專利名稱：用離散傅里葉變換算法優(yōu)化計(jì)算輸入數(shù)據(jù)樣本的控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自動(dòng)控制方法，具體涉及自動(dòng)控制的方法和自動(dòng)控制裝置。

背景技術(shù)：
控制裝置對(duì)可控裝置施加約束或引導(dǎo)作用。在其操作期間，自動(dòng)控制裝置通常接收一個(gè)或多個(gè)輸入?yún)?shù)并根據(jù)所接收的輸入?yún)?shù)輸出一種或多種控制函數(shù)?？刂坪瘮?shù)進(jìn)一步被輸入可控裝置并且它們對(duì)可控裝置的操作起作用。一種控制裝置可控制若干可控裝置，并且一個(gè)可控裝置可以由一個(gè)或多個(gè)控制裝置來(lái)控制。控制裝置的輸入?yún)?shù)可源于其中可控裝置作為一部分的過(guò)程或者它們是比如作為控制命令或作為另一個(gè)過(guò)程的輸出參數(shù)從外部被輸入控制過(guò)程的。
在自動(dòng)控制裝置中，輸入?yún)?shù)通常由一系列的采樣的數(shù)據(jù)導(dǎo)出。文獻(xiàn)NUMERICAL RECIPES IN CTHE ART OF SCIENTIFICCOMPUTING(ISBN 0-521-43108-5)版權(quán)1988-1992，劍橋大學(xué)出版社，pp.496-510提供了快速傅里葉變換的基本原理，并且所涉及的頁(yè)通過(guò)引用被結(jié)合在此。
計(jì)算是以可描述的物理過(guò)程的理解為基礎(chǔ)的，該描述是在時(shí)域內(nèi)通過(guò)作為時(shí)間t的函數(shù)的某個(gè)量h的值來(lái)進(jìn)行的，或者在其中過(guò)程可被詳細(xì)描述的頻域內(nèi)通過(guò)指定作為頻率f的函數(shù)的其幅度H來(lái)進(jìn)行。借助于傅里葉變換方程，這兩種表述可能與另一個(gè)有關(guān) 在最典型的情形下，在時(shí)間上以均勻間隔對(duì)函數(shù)h(t)采樣，以使n個(gè)采樣值hn的序列為 hn＝h(nΔ)n＝...，-3，-2-1，0，1，2，3，...(2) 其中Δ為采樣率。通過(guò)離散求和可以逼近方程(1)的積分 據(jù)此 H(fn)≈ΔHn(4) 此時(shí) 在實(shí)際的解決方案中，與離散傅里葉變換有關(guān)的計(jì)算通過(guò)利用快速傅里葉變換(FFT)算法而被明顯減少。在FFT的第一部分，數(shù)據(jù)首先被整理成倒位序。FFT的第二部分具有被執(zhí)行l(wèi)og2N次并且又計(jì)算長(zhǎng)度為2、4、...、N的變換的外循環(huán)。對(duì)于過(guò)程的每一階段，兩個(gè)嵌套的內(nèi)循環(huán)包括已經(jīng)被計(jì)算的子變換和各變換的要素，以實(shí)現(xiàn)Danielson-Lanczos Lemma。FFT的這種變形被稱為時(shí)間抽選或Cooley-Tukey FFT算法。頻率抽選(Sande-Tukey)FFT算法首先對(duì)輸入數(shù)據(jù)執(zhí)行一組log2N迭代，然后將輸出值重新布置成倒位序。
在另一類FFT變量中，N的初始數(shù)據(jù)集被往下細(xì)分至比2的冪更小，例如N＝4(以4為基數(shù)的FFT)或N＝8(以8為基數(shù)的FFT)。通過(guò)利用特定N的特殊對(duì)稱的小部分優(yōu)化編碼進(jìn)行這些小的變換。比如，假定N＝4導(dǎo)致了三角正弦和余弦為0、+1、-1，到目前為止，這去除了乘法并留下加法和減法。以4為基數(shù)或以8為基數(shù)的FFT被認(rèn)為使計(jì)算的數(shù)量級(jí)減少至20％到30％。
自動(dòng)控制裝置的一個(gè)實(shí)例是電保護(hù)裝置。電保護(hù)裝置的通用目的是阻止或限制對(duì)所保護(hù)裝置的損害或者保護(hù)所保護(hù)裝置的服務(wù)使之免予中斷。在電路中，電流被快速改變并且功率可瞬間突增。因此，電驅(qū)動(dòng)裝置的供電總是配有能夠使裝置與來(lái)自供電的有害電瞬變現(xiàn)象隔離的一個(gè)或多個(gè)保護(hù)功能。在更基礎(chǔ)的裝置中，保護(hù)裝置通常是中繼裝置，該中繼裝置在現(xiàn)有電流或電壓電平超過(guò)預(yù)定閾值時(shí)被觸發(fā)。在更復(fù)雜的系統(tǒng)中，電流和電壓電平被嚴(yán)密監(jiān)控并且對(duì)通過(guò)監(jiān)控獲得的各種參數(shù)有響應(yīng)的保護(hù)功能被用來(lái)保護(hù)系統(tǒng)免受電源系統(tǒng)中的有害影響。
通常，電裝置被設(shè)計(jì)成可在正弦電壓下工作，并且對(duì)于精確的功能性，高度發(fā)展的系統(tǒng)還要求無(wú)故障電壓正確地工作。使電源系統(tǒng)中的電學(xué)品質(zhì)惡化的主要有害影響之一是諧波。根據(jù)其特性將諧波分成不同的分量(等級(jí)數(shù))。分量級(jí)別表示相對(duì)于基本頻率的諧波相位相量的旋轉(zhuǎn)方向。
