电气信号数字化检测技术及应用研究

【摘要】：现代化电力生产要求实现电力系统和电气设备的数字化监测、控制与保护,而这些都基于对电气信号的及时、准确和可靠检测。本文综合运用数字信号处理技术、微机技术和电力系统自动化技术,探讨真实反映电气信号物理本质、精度高、速度快、实现代价小、工程实用的电气信号检测理论和实现方法,重点研究电气信号采样方法及电气参数估计有效算法。全文主要工作和贡献包括以下8个方面: 1) 全面分析了硬件同步采样、软件同步采样、异步采样3种采样方式的采样同步误差及均匀误差的产生原因,并提出了相应的抑制误差的措施。特别针对应用最广泛的软件同步采样,提出了三个提高采样同步度和均匀度的改进方法。方法一动态调节采样周期,使由采样周期量化误差引起的同步误差和各采样点的采样时间误差均不大于定时器最小分辨时间的一半,显著提高采样同步精度;方法二对采样值进行校正,使存在同步误差和均匀误差的实际采样值序列转化为理想均匀同步采样序列;方法三能消除软件同步采样时间间隔不均匀引起的信号周期测量误差,并通过修正采样周期减小采样同步误差。方法实现简单,应用范围广,增加工作量小,能显著提高测量精度,对电气检测交流采样系统的软、硬件设计具有指导作用。 2) 提出了一种抑制故障电气信号中非周期分量的采样值修正算法。与其它方法相比,它不针对任何特定算法而设计,对所有算法均适用。在微机保护中,采用该方法对采样值进行修正,可显著减小非周期分量对计算的影响。 3) 根据电气信号的频谱特点,在频谱校正理论的基础上,提出了适合电气参数微机测量的DFT校正算法,论述了其“短时间窗”和“长时间窗”算法的实现。通过选用不同的采样时间窗长度、采样点数及与之相适应的窗函数,新算法可以满足高精度计量及快速电气测量等多种应用场合对测量精度、实时性等性能的不同要求。算法实现简单,速度快、精度高、通用性强。 4) 应用“短时间窗”DFT校正算法,并根据同期并列特点和要求,提出了微机自动准同期并列算法。该算法对同一电压信号的两个采样序列进行DFT,并根据两次DFT结果及差值确定电压参数。它不需要同步采样,在采样频率固定不变的情况下,可以对频率在较大范围内变化的信号进行频率、幅值和相位的较精确测量,从而解决了传统算法由于并列两侧电压信号频率不相等,不能同时同步采样,难以同时精确测量的难题。 5) 提出了一种新型窗函数——矩形自卷积窗。m阶卷积窗由m个矩形窗通