基于全數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電能采集零壓降光纖傳輸裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及基于全數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電能采集零壓降光纖傳輸裝置,該傳輸裝置包括：發(fā)射端和接收端，所述發(fā)射端和接收端之間采用傳輸光纜或光纖連接，所述發(fā)射端包括依次連接的信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和電光變換模塊，所述接收端包括依次連接的光電變換模塊、數(shù)字移相模塊、數(shù)模變換模塊和放大輸出模塊。所述傳輸裝置采取全數(shù)字化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相，使得在零壓降光纖傳輸裝置中完全不需要采取模擬電路構(gòu)成移相器，無(wú)需電阻電容等模擬器件，不受外界環(huán)境因素影響，大大提高了裝置的穩(wěn)定性和高準(zhǔn)確度，具有工程實(shí)用價(jià)值。
【專利說(shuō)明】基于全數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電能采集零壓降光纖傳輸裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種電能計(jì)量電氣回路中的電壓信號(hào)傳輸技術(shù)，特別是涉及一種基于全數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電能采集零壓降光纖傳輸裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]高壓電力線路的電能計(jì)量，必須通過(guò)PT將高電壓按精確的比例降至低壓，再送電能表進(jìn)行測(cè)量。通常情況下，PT與電能表的距離為幾十至數(shù)百米，二者通過(guò)二次線路連接。而二次線路電纜存在一定的電阻，線路上的保險(xiǎn)、控制開(kāi)關(guān)刀閘和線路接頭等也具有一定的接觸電阻，因此，當(dāng)PT負(fù)載電流通過(guò)二次回路時(shí)，將在這些電阻上產(chǎn)生壓降。在一些變電站，繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)裝置及其他監(jiān)測(cè)儀表與電能表共用一個(gè)PT繞組，由此將產(chǎn)生更大的二次線壓降。PT 二次線壓降致使電能表所測(cè)量的電壓低于PT輸出端口的電壓，產(chǎn)生測(cè)量誤差。這一負(fù)誤差造成的電能量漏計(jì)致使發(fā)、供電企業(yè)每年產(chǎn)生上千萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)損失，成為供電企業(yè)亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。
[0003]針對(duì)PT 二次輸出的模擬電壓信號(hào)傳輸過(guò)程中存在的電壓降，國(guó)內(nèi)外提出了很多方法，典型的有:加粗電壓互器感二次連接導(dǎo)線的截面、減小二次連接導(dǎo)線的長(zhǎng)度，以及減小各接點(diǎn)接觸電阻；將電度表調(diào)快；裝設(shè)電度表的專用二次回路采用專用計(jì)量回路；采用電壓誤差補(bǔ)償器來(lái)補(bǔ)償二次導(dǎo)線壓降引起的比差和角差等，但上述方法都不同程度的存在缺陷，以至于長(zhǎng)期以來(lái)，該問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解決。
[0004]近年來(lái)也有文獻(xiàn)表明可采用在PT 二次電壓的輸出端就地將其數(shù)字化，并轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，通過(guò)光纜傳輸至控制室，在控制室還原成模擬信號(hào)，輸入電能表，從而達(dá)到完全消除信號(hào)傳輸過(guò)程中電壓降，大大提高整套電能計(jì)量裝置準(zhǔn)確度的目的。因此這種裝置也被叫做零壓降光纖傳輸裝置或者零壓降數(shù)字光電計(jì)量裝置。如圖1所示。
[0005]位于PT端子箱內(nèi)的發(fā)射端將電壓互感器二次輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字光脈沖信號(hào)后經(jīng)光纜傳輸至接收裝置，位于控制室內(nèi)的接收端將數(shù)字脈沖光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)再輸出至電能表。所述的發(fā)射端由調(diào)理電路、模/數(shù)變換電路、電光變換電路組成，接收端由光電變換電路、數(shù)/模變換電路、放大輸出電路組成。
[0006]但是這種方法在將PT 二次端電壓數(shù)字化的過(guò)程中，不可避免的會(huì)產(chǎn)生相位偏移，即一次電壓的采樣時(shí)間通常與二次電壓信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(不論是采用A/D或者別的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件)的采樣時(shí)間不完全一致，原因往往是傳輸裝置中的模擬元件(如信號(hào)調(diào)理電路中A/D轉(zhuǎn)換前的抗混疊濾波器)產(chǎn)生相位偏移，或是一次電壓信息到達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器之前的延時(shí)
