功率測量的通道交換試驗智能判斷方法

2023-07-21 14:11:41

專利名稱：功率測量的通道交換試驗智能判斷方法
技術領域：
本發明涉及電力系統中與高壓線路保護配合的繼電保護領域，判斷高壓電力線為主的通道交換試驗智能判斷方法和裝置，還涉及電力系統中與高壓線路保護配合的繼電保護專用電力線載波的參數判斷方法及裝置-收發信機，尤其是電力線載波收發信機和線路保護構成的高頻閉鎖式保護方法。

背景技術：
通常電力線載波收發信機和線路保護一起構成高頻閉鎖式保護需要通過以高壓電力線為主的通道來傳送高頻閉鎖信號，因此通道是否正常對高頻閉鎖式保護是十分重要的。為了保證通道正常，現場運行人員需要每天做通道交換試驗來檢測通道的好壞。通常運行人員判斷通道交換試驗的好壞主要是通過觀察收發信機功率表頭的搖擺，並且看收發信機的3dB告警燈是否亮，或者還有的需要看保護裝置變位情況等等。這些方法存在很多的不便，首先運行人員需要觀察多個量後才能判斷通道是否正常，其次人為判斷容易引起漏判和誤判的現象。
通道功率電平是收發信機另外一個很重要的指標，運行人員往往一方面需要知道通道功率電平來判斷通道的好壞，另一方面需要知道通道功率電平來知道收發信機發信電平和起動電平，並且通道功率電平值還是收發信機「收信」輸出和「3dB告警」輸出產生的依據，因此如果能夠提供具有功率實時測量功能的收發信機，則大大方便了現場運行和維護人員。
所述高頻閉鎖信號實質為單一頻率的正弦波信號，對於發信端收發信機而言發出正確頻率的正弦波信號是至關重要的，如果收發信機功率放大器放大的信號頻率和線路濾波器的頻率不一致，則會有信號發不出來的情況，或者發信端收發信機發出的頻率和收信端收發信機的頻率不一致則會造成收信端收發信機沒有辦法收到信號的情況。目前國內的收發信機產生頻率的方法通常有兩種，一種是使用基於鎖相環的頻率合成方式，另外一種是基於數字頻率直接合成(DDS)的方式，但如果裝置運行過程中出現頻率合成有問題的情況(如正弦波頻率因為器件老化等發生改變或者因為晶片損壞根本沒有正弦信號生成)，收發信機沒有提供相應措施來進行判斷，這時如果發生區外輸電線路故障則會造成保護裝置誤動的情況。


發明內容
本發明提供了一種能夠實時測量通道功率的方法，為了使收發信機對產生或者接收的頻率能夠進行實時監測，本發明還提供了能夠實時測量所產生信號頻率的一種方法，防止特定情況下產生錯誤的發信頻率。本發明克服現行人工判斷通道交換試驗帶來的不足，提供一種功率智能判斷通道交換試驗的方法，這種方法不需要運行人員參與通道交換試驗的判斷，只需要等待收發信機在液晶上給出通道交換試驗的結果，如果通道交換試驗失敗則還顯示出失敗的原因。
本發明所採用的功率測量技術方案是一種功率測量的通道交換試驗智能判斷方法。進行通道功率測量首先將被測量的正弦信號衰減後和本地載頻進行混頻得到差頻頻率為0.5-10M區間內的某個整數頻率信號；如1MHz的正弦信號，然後採用中心頻率為整數頻率信號(如1MHz)窄帶濾波器濾除其它頻率成分並提取出測量所需要的1MHz信號，再對1MHz頻率正弦信號進行精密整流和峰值提取後得到直流電平，根據正弦信號功率和整流得到直流電平值的關係，就通過採樣直流電平來測量出正弦信號的功率。