在電壓的曲線形式或電流的曲線形式偏離正弦曲線時(shí)，可認(rèn)為它是由若干不同頻率的正弦信號(hào)組成的。通過(guò)利用上面的傅里葉分析通常將函數(shù)分解為其若干分量，諧波的數(shù)學(xué)處理是以此為基礎(chǔ)的。
在復(fù)雜的保護(hù)裝置中，以所述輸入?yún)?shù)為基礎(chǔ)確定保護(hù)功能的方法通常包含裝置的費(fèi)用和從接收輸入?yún)?shù)到輸出所確定的保護(hù)功能的響應(yīng)時(shí)間之間的平衡。在已知的保護(hù)裝置中，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)被認(rèn)為是用來(lái)處理所定義的輸入信號(hào)以及用來(lái)確定其上的保護(hù)功能的最強(qiáng)有力的工具。然而，與數(shù)字信號(hào)處理器有關(guān)的部件成本是相當(dāng)大，并且在復(fù)雜的系統(tǒng)中，由于數(shù)字信號(hào)處理器的數(shù)目導(dǎo)致的成本需要被優(yōu)化。
另一方面，嵌入系統(tǒng)促使多種可編程算法的并行使用。許多可變算法是可用的并且部件成本不會(huì)直接隨可操作的保護(hù)功能的數(shù)目的增加而增加。然而，完成計(jì)算次數(shù)是費(fèi)時(shí)的并且累積的響應(yīng)時(shí)間比實(shí)際需要的時(shí)間更長(zhǎng)，以便于適當(dāng)?shù)貙?shí)現(xiàn)保護(hù)功能。存在有許多其中僅僅是稍微超過(guò)可接受的響應(yīng)時(shí)間的情形，但是對(duì)于可靠性原因來(lái)說(shuō)，昂貴的DSP常常不會(huì)成為可編程算法范圍內(nèi)的優(yōu)選。
因此，與已知的電保護(hù)裝置相關(guān)聯(lián)的缺點(diǎn)之一是可用于根據(jù)各種不同輸入值來(lái)確定保護(hù)功能的機(jī)構(gòu)不會(huì)促進(jìn)考慮與可操作的保護(hù)功能有關(guān)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素的適當(dāng)優(yōu)化。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的因此是提供一種方法和用于實(shí)現(xiàn)該方法的設(shè)備以便減輕上述的缺點(diǎn)。本發(fā)明的目的通過(guò)其特征為獨(dú)立權(quán)利要求中所述的方法和控制裝置來(lái)達(dá)到。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例在從屬權(quán)利要求中被公開。
本發(fā)明是以適當(dāng)固定采樣的電流和/或電壓數(shù)據(jù)的數(shù)目以及基于對(duì)固定的系數(shù)的操作來(lái)優(yōu)化離散傅里葉變換算法的思想為基礎(chǔ)的。本發(fā)明方法和布置的優(yōu)點(diǎn)是它提供了比早期的一般編程解決方案明顯更短的響應(yīng)時(shí)間而未增加如傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理器一樣多的相關(guān)成本，并且因此使得電保護(hù)裝置中的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素之間的更靈活的優(yōu)化成為可能。



下面將參考附圖并借助于優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)地描述，其中 圖1是說(shuō)明按照本發(fā)明的控制裝置的操作環(huán)境的框圖； 圖2示意性說(shuō)明了圖1所示的、按照本發(fā)明第一實(shí)施例的控制裝置1的基本功能結(jié)構(gòu)； 圖3是說(shuō)明按照本發(fā)明的自動(dòng)控制方法的流程圖； 圖4說(shuō)明了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例。

具體實(shí)施例方式 作為按照本發(fā)明的控制裝置的實(shí)施例，下面借助于電動(dòng)機(jī)的電保護(hù)裝置對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述。自然地，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很顯然，所述解決方案可用于被布置成可在電流和/或電壓的測(cè)定值序列的基礎(chǔ)上監(jiān)控電源品質(zhì)的任何控制裝置，并且在測(cè)定值的基礎(chǔ)上用于實(shí)現(xiàn)控制功能以此控制被連接到所述電源的控制裝置的操作。
