一種多通道電氣量同步分析儀的研發

李勇，宋慶林，李輝

（云南電網有限責任公司昆明供電局，云南 昆明 650000）

0 前言

傳統電氣量分析裝置無法同步測量大批量信號，比如相位伏安表等一般測試通道最多為支持6路電氣量測量（如圖1所示）。但隨著綠色能源建設、大量高鐵負荷等條件下，現場測試中有時需要同步測量大量信號，如變壓器、母線等所有向量同步測量。對測量結果人工計算無法迅速準確地完成大量信號的同步分析判斷，所以需要設計開發一種可擴展多通道、多功能的同步電氣量分析裝置，適應現場的各種測試需要，智能分析各種情況下的接線形式及負荷特性等參數，全面分析電網的運行特性，提高現場工作效率，為維護電網的可靠運行提高堅實保障。

圖1 傳統測量接線圖

1 系統介紹

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

互感器采集待測信號經過高精度、低溫漂采樣電阻及低通回路濾波后送入AD模數變換，DSP數字信號處理器完成采樣信號數據讀取，高速CPLD完成系統片選及時序控制，高精度模數變換芯片AD7606提供高達16位的雙極性信號變換，同時內置模擬輸入箝位保護、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備交互顯示及離線數據交換，外擴RAM及FLASH完成批量數據運算及錄波數據,電池組充放電單元完成電池充放電保護，配合電池組監視單元實時監測充放電電流、電量及溫度等電池狀態。時鐘RTC提供系統穩定時鐘顯示，EEPROM掉電不丟失存儲裝置各項參數，如圖2硬件結構圖所示。

圖2 硬件結構圖

現場接線如圖3現場接線圖所示，將所有傳感器接入各待測點即可同步完成大批量信號同步檢測，方便了完成各種條件下的信號測量和分析。

圖3 現場接線圖

2 功能介紹

裝置功能分為十大功能模塊，每個模塊可靈活配置、裁剪，方便不同應用條件。

1）相位伏安測量：完成四相電壓四相電流向量計算顯示，并繪制相應六角圖，方便現場人員進行六角圖測量，并自動生成測試報告。

2）信號波形實時顯示：實時顯示各通道電流電壓波形，支持四相電壓電流同時顯示，方便各變量之間比對，顯示更直觀。

3）母線向量分析：支持多達32路出線電流同步顯示，變比輸入觸控輸入，并實時計算相關差流數據，靈活檢測母線運行狀況

4）功率計算：完成所選線路有功、無功、電流、電壓、頻率各參數實時分析。

5）變壓器向量分析：根據不同變壓器及接線情況，根據各側電流、變比計算差流、潮流分析接線故障類型，實時分析變壓器運行狀況。

6）諧波分析：支持各通道電流電壓高達10次諧波各分量顯示。

7）序分量計算分析：完成各電壓組、電流組正負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、相角計算。

9）線路測量模塊：完成線路電流、電壓波形、諧波成分、一次、二次電流電壓，準確監測線路運行各參數。

10）突變量錄波：手動或突變量自動錄波，錄波周期可設定，方便對新能源及高鐵線路負荷進行捕捉分析。

3 算法介紹

裝置采用傅氏及卡爾曼優化濾波算法。

傅氏濾波算法由于其良好的濾波性能在各領域中應用廣泛，他的基本思路來自傅里葉級數，當信號是周期函數時，它可以被分解為一個函數序列之和，即將信號分解到完備正交三角函數集。

傅里葉經采樣值計算并表示成實虛部為：

N為每基頻周期內的采樣點數。將模擬信號離散化的對應采樣點代入上式即可計算對應頻率分量實部、虛部、幅值、相角等信息。但采樣頻率應滿足相應奈奎斯特采樣定理。

卡爾曼算法是一種利用線性系統狀態方程，通過系統輸入輸出觀測數據，對系統狀態進行最優估計的算法。由于觀測數據中包括系統中的噪聲和干擾的影響，所以最優估計也可看作是濾波過程。

估計方程為：

測量方程為：

其中：wk、vk為互不相關白噪聲。

卡爾曼算法利用前一時刻的估計值和現時刻的觀測值來更新對狀態變量的估計，求出當前時刻的估計值，由于觀測數據中包括系統中的噪聲和干擾等因素，卡爾曼算法計算的結果依賴于初值的選取和對系統噪聲的估計，大量的迭代估計預測計算，無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。每一個有外部變量的系統，最大缺點是必須用到無限過去的數據。所以在滿足條件情況下精簡有效的過去數據成為一種研究方向，卡爾曼濾波是以最小均方誤差為估計的最佳準則，來尋求一套遞推估計的算法，其基本思想是：采用信號與噪聲的狀態空間模型，利用前一時刻的估計值和當前時刻的觀測值來更新對狀態變量的估計，求出當前時刻的估計值。

而通過與傅里葉結合的算法，確定其迭代初值，確保卡爾曼算法能更快收斂，同時根據傅里葉算法結果調整修正估計噪聲，校正反饋，再通過數字濾波消除部分干擾，提高了其計算速度，同時使用電壓跟蹤調整采樣頻率相結合的方法，自適應調節各通道信號特征參數，結合低通模擬濾波電路對干擾進行有效濾除，達到最優測量結果。

4 結束語

1）完善計算機配套輔助軟件、離線數據處理及智能數據庫。

2）優化智能算法中噪聲識別判斷，進一步加強對弱信號的高精度檢測。

3）對電路板抗干擾、防靜電及電路板布局等技術進行優化，提高裝置工作穩定性。

4）通過開展研發，獲得了多通道信號處理和智能分析的理論和實踐經驗，研發了多通道同步電氣量測試分析儀樣機，并完成了該項技術的成果轉化。多通道同步電氣量測試分析儀具備良好的市場前景，下一步將對樣機不斷完善，滿足應用要求。

5）在智能電網應用方面，依據IEC61850通訊規約，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，使其更好應用于智能電網。