專利名稱：抗十萬倍干擾數(shù)字化選頻測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明 涉及測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
絕大多數(shù)電氣設(shè)備運行于50Hz工頻交流電壓下，很多情況下需要測量工頻50Hz下的狀態(tài)參數(shù)，其中大多是直接測量電壓電流信號，或通過傳感器將各種物理量轉(zhuǎn)換為電壓電流信號然后測量。由于電網(wǎng)中存在很強的50Hz干擾，所以在現(xiàn)場一些微弱的測試信號因與50Hz強干擾而難以測量，往往帶來很大的誤差甚至無法測量。所以，在很多電氣參數(shù)測試項目上可采用異頻法進行測量，即在設(shè)備上加上異于工頻的正弦波信號源如55Hz，然后利用選頻濾波技術(shù)抑制50Hz干擾，只測量該55Hz信號所對應(yīng)的參數(shù)，可求得結(jié)果A。然后按同樣方法在工頻對稱偏頻測量45Hz求得結(jié)果B，取A+B的平均數(shù)即可認為是50Hz下的結(jié)果C。該方法既可以兩點對稱變頻測量(如45Hz，55Hz)，也可以多點對稱變頻測量(如45，47，53，55Hz)以提高結(jié)果的準(zhǔn)確度和可信度。這種變頻(或稱異頻)測量法能有效避免50Hz工頻的強干擾所帶來的誤差，能在有強工頻干擾的環(huán)境如高壓變電站，電廠準(zhǔn)確測量電氣設(shè)備參數(shù)。變頻測試法已在多種測試儀器上應(yīng)用，如變頻抗干擾介質(zhì)損耗測試儀，異頻線路參數(shù)測試儀，變頻接地參數(shù)測試系統(tǒng)等。變頻測試法要達到不受干擾準(zhǔn)確測量這個最終目的，主要涉及兩個方而的技術(shù)變頻和選頻。變頻是需要將50Hz的市電電源轉(zhuǎn)變成電壓和頻率均可調(diào)的正弦波變頻電源，選頻則是需要在現(xiàn)場各種復(fù)雜的干擾中將變頻后的微弱信號提取出來，并進行準(zhǔn)確測量。變頻技術(shù)發(fā)展時間較早，相對而言比較成熟，作為“源-表”測量系統(tǒng)中的源，不涉及測量和計算結(jié)果的輸出。同時其一般都通過隔離變壓器與外界干擾隔離，不受干擾影響，只需要按其自身內(nèi)部電路程序變頻即可。所以變頻電源這部分主要技術(shù)差異在于功率大小，其它技術(shù)指標(biāo)方面一般沒什么差別。選頻技術(shù)相對而言要復(fù)雜很多，作為“源-表”測量系統(tǒng)中的表，其要在各種復(fù)雜的干擾情況下，分離出微弱的變頻信號并進行測量輸出結(jié)果。往往是干擾信號比有用的變頻信號幅值強數(shù)倍至數(shù)十倍，有用的變頻信號被“淹沒”在各種干擾信號里。而且所測的信號里包括了工頻干擾、高頻干擾、諧波干擾，再疊加上變頻信號，波形已變得雜亂無章復(fù)雜多變無明確規(guī)律，要在這樣雜亂復(fù)雜的波形里還原提取出有用的微弱信號還要準(zhǔn)確測量，難度可想而知。而且測試頻率和干擾頻率越近，選頻的難度就越大。顯然，選頻技術(shù)直接關(guān)系著成套變頻測量系統(tǒng)結(jié)果的準(zhǔn)確性，是成套系統(tǒng)能否達到排除干擾準(zhǔn)確測量這個最終目的的關(guān)鍵技術(shù)，是成套系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸?，F(xiàn)有的選頻測量技術(shù)主要是基于模擬式濾波電路或稱硬件濾波電路，如LC電感電容器件等。但模擬式濾波電路存在著如下缺點，I、只能抑制和衰減干擾，不能完全真正濾除干擾。2、模擬濾波電路適合于測試信號和干擾頻率差別限大的情況(如120Hz和50Hz)，對于兩個很接近的頻率(如51Hz和50Hz)則難以達到理想效果；3、受硬件電路自身特性限制，其抗干擾能力只能達到數(shù)十分之一 ；4、因硬件電路對不同的頻率和幅值響應(yīng)特性不一致，難以保證在各頻率各量程下均測量準(zhǔn)確；5、模擬電路不利于智能化，自動化，集成化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種抗十萬倍干擾數(shù)字化選頻測量系統(tǒng)，目的在于克服目前現(xiàn)有技術(shù)中的不足，設(shè)計一種能在40-70HZ范圍內(nèi)IHz步進任意選頻的數(shù)字化選頻濾波測量系統(tǒng)，可大大提高選頻測量的抗干擾能力。