圖1是說(shuō)明按照本發(fā)明的控制裝置的操作環(huán)境的框圖。控制裝置1被連接至供給利用電操作的裝置3的電線2，其目的是為了實(shí)施操作泛函(operation functionality)F(x)4。操作泛函4可以是通過(guò)控制輸入6輸入的由控制函數(shù)f(x)5連續(xù)控制的連續(xù)操作，或者操作泛函4可以是通過(guò)所述控制輸入6輸入的由順序控制函數(shù)f(x)5觸發(fā)的階躍函數(shù)，或者是兩者的組合。應(yīng)當(dāng)注意的是，圖1只示出了用于說(shuō)明按照本發(fā)明的控制裝置的操作環(huán)境的必要元素。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)清楚的是，比如，復(fù)雜系統(tǒng)通常包含如圖1所示的多個(gè)輸入和輸出。
在其操作期間，控制裝置1通常接收輸入數(shù)據(jù)(x)7并且根據(jù)所接收的數(shù)據(jù)7輸出一個(gè)或多個(gè)控制函數(shù)f(x)5。被輸入控制裝置1的輸入數(shù)據(jù)7可源于其中可控裝置3作為一部分的控制過(guò)程，或者它是比如作為控制命令或作為從另一個(gè)過(guò)程輸出的參數(shù)從外部被輸入控制過(guò)程的。在這個(gè)第一實(shí)施例中，輸入數(shù)據(jù)x7包含電動(dòng)機(jī)的供電中順序測(cè)定的電流值，在下文中，其被稱為采樣的電流值。
在計(jì)算過(guò)程中，離散傅里葉變換的基本算法可被表述為 　　void dft(double*x,double*re,double*im,int N){　　 int k,n;　　 double a;　　 for(k=0;k＜N;k++){　　re[k]=0;　　im[k]=0;　　for(n=0;n＜N;n++){　　 a=k*n*PI2/N;　　 re[k]+=x[n]*cos(a);　　 im[k]-=x[n]*sin(a);　　}　　 }　　} 其中 x＝采樣的數(shù)據(jù) re＝變換的實(shí)值 im＝變換的虛值 N＝樣本數(shù) PI2＝2*pi 供電的電流電平被順序測(cè)量并且測(cè)定值被布置成N個(gè)樣本的數(shù)組。采樣率R被調(diào)節(jié)到供電的標(biāo)稱頻率f以使R＝fN。在本發(fā)明的這個(gè)第一實(shí)施例中，樣本數(shù)被調(diào)節(jié)至32，并且在標(biāo)稱頻率為50Hz的情況下，采樣率是1.6KHz。
通過(guò)調(diào)節(jié)樣本數(shù)N至2的冪的值，正弦和余弦函數(shù)具有可能非零絕對(duì)值的、N/4的相應(yīng)范圍。在本發(fā)明的這個(gè)第一實(shí)施例中，采樣率為32導(dǎo)致了正弦和余弦函數(shù)的八個(gè)不同的非零值。
r
＝cos(1*pi/16) r[1]＝cos(2*pi/16) r[2]＝cos(3*pi/16) … 在增加計(jì)算速度時(shí)，整數(shù)值通常是優(yōu)選的，并且因此所計(jì)算的值被標(biāo)度成具有快速移位計(jì)算的整數(shù)形式。在這個(gè)第一實(shí)施例中，利用因數(shù)214(16384)將正弦和余弦函數(shù)標(biāo)度成整數(shù)形式，據(jù)此形成下面的數(shù)組 r
＝cos(1*pi/16)*16384 r[1]＝cos(2*pi/16)*16384 r[2]＝cos(3*pi/16)*16384 … r[7]＝cos(7*pi/16)*16384 此后基本算法在綜合考慮系數(shù)r的基礎(chǔ)上被優(yōu)化。所述優(yōu)化包含除去費(fèi)時(shí)的三角函數(shù)計(jì)算，其中包含乘以零的運(yùn)算被丟棄，并且通過(guò)僅僅改變或保留采樣的值的符號(hào)去除了乘以-1或+1的乘法。所述優(yōu)化還優(yōu)選地包含定位包括共同因數(shù)r的單獨(dú)的方程，并將所述方程合并成乘以所組合的總和的乘法。基本算法的行被優(yōu)化地減少并被合并，在這個(gè)意義上相同的運(yùn)算只需要執(zhí)行一次。
在本發(fā)明的這個(gè)第一實(shí)施例中，32個(gè)x值的數(shù)組的優(yōu)化的傅里葉變換在C語(yǔ)言格式中可被表述為 　　#define SHIFT 14　　void ft32(int*x)　　{　　 unsigned char i,j;　　 int k[7]={16069,15137,13623,11585,9102,6270,3196};　　 int a[16],b[16],c[8],d[8],e[8],f[8],g[57];<!-- SIPO <DP n="6"> --><dp n="d6"/>　　for(i=0;i＜16;i++)　　{　　 j=i+16;　　 a[i]=x[i]+x[j];　　 b[i]=x[i]-x[j];　　}　　c
=a
+a[8];　　d
=a
-a[8];　　for(i=1;i＜8;i++)　　{　　 j=16-i;　　 c[i]=a[i]+a[j];　　 d[i]=a[i]-a[j];　　 e[i]=b[i]+b[j];　　 f[i]=b[i]-b[j];　　}　　g
=c
+c[4];　　g[1]=c[2]+c[6];　　g[2]=c[1]+c[3]+c[5]+c[7];　　g[3]=k
*f[1]＞＞SHIFT;　　g[4]=k
*e[7]＞＞SHIFT;　　g[5]=k
*f[5]＞＞SHIFT;　　g[6]=k
*e[3]＞＞SHIFT;　　g[7]=k