坐寸ο
[0007]—般這種延時(shí)在頻域內(nèi)表現(xiàn)為上述電壓信號(hào)傳輸裝置的相位差滯后一次電壓波形的實(shí)際相位且超出限值。因此必須采取措施來(lái)消除這種由于延時(shí)引起的相位誤差。消除誤差的方法一般是采用在控制室將數(shù)字信號(hào)還原成模擬信號(hào)后，再采用模擬電路構(gòu)成的移相器來(lái)進(jìn)行相位誤差的調(diào)整，以準(zhǔn)確還原一次電壓信號(hào)的相位。一般是在圖1中的接收端中將信號(hào)從數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量后，即數(shù)模轉(zhuǎn)換之后的模擬信號(hào)放大輸出環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。[0008]由于這種電能采集零壓降光纖傳輸裝置的整體準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)，其相應(yīng)的相位誤差不能超出±2分，因此，采用上述模擬電路構(gòu)成的移相器很難達(dá)到要求，且在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，由于運(yùn)行環(huán)境溫度、濕度等因素的變化，使得模擬器件電阻電容等的穩(wěn)定性受到影響，其電氣參數(shù)一旦漂移，將很難滿足傳輸裝置整體相位誤差不能超出±2分的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了解決現(xiàn)有零壓降光纖傳輸裝置中模擬電路構(gòu)成的移相器電氣參數(shù)受運(yùn)行環(huán)境溫度、濕度等因素的變化，導(dǎo)致傳輸裝置整體穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度下降，不能滿足實(shí)際工程需要的問(wèn)題。本實(shí)用新型提供一種基于全數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電能采集零壓降光纖傳輸裝置。采取全數(shù)字化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相，使得在零壓降光纖傳輸裝置中完全不需要采取模擬電路構(gòu)成移相器，無(wú)需電阻電容等模擬器件，不受外界環(huán)境因素影響，大大提高了裝置的穩(wěn)定性和高準(zhǔn)確度，具有工程實(shí)用價(jià)值。
[0010]本實(shí)用新型的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0011]基于全數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電能采集零壓降光纖傳輸裝置，包括:發(fā)射端和接收端，所述發(fā)射端和接收端之間采用傳輸光纜或光纖連接，所述發(fā)射端包括依次連接的信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和電光變換模塊，所述接收端包括依次連接的光電變換模塊、數(shù)字移相模塊、數(shù)模變換模塊和放大輸出模塊。
[0012]所述數(shù)字移相模塊為FPGA微處理器。
[0013]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0014]采用全數(shù)字化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相，從而達(dá)到用數(shù)字化方法消除裝置輸出的相位誤差，實(shí)現(xiàn)電能采集零壓降光纖傳輸裝置的高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1:電能采集零壓降光纖傳輸裝置構(gòu)成原理框圖；
[0016]圖2:本實(shí)用新型全數(shù)字化電能采集零壓降光纖傳輸裝置構(gòu)成原理框圖；
[0017]圖3:數(shù)字移相示意圖；
[0018]圖4:移相效果仿真示意圖；
[0019]圖5:采用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相原理框圖；
[0020]圖6:采用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相算法實(shí)現(xiàn)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型，如圖1為電能采集零壓降光纖傳輸裝置構(gòu)成原理框圖，該傳輸裝置包括發(fā)射端I和接收端2，所述發(fā)射端I和接收端2之間采用光纜3或者光纖連接。所述發(fā)射端包括依次連接的信號(hào)調(diào)理模塊4、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊5和電光變換模塊6，所述接收端包括依次連接的光電變換模塊7、數(shù)模變換模塊8和放大輸出模塊9。
[0022]如圖2所示為本實(shí)用新型全數(shù)字化電能采集零壓降光纖傳輸裝置構(gòu)成原理框圖。本實(shí)用新型和現(xiàn)有技術(shù)的同類產(chǎn)品主要差別在于在雯壓降光纖傳輸裝置的接收部分，在接收端實(shí)用新型采用全數(shù)字化技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相，數(shù)字移相模塊插入在光電變換和數(shù)模變換模塊之間。[0023]如圖2所示，全數(shù)字化電能采集零壓降光纖傳輸裝置包括:發(fā)射端21和接收端22，所述發(fā)射端21和接收端22之間采用傳輸光纜23或光纖連接，所述發(fā)射端21包括依次連接的信號(hào)調(diào)理模塊24、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊25和電光變換模塊26，所述接收端22包括依次連接的光電變換模塊27、數(shù)字移相模塊28、數(shù)模變換模塊29和放大輸出模塊20。