可在十分接近工頻的頻率(如51Hz和49Hz)進行測量，從而可得到最接近工頻的特性參數(shù)。系統(tǒng)核心基于高性能CPU和小波變換算法，而非硬件濾波電路。測量系統(tǒng)可抗十萬倍干擾而數(shù)據(jù)不漂移，在200V，50Hz干擾下選頻51Hz測量可將干擾抑制到0. ImV以下，并且可同時選頻測量電壓電流信號及兩者相位差。 本發(fā)明的系統(tǒng)核心性能的實現(xiàn)主要基于CPU數(shù)字化的小波變換運算分析，能實現(xiàn)±lHz抗十萬倍干擾的選頻測量，在電氣測量領(lǐng)域，特別是在強干擾背景下的電力系統(tǒng)測試領(lǐng)域有著重要的用途。為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案抗十萬倍干擾數(shù)字化選頻測量系統(tǒng)，其電壓測量功能前端電路由電壓測量端子，量程自動切換單元，濾波電路單元，隔離放大單元組成，其電流測量功能前端電路由電流測量端子，電流互感器，量程自動切換單元，濾波單元，運算放大單元組成，系統(tǒng)還包括CPU，顯示單元，菜單操作旋鈕，SD存儲卡，打印機單元。電壓測量端子的電壓信號輸入量程自動切換單元，CPU發(fā)出信號控制量程自動切換單元自動轉(zhuǎn)換量程，量程自動切換單元接到濾波單元，濾波單元接到隔離放大單元，隔離放大單元輸出連接到CPU，由CPU進行分析處理。電流測量端子的電流信號經(jīng)過電流互感器輸入到量程自動切換單元，CPU發(fā)出信號控制量程自動切換單元自動轉(zhuǎn)換量程，量程自動切換單元接到濾波單元，濾波單元接到運算放大單元，運算放大單元輸出連接到CPU，由CPU進行分析處理。顯示單元、SD存儲卡，打印機，菜單操作旋鈕都連到CPU。電壓測量端子接到量程自動切換單元，量程切換單元由多個不同阻值的電阻串聯(lián)而成，在不同的位置分出5個量程，分別對應(yīng)20mV，200mV, 2V，20V, 200V量程。CPU程序識別并自動控制切換對應(yīng)的繼電器，使得信號幅值大小在最佳的測量范圍內(nèi)。量程切換后點電壓送入濾波單元，濾波單元由電感電容組成的PI濾波電路，可以將部分高頻信號濾除。信號由濾波單元送出，接到隔離放大器，由隔離放大器隔離后接到CPU的AD管腳，進行采樣分析。兩個電流測量端子通過導(dǎo)線短接，導(dǎo)線上穿過電流互感器感應(yīng)出電壓信號接到量程切換單元，量程切換由多個不同阻值的電阻串聯(lián)而成，在不同的位置分出4個量程，分別對應(yīng)20mA，200mA, 2k, 20A量程。CPU程序識別并自動控制切換對應(yīng)的繼電器，使得信號幅值大小在最佳的測量范圍內(nèi)。量程切換后電壓送入濾波單元，濾波單元由電感電容組成的PI濾波電路，可以將部分高頻信號濾除。信號由濾波單元送出，進過運放單元放大后接到CPU的AD管腳，進行采樣分析。電壓、電流信號分兩路送入CPU的不同的AD管腳，經(jīng)過CPU內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換電路進行高速采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成程序可識別的數(shù)字信號。然后CPU對數(shù)字信號進行小波變換分析，從復(fù)雜的波形中分離出所需要測量的微弱頻率正弦波信號。CPU通過軟件可同時分離出指定頻率下的電壓，電流信號并計算出兩者間的相位差。CPU可同時控制存儲，打印，顯示，菜單操作等功能。
CPU可選常用的TI公司DSP型號如TMS320F2812，也可以是其它通用處理器，如ARM架構(gòu)處理器。DSP也稱數(shù)字信號處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。DSP芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可以用來快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特點(I)在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法。