專利名稱：交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號采集裝置及處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交流電源均流輸入系統(tǒng)，尤其是一種交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號采集裝置及其處理方法。
背景技術(shù)：
在電力系統(tǒng)領(lǐng)域，交流電源均流輸入系統(tǒng)是指將將多個交流電流輸入至一條母線上，此時如果不對這些交流電流進(jìn)行均流控制或者均流控制不準(zhǔn)確，則會造成母線上總電流對其中一個或者多個交流電源進(jìn)行電流的反灌，從而導(dǎo)致對應(yīng)的交流電源提供裝置燒毀。如圖I所示，傳統(tǒng)的交流電源均流輸入系統(tǒng)通常由第一電流采樣模塊、第二電流米樣模塊、第一電壓米樣模塊、第二電壓米樣模塊和微處理器組成，其中第一電流米樣模塊、第一電壓采樣模塊分別用于采集N個交流電源的電流和電壓并發(fā)送給微處理器；微處理器用于對該N個交流電源進(jìn)行均流控制，并輸出N個均流電源；第二電流采樣模塊、第二電壓采樣模塊分別用于采集對應(yīng)均流電源的電流和電壓并發(fā)送給微處理器。由此可見，傳統(tǒng)的交流電源均流輸入系統(tǒng)僅對交流電源和均流電源進(jìn)行整體采樣，使得微處理器對交流電源的均流控制精度較低。此外，微處理器僅對各交流電源的電流、電壓以及各均流電源的電流、電壓進(jìn)行簡單的濾波處理，這就導(dǎo)致頻率、相位的檢測極為不精確，如果微處理器在此基礎(chǔ)上按照諸如PID控制的方法對交流電源進(jìn)行均流控制，則控制精度比較低，很容易導(dǎo)致負(fù)載燒毀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號采集裝置，分別對交流電源和均流電源的每一單相電源進(jìn)行電流和電壓采集，使采集到的信號更加準(zhǔn)確，從而提高了微處理器對多個交流電源的均流控制精度。本發(fā)明的另一目的是提供一種交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號處理方法，可以精確地檢測交流電源和均流電源中每一單相電源的幅值、頻率和相位,從而進(jìn)一步提高微處理器對多個交流電源的均流控制精度，防止負(fù)載燒毀。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號采集裝置，包括微處理器，其特征在于還包括3*N個第一電流米樣模塊、3*N個第一電壓米樣模塊、3*N個第二電流采樣模塊和3*N個第二電壓采樣模塊，N為大于零的整數(shù)，其中每一交流電源中單相電源均分別通過一個第一電流米樣模塊、一個第一電壓米樣模塊連接該微處理器；所述第一電流采樣模塊用于采集對應(yīng)交流電源中單相電源的電流并發(fā)送給微處理器，且所述第一電壓采樣模塊用于采集對應(yīng)交流電源中單相電源的電壓并發(fā)送給微處理器；所述微處理器用于對該N個交流電源進(jìn)行均流控制，并輸出N個均流電源，且每一均流電源中單相電源均分別通過一個第二電流采樣模塊、一個第二電壓采樣模塊連接該微處理器；所述第二電流采樣模塊用于采集對應(yīng)均流電源中單相電源的電流并發(fā)送給微處理器，且所述第二電壓采樣模塊用于采集對應(yīng)均流電源中單相電源的電壓并發(fā)送給微處理器。該第一電流采樣模塊和第二電流采樣模塊均包括電流采樣電路，該電流采樣電路由濾波線圈、第二電阻(R2)、第一極性電容(Cl)、第二極性電容(C2)、開關(guān)器件(Q)和二極管(D)，其中該濾波線圈等效于串聯(lián)的電感(L)和第一電阻(R1)，該電感(L)的自由端通過第二電阻(R2)連接第一極性電容(Cl)的正 極且該第一極性電容(Cl)的負(fù)極接地，該第一電阻(Rl)的自由端連接第二極性電容(C2)的正極且該第二極性電容(C2)的負(fù)極接地；該電感(L)的自由端連接二極管⑶的正極且二極管⑶的負(fù)極接地，且該電感(L)的自由端通過該開關(guān)器件(Q)接收交流電源或者均流電源中對應(yīng)單相電源的電流；由于電感(L)上的電流込即為待采樣電流，因此根據(jù)公式I jR+U2 = U1, R表示第一電阻Rl的電阻值，U2表不第二極性電容(C2)上的電壓值,U1表不第一極性電容(Cl)上的電壓值，在第一電阻(Rl)的電阻值R—定的情況下，僅需測量第一電容(Cl)和第二電容(C2)上的電壓值，通過微處理器計(jì)算即可獲得交流電源或者均流電源中對應(yīng)單相電源的電流值。該第一電壓采樣模塊和第二電壓采樣模塊均選用電壓互感器。