再由發信機端進行頻率測量，將頻率為X(KHz)的正弦波經過一個比較器整形後得到一個頻率為X(KHz)的方波信號，而後經過一個分頻係數為Z的分頻器，對同頻率的方波進行分頻產生低頻率的方波，就可以得到頻率為Y(KHz)的方波信號；再對低頻率的方波周期進行精確時間測量，通過測量低頻率方波周期得到的時間和分頻器分頻的倍數還原正弦波頻率；在測量低頻率方波周期過程中，設置一個計數器，此計數器在方波的上升沿清零並開始計數，當下一個方波的上升沿到來時計數器將計數值保存到另一個寄存器後再次清零並進行下一輪的計數；設計數器每加1所用的時間為K，寄存器保存下來的計數值為M，則得到 (1) 又知X＝Y*Z(2) 由(1)和(2)有 這樣就得到了所需要測量的頻率X。
所述的通道交換試驗智能判斷方法，是用收發信機的微處理器定時對收發信機開關量「收信」和「發信」進行採樣，通過這兩個開關量和收發信機通道交換試驗的邏輯進行對比，再對照通道試驗過程中有無通道3dB跌落告警產生，判斷通道交換試驗的成敗。
所述方法的步驟包括 1)微處理器通過對開入量「發信」進行判斷，如果「發信」為1的時間為200±10毫秒，則認為通道交換試驗開始； 2)當微處理器認為通道交換試驗開始後，對開入「發信」和開出「收信」進行連續監視，如果「收信」滿足連續15.2±0.2秒為1，並且「發信」量在「收信」為1的最後10±0.1秒時間內也為1，則判斷通道交換試驗邏輯完成； 3)當步驟2)完成後，微處理器查看在「收信」為1的時間內，如果沒有通道3dB跌落告警，則最終判定整個通道交換試驗成功；如果步驟2)中判斷通道交換試驗邏輯沒有完成或有通道3dB跌落告警中任意一個不滿足，則判定通道交換試驗失敗。
4)當通道交換試驗開始，並且整個通道交換試驗的判斷過程完成後，微處理器會輸出判斷的結果以及由「通道電平」、「發信」和「收信」組成的錄波波形，如果通道交換試驗失敗則還輸出具體失敗的原因。
通道功率測量採用的技術方案是首先將被測量的正弦信號衰減成小信號後和本地載頻進行混頻得到頻率為1MHz的正弦信號，然後採用中心頻率為1MHz窄帶濾波器濾除其它頻率成分並提取出測量所需要的1MHz信號，再對1MHz頻率正弦信號進行精密整流和峰值提取後得到直流電平，根據正弦信號功率和整流得到直流電平值的關係，就可以通過採樣直流電平來測量出正弦信號的功率。
本發明有益效果是使收發信機能夠對通道功率和頻率進行實時監測和檢測，收發信機能夠在運行過程中頻率出錯的情況下及時恢復設定的頻率，如果無法恢復可以產生告警通知運行人員，避免了由於頻率錯誤可能導致的嚴重後果，大大提高了收發信機的可靠性；通道功率估計功能可以方便地測量收發信機的發信電平、起動電平和收信電平，使工作人員直接以數位化方式得到通道口的功率電平，而不需要再藉助於專門測量儀器，大大簡化了現場運行人員和維護人員的工作流程。
本發明判斷通道交換試驗的成敗，用微機智能判斷的方法可以簡化運行人員工作。



圖1頻率測量實現原理圖。
圖2為比較器在噪聲作用下發生翻轉現象示意圖。
圖3為帶滯回特性的比較器，A點為下降沿產生的比較電平值，B點為上升沿產生的比較電平值。
圖4是頻率測量過程中由計數器測量方波信號周期時帶來誤差示意圖。
圖5是頻率測量的一種具體實現方案。
圖6為功率測量實現原理圖。
圖7為精密整流效果圖。
圖8為峰值提取效果圖。
圖9為混頻過程中隨著輸入信號幅值變化，輸出信號幅值並不一定隨著輸入信號呈線形變化而產生的非線形情況。
