w
(k
i
)}
‑
πδ
i
+π/2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0032]式中，h＝0,1,2,3,
……
H；
[0033]运用傅里叶变换，得第i次谐波下的电压幅值和相角分别为U
i
和θ
Ui
，电流幅值和相角分别为I
i
和θ
Ii
，那么第i次谐波对应的电能是：
[0034]P
i
＝U
i
I
i
cos(θ
Ui
‑
θ
Ii
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0035]运用上述公式，计算得各次谐波的f、U和θ，进而完成电能计量。
[0036]进一步地，为提高FFT计算速度，采用一种FFT快速计算算法，过程如下：
[0037]由于电压和电流为同步采样，考虑采用复序列FFT同时计算电压和电流各次谐波的幅值与相位，算法如下：
[0038]设构造的复序列为：
[0039]x(n)＝u(n)+j*i(n)
ꢀꢀ
(11)
[004本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于ADC的低频计量三相电能表，其特征在于，包括低频信号调理单元、数据处理单元和数据管理单元；所述低频信号调理单元，包括ADC转换器、电阻分压取样电路和零磁通电流互感器取样电路；三相电网电压、电流模拟信号分别通过电阻分压取样电路和零磁通电流互感器取样电路进行信号调理，得到单极性的交流信号送入ADC转换器进行采样数据A/D转换，输出采样数据至数据处理单元；所述的采样数据经过数字低通滤波、直流偏置校正、比差和角差校正后，由数据处理单元完成离散四项三阶Nuttall窗构建，进行Nuttall窗快速FFT插值算法处理与多折射率校准补偿算法，得到精确的电压、电流、频率与功率，并将处理后的数据发送给数据管理单元进行存储、通信和显示处理。2.根据权利要求1所述的一种基于ADC的低频计量三相电能表，其特征在于，采用的Nuttall窗快速FFT插值算法是指在非同步采样情况下，离散谱线与真实频率谱线存在偏差，通过寻找真实频率点附近的三根峰值谱线，采用多项式拟合的方法，求出实用的插值计算式，由此求取真实谱线处的频率值、幅值和初相位。3.根据权利要求1或2所述的一种基于ADC的低频计量三相电能表，其特征在于，所述Nuttall窗快速FFT插值算法的过程如下：假设输入信号电压和电流如下：其中，f0表示采样频率，A
i
和θ
i
分别表示各次谐波中对应的幅值和相角，x(t)表示输入信号的电压和电流；在采样频率f0的基础上，对x(t)进行离散采样得到x(n)，然后用H阶最大旁瓣衰减窗w(n)对x(t)完成截断进而获得x
w
(n)，n表示截断点的个数，n＝0,1,...,N
‑
1,N，在忽略负频率的基础上进行傅里叶变化，得：式中，k表示截断后进行FFT的点数、v
i
表示频域截断点对应的个数、X
w
表示原始采样值信号x(t)经过加窗进行截断后的频域信号，|W(H)|表示H阶最大旁瓣衰减窗w(n)的傅里叶变换式，对应的表达式为：四项三阶Nuttall窗抑制旁瓣能量泄露的性能最为优良，其各项系数分别为b0＝0.338946，b1＝0.481973，b2＝0.161054，b3＝0.018027；M为进行加窗截断点数，m＝0,1,2,3
……
M；因为非同步采样和栅栏效应的影响，式中，v
i
用v
i
＝k
i
+δ
i
代替，k
i
代表最大谱线的位置，通过最大谱线搜索可得；δ
i
在
‑
0.5≤δ
i
≤0.5区间内，运用插值算法运算获得，由
将公式(2)和公式(3)代入公式(4)，化简后得到式中，H表示四项三阶Nuttall窗；解得因此，第i次谐波的频率f
i
为式中，f
s
表示信号采样频率；幅值和相角为θ
i
＝Phase{X
w
(k
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)}
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πδ
i
+π/2
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(9)式中，h＝0,1,2,3,
……
H；运用傅里叶变换，得第i次谐波下的电压幅值和相角分别为U
i
和θ
Ui
，电流幅值和相角分别为I
i
和θ
Ii
，那么第i次谐波对应的电能是：P
i
＝U
i
I
i
cos(θ
Ui
‑
θ
Ii
)
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(10)运用上述公式，计算得各次谐波的频率f、电压幅值U和相角θ，进而完成电能计量。4.根据权利要求1或2所述的一种基于ADC的低频计量三相电能表，其特征在于，为提高FFT计算速度，采用一种FFT快速计算算法，过程如下：由于电压和电流为同步采样，考虑采用复序列FFT同时计算电压和电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李熊，裘华东，陆春光，肖涛，刘炜，王朝亮，朱欢，金挺超，李亦龙，蒋群，宋磊，黄荣国，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司台州供电公司，
类型：发明
国别省市：