本發(fā)明還提供一種基于權(quán)利要求I所述交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號采集裝置的信號處理方法，包括微處理器、3*N個第一電流米樣模塊、3*N個第一電壓米樣模塊、3*N個第二電流采樣模塊和3*N個第二電壓采樣模塊，N為大于零的整數(shù)，其中每一交流電源中單相電源均分別通過一個第一電流米樣模塊、一個第一電壓米樣模塊連接該微處理器；所述第一電流采樣模塊用于采集交流電源中對應(yīng)單相電源的電流并發(fā)送給微處理器，且所述第一電壓采樣模塊用于采集交流電源中對應(yīng)單相電源的電壓并發(fā)送給微處理器；所述微處理器用于對該N個交流電源進(jìn)行均流控制，并輸出N個均流電源，且每一均流電源中單相電源均分別通過一個第二電流采樣模塊、一個第二電壓采樣模塊連接該微處理器；所述第二電流采樣模塊用于采集對應(yīng)均流電源中單相電源的電流并發(fā)送給微處理器，且所述第二電壓采樣模塊用于采集對應(yīng)均流電源中單相電源的電壓并發(fā)送給微處理器；其特征在于該微處理器還分別對該N個交流電源中每一單相電源的電流、電壓以及該N個均流電源中每一單相電源的電流、電壓進(jìn)行處理，從而分別獲得電流和電壓的幅值、頻率和相位，交流電源或者均流電源中單相電源的電流和電壓信號處理過程按照以下步驟進(jìn)行A、分別對電流和電壓信號進(jìn)行數(shù)字混頻、窗函數(shù)濾波和傅里葉變換，由此獲得電流和電壓信號的幅值；B、分別對經(jīng)步驟A處理后的電流和電壓信號分頻段濾波，實(shí)現(xiàn)了電流和電壓信號頻率的濾波，由此獲得電流和電壓信號的頻率，并分別對經(jīng)步驟A處理后的電流和電壓信號進(jìn)行全通濾波，實(shí)現(xiàn)了電流和電壓信號相位的濾波；C、分別對經(jīng)全通濾波后的電流和電壓信號進(jìn)行雙閉環(huán)數(shù)字控制；D、分別對經(jīng)步驟C處理后的電流和電壓信號采用改進(jìn)的過零點(diǎn)檢測方法進(jìn)行鎖相；
E、分別對經(jīng)鎖相后的電流信號和電壓信號進(jìn)行濾波處理，轉(zhuǎn)換成矩形方波，并將電流信號的矩形方波與電壓信號的矩形方波進(jìn)行異或處理，測量經(jīng)異或處理后波形的寬度，獲得微處理器的定時計(jì)數(shù)值T0，根據(jù)公式φζΤΟ.Τ^ Ο/Τ計(jì)算出該單相電源的相位，其中Tc表示微處理器的指令周期，T表示交流電源的周期。該步驟A中將數(shù)字混頻時所需的正弦值和余弦值中至少一個、窗函數(shù)濾波時所需的窗函數(shù)以及傅里葉變換時所需的蝶形運(yùn)算存儲在存儲單元中，在數(shù)字混頻、窗函數(shù)濾波和傅里葉變換過程中從存儲單元中直接調(diào)用。該步驟A中分別對電流和電壓信號進(jìn)行數(shù)字混頻、窗函數(shù)濾波和傅里葉變換的過程均包括以下步驟Al、將信號送入FIFO隊(duì)列中，判斷FIFO隊(duì)列是否半滿如果判定該FIFO隊(duì)列未半滿則將FIFO隊(duì)列中的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且從該存儲單元中調(diào)取數(shù)字混頻時所需的正弦值或者余弦值，對該數(shù)字形式的信號進(jìn)行數(shù)字混頻；A2、對數(shù)字混頻后的信號進(jìn)行CIC濾波并抽取D個單位長度為Mx的信號，其中該傅里葉變換的二進(jìn)制長度M = Mx*D，D為大于零的整數(shù)；A3、判斷抽取的信號長度是否> M :如果抽取的信號長度> M則調(diào)取存儲單元中的窗函數(shù)，對抽取的信號進(jìn)行加窗處理，即窗函數(shù)濾波；如果抽取的信號長度< M則結(jié)束操作；A4、從存儲單元中調(diào)取蝶形運(yùn)算，對經(jīng)加窗處理后的信號進(jìn)行復(fù)數(shù)形式的傅里葉變換。在該步驟Al中如果判定該FIFO隊(duì)列半滿則進(jìn)一步判斷信號的頻率是否發(fā)生變化如果信號的頻率發(fā)生變化則自動選取適應(yīng)的分辨帶寬，根據(jù)該分辨帶寬重新計(jì)算出傅里葉變換的二進(jìn)制長度M，并且根據(jù)該二進(jìn)制長度M獲取新窗函數(shù)和蝶形運(yùn)算因子，從而更新存儲單元中的窗函數(shù)和蝶形運(yùn)算；如果信號的頻率未發(fā)生變化則不更新窗函數(shù)和蝶形運(yùn)算。在該步驟B中在分別對經(jīng)步驟A處理后的電流和電壓信號進(jìn)行全通濾波時增加了模糊控制方法。在步驟B中分別對經(jīng)步驟A處理后的電流和電壓信號分頻段濾波時，信號在各頻段分別按照以下步驟選擇適應(yīng)的濾波器進(jìn)行濾波處理BI、判斷信號在一頻段是否要求線性頻率響應(yīng)如果要求線性頻率響應(yīng)則選擇有限沖擊響應(yīng)濾波器進(jìn)行濾波處理；如果不要求線性頻率響應(yīng)則進(jìn)一步判斷信號在該頻段是否允許多頻帶濾波；B2、如果信號在該頻段不允許多頻帶濾波則進(jìn)一步判斷是否要求窄過渡帶如果要求窄過渡帶則選擇高階巴特沃思濾波器進(jìn)行濾波處理，否則選擇低階巴特沃思濾波器進(jìn)行濾波處理；如果信號在該頻段允許多頻帶濾波則進(jìn)一步判斷是否要求盡可能窄的過渡區(qū)域如果要求盡可能窄的過渡區(qū)域則選擇橢圓濾波器進(jìn)行濾波處理，如果不要求盡可能窄的過渡區(qū)域則進(jìn)一步判斷是否允許通帶中有紋波；B3、如果信號在該頻段不允許通帶中有紋波則選擇切比雪夫II濾波器進(jìn)行濾波處理；如果信號在該頻段允許通帶中有紋波則進(jìn)一步判斷是否允許窄帶中有紋波；B4、如果信號在該頻段不允許窄帶中有紋波則選擇切比雪夫?yàn)V波器進(jìn)行濾波處理；如果信號在該頻段允許窄帶中有紋波則進(jìn)一步判斷是否允許多頻帶濾波；B5、如果信號在該頻段允許多頻帶濾波則選擇橢圓濾波器進(jìn)行濾波處理；如果信號在該頻段不允許多頻帶濾波則選擇無限沖擊響應(yīng)濾波器進(jìn)行濾波處理。