圖10為收發信機通道交換試驗發信和收信開關量標準時序圖 圖11為本發明判斷通道交換試驗開始的示意圖 圖12為本發明判斷通道交換試驗邏輯是否完成的示意圖 圖13是本發明3dB電平跌落告警的判斷時間區域 圖14是本發明通道交換試驗判斷後顯示界面示意圖 圖中A，B為輸電線路兩側的收發信機，A為通道交換試驗的發起端，時間單位為毫秒或者秒。
圖15是電路圖
具體實施例方式 下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。
通道交換試驗採用微處理器智能判斷的方法，對頻率測量的誤差的修正方法上面的測量是在不考慮誤差理想情況下進行的。分析一下誤差引入的可能性，首先實際過程中需要被測量頻率的正弦波並不一定波形很好，如果採用一般比較迴路稍微有噪聲就會造成頻繁翻轉的現象，使整形出來的方波和原來正弦波頻率完全不一致，參見圖2所示，可以看到在綠色橫線處由於正弦波波形對於零點發生了翻轉造成整形出來的波形也發生了翻轉，於是正弦波和整形出來的方波頻率完全不一致，測量出來的頻率大大偏離了真實值。
為了解決這個問題可以採用滯回比較方法，這種方法使比較器產生上升沿和下降沿的比較電壓不一樣，兩個比較電壓的差值稱為滯回窗口，參見圖3所示，比較器下降沿在A點處產生，上升沿在B點處產生，滯回窗口為|A-B|，在滯回窗口的作用下比較器抗擾動能力大大增強，使頻率測量精度有很大提高。
另外一方面在頻率測量過程中引入誤差的是方波周期測量過程。計數器是根據一定的頻率來計數的，所以用計數器進行周期測量時會有一個最小解析度。參見圖4設計數器每加1所用的時間為T，被測量的方波實際周期為t3-t1，由計數器測量得到的方波周期tm為 tm＝t2-t1＝{2+4-(n+1)}*T＝3T(4) 可以看到引入的誤差為Δt＝t3-t2(5) 從圖4中可以看出由計數器引起的誤差Δt最大值趨向於T，而不會大於等於T，不考慮其它誤差可以得到正弦波測量出來的頻率fm為 取Δt為極限情況T，則有 式(7)說明如果計數器計數的間隔時間只要足夠小，即T→0，則測量出來的頻率fm可以無限趨近於被測正弦波真實頻率。圖5為實現頻率測量時所採用的具體電路方案，其中分頻器用FPGA來實現，而周期測量使用帶捕獲功能的DSP來實現。
功率測量方法在中華人民共和國電力行業標準DL/T 524-2002中規定，收發信機的不平衡輸入/輸出阻抗為75Ω，所以可以通過測量電壓的方式完成功率測量。由於收發信機一般發送和接收的功率比較大(一般大於等於10W)，所以對通道上的信號不能直接進行處理，必須將其衰減為小信號後再進行處理。圖6中的衰減器就是實現了這個功能，頻率為X(KHz)(DL/T 524-2002中規定X不大於400)的正弦信號衰減後和頻率為(1000-X)(KHz)的正弦信號進行混頻，產生頻率為1MHz的正弦信號，通過中心頻率為1MHz的窄帶濾波器，濾除其它不需要頻率分量，再將1MHz的正弦信號通過精密整流電路和峰值提取電路轉化為直流電壓，最後經A/D採樣後送往DSP進行處理，整個流程見圖6所示。
之所以混頻產生1MHz的信號，是因為這樣做可以使用一個固定中心頻率的窄帶濾波器完成所有的濾波要求，當所測量的正弦波信號頻率發生改變時，需要做的工作只是將本地混頻信號頻率相應改變，這是非常容易做到的，而窄帶濾波器無需做任何變動，大大降低了對濾波器的要求。正弦信號通過精密整流電路整流為頻率為原來2倍的信號，然後再提取整流後信號的峰值，可以使峰值的提取更為容易一些。通過對功率估計迴路加入已知信號的方法測得補償曲線，對直流電平進行補償，可以提高通道功率估計的準確性。