(2)程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。(3)片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問。(4)具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持。(5)快速的中斷處理和硬件I/O支持。(6)具有在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生 器。(7)可以并行執(zhí)行多個操作。(8)支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。小波變換當(dāng)前應(yīng)用數(shù)學(xué)和工程學(xué)科中一個迅速發(fā)展的新領(lǐng)域，經(jīng)過近10年的探索研究，重要的數(shù)學(xué)形式化體系已經(jīng)建立，理論基礎(chǔ)更加扎實。傳統(tǒng)的信號理論，是建立在傅里葉分析基礎(chǔ)上的，而傅里葉變換作為一種全局性的變化，其有一定的局限性。在實際應(yīng)用中人們開始對傅里葉變換進行各種改進，小波分析由此產(chǎn)生了。小波分析是一種新興的數(shù)學(xué)分支，它是泛函數(shù)、傅里葉分析、調(diào)和分析、數(shù)值分析的最完美的結(jié)晶；在應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在信號處理、圖像處理、語音處理以及眾多非線性科學(xué)領(lǐng)域，它被認為是繼傅里葉分析之后的又一有效的時頻分析方法。小波變換與傅里葉變換相比，是一個時間和頻域的局域變換因而能有效地從信號中提取信息，通過伸縮和平移等運算功能對函數(shù)或信號進行多尺度細化分析，解決了傅里葉變換不能解決的許多困難問題。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的數(shù)字化選頻測量系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(I)選頻抗干擾能力強，比以往模擬選頻電路抗干擾能力提高數(shù)百倍以上。(2)可數(shù)字化任意IHz變頻選頻，在50Hz強干擾下也能選擇非常接近49Hz，51Hz等頻率進行測量，這就保證了測量結(jié)果與工頻的等效性。(3)可數(shù)字化的進行軟件校準(zhǔn)，保證了各頻率和各量程下測量的準(zhǔn)確性。
(4)智能化程度高?？勺詣忧袚Q量程，可保存打印結(jié)果，可保存及導(dǎo)出測試波形，非常有利于進一步的技術(shù)分析。(5)電路架構(gòu)清晰，前端模擬電路較簡單。(6)系統(tǒng)核心部分為CPU和軟件算法，有利于保護知識產(chǎn)權(quán)。本測量系統(tǒng)在電氣測量領(lǐng)域，特別是在電廠，變電站等強干擾環(huán)境下的電氣設(shè)備參數(shù)測量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟價值。


圖I是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面用最佳的實施例對本發(fā)明做詳細的說明。如圖I所示，抗十萬倍干擾數(shù)字化選頻測量系統(tǒng)，其電壓測量功能前端電路由電壓測量端子，量程自動切換單元，濾波電路單元，隔離放大單元組成，其電流測量功能前端電路由電流測量端子，電流互感器，量程自動切換單元，濾波單元，運算放大單元組成，系統(tǒng)還包括CPU，顯示單元，菜單操作旋鈕，SD存儲卡，打印機單元。電壓測量端子的電壓信號輸入量程自動切換單元，CPU發(fā)出信號控制量程自動切換單元自動轉(zhuǎn)換量程，量程自動切換單元接到濾波單元，濾波單元接到隔離放大單元，隔離放大單元輸出連接到CPU，由CPU進行分析處理。電流測量端子的電流信號經(jīng)過電流互感器輸入到量程自動切換單元，CPU發(fā)出信號控制量程自動切換單元自動轉(zhuǎn)換量程，量程自動切換單元接到濾波單元，濾波單元接到運算放大單元，運算放大單元輸出連接到CPU，由CPU進行分析處理。顯示單元、SD存儲卡，打印機，菜單操作旋鈕都連到CPU。