在該步驟B5中該無限沖擊響應(yīng)濾波器的濾波處理過程由以下步驟組成B50、對信號進(jìn)行非線性修正擬合處理，由此提高了無限沖擊響應(yīng)濾波器濾波精度；B51、將擬合信號與采樣信號組合并對該組合信號進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算出該信號的頻率參數(shù)；B52、對該信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理并對數(shù)字形式的信號進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算出該信號的頻率相適應(yīng)的采樣頻率；B53、判斷采樣頻率是否發(fā)生變化如果采樣頻率發(fā)生變換則更新信號的采樣頻率，并重新采樣信號；B53、對重新采樣的信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理，并對數(shù)字形式的信號進(jìn)行功率頻譜和數(shù)值積分處理；B54、對經(jīng)功率頻譜和數(shù)值積分處理后的信號的質(zhì)量進(jìn)行檢測如果質(zhì)量滿足要求則結(jié)束濾波；如果質(zhì)量不滿足要求則對信號進(jìn)行加權(quán)處理，并重復(fù)步驟B53 B54。綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是1、傳統(tǒng)的交流電源均流輸入系統(tǒng)中通常僅對交流電源和均流電源進(jìn)行整體采樣，本發(fā)明中該信號采集裝置分別對交流電源和均流電源的各單相電源的電流、電壓進(jìn)行采樣，采集到的信號更加準(zhǔn)確，從而提高了微處理器對交流電源的均流控制精度；2、該信號采集裝置的第一電流采樣模塊和第二電流采樣模塊中增加了電流采樣電路，由于電感上的電流込即為待采樣電流，因此根據(jù)公式I jR+U2 = U1, R表示第一電阻Rl的電阻值，U2表不第二極性電容C2上的電壓值，U1表不第一極性電容上的電壓值,在第一電阻的電阻值R—定的情況下，僅需測量第一電容和第二電容上的電壓值，通過微處理器計(jì)算即可獲得交流電源或者均流電源中對應(yīng)單相電源的電流值，該電流采樣電路將電流采樣轉(zhuǎn)換為電壓檢測，使得該電流采樣方法更加簡單、無損耗且成本低；3、該信號處理方法中在檢測幅值時采用對信號進(jìn)行數(shù)字混頻、窗函數(shù)濾波和傅里葉變換，使得幅值的檢測更加精確；在檢測頻率時采用分頻段濾波的形式，使得頻率的檢測更加精確；在檢測相位時采用全通濾波的形式，在鎖相之前進(jìn)行雙閉環(huán)數(shù)字控制，提高了鎖相精度，在鎖相時采用改進(jìn)的過零點(diǎn)檢測方法，實(shí)現(xiàn)了相位的精確鎖相，并且在鎖相之后將單相電源的電流信號和電壓信號轉(zhuǎn)換成矩形方波并進(jìn)行異或處理，測量經(jīng)異或處理后波形的寬度，獲得微處理器的定時計(jì)數(shù)值T0，根據(jù)公式(p = T0.TC.360/T計(jì)算出該單相電源的相位，其中Tc表示微處理器的指令周期，T表示交流電源的周期，由此避免了在電流信號和電壓信號采集過程中由于非線性因素而出現(xiàn)畸變；
4、在對信號進(jìn)行數(shù)字混頻、窗函數(shù)濾波和傅里葉變換的過程中，將數(shù)字混頻時所需的正弦值和余弦值中至少一個、窗函數(shù)濾波時所需的窗函數(shù)以及傅里葉變換時所需的蝶形運(yùn)算存儲在存儲單元中，在數(shù)字混頻、窗函數(shù)濾波和傅里葉變換過程中從存儲單元中直接調(diào)用，不必單獨(dú)為這些程序開辟內(nèi)存，節(jié)約了內(nèi)存資源，降低了硬件成本，并且在執(zhí)行時不必逐一讀取這些程序，大大提高了程序的執(zhí)行效率；5、在對信號進(jìn)行數(shù)字混頻、窗函數(shù)濾波和傅里葉變換的過程中，在信號的頻率發(fā)生變換時自動選用適應(yīng)的分辨帶寬，從而獲得新窗函數(shù)和蝶形運(yùn)算因子，根據(jù)信號頻率對窗函數(shù)進(jìn)行更新，不僅可以在傅里葉變換中更好地識別該信號頻率，而且可以防止計(jì)算時間過長，即提高傅里葉變換的速度，并且根據(jù)信號頻率對蝶形運(yùn)算進(jìn)行更新，提高了傅里葉變換計(jì)算的準(zhǔn)確度；6、在對信號進(jìn)行全通濾波的過程中增加了模糊控制方法，從而提高了全通濾波的控制精度以及控制指令的實(shí)時性；7、在對信號分頻段濾波過程中，信號在各頻段選擇最適應(yīng)的濾波器進(jìn)行濾波處理，并且在無限沖擊響應(yīng)濾波器無法對信號進(jìn)行濾波處理時由有限沖擊響應(yīng)濾波器進(jìn)行濾波處理，彌補(bǔ)了無限沖擊響應(yīng)濾波器的不足，使得信號可以實(shí)現(xiàn)完全的數(shù)字濾波處理，從而提高了濾波精度，提高了信號頻率檢測的準(zhǔn)確性；8、對無限沖擊響應(yīng)濾波器的濾波處理過程進(jìn)行了改進(jìn)，增加了采樣頻率自動校正技術(shù)，使得該無限沖擊響應(yīng)濾波器具有自適應(yīng)功能，并且增加了數(shù)值積分技術(shù)，使得無限沖擊響應(yīng)濾波器的濾波處理的可靠性增加。