理論推導為設通道信號為Asin2πfXt，本地混頻信號為Bsin2πfYt，其中fX+FY＝1MHz，兩信號混頻後有 當通過中心頻率為1MHz的窄帶濾波器後(8)式變為 從(9)式可以知道混頻後1MHz波形峰值設測量得到的峰值為VMP，又因為B為已知值，因此有 上面推導說明如果知道混頻後1MHz正弦信號的峰值，就很容易將通道上信號功率測量出來。
提取1MHz正弦信號峰值通過兩個步驟完成，首先將1MHz正弦信號通過精密整流電路整流為2MHz頻率的信號，如圖7所示。然後再提取2MHz信號的峰值，這樣做可以使峰值的提取更為容易一些，如圖8所示。
在實際實現過程中，因為混頻器的線性範圍有限，如圖9，虛線為理想混頻器輸入輸出特性曲線，而實線為真實混頻器的特性曲線，所以必須要做一定的處理才能將原信號復原。首先通過對功率測量迴路加入已知信號的方法測得補償曲線，然後如圖6中所示經過採樣後的直流電平通過測得的補償曲線在DSP中進行補償，之後就可以通過式(10)得到所測量信號的峰值，進而得到測量信號的功率。
在本發明中，對通道交換試驗判據採用了微處理器智能判斷的方法來完成。圖10為收發信機完成通道交換試驗的發信和收信開關量的標準時序圖，其中A，B為輸電線路兩側的收發信機，陰影部分是A，B兩臺收發信機共同發信的時段，在這個時序圖中A為通道交換試驗的發起端。由標準時序圖，本發明提出智能判斷通道交換試驗結果的方法有三個步驟。1)微處理器通過對開入量「發信」進行判斷，如果「發信」為1的時間為200±10毫秒(正負10毫秒是因為考慮到各個廠家由於計時不精確而引起的誤差，後同)，則認為收發信機通道交換試驗開始；如圖11所示。2)當微處理器認為通道交換試驗開始後，對開入「發信」和開出「收信」進行連續監視，如果「收信」滿足連續15.2±0.2秒為1，並且「發信」量在「收信」為1的最後10±0.1秒時間內也為1，則判斷通道交換試驗邏輯完成；如圖12。3)當條件2滿足後，微處理器查看在「收信」為1的時間內，有沒有通道3dB跌落告警，如果沒有則最終判定整個通道交換試驗成功。如圖13所示。只要條件2和3中任意一個不滿足，則通道交換試驗就會被判定失敗。當條件1滿足，並且整個通道交換試驗的判斷過程完成後，微處理器會在和其連接的液晶屏上顯示判斷的結果以及由「通道電平」、「發信」和「收信」組成的錄波波形，如果通道交換試驗判定失敗則還顯示出具體失敗的原因，如圖14所示。
參考附圖圖10中，t1＝200ms；t2＝5.2s；t3＝10s；t4＝10s；t5＝15.2s 圖12中，t1＝200ms；如果t5＝14.80s，則通道交換試驗失敗；t5＝15.10s，t3＝9.7s，則通道交換試驗失敗；如果t5＝15.10s，t3＝9.93s，則通道交換試驗成功。圖13中，t1、t3、t5均滿足步驟2)中的要求時，並且在時間t5內，沒有通道3dB跌落告警，則通道交換試驗成功。