[0024]所述發(fā)射端設(shè)置于PT 二次端子箱內(nèi)，所述接收端設(shè)置于控制室內(nèi)。該發(fā)射端將電壓互感器二次輸出電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字光脈沖信號(hào)后經(jīng)光纜傳輸至接收端，接收端將數(shù)字脈沖光信號(hào)還原成模擬電壓信號(hào)后再輸入后續(xù)電能表。
[0025]所述接收端將接收到的有相位延遲的光數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字移相模塊校正相位，再進(jìn)行數(shù)模變換和功率放大。目前我國(guó)電力系統(tǒng)使用工頻電壓為50Hz，周期為20ms。對(duì)應(yīng)正弦曲線每度即為55.6 μ s，每分為0.9267 μ S。因此通過(guò)將相位與時(shí)間對(duì)應(yīng)，可以通過(guò)插值實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的移相。
[0026]裝置試驗(yàn)調(diào)試時(shí)通過(guò)相位檢測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)本裝置模擬信號(hào)輸出整體相位滯后一次電壓信號(hào)實(shí)際相位時(shí)，例如滯后10'，可以算出10'對(duì)應(yīng)的時(shí)間標(biāo)度為9.267 μ S，當(dāng)接收端的微處理器使用50Μ的時(shí)鐘時(shí)，定時(shí)器精度可以達(dá)到0.02 μ S，因此采用微處理器進(jìn)行數(shù)字移相的精度為9.26 μ s，對(duì)應(yīng)數(shù)字移相誤差為0.007 μ S，也就是0.0076'，相對(duì)于每分對(duì)應(yīng)的0.9267 μ s而言，該誤差可以忽略不計(jì)。
[0027]如圖3所示，假設(shè)B、C為從發(fā)射端通過(guò)光纖傳輸來(lái)的兩個(gè)相鄰的數(shù)字化采集信號(hào)的瞬時(shí)值，其相位滯后η分，那么對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間ts2為n*0.9267us。通過(guò)數(shù)字同步的循環(huán)緩存，接收端的微處理器將接收到的B和C點(diǎn)數(shù)據(jù)使用數(shù)字插值算法求出ts2時(shí)間之后的數(shù)值B’和C’，即向前移相η分之后的BI和Cl的值，在微處理器發(fā)送數(shù)據(jù)給后續(xù)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器時(shí)，使用BI替換B，Cl替換C，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的數(shù)字移相。
[0028]如圖4所示為數(shù)字移相效果仿真示意圖。圖4中虛線是一個(gè)經(jīng)過(guò)發(fā)射端的A/D變換得到的標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，使用算法對(duì)其進(jìn)行移相處理，移相后的波形為實(shí)線，可以看出，移相后的波形超前原始波形，實(shí)現(xiàn)了輸出波形的移相功能，消除了裝置輸出和原始一次電壓信號(hào)比較，相位滯后的誤差。
[0029]此移相功能是通過(guò)測(cè)試裝置輸出信號(hào)相位誤差的大小并將其通過(guò)軟件寫入到微處理器中來(lái)實(shí)現(xiàn)的，和模擬電路無(wú)關(guān)，因此，可以完全避免環(huán)境因素的影響，實(shí)現(xiàn)了電能采集零壓降光纖傳輸裝置的高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度。
[0030]本實(shí)施例中數(shù)字移相單元可以采用FPGA微處理器實(shí)現(xiàn)，下面以FPGA作為微處理器來(lái)說(shuō)明本實(shí)用新型的具體實(shí)施過(guò)程。
[0031]步驟及流程圖:
[0032]從發(fā)射端傳輸具有相位延遲的信號(hào)至接收端，接收端將信號(hào)進(jìn)行數(shù)字移向，然后經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換之后放大輸出。數(shù)字移相的角度大小即為本裝置模擬信號(hào)輸出與一次電壓信號(hào)的相位差，在裝置試驗(yàn)調(diào)試時(shí)，通過(guò)相位檢測(cè)設(shè)備可以測(cè)出。假設(shè)測(cè)出相位差為η分，那么對(duì)應(yīng)的時(shí)間為n*0.9267us。