本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中圖I是傳統(tǒng)交流電源均流輸入系統(tǒng)的電路原理圖；圖2是本發(fā)明中信號采集裝置的電路原理圖；圖3是本發(fā)明中第一電流采樣模塊和第二電路采樣模塊的電路圖；圖4是本發(fā)明中信號處理方法的整體流程圖；圖5是本發(fā)明中信號數(shù)字混頻、窗函數(shù)濾波和傅里葉變換的流程圖；圖6是本發(fā)明中信號在各頻段選擇適應(yīng)的濾波器的流程圖；圖7是本發(fā)明中無限沖擊響應(yīng)濾波器的濾波處理過程的流程圖。
具體實(shí)施例方式本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。 如圖2所示，該交流電源均流輸出裝置由3*N個第一電流采樣模塊、3*N個第一電壓米樣模塊、3*N個第二電流米樣模塊、3*N個第二電壓米樣模塊和微處理器組成,N為大于零的整數(shù)，其中每一交流電源中單相電源均分別通過一個第一電流采樣模塊、一個第一電壓采樣模塊連接該微處理器；第一電流采樣模塊用于采集對應(yīng)交流電源中單相電源的電流并發(fā)送給微處理器，且所述第一電壓采樣模塊用于采集對應(yīng)交流電源中單相電源的電壓并發(fā)送給微處理器；微處理器用于對該交流電源進(jìn)行均流控制，并輸出N個均流電源，且每一均流電源的每一相均分別通過一個第二電流采樣模塊、一個第二電壓采樣模塊連接該微處理器；第二電流采樣模塊用于采集對應(yīng)均流電源中單相電源的電流并發(fā)送給微處理器，且第二電壓采樣模塊用于采集對應(yīng)均流電源中單相電源的電壓并發(fā)送給微處理器。本發(fā)明中該信號采集裝置分別采集交流電源以及均流電源每一單相電源的電流和電壓，從而為微處理器對交流電源進(jìn)行均流控制提供更加精確的數(shù)據(jù)依據(jù)，從而提高了交流電源的均流控制精度。如圖3所示，該第一電流采樣模塊和第二電流采樣模塊均由電流互感器、電流采樣電路、放大電路和限幅電路組成，其中該電流互感器的輸入端用于接收交流電源或者均流電源中對應(yīng)單相電源的電流。該電流采樣電路由濾波線圈、第二電阻R2、第一極性電容Cl、第二極性電容C2、開關(guān)器件Q和二極管D，其中該濾波線圈等效于串聯(lián)的電感L和第一電阻Rl，該電感L的自由端通過第二電阻R2連接第一極性電容Cl的正極且該第一極性電容Cl的負(fù)極接地，該第一電阻Rl的自由端連接第二極性電容C2的正極且該第二極性電容C2的負(fù)極接地；該電感L的自由端連接二極管D的正極且二極管D的負(fù)極接地，且該電感L的自由端通過該開關(guān)器件Q輸入待采樣電流。在該電流采樣電路中WR+U2 = UfIa^R'其中UpL分別表示電感L上的電壓值、電流值，R表不第一電阻Rl的電阻值，U2表不第二極性電容C2上的電壓值,U1表不第一極性電容Cl上的電壓值，Ici表不第一電容Cl上的電流值，R’表不第二電阻R2的電阻值。由于電感L上電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值為0，即隊(duì)=0，且第一電容Cl在一個開關(guān)周期內(nèi)充放電電流的平均值為0，即Ia = 0，則上述公式可以表示為I jR+U2 = U1,由于電感L上的電流k即為待采樣電流，因此在第一電阻Rl的電阻值R—定的情況下，僅需測量第一電容Cl和第二電容C2上的電壓值，通過微處理器計(jì)算即可獲得交流電源或者均流電源中對應(yīng)單相電源的電流值。 上述電流采樣電路將電流采樣轉(zhuǎn)換為電壓檢測，使得該電流采樣方法更加簡單、無損耗且成本低。此外，在本發(fā)明的第一實(shí)施例中該開關(guān)器件Q選用MOSFET管，該電感L的自由端連接該MOSFET管的源極，該MOSFET管的漏極用于接收待采樣電流且柵極用于接收控制信號，實(shí)現(xiàn)MOSFET管的導(dǎo)通與斷開。應(yīng)注意的是該開關(guān)器件Q還可以采用IGBT管、功率三極管及其他功率開關(guān)器件。此外，本發(fā)明中該第一電壓采樣模塊和第二電壓采樣模塊選用電壓互感器。本發(fā)明中微處理器還分別對該交流電源中每一單相電源的電流、電壓以及該多個均流電源中每一單相電源的電流、電壓進(jìn)行處理，從而分別獲得電流和電壓的幅值、頻率和相位。交流電源或者均流電源中單相電源的電流和電壓信號處理過程按照以下步驟進(jìn)行，如圖4所示。第一步、分別對電流和電壓信號進(jìn)行數(shù)字混頻、窗函數(shù)濾波和傅里葉變換，由此獲得該單相電源中電流和電壓信號的幅值。