如圖15所示收發信機在通道試驗過程中，通道上頻率為X(KHz)，X≤400的信號衰減後和頻率為(1000-X)(KHz)的信號混頻然後經過中心頻率為1MHz的窄帶濾波器得到1MHz的信號，1MHz的信號通過精密整流和峰值提取後得到直流電平並被採樣，採樣數據送往DSP進行通道信號功率估計，DSP用估計出來的通道功率和用戶設定的通道功率值進行比較，如果估計出來的通道功率比用戶設定的通道功率值小3dB以上，則3dB跌落告警(3dBWarning)開關量為1，否則為0。峰值提取後的直流電平同時還有一路送往比較器，和設定好的裝置起動電平比較，當直流信號大於裝置起動電平收信輸出開關量RCV為1，否則為0。開入發信信號經過隔離後(TX)和RCV及3dBWarning一樣送往FPGA，在FPGA中進行防抖動處理，並形成FPGA中寄存器相應位的值。
在整個通道試驗過程中，DSP通過定時讀取FPGA來監測TX、RCV和3dBWarning的值，並根據監測到的值判斷出整個通道試驗是否正常，將判斷後的結果和波形通過LCD人機接口顯示給用戶，而整個過程不需要用戶參與，做到了智能的效果。
置於通道發信機或收信機的信號處理單元，衰減器、混頻器、窄帶濾波器、整流電路和峰值提取電路、A/D和微處理器或CPU構成，裝置起動電平發生器，另設有現場可編程控制器FPGA或CPLD，比較器，以下述方式連接，通道信號按序接衰減器、混頻器、窄帶濾波器、整流電路和峰值提取電路(電路構成、A/D轉換電路型號、DSP微處理器或CPU型號見圖15)，所述峰值提取電路的輸出和裝置起動電平分別接比較器輸入端，比較器(運放)輸出端連接現場可編程控制器FPGA或CPLD，FPGA或CPLD的數據埠和控制埠連接微處理器或CPU的相應端接口連接；微處理器或CPU的輸出埠連接顯示器；發信機或收信機的信號輸入或輸出端通過一隔離器連接FPGA或CPLD型號的數據輸入端。
權利要求
1.一種功率測量的通道交換試驗智能判斷方法，其特徵是進行通道功率測量首先將被測量的正弦信號衰減後和本地載頻進行混頻得到差頻頻率為0.5-10M區間內的某個整數頻率信號；如1MHz的正弦信號，然後採用中心頻率為整數頻率信號(如1MHz)窄帶濾波器濾除其它頻率成分並提取出測量所需要的1MHz信號，再對1MHz頻率正弦信號進行精密整流和峰值提取後得到直流電平，根據正弦信號功率和整流得到直流電平值的關係，就通過採樣直流電平來測量出正弦信號的功率。
2.根據權利要求1所述的功率測量的通道交換試驗智能判斷方法，其特徵是再發信機端進行頻率測量，將頻率為X(KHz)的正弦波經過一個比較器整形後得到一個頻率為X(KHz)的方波信號，而後經過一個分頻係數為Z的分頻器，對同頻率的方波進行分頻產生低頻率的方波，就可以得到頻率為Y(KHz)的方波信號；再對低頻率的方波周期進行精確時間測量，通過測量低頻率方波周期得到的時間和分頻器分頻的倍數還原正弦波頻率；在測量過程中，設置一個計數器，此計數器在方波的上升沿清零並開始計數，當下一個方波的上升沿到來時計數器將計數值保存到另一個寄存器後再次清零並進行下一輪的計數；設計數器每加1所用的時間為K，寄存器保存下來的計數值為M，則得到
又知
X＝Y*Z(2)
由(1)和(2)有
這樣就得到了所需要測量的頻率X。
3.根據權利要求1或2所述的功率測量的通道交換試驗智能判斷方法，其特徵是把收發信機的微處理器定時對收發信機開關量「收信」和「發信」進行採樣，通過這兩個開關量和收發信機通道交換試驗的邏輯進行對比，再對照通道試驗過程中有無通道3dB跌落告警產生，判斷通道交換試驗的成敗。
