一种用电负荷数据高速同步采集计算方法和装置
阅读说明：本技术 一种用电负荷数据高速同步采集计算方法和装置 (High-speed synchronous acquisition and calculation method and device for electrical load data ) 是由 黄奇峰 黄艺璇 左强 杨世海 陈铭明 方凯杰 刘恬畅 程含渺 曹晓冬 陆婋泉 于 2021-07-13 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种用电负荷数据高速同步采集计算方法和装置,所述方法包括：步骤1：设置过采样率Mc,以过采样率Mc获取采样数据,对采样数据进行低通滤波,抽取过采样率Mc对应的采样数据；步骤2：对步骤1的采样数据进行移相处理；步骤3：利用准同步算法对步骤2移相后的采样数据进行迭代处理,计算采样数据各次谐波的幅值、频率和相角。本发明解决了信号频率混叠及噪声抑制问题；解决了由于前端抗混叠滤波器的参数不一致,造成不同的相移,以及由于不同ADC触发信号的上升沿不一致,引起触发时刻存在差异的问题；解决了现有技术中电信号参数计算准确度较低的问题。(The application discloses a method and a device for high-speed synchronous acquisition and calculation of electric load data, wherein the method comprises the following steps: step 1: setting an oversampling rate Mc, acquiring sampling data by the oversampling rate Mc, performing low-pass filtering on the sampling data, and extracting the sampling data corresponding to the oversampling rate Mc; step 2: performing phase shift processing on the sampling data in the step 1; and step 3: and (3) carrying out iterative processing on the sampled data subjected to phase shifting in the step (2) by using a quasi-synchronous algorithm, and calculating the amplitude, the frequency and the phase angle of each subharmonic of the sampled data. The invention solves the problems of signal frequency aliasing and noise suppression; the problems that different phase shifts are caused by different parameters of a front-end anti-aliasing filter, and the triggering time is different due to different rising edges of different ADC triggering signals are solved; the problem of lower electric signal parameter computational accuracy among the prior art is solved.)
技术领域
本发明属于电力测量技术领域，涉及一种用电负荷数据高速同步采集计算方法和装置。
背景技术
信号采样的目的是计算信号的参数特征，如幅值、相位、频率、功率、电量等。当电网频率波动时，会出现非正周期采样现象，影响电信号参数的测量。因此，在需要精确测量电参数的应用场景下，需要对参数计算方法进行针对性选择。
在我国，理想的电网电压和电流频率为50Hz，在纯粹的基波(标准50Hz)或者谐波(50Hz整数倍)的情况下，当采样频率是信号频率的整数倍并大于奈奎斯特频率时，无论时域分析方法还是傅里叶变换均可以获得理想的测量精度。但是，实际电网信号的频率往往会发生波动，使得时域分析引入非同步误差。《供电营业规则》规定，在电力系统正常状况下，供电频率的允许偏差如下：电网装机容量在300万千瓦及以上的频率偏差为±0.2Hz；电网装机容量在300万千瓦以下的频率偏差为±0.5Hz；在电力系统非正常状况下，供电频率允许偏差不应超过±1.0Hz。