*f[3]＞＞SHIFT;　　g[8]=k
*e[5]＞＞SHIFT;　　g[9]=k
*f[7]＞＞SHIFT;　　g[10]=k
*e[1]＞＞SHIFT;　　g[11]=k[1]*f[2]＞＞SHIFT;　　g[12]=k[1]*e[6]＞＞SHIFT;　　g[13]=k[1]*f[6]＞＞SHIFT;　　g[14]=k[1]*e[2]＞＞SHIFT;　　g[15]=k[1]*(c[1]-c[7])＞＞SHIFT;　　g[16]=k[1]*(d[3]+d[5])＞＞SHIFT;　　g[17]=k[1]*(c[3]-c[5])＞＞SHIFT;　　g[18]=k[1]*(d[1]+d[7])＞＞SHIFT;　　g[19]=k[2]*f[3]＞＞SHIFT;　　g[20]=k[2]*e[5]＞＞SHIFT;　　g[21]=k[2]*f[1]＞＞SHIFT;　　g[22]=k[2]*e[7]＞＞SHIFT;　　g[23]=k[2]*f[7]＞＞SHIFT;<!-- SIPO <DP n="7"> --><dp n="d7"/>　　g[24]=k[2]*e[1]＞＞SHIFT;　　g[25]=k[2]*f[5]＞＞SHIFT;　　g[26]=k[2]*e[3]＞＞SHIFT;　　g[27]=k[3]*f[4＞＞SHIFT;　　g[28]=k[3]*e[4]＞＞SHIFT;　　g[29]=k[3]*(c[2]-c[6])＞＞SHIFT;　　g[30]=k[3]*(d[2]+d[6])＞＞SHIFT;　　g[31]=k[3]*(c[1]-c[3]-c[5]+c[7])＞＞SHIFT;　　g[32]=k[3]*(d[1]+d[3]-d[5]-d[7])＞＞SHIFT;　　g[33]=k[4]*f[5]＞＞SHIFT;　　g[34]=k[4]*e[3]＞＞SHIFT;　　g[35]=k[4]*f[7]＞＞SHIFT;　　g[36]=k[4]*e[1]＞＞SHIFT;　　g[37]=k[4]*f[1]＞＞SHIFT;　　g[38]=k[4]*e[7]＞＞SHIFF;　　g[39]=k[4]*f[3]＞＞SHIFT;　　g[40]=k[4]*e[5]＞＞SHIFT;　　g[41]=k[5]*f[6]＞＞SHIFT;　　g[42]=k[5]*e[2]＞＞SHIFT;　　g[43]=k[5]*f[2]＞＞SHIFT;　　g[44]=k[5]*e[6]＞＞SHIFT;　　g[45]=k[5]*(c[3]-c[5])＞＞SHIFT;　　g[46]=k[5]*(d[1]+d[7])＞＞SHIFT;　　g[47]=k[5]*(c[1]-c[7])＞＞SHIFT;　　g[48]=k[5]*(d[3]+d[5])＞＞SHIFT;　　g[49]=k[6]*f[7]＞＞SHIFT;　　g[50]=k[6]*e[1]＞＞SHIFT;　　g[51]=k[6]*f[3]＞＞SHIFT;　　g[52]=k[6]*e[5]＞＞SHIFT;　　g[53]=k[6]*f[5]＞＞SHIFT;　　g[54]=k[6]*e[3]＞＞SHIFT;　　g[55]=k[6]*f[1]＞＞SHIFT;　　g[56]=k[6]*e[7]＞＞SHIFT;　　x
=g
+g[1]+g[2];　　x[1]=O;<!-- SIPO <DP n="8"> --><dp n="d8"/>　　 x[2]=b
+g[3]+g[11]+g[19]+g[27]+g[33]+g[41]+g[49];　　 x[3]=-b[8]-g[50]-g[42]-g[34]-g[28]-g[20]-g[12]-g[4];　　 x[4]=d
+g[15]+g[29]+g[45];　　 x[5]=-d[4]-g[46]-g[30]-g[16];　　 x[6]=b
+g[21]+g[43]-g[51]-g[27]-g[5]-g[13]-g[35];　　 x[7]=b[8]-g[36]-g[14]-g[6]-g[28]-g[52]+g[44]+g[22];　　 x[8]=c
-c[4]+g[31];　　 x[9]=d[6]-d[2]-g[32];　　 x[10]=b
+g[37]-g[43]-g[7]-g[27]+g[53]+g[13]+g[23];　　 x[11]=g[8]-b[8]-g[24]-g[14]-g[54]+g[28]+g[44]-g[38];　　 x[12]=d
+g[47]-g[29]-g[17];　　 x[13]=d[4]-g[18]-g[30]+g[48];　　 x[14]=b
+g[55]-g[11]-g[39]+g[27]+g[25]-g[41]-g[9];　 　x[15]=b[8]-g[10]-g[42]+g[26]+g[28]-g[40]-g[12]+g[56];　　 x[16]=g
-g[1];　　 x[17]=d[3]-d[1]-d[5]+d[7];　　 x[18]=b
-g[55]-g[11]+g[39]+g[27]-g[25]-g[41]+g[9];　　 x[19]=g[12]-b[8]-g[10]+g[42]+g[26]-g[28]-g[40]+g[56];　　 x[20]=d
-g[47]-g[29]+g[17];　　 x[21]=g[48]-d[4]-g[18]+g[30];　　 x[22]=b
-g[37]-g[43]+g[7]-g[27]-g[53]+g[13]-g[23];　　 x[23]=b[8]-g[24]+g[14]-g[54]-g[28]+g[8]-g[44]-g[38];　　 x[24]=c