在第一步中將數(shù)字混頻時所需的正弦值和余弦值中至少一個、窗函數(shù)濾波時所需的窗函數(shù)以及傅里葉變換時所需的蝶形運(yùn)算存儲在存儲單元中，在數(shù)字混頻、窗函數(shù)濾波和傅里葉變換過程中只需從存儲單元中直接調(diào)用即可，不必單獨(dú)為這些程序開辟內(nèi)存，節(jié)約了內(nèi)存資源，降低了硬件成本，并且在執(zhí)行時不必逐一讀取這些程序，大大提高了程序的執(zhí)行效率。具體地，第一步中分別對電流和電壓信號進(jìn)行數(shù)字混頻、窗函數(shù)濾波和傅里葉變換的過程均由以下步驟組成，如圖5所示Al、將信號送入FIF0(First Input First Output,先入先出)隊(duì)列中，判斷該FIFO隊(duì)列是否半滿如果判定該FIFO隊(duì)列未半滿則將 FIFO隊(duì)列中的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并從存儲單元中調(diào)取數(shù)字混頻時所需的正弦值或者余弦值，對該數(shù)字形式的信號進(jìn)行數(shù)字混頻；如果判定該FIFO隊(duì)列半滿則進(jìn)一步判斷信號的頻率是否發(fā)生變化如果信號的頻率發(fā)生變化則自動選取適應(yīng)的分辨帶寬，根據(jù)該分辨帶寬重新計(jì)算出傅里葉變換的二進(jìn)制長度M，并且根據(jù)該二進(jìn)制長度M獲取新窗函數(shù)以及新蝶形運(yùn)算因子，從而更新存儲單元中的窗函數(shù)和蝶形運(yùn)算；如果信號的頻率未發(fā)生變化則不更新窗函數(shù)和蝶形運(yùn)算。在傅里葉變換過程中分辨帶寬越大，傅里葉變換的二進(jìn)制長度M越??；分辨帶寬越小，傅里葉變換的二進(jìn)制長度M越大。然而，如果分辨帶寬過大則會導(dǎo)致在頻譜中不易區(qū)分各頻率，且如果分辨帶寬過小則會導(dǎo)致計(jì)算時間過長，因此選用適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)顯得非常重要。步驟Al在信號的頻率發(fā)生變換時自動選用適應(yīng)的分辨帶寬，從而獲得新窗函數(shù)和蝶形運(yùn)算因子，根據(jù)信號頻率對窗函數(shù)進(jìn)行更新，不僅可以在傅里葉變換中更好地識別該信號頻率，而且可以防止計(jì)算時間過長，即提高傅里葉變換的速度，并且根據(jù)信號頻率對蝶形運(yùn)算進(jìn)行更新，提高了傅里葉變換計(jì)算的準(zhǔn)確度。A2、對數(shù)字混頻后的信號進(jìn)行CIC (Cascaded Intergrator Comb,級聯(lián)積分梳狀濾波器)濾波，并抽取D個單位長度為Mx的信號，其中傅里葉變換的二進(jìn)制長度M = Mx*D，D為大于零的整數(shù)且可以人為設(shè)定，本發(fā)明中該D取4。A3、判斷抽取的信號長度是否> M :如果抽取的信號長度> M則調(diào)取存儲單元中的窗函數(shù)，對抽取的信號進(jìn)行加窗處理，即窗函數(shù)濾波；如果抽取的信號長度< M,則結(jié)束操作。A4、從存儲單元中調(diào)取蝶形運(yùn)算，對經(jīng)加窗處理后的信號進(jìn)行復(fù)數(shù)形式的傅里葉變換。第二步、分別對經(jīng)第一步處理后的電流和電壓信號進(jìn)行全通濾波，實(shí)現(xiàn)了電流和電壓信號相位的濾波；并且對經(jīng)第一步處理后的電流和電壓信號分頻段濾波，實(shí)現(xiàn)了電流和電壓信號頻率的濾波，由此獲得電流和電壓信號的頻率。具體地，第二步中在對經(jīng)第一步處理后的信號進(jìn)行全通濾波時增加了模糊控制算法，從而提高了全通濾波的控制精度以及控制指令的實(shí)時性。由于模糊控制算法為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知技術(shù)，因此在此不予累述。具體地，第二步中在對經(jīng)第一步處理后的電流和電壓信號分頻段濾波時，信號在各頻段分別按照以下步驟選擇適應(yīng)的濾波器進(jìn)行濾波處理，如圖6所示BI、判斷信號在一頻段是否要求線性頻率響應(yīng)如果要求線性頻率響應(yīng)則選擇有限沖擊響應(yīng)濾波器(即FIR濾波器)進(jìn)行濾波處理；如果不要求線性頻率響應(yīng)則進(jìn)一步判斷信號在該頻段是否允許多頻帶濾波；
B2、如果信號在該頻段不允許多頻帶濾波則進(jìn)一步判斷是否要求窄過渡帶如果要求窄過渡帶則選擇高階巴特沃思濾波器進(jìn)行濾波處理，否則選擇低階巴特沃思濾波器進(jìn)行濾波處理；如果信號在該頻段允許多頻帶濾波則進(jìn)一步判斷是否要求盡可能窄的過渡區(qū)域如果要求盡可能窄的過渡區(qū)域則選擇橢圓濾波器進(jìn)行濾波處理，如果不要求盡可能窄的過渡區(qū)域則進(jìn)一步判斷是否允許通帶中有紋波；B3、如果信號在該頻段不允許通帶中有紋波則選擇切比雪夫II濾波器進(jìn)行濾波處理；如果信號在該頻段允許通帶中有紋波則進(jìn)一步判斷是否允許窄帶中有紋波；