[0033]如圖3所示，根據(jù)已知采樣點(diǎn)Α、Β (或者更多的離散點(diǎn)數(shù)據(jù))進(jìn)行最小二乘法曲線擬合，即找出某條光滑的曲線S，它能最佳地?cái)M合數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差平方和最小。得出擬合曲線S后，計(jì)算出B點(diǎn)之后ts2即n*0.9267US時(shí)刻點(diǎn)B’，并把該點(diǎn)值作為采樣點(diǎn)B時(shí)刻輸出值BI，同理可以得出Cl點(diǎn)。由此得到的BI點(diǎn)和Cl點(diǎn)超前原始波形數(shù)據(jù)B點(diǎn)和C點(diǎn)，超前相位為η分，即SI曲線超前S曲線η分，由此實(shí)現(xiàn)了移向。
[0034]從數(shù)學(xué)理論上，由最小二乘曲線擬合算法，可以計(jì)算出S的擬合曲線:
[0035]s (t) =a0*f0 (t) +B1^f1 (t) +a2*f2 (t) +...+an*fn (t)。
[0036]其中，a0，ai，…，an為擬合多項(xiàng)式系數(shù)，Wthf1⑴，…，fn(t)為多項(xiàng)式基函數(shù)。
[0037]假設(shè)在T時(shí)刻輸出瞬時(shí)值為:
[0038]s ⑴=a0*f0 ⑴ +aff^ ⑴ +a2*f2 ⑴ +…+an*fn ⑴。
[0039]移相時(shí)間為Δ t,那么移相之后,在時(shí)刻T輸出的信號(hào)瞬時(shí)值為:
[0040]s (T) =a0*f0 (Τ+ Δ t) +B1^f1 (Τ+ Δ t) +a2*f2 (T+ At)+...+an*fn (T+ Δ t)。
[0041]以三階線性8點(diǎn)擬合為例，即擬合函數(shù)的基函數(shù)選取4(0=1，fi(t)=t，f2(t)=t2, f3(t)=tS擬合曲線時(shí)使用8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，那么擬合出來(lái)的曲線S表達(dá)式為:
S (t) =a0+a1^t+a2 氺 t2+a3 氺 t3。
[0042]用FPGA進(jìn)行數(shù)字移向的處理和運(yùn)算時(shí)，輸入數(shù)據(jù)是接收端接收到的采樣離散值e (n)、e (n-1)、e (η_2)…e (n_7)，輸出數(shù)據(jù)是移相之后的離散值e- (η)。首先根據(jù)需要移相的角度，計(jì)算出迭代系數(shù)Κ1、時(shí)，將Κ1、Κ2…Κ8分別與接收端接收到的離散值e (n)、e (n-1)、 e (n_2)…e (n_7)相乘，然后相加作為移相之后的數(shù)據(jù)，采用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字移相原理框圖如圖5所不。圖5中，e(n)、e(n-l)、e(n-2)為輸入的米樣離散值，Z—1為延遲因子，K1、K2…K8為事先計(jì)算好的三階線性8點(diǎn)擬合迭代系數(shù)，其大小由移向角度計(jì)算出來(lái)，eout (η)為e(n)移相之后的值。
[0043]離散情況下，向前移相η分的三階線性8點(diǎn)擬合迭代系數(shù)Κ1、Κ2…Κ8的具體計(jì)算方法如下:
[0044]①確定三階擬合曲線方程{(tkad+aft+aj^i^+adt3 ；
[0045]②確定擬合基函數(shù):f。(t)=1 ;f\ (t) =t ；f2 (t) =t2 ；f3 (t) =t3 ；
[0046]③假設(shè)從h時(shí)刻，每8點(diǎn)開(kāi)始擬合，接收到的8點(diǎn)數(shù)據(jù)為:fW)，fh)，f(t2)，f (t3) , f (t4) , f (t5) , f (t6) , f (t7)；
[0047]④由取得的8點(diǎn)數(shù)據(jù)和擬合曲線方程可以寫出擬合方程組:
a0 + a1*t0 + a2*V+a3*t03 =/(t0)；
「編a。+ ai % + a2 * t/ + a3 * t/ = /(I1);
[0048]
M
a0+a, *t7+a2 * t72+a3 *t73 = /(i )
[0049]⑤對(duì)于上述方程組，令基函數(shù)值矩陣G為:
'I t, ζ-
^ I t, t2 Ii
[0050]G= 11 1 ，
MMO M
、l tj Λ t; J
[0051 ]系數(shù)矩陣 a 為:a = (a。，a” a2, a3)，
[0052]函數(shù)值矩陣y 為:y = (f (t0)，f (t)，A f (t6)，f (t7))T,
[0053]從數(shù)學(xué)上可以證明，G，a, y三個(gè)矩陣的關(guān)系為GTGa = GTy，由此計(jì)算出系數(shù)矩陣a為:a =(GTG”GTy。[0054]⑥假設(shè)f(t7)向前移相η分的值為S(t7)，即在f(t7)點(diǎn)處，輸出S (t7)，根據(jù)系數(shù)矩陣求出S(t7)為:
【權(quán)利要求】
1.基于全數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電能采集零壓降光纖傳輸裝置，其特征在于，該傳輸裝置包括:發(fā)射端和接收端，所述發(fā)射端和接收端之間采用傳輸光纜或光纖連接，所述發(fā)射端包括依次連接的信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和電光變換模塊，所述接收端包括依次連接的光電變換模塊、數(shù)字移相模塊、數(shù)模變換模塊和放大輸出模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的電能采集零壓降光纖傳輸裝置，其特征在于，所述數(shù)字移相模塊為FPGA微處理器。
【文檔編號(hào)】H04B10/25GK203554443SQ201320660222
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】張新瑞, 齊火箭, 常志峰 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司