-c[4]-g[31];　　 x[25]=d[2]-d[6]-g[32];　　 x[26]=b
-g[21]+g[43]+g[51]-g[27]+g[5]-g[13]+g[35];　　 x[27]=g[14]-b[8]-g[36]-g[6]+g[28]-g[52]-g[44]+g[22];　　 x[28]=d
-g[15]+g[29]-g[45];　　 x[29]=d[4]-g[46]+g[30]-g[16];　　 x[30]=b
-g[3]+g[11]-g[19]+g[27]-g[33]+g[41]-g[49];　　 x[31]=b[8]-g[50]+g[42]-g[34]+g[28]-g[20]+g[12]-g[4];　　} 該實(shí)施例還表明優(yōu)化的傅里葉變換的結(jié)果被存成如下的x值的原始數(shù)組 x
＝I0re(DC) x[1]＝I0im(＝0) x[2]＝I1re x[3]＝I1im x[4]＝I2re x[5]＝I2im … x[30]＝I15rex[31]＝I15im 據(jù)此包含了DC-分量以及15個(gè)諧波分量的實(shí)值和虛值。這優(yōu)化了存儲(chǔ)器的使用，因?yàn)椴恍枰獎(jiǎng)?chuàng)建新數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)諧波分量的實(shí)值和虛值。此外，選擇使用每一循環(huán)32個(gè)樣本已經(jīng)被檢測(cè)為最佳選擇，因?yàn)檫@樣它可在多至15個(gè)具有合理數(shù)量的可計(jì)算樣本的諧波分量的計(jì)算中提供合理的精度。
諧波分量I17...I31的實(shí)值相應(yīng)地等于諧波分量I15...I1的實(shí)值，并且諧波分量I17...I31的虛值相應(yīng)地同諧波分量I15...I1的虛值相反，據(jù)此諧波分量I17...I31的絕對(duì)值相應(yīng)地等于諧波分量I15...I1的絕對(duì)值。對(duì)于進(jìn)一步的優(yōu)化，基本算法的諧波分量I17...I31的實(shí)值和虛值的計(jì)算可因此被省略。
利用上面的優(yōu)化算法，諧波分量的計(jì)算明顯更快并且使處理器的負(fù)載相當(dāng)小。在上面的描述中，示出了電流的諧波分量的實(shí)值和虛值的計(jì)算，但是相同的算法同樣可用于電壓的測(cè)定值。所計(jì)算的電流和電壓的諧波分量的實(shí)值和虛值可用來(lái)計(jì)算多個(gè)重要參數(shù)，控制裝置的控制函數(shù)可對(duì)這些參數(shù)作出響應(yīng)。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)下式根據(jù)所計(jì)算的值可計(jì)算均方根電流 其中n是諧波分量的數(shù)目。
相應(yīng)地，通過(guò)下式根據(jù)所計(jì)算的第一諧波的值可計(jì)算功率因數(shù) 其中相應(yīng)地I1和U1表示電流和電壓矢量的長(zhǎng)度 通過(guò)由下式來(lái)計(jì)算符號(hào) sign＝I1re*U1im-I1im*U1re (8) 使得能夠確定供電的相位角；以及因此確定耦合是電容性的還是電感性的。如果符號(hào)為正(符號(hào)＞0)，則相位角是滯后的并且連接是電感性的。如果符號(hào)為負(fù)(符號(hào)＜0)，則相位角是超前的并且涉及電容性連接。
此外，通過(guò)下式根據(jù)所計(jì)算的值可計(jì)算失真
由下式可導(dǎo)出三個(gè)相位的表觀功率 S＝I1RMS*U1RMS+I2RMS*U2RMS+I3RMS*U3RMS P＝|cos(phi)|*S (10) 其中 I1RMS是相位1的均方根電流 I2RMS是相位2的均方根電流 I3RMS是相位3的均方根電流 U1RMS是相位1的均方根電壓 U2RMS是相位2的均方根電壓 U3RMS是相位3的均方根電壓 并且由下式可計(jì)算接地故障電流 圖2示意性說(shuō)明了按照?qǐng)D1說(shuō)明的本發(fā)明第一實(shí)施例的控制裝置1的基本功能結(jié)構(gòu)。控制裝置包括處理機(jī)構(gòu)21、包含運(yùn)算邏輯單元的元件、許多特定的寄存器和控制電路。連接到處理機(jī)構(gòu)的是存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)22、其中可存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)可讀數(shù)據(jù)或程序和/或靜態(tài)或動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)介質(zhì)。存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)通常包含允許讀和寫的存儲(chǔ)單元(RAM)以及其內(nèi)容可僅僅被讀取的存儲(chǔ)器(ROM)。