B4、如果信號在該頻段不允許窄帶中有紋波則選擇切比雪夫?yàn)V波器進(jìn)行濾波處理；如果信號在該頻段允許窄帶中有紋波則進(jìn)一步判斷是否允許多頻帶濾波；B5、如果信號在該頻段允許多頻帶濾波則選擇橢圓濾波器進(jìn)行濾波處理；如果信號在該頻段不允許多頻帶濾波則選擇無限沖擊響應(yīng)濾波器(即IIR濾波器)進(jìn)行濾波處理。在步驟B中并非對經(jīng)步驟A處理后的信號進(jìn)行單一濾波，而是分頻段濾波，在各頻段選擇最適應(yīng)的濾波器進(jìn)行濾波處理，并且在無限沖擊響應(yīng)濾波器無法對信號進(jìn)行濾波處理時由有限沖擊響應(yīng)濾波器進(jìn)行濾波處理，彌補(bǔ)了無限沖擊響應(yīng)濾波器的不足，使得信號可以實(shí)現(xiàn)完全的數(shù)字濾波處理，從而提高了濾波精度，提高了信號頻率檢測的準(zhǔn)確性。應(yīng)注意的是上述有限沖擊響應(yīng)濾波器、高階巴特沃思濾波器、低階巴特沃思濾波器、橢圓濾波器、切比雪夫II濾波器、比雪夫?yàn)V波器和無限沖擊響應(yīng)濾波器均為成熟技術(shù)，在此不予累述。此外，為了提高有限沖擊響應(yīng)濾波器的濾波速度，本發(fā)明對有限沖擊響應(yīng)濾波器輸出的信號進(jìn)行正弦變換或者余弦變換。為了提高無限沖擊響應(yīng)濾波器的濾波精度和效率，增加自適應(yīng)能力且提高濾波的可靠性，本發(fā)明改進(jìn)了無限沖擊響應(yīng)濾波器。如圖7所示，在步驟B5中該無限沖擊響應(yīng)濾波器的濾波處理過程由以下步驟組成B50、對信號進(jìn)行非線性修正擬合處理，由此提高了無限沖擊響應(yīng)濾波器濾波精度；B51、將擬合信號與采樣信號組合并對該組合信號進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算出該信號的頻率參數(shù)；B52、對該信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理并對數(shù)字形式的信號進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算出該信號的頻率相適應(yīng)的采樣頻率；B53、判斷采樣頻率是否發(fā)生變化如果采樣頻率發(fā)生變換則更新信號的采樣頻率，并重新采樣信號；B53、對重新采樣的信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理，并對數(shù)字形式的信號進(jìn)行功率頻譜和數(shù)值積分處理；B54、對經(jīng)功率頻譜和數(shù)值積分處理后的信號的質(zhì)量進(jìn)行檢測如果質(zhì)量滿足要求則結(jié)束濾波；如果質(zhì)量不滿足要求則對信號進(jìn)行加權(quán)處理，并重復(fù)步驟B53 B54。在無限沖擊響應(yīng)濾波器的濾波處理過程中增加了采樣頻率自動校正技術(shù)，使得該無限沖擊響應(yīng)濾波器具有自適應(yīng)功能，并且增加了數(shù)值積分技術(shù)，使得無限沖擊響應(yīng)濾波器的濾波處理的可靠性增加。第三步，分別對在第二步中經(jīng)全通濾波后的電流和電壓信號進(jìn)行雙閉環(huán)數(shù)字控制，以輸入相位為基準(zhǔn)值，輸出相位為采樣值進(jìn)行比較，通過該雙閉環(huán)數(shù)字控制，使得輸出相位跟蹤輸入相位，從而保證相位實(shí)時穩(wěn)定、精確地鎖相。由于雙閉環(huán)數(shù)字控制為本領(lǐng)域普通技術(shù)人員熟知技術(shù)，因此在此不予累述。第四步、分別對經(jīng)第三步處理后的電流和電壓信號采用改進(jìn)的過零點(diǎn)檢測方法進(jìn)行鎖相。傳統(tǒng)的過零點(diǎn)檢測方法易受高頻干擾信號的影響，無法準(zhǔn)確檢測過零點(diǎn)，因此本發(fā)明采用改進(jìn)的過零點(diǎn)檢測方法?！闱闆r下，設(shè)所測某單相基波相電壓幅值為U1、初相位為Φ1，角頻率為ω。將擾動表示成高頻信號的疊加，η次高頻分量的幅值為Un、初相位為Φη，則此相電壓表示為
權(quán)利要求
1.一種交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號采集裝置，包括微處理器，其特征在于還包括3*N個第一電流采樣模塊、3*N個第一電壓采樣模塊、3*N個第二電流采樣模塊和3*N個第二電壓采樣模塊，N為大于零的整數(shù)，其中每一交流電源中單相電源均分別通過一個第一電流采樣模塊、一個第一電壓采樣模塊連接該微處理器； 所述第一電流采樣模塊用于采集對應(yīng)交流電源中單相電源的電流并發(fā)送給微處理器，且所述第一電壓采樣模塊用于采集對應(yīng)交流電源中單相電源的電壓并發(fā)送給微處理器； 所述微處理器用于對該N個交流電源進(jìn)行均流控制，并輸出N個均流電源，且每一均流電源中單相電源均分別通過一個第二電流采樣模塊、一個第二電壓采樣模塊連接該微處理器； 所述第二電流采樣模塊用于采集對應(yīng)均流電源中單相電源的電流并發(fā)送給微處理器，且所述第二電壓采樣模塊用于采集對應(yīng)均流電源中單相電源的電壓并發(fā)送給微處理器。