4.根據權利要求3所述的功率測量的通道交換試驗智能判斷方法，其特徵是所述方法的步驟包括
1)微處理器通過對開入量「發信」進行判斷，如果「發信」為1的時間為200±10毫秒，則認為通道交換試驗開始；
2)當微處理器認為通道交換試驗開始後，對開入「發信」和開出「收信」進行連續監視，如果「收信」滿足連續15.2±0.2秒為1，並且「發信」量在「收信」為1的最後10±0.1秒時間內也為1，則判斷通道交換試驗邏輯完成；
3)當步驟2)完成後，微處理器查看在「收信」為1的時間內，沒有通道3dB跌落告警，則最終判定整個通道交換試驗成功；如果步驟2)中判斷通道交換試驗邏輯沒有完成或有通道3dB跌落告警中任意一個不滿足，則判定通道交換試驗失敗。
4)當通道交換試驗開始，並且整個通道交換試驗的判斷過程完成後，微處理器會輸出判斷的結果以及由「通道電平」、「發信」和「收信」組成的錄波波形，如果通道交換試驗失敗則還輸出具體失敗的原因，
5.根據權利要求2所述的功率測量的通道交換試驗智能判斷方法，其特徵是頻率測量中對誤差的修正方法採用滯回比較方法，比較器產生上升沿和下降沿的比較電壓不一樣，兩個比較電壓的差值稱為滯回窗口如果比較器下降沿在A點處產生，上升沿在B點處產生，滯回窗口為|A-B|，在滯回窗口的作用下增強比較器抗擾動能力。
6.根據權利要求2所述的功率測量的通道交換試驗智能判斷方法，其特徵是計數器計數的間隔時間只要足夠小，即T→0，則測量出來的頻率fm可以無限趨近於被測正弦波真實頻率；其中分頻器用FPGA來實現，而周期測量使用帶捕獲功能的DSP來實現。
7.根據權利要求1所述的功率測量的通道交換試驗智能判斷方法，其特徵是功率測量方法是採用頻率為X(KHz)的正弦信號衰減後和頻率為(1000-X)(KHz)的正弦信號進行混頻，產生頻率為1MHz的正弦信號，通過中心頻率為1MHz的窄帶濾波器，濾除其它不需要頻率分量，再將1MHz的正弦信號通過精密整流電路和峰值提取電路轉化為直流電壓，最後經A/D採樣後送往DSP進行處理；其中提取1MHz正弦信號峰值通過兩個步驟完成，首先將1MHz正弦信號通過精密整流電路整流為2MHz頻率的信號，再提取2MHz信號的峰值。
8.根據權利要求7所述的功率測量的通道交換試驗智能判斷方法，其特徵是經處理將原信號復原。首先通過對功率測量迴路加入已知信號的方法測得補償曲線，然後經過採樣後的直流電平通過測得的補償曲線在DSP中進行補償，之後就可以通過式(10)得到所測量信號的峰值，進而得到測量信號的功率。
全文摘要
功率測量的通道交換試驗智能判斷方法，先進行通道功率測量首先將被測量的正弦信號衰減後和本地載頻進行混頻得到差頻頻率為0.5-10M區間內的某個整數頻率信號；如1MHz的正弦信號，然後採用中心頻率為整數頻率信號(如1MHz)窄帶濾波器濾除其它頻率成分並提取出測量所需要的1MHz信號，再對1MHz頻率正弦信號進行精密整流和峰值提取後得到直流電平，根據正弦信號功率和整流得到直流電平值的關係，就通過採樣直流電平來測量出正弦信號的功率。再在發信機端進行頻率測量。
文檔編號H02J13/00GK101150261SQ200710025358
公開日2008年3月26日 申請日期2007年7月25日 優先權日2007年7月25日
發明者朱繼紅, 馮亞東, 戚朝銀 申請人:南京南瑞繼保電氣有限公司