該單元還包含具有輸入機(jī)構(gòu)24和輸出機(jī)構(gòu)25的接口塊23，輸入機(jī)構(gòu)24用于輸入數(shù)據(jù)以供在單元中進(jìn)行內(nèi)部處理，輸出機(jī)構(gòu)25用于輸出來(lái)自該單元的內(nèi)部處理的數(shù)據(jù)的。所述輸入機(jī)構(gòu)的實(shí)例包含充當(dāng)傳遞至其外部連接點(diǎn)的信息的網(wǎng)關(guān)的插入單元、小鍵盤、或觸摸屏、麥克風(fēng)等。所述輸出機(jī)構(gòu)的實(shí)例包含將信息饋入連接到其外部連接點(diǎn)的線路的插入單元、屏幕、觸摸屏、揚(yáng)聲器等。處理機(jī)構(gòu)21、存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)22和接口塊23通過(guò)電互連，用于按照單元的預(yù)定的、基本編程的過(guò)程對(duì)所接收和/或所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)實(shí)施運(yùn)算的系統(tǒng)執(zhí)行。
在第一實(shí)施例中，預(yù)定的過(guò)程包含以順序采樣的電流電平為基礎(chǔ)計(jì)算多個(gè)表示至電動(dòng)機(jī)的供電品質(zhì)的多個(gè)參數(shù)的編程算法。所述過(guò)程還包含許多根據(jù)所計(jì)算的值啟動(dòng)、調(diào)節(jié)和/或終止多種控制操作的保護(hù)功能。針對(duì)改進(jìn)的響應(yīng)時(shí)間和節(jié)省的處理器容量來(lái)優(yōu)化算法。輸入機(jī)構(gòu)24包含至傳感器的輸入，該傳感器以規(guī)定的采樣率測(cè)量供電的電流和電壓值，來(lái)自傳感器的信號(hào)首先利用模擬至數(shù)字的轉(zhuǎn)換器從模擬格式被處理成數(shù)字格式。輸入機(jī)構(gòu)24通常還包含至現(xiàn)場(chǎng)用戶終端的接口和/或至用于裝置的現(xiàn)場(chǎng)和/或遠(yuǎn)程控制的現(xiàn)場(chǎng)總線的接口。輸出機(jī)構(gòu)25主要包含至繼電器的輸出，通過(guò)所述繼電器，當(dāng)其中一個(gè)被監(jiān)控的參數(shù)通過(guò)預(yù)定的閾值電平時(shí)，可使電動(dòng)機(jī)與供電隔離。輸出機(jī)構(gòu)25通常還包含至現(xiàn)場(chǎng)用戶終端的接口和/或至用于裝置內(nèi)處理當(dāng)中的信息的現(xiàn)場(chǎng)和/或遠(yuǎn)程處理的現(xiàn)場(chǎng)總線的接口。
圖3是說(shuō)明按照本發(fā)明第一實(shí)施例的自動(dòng)控制的方法的流程圖。在步驟30中，用來(lái)計(jì)算數(shù)據(jù)樣本數(shù)的計(jì)數(shù)器被復(fù)位至零，并且在步驟32中，收集數(shù)字形式的電流和電壓的測(cè)定值。在步驟33中，計(jì)數(shù)器遞增并且在步驟33中將計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值與數(shù)據(jù)樣本的預(yù)定數(shù)N相比較。如果計(jì)數(shù)器指示存在的樣本少于數(shù)據(jù)樣本的預(yù)定數(shù)N，則過(guò)程返回到步驟31，在此讀取電流和電壓的接下來(lái)的值。另外，數(shù)據(jù)樣本的預(yù)定數(shù)已經(jīng)被讀取并且將利用如上所述優(yōu)化的算法進(jìn)行分析。在步驟34中，根據(jù)電流和電壓的采樣值來(lái)計(jì)算諧波分量的實(shí)值和虛值的預(yù)定數(shù)，并且由此確定供電的相關(guān)特征，包括例如均方根電流、功率因數(shù)、失真或接地故障電流。在步驟35中，確定的值與相應(yīng)的閾值條件相比較。如果閾值條件中沒有一個(gè)被滿足(步驟36)，則過(guò)程可自動(dòng)繼續(xù)并且沒有控制功能需要被觸發(fā)。如果閾值條件被滿足，則過(guò)程將移至步驟37，其中控制功能f被觸發(fā)?？刂乒δ鼙旧砼c本發(fā)明無(wú)關(guān)并且將不會(huì)被詳細(xì)描述。過(guò)程因此返回到步驟30，其中計(jì)數(shù)器被復(fù)位至零，以便于收集一組新的樣本。應(yīng)當(dāng)注意得是，電流和電壓電平被連續(xù)測(cè)量，并且因此過(guò)程通常包含值的緩沖以促進(jìn)讀取和計(jì)算操作之間適當(dāng)?shù)幕ヒ仔?。然而，由于?yōu)化算法，來(lái)自計(jì)算的延遲被最小化。
在上述的本發(fā)明的第一實(shí)施例中，控制功能為保護(hù)功能，據(jù)此在規(guī)定的供電的電學(xué)特征之一超過(guò)預(yù)定電平時(shí)，使可控裝置與供電隔離。利用優(yōu)化的計(jì)算算法根據(jù)電流和電壓的測(cè)定值序列來(lái)確定供電的電學(xué)特征。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)清楚的是，所述控制功能可以是任何所實(shí)施的用來(lái)影響可控裝置的約束或引導(dǎo)操作。控制功能可包含比如通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)送報(bào)警信號(hào)至中央控制裝置或者提供反饋信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)電源的操作。