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號采集裝置，其特征在于該第一電流采樣模塊和第二電流采樣模塊均包括電流采樣電路，該電流采樣電路由濾波線圈、第二電阻(R2)、第一極性電容(Cl)、第二極性電容(C2)、開關(guān)器件(Q)和二極管(D)，其中該濾波線圈等效于串聯(lián)的電感(L)和第一電阻(R1)，該電感(L)的自由端通過第二電阻(R2)連接第一極性電容(Cl)的正極且該第一極性電容(Cl)的負(fù)極接地，該第一電阻(Rl)的自由端連接第二極性電容(C2)的正極且該第二極性電容(C2)的負(fù)極接地；該電感(L)的自由端連接二極管(D)的正極且二極管(D)的負(fù)極接地，且該電感(L)的自由端通過該開關(guān)器件(Q)接收交流電源或者均流電源中對應(yīng)單相電源的電流； 由于電感(L)上的電流込即為待采樣電流，因此根據(jù)公式IjIHU2 = U1, R表示第一電阻Rl的電阻值，U2表不第二極性電容(C2)上的電壓值，U1表不第一極性電容(Cl)上的電壓值，在第一電阻(Rl)的電阻值R—定的情況下，僅需測量第一電容(Cl)和第二電容(C2)上的電壓值，通過微處理器計(jì)算即可獲得交流電源或者均流電源中對應(yīng)單相電源的電流值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號采集裝置，其特征在于該第一電壓米樣模塊和第二電壓米樣模塊均選用電壓互感器。
4.一種基于權(quán)利要求I所述交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號采集裝置的信號處理方法，包括微處理器、3*N個第一電流米樣模塊、3*N個第一電壓米樣模塊、3*N個第二電流米樣模塊和3*N個第二電壓采樣模塊，N為大于零的整數(shù)，其中每一交流電源中單相電源均分別通過一個第一電流米樣模塊、一個第一電壓米樣模塊連接該微處理器； 所述第一電流采樣模塊用于采集交流電源中對應(yīng)單相電源的電流并發(fā)送給微處理器，且所述第一電壓采樣模塊用于采集交流電源中對應(yīng)單相電源的電壓并發(fā)送給微處理器； 所述微處理器用于對該N個交流電源進(jìn)行均流控制，并輸出N個均流電源，且每一均流電源中單相電源均分別通過一個第二電流采樣模塊、一個第二電壓采樣模塊連接該微處理器； 所述第二電流采樣模塊用于采集對應(yīng)均流電源中單相電源的電流并發(fā)送給微處理器，且所述第二電壓采樣模塊用于采集對應(yīng)均流電源中單相電源的電壓并發(fā)送給微處理器； 其特征在于該微處理器還分別對該N個交流電源中每一單相電源的電流、電壓以及該N個均流電源中每一單相電源的電流、電壓進(jìn)行處理，從而分別獲得電流和電壓的幅值、頻率和相位，交流電源或者均流電源中單相電源的電流和電壓信號處理過程按照以下步驟進(jìn)行 A、分別對電流和電壓信號進(jìn)行數(shù)字混頻、窗函數(shù)濾波和傅里葉變換，由此獲得電流和電壓信號的幅值； B、分別對經(jīng)步驟A處理后的電流和電壓信號分頻段濾波，實(shí)現(xiàn)了電流和電壓信號頻率的濾波，由此獲得電流和電壓信號的頻率，并分別對經(jīng)步驟A處理后的電流和電壓信號進(jìn)行全通濾波，實(shí)現(xiàn)了電流和電壓信號相位的濾波； C、分別對經(jīng)全通濾波后的電流和電壓信號進(jìn)行雙閉環(huán)數(shù)字控制； D、分別對經(jīng)步驟C處理后的電流和電壓信號采用改進(jìn)的過零點(diǎn)檢測方法進(jìn)行鎖相； E、分別對經(jīng)鎖相后的電流信號和電壓信號進(jìn)行濾波處理，轉(zhuǎn)換成矩形方波，并將電流信號的矩形方波與電壓信號的矩形方波進(jìn)行異或處理，測量經(jīng)異或處理后波形的寬度，獲得微處理器的定時計(jì)數(shù)值T0，根據(jù)公式φζΤΟ.Τ^ Ο/Τ計(jì)算出該單相電源的相位，其中Tc表示微處理器的指令周期，T表示交流電源的周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號處理方法，其特征在于該步驟A中將數(shù)字混頻時所需的正弦值和余弦值中至少一個、窗函數(shù)濾波時所需的窗函數(shù)以及傅里葉變換時所需的蝶形運(yùn)算存儲在存儲單元中，在數(shù)字混頻、窗函數(shù)濾波和傅里葉變換過程中從存儲單元中直接調(diào)用。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號處理方法，其特征在于該步驟A中分別對電流和電壓信號進(jìn)行數(shù)字混頻、窗函數(shù)濾波和傅里葉變換的過程均包括以下步驟 Al、將信號送入FIFO隊(duì)列中，判斷FIFO隊(duì)列是否半滿如果判定該FIFO隊(duì)列未半滿則將FIFO隊(duì)列中的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且從該存儲單元中調(diào)取數(shù)字混頻時所需的正弦值或者余弦值，對該數(shù)字形式的信號進(jìn)行數(shù)字混頻； A2、對數(shù)字混頻后的信號進(jìn)行CIC濾波并抽取D個單位長度為Mx的信號，其中該傅里葉變換的二進(jìn)制長度M = Mx*D，D為大于零的整數(shù)； A3、判斷抽取的信號長度是否SM:如果抽取的信號長度SM則調(diào)取存儲單元中的窗函數(shù)，對抽取的信號進(jìn)行加窗處理，即窗函數(shù)濾波； 如果抽取的信號長度< M則結(jié)束操作； A4、從存儲單元中調(diào)取蝶形運(yùn)算，對經(jīng)加窗處理后的信號進(jìn)行復(fù)數(shù)形式的傅里葉變換。