系統(tǒng)選頻濾波功能主要由CPU基于小波變換算法進行高速分析運算而實現(xiàn)。該系統(tǒng)選頻范圍為接近工頻的40-70HZ，頻率步進IHz任意可選。該系統(tǒng)同時選頻測量電壓，電流及兩者間的相位差，并可自動切換量程，可滿足很大范圍的測量。該系統(tǒng)選頻濾波前和濾波后的電壓、電流波形可顯示，可縮放，可存儲和導(dǎo)出。該系統(tǒng)使用了 SD卡作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，測試數(shù)據(jù)可存儲，可導(dǎo)出，可打印。最后應(yīng)說明的是顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之中。
權(quán)利要求
1.抗十萬倍干擾數(shù)字化選頻測量系統(tǒng)，其特征在于，其電壓測量功能前端電路由電壓測量端子，量程自動切換單元，濾波電路單元，隔離放大單元組成，其電流測量功能前端電路由電流測量端子，電流互感器，量程自動切換單元，濾波單元，運算放大單元組成，系統(tǒng)還包括CPU，顯示單元，菜單操作旋鈕，SD存儲卡，打印機單元。電壓測量端子的電壓信號輸入量程自動切換單元，CPU發(fā)出信號控制量程自動切換單元自動轉(zhuǎn)換量程，量程自動切換單元接到濾波單元，濾波單元接到隔離放大單元，隔離放大單元輸出連接到CPU，由CPU進行分析處理。電流測量端子的電流信號經(jīng)過電流互感器輸入到量程自動切換單元，CPU發(fā)出信號控制量程自動切換單元自動轉(zhuǎn)換量程，量程自動切換單元接到濾波單元，濾波單元接到運算放大單元，運算放大單元輸出連接到CPU，由CPU進行分析處理。顯示單元、SD存儲卡，打印機，菜單操作旋鈕都連到CPU。
2.如權(quán)利要求I所述抗十萬倍干擾數(shù)字化選頻測量系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)選頻濾波功能主要由CPU基于小波變換算法進行高速分析運算而實現(xiàn)。
3.如權(quán)利要求I所述抗十萬倍干擾數(shù)字化選頻測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)選頻范圍為接近工頻的40-70HZ，頻率步進IHz任意可選。
4.如權(quán)利要求I所述抗十萬倍干擾數(shù)字化選頻測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)同時選頻測量電壓，電流及兩者間的相位差，并可自動切換量程，可滿足很大范圍的測量。
5.如權(quán)利要求I所述抗十萬倍干擾數(shù)字化選頻測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)選頻濾波前和濾波后的電壓、電流波形可顯示，可縮放，可存儲和導(dǎo)出。
6.如權(quán)利要求I所述抗十萬倍干擾數(shù)字化選頻測量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)使用了SD卡作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，測試數(shù)據(jù)可存儲，可導(dǎo)出，可打印。
全文摘要
抗十萬倍干擾數(shù)字化選頻測量系統(tǒng)，涉及測量技術(shù)領(lǐng)域。其電壓測量功能前端電路由電壓測量端子，量程自動切換單元，濾波電路單元，隔離放大單元組成，CPU發(fā)出信號控制量程自動切換單元自動轉(zhuǎn)換量程，量程自動切換單元接到濾波單元，濾波單元接到隔離放大單元，隔離放大單元輸出連接到CPU。電流測量端子的電流信號經(jīng)過電流互感器輸入到量程自動切換單元，CPU發(fā)出信號控制量程自動切換單元自動轉(zhuǎn)換量程，量程自動切換單元接到濾波單元，濾波單元接到運算放大單元，運算放大單元輸出連接到CPU，由CPU進行分析處理。本發(fā)明能實現(xiàn)±1Hz抗十萬倍干擾的選頻測量，在電氣測量領(lǐng)域，特別是在強干擾背景下的電力系統(tǒng)測試領(lǐng)域有著重要的用途。
文檔編號G01R19/25GK102645577SQ20121013462
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月3日
發(fā)明者余月仙 申請人:上海大帆電氣設(shè)備有限公司