圖4說(shuō)明了本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，其中可控裝置40是供電本身，比如發(fā)電機(jī)。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，發(fā)電機(jī)是已知的并且同樣將不會(huì)對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)描述。電源的操作由連接于此的控制裝置41來(lái)控制。控制裝置41是各種控制功能的組合，包括從簡(jiǎn)單的機(jī)械開關(guān)、利用現(xiàn)場(chǎng)用戶接口終端實(shí)施的功能、通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)實(shí)施的自動(dòng)控制功能、到利用強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)施的自動(dòng)控制操作。按照本發(fā)明的控制裝置41被連接至電源線42以接收作為測(cè)定的電流和電壓電平序列的所生成的功率F(x)的信息，并且在采樣數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計(jì)算代表供電品質(zhì)的一組規(guī)定的參數(shù)。如果所述參數(shù)指示不想要的效果，則正確的控制功能被啟動(dòng)。
算法的優(yōu)化是以主要固定要利用離散傅里葉變換進(jìn)行處理的每一循環(huán)的數(shù)據(jù)樣本數(shù)為基礎(chǔ)的。優(yōu)化的算法因此對(duì)應(yīng)于規(guī)定的采樣率，并且因此對(duì)應(yīng)于規(guī)定的標(biāo)稱頻率。如果標(biāo)稱頻率被改變，則采樣率需要被調(diào)節(jié)以此在新的標(biāo)稱頻率的循環(huán)內(nèi)提供樣本的預(yù)定數(shù)。
在上面的第一實(shí)施例中，計(jì)算了DC-分量以及15個(gè)諧波分量的實(shí)值和虛值?？筛鶕?jù)所要求的精度水平來(lái)調(diào)節(jié)要計(jì)算的諧波分量的數(shù)目。分量數(shù)越小，用于計(jì)算所需要的時(shí)間越少，但同時(shí)結(jié)果的精度將下降。
因此，自動(dòng)控制裝置適宜包含按照與各單獨(dú)的控制操作有關(guān)的參數(shù)來(lái)選擇以及調(diào)節(jié)的許多可變的控制裝置。按照本發(fā)明的控制裝置提供了其中經(jīng)濟(jì)配置的響應(yīng)時(shí)間被改進(jìn)以及甚至可以被調(diào)節(jié)的解決方案，并且該解決方案因此提供了考慮與可操作的保護(hù)功能有關(guān)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素的最優(yōu)化。單獨(dú)的控制裝置的優(yōu)化布置因此可按照電流操作環(huán)境被配置成用經(jīng)濟(jì)的效率以適當(dāng)?shù)拇螖?shù)提供必要的動(dòng)作。
對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見的是，當(dāng)技術(shù)向前發(fā)展時(shí)，可通過(guò)各種不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的概念。本發(fā)明及其實(shí)施例不限于上述的實(shí)例并且可在權(quán)利要求的范圍內(nèi)改變。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)控制裝置(1)，包含
輸入機(jī)構(gòu)(21、24)，用于輸入包含周期性電壓和/或電流的測(cè)定值(7)的樣本；
計(jì)算機(jī)構(gòu)(21)，用于在所述樣本的基礎(chǔ)上計(jì)算參數(shù)，并且用于將所述計(jì)算的參數(shù)與預(yù)定條件進(jìn)行比較；
啟動(dòng)機(jī)構(gòu)(21、23)，用于根據(jù)滿足所述預(yù)定條件的所述參數(shù)來(lái)啟動(dòng)控制功能；其特征在于，
所述輸入機(jī)構(gòu)(21、24)被布置成輸入每一循環(huán)的預(yù)定樣本數(shù)；
所述計(jì)算機(jī)構(gòu)(21)被布置成利用在與所述每一循環(huán)的預(yù)定樣本數(shù)相對(duì)應(yīng)的固定系數(shù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化的離散傅里葉變換算法來(lái)計(jì)算所述參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的自動(dòng)控制裝置，其特征在于，所述預(yù)定數(shù)是2的冪。