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號處理方法，其特征在于在該步驟Al中如果判定該FIFO隊(duì)列半滿則進(jìn)一步判斷信號的頻率是否發(fā)生變化如果信號的頻率發(fā)生變化則自動選取適應(yīng)的分辨帶寬，根據(jù)該分辨帶寬重新計(jì)算出傅里葉變換的二進(jìn)制長度M，并且根據(jù)該二進(jìn)制長度M獲取新窗函數(shù)和蝶形運(yùn)算因子，從而更新存儲單元中的窗函數(shù)和蝶形運(yùn)算； 如果信號的頻率未發(fā)生變化則不更新窗函數(shù)和蝶形運(yùn)算。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的交流電源軍力輸出系統(tǒng)的信號處理方法，其特征在于在該步驟B中在分別對經(jīng)步驟A處理后的電流和電壓信號進(jìn)行全通濾波時增加了模糊控制方法。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號處理方法，其特征在于在步驟B中分別對經(jīng)步驟A處理后的電流和電壓信號分頻段濾波時，信號在各頻段分別按照以下步驟選擇適應(yīng)的濾波器進(jìn)行濾波處理 BI、判斷信號在一頻段是否要求線性頻率響應(yīng)如果要求線性頻率響應(yīng)則選擇有限沖擊響應(yīng)濾波器進(jìn)行濾波處理；如果不要求線性頻率響應(yīng)則進(jìn)一步判斷信號在該頻段是否允許多頻帶濾波； B2、如果信號在該頻段不允許多頻帶濾波則進(jìn)一步判斷是否要求窄過渡帶如果要求窄過渡帶則選擇高階巴特沃思濾波器進(jìn)行濾波處理，否則選擇低階巴特沃思濾波器進(jìn)行濾波處理； 如果信號在該頻段允許多頻帶濾波則進(jìn)一步判斷是否要求盡可能窄的過渡區(qū)域如果要求盡可能窄的過渡區(qū)域則選擇橢圓濾波器進(jìn)行濾波處理，如果不要求盡可能窄的過渡區(qū)域則進(jìn)一步判斷是否允許通帶中有紋波； B3、如果信號在該頻段不允許通帶中有紋波則選擇切比雪夫II濾波器進(jìn)行濾波處理；如果信號在該頻段允許通帶中有紋波則進(jìn)一步判斷是否允許窄帶中有紋波； B4、如果信號在該頻段不允許窄帶中有紋波則選擇切比雪夫?yàn)V波器進(jìn)行濾波處理；如果信號在該頻段允許窄帶中有紋波則進(jìn)一步判斷是否允許多頻帶濾波； B5、如果信號在該頻段允許多頻帶濾波則選擇橢圓濾波器進(jìn)行濾波處理；如果信號在該頻段不允許多頻帶濾波則選擇無限沖擊響應(yīng)濾波器進(jìn)行濾波處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號處理方法，其特征在于在該步驟B5中該無限沖擊響應(yīng)濾波器的濾波處理過程由以下步驟組成 B50、對信號進(jìn)行非線性修正擬合處理，由此提高了無限沖擊響應(yīng)濾波器濾波精度； B51、將擬合信號與采樣信號組合并對該組合信號進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算出該信號的頻率參數(shù)； B52、對該信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理并對數(shù)字形式的信號進(jìn)行頻譜分析，計(jì)算出該信號的頻率相適應(yīng)的采樣頻率； B53、判斷采樣頻率是否發(fā)生變化如果采樣頻率發(fā)生變換則更新信號的采樣頻率，并重新采樣信號； B53、對重新采樣的信號進(jìn)行數(shù)字濾波處理，并對數(shù)字形式的信號進(jìn)行功率頻譜和數(shù)值 積分處理； B54、對經(jīng)功率頻譜和數(shù)值積分處理后的信號的質(zhì)量進(jìn)行檢測如果質(zhì)量滿足要求則結(jié)束濾波；如果質(zhì)量不滿足要求則對信號進(jìn)行加權(quán)處理，并重復(fù)步驟B53 B54。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種交流電源均流輸入系統(tǒng)的信號采集裝置及處理方法，屬于交流電源均流輸出領(lǐng)域。該信號采集裝置分別對交流電源和均流電源的每一單相電源進(jìn)行電流和電壓采集，使采集到的信號更加準(zhǔn)確，從而提高了微處理器對交流電源的均流控制精度，且該信號處理方法可以精確地檢測交流電源和均流電源中每一單相電源的幅值、頻率和相位，從而進(jìn)一步提高微處理器對交流電源的均流控制精度，防止負(fù)載燒毀。
文檔編號G01R23/06GK102621373SQ20121009681
公開日2012年8月1日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者唐林, 熊開蘭, 謝鋒, 鄭武強(qiáng), 郭鋒, 陳柄燁 申請人:重慶安諧新能源技術(shù)有限公司