3.如權(quán)利要求1或2所述的自動(dòng)控制裝置，其特征在于，所述預(yù)定數(shù)是32。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的自動(dòng)控制裝置，其特征在于，在所述優(yōu)化的傅里葉變換算法中，已經(jīng)除去了包含固定為零的系數(shù)的計(jì)算。
5.如權(quán)利要求1至4的任何一項(xiàng)所述的自動(dòng)控制裝置，其特征在于，在所述優(yōu)化的傅里葉變換算法中，通過(guò)使用符號(hào)避免了乘以固定系數(shù)1或-1。
6.如權(quán)利要求1至5的任何一項(xiàng)所述的自動(dòng)控制裝置，其特征在于，在所述優(yōu)化的傅里葉變換算法中，乘以固定系數(shù)的兩個(gè)或多個(gè)乘法已經(jīng)被組合進(jìn)求和方程。
7.如權(quán)利要求1至6的任何一項(xiàng)所述的自動(dòng)控制裝置，其特征在于，在所述優(yōu)化的傅里葉變換算法中，通過(guò)乘以二的十四次冪或更高次冪的值使得樣本和系數(shù)變?yōu)檎麛?shù)形式。
8.如權(quán)利要求1至7的任何一項(xiàng)所述的自動(dòng)控制裝置，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)構(gòu)被布置成計(jì)算為下列之一的參數(shù)均方根電流、功率因數(shù)、(符號(hào))、失真、接地故障電流。
9.如權(quán)利要求1至8的任何一項(xiàng)所述的自動(dòng)控制裝置，其特征在于，所述自動(dòng)控制裝置是電保護(hù)裝置，以及所述控制功能包含將第二裝置(3)與電線(2)隔離。
10.如權(quán)利要求1至8的任何一項(xiàng)所述的自動(dòng)控制裝置，其特征在于，所述自動(dòng)控制裝置被連接至饋送所述電線(42)的發(fā)電機(jī)(40)，以及所述控制功能包含所述發(fā)電機(jī)操作的調(diào)節(jié)。
11.一種用于自動(dòng)控制電操作的裝置的方法，包含
輸入包含周期性電壓和/或電流的測(cè)定值的樣本；
在所述樣本的基礎(chǔ)上計(jì)算參數(shù)；
將所述計(jì)算的參數(shù)與預(yù)定條件進(jìn)行比較；
根據(jù)滿足所述預(yù)定條件的所述參數(shù)來(lái)啟動(dòng)控制功能；
其特征在于，
固定每一循環(huán)輸入的樣本數(shù)；
利用在與所述每一循環(huán)的預(yù)定樣本數(shù)相對(duì)應(yīng)的固定系數(shù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化的離散傅里葉變換算法來(lái)計(jì)算所述參數(shù)。
12.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其在計(jì)算機(jī)內(nèi)是可執(zhí)行的，其特征在于，在所述計(jì)算機(jī)中所述計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的執(zhí)行使得所述計(jì)算機(jī)實(shí)施權(quán)利要求11的步驟。
全文摘要
一種自動(dòng)控制裝置(1)包含用于輸入周期性電壓和/或電流的測(cè)定值(7)的輸入機(jī)構(gòu)(21、24)、用于在所述電壓和/或電流值的基礎(chǔ)上計(jì)算參數(shù)并且用于將計(jì)算的參數(shù)與預(yù)定條件進(jìn)行比較的計(jì)算機(jī)構(gòu)(21)、以及用于根據(jù)滿足預(yù)定條件的參數(shù)來(lái)啟動(dòng)控制功能的啟動(dòng)機(jī)構(gòu)(21、23)?？刂蒲b置的輸入機(jī)構(gòu)(21、24)被布置成輸入每一循環(huán)的預(yù)定樣本數(shù)；以及所述計(jì)算機(jī)構(gòu)(21)被布置成利用在與所述每一循環(huán)的預(yù)定樣本數(shù)有關(guān)的固定系數(shù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化的離散傅里葉變換算法來(lái)計(jì)算參數(shù)。該控制裝置和相應(yīng)的控制方法提供了比早期的一般編程解決方案明顯更快的響應(yīng)時(shí)間，而未增加如傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理器一樣的相關(guān)成本。
文檔編號(hào)G06F17/14GK1934509SQ200580008649
公開日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2005年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月23日
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