目前，可以通过增大采样点数N来减小非同步采样误差，但是由于国内主流电表厂家使用的计量芯片采样率有限，不可能无限增大采样率。例如，无锡恒通的单相电能表计量芯片采样率为800Hz，林洋的单相电能表计量芯片采样率为1600Hz，因此非整周期采样误差随着频率波动而一直存在，造成电信号参数的测量误差较大。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本申请提供一种用电负荷数据高速同步采集计算方法和装置，综合采用过采样、最小二乘数字移相算法和准同步算法，提高了信号分辨率，解决了信号频率混叠及噪声抑制，相移不同，以及触发时刻存在差异的问题；解决了电信号参数计算准确度较低的问题，提高电参数的计算准确度。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
一种用电负荷数据高速同步采集计算方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：设置过采样率Mc，以过采样率Mc获取采样数据，对采样数据进行低通滤波，抽取过采样率Mc对应的采样数据；
步骤2：对步骤1的采样数据进行移相处理；
步骤3：利用准同步算法对步骤2移相后的采样数据进行迭代处理，计算采样数据各次谐波的幅值、频率和相角。
本发明进一步包括以下优选方案：
优选地，步骤1中，设置的过采样率Mc高于用电负荷数据的信号带宽两倍，即以高于用电负荷数据的信号带宽两倍的过采样率Mc获取采样数据。
优选地，步骤1所述对采样数据进行低通滤波，具体包括：
对采样数据进行过滤处理，过滤混叠频率；
再以1/Js的时间间隔对采样数据进行数模转换，Js为过采样频率；
最后对采样数据进行低通滤波处理，过滤高频分量。
优选地，利用模拟抗混叠滤波器对采样数据进行过滤处理，以过滤混叠频率；
利用ADC器件以1/Js的时间间隔对采样数据进行数模转换；
利用数字低通滤波器对采样数据进行低通滤波处理，以过滤高频分量。
优选地，步骤2中，利用最小二乘数字移相算法对步骤1的采样数据进行移相处理。
优选地，步骤2中，利用3阶8点最小二乘数字移相算法对步骤1的采样数据进行移相处理。
优选地，所述最小二乘数字移相算法的递推式为：
eout(n)＝β1e(n)+β2e(n-1)+…+βme(n-m)；
其中，n为当前采样点编号，m为递推式采样值点数，k是多项式阶数；
eout(n)为根据当前接收的m点采样值数据求出的移相Δt后的采样值；
β1，β2，…，βm为归一化系数；
Ts为数据采集的采样率；
矩阵H为常数矩阵；
Gk为增益。
优选地，步骤3中，利用基于复化梯形的准同步算法对步骤2移相后的采样数据进行迭代处理。
优选地，利用基于复化梯形的准同步算法对步骤2移相后的采样数据进行迭代处理，具体包括：
设置采样率fs、每周期采样点数SN+1、最高谐波次数M、抽取采样数据的起始时刻t1和t2，以及权系数ρk；
分别在起始时刻t1和t2对采样数据开始取值，抽取后的序列分别为xt1(i1)和xt2(i2)，
将xt1(i1)和xt2(i2)分别运用公式进行第1次迭代运算；
其中，
下标i表示各子区间序号,i＝1,2,3...,(S-1)N+1，S为将取值区间划分为多个子区间的数量，即为迭代次数，每个子区间的采样点为N个；
第i个长度为N的子区间为：
[t0+(i-1)fs,t0+(i-1+N)fs],x(i),x(i+1),...x(i+N)为第i个子区间内的采样点；
将第1次迭代运算的结果代入公式进行第s次迭代，直至迭代运算完成，获得和
其中，
优选地，步骤3中，采样数据各次谐波的幅值、频率和相角的计算公式为：
t1时刻各次谐波为：
t2时刻各次谐波为：
谐波幅值为：
γmm为衰减因子，s为迭代次数；
第m次谐波的频率为：
谐波相角为：
R|t0，I|t0为以t0为起始时刻的一系列采样点进行s次迭代后的实部和虚部，m为第m次谐波，ωΔ为角频率变化值，fs为采样率；Cs＝i0/N+S/2，i0＝1,2,…,N+1。
本发明还公开了一种用电负荷数据高速同步采集计算装置，包括过采样模块、移相模块和准同步模块；
所述过采样模块，用于设置过采样率Mc，以过采样率Mc获取采样数据，对采样数据进行低通滤波，抽取过采样率Mc对应的采样数据；
移相模块，用于对过采样模块的采样数据进行移相处理；
准同步模块，用于利用准同步算法对移相模块移相后的采样数据进行迭代处理，计算采样数据各次谐波的幅值、频率和相角。
本申请所达到的有益效果：
本发明采用过采样技术提高信号分辨率，解决了信号频率混叠及噪声抑制问题；采用最小二乘数字移相算法，解决了由于前端抗混叠滤波器的参数不一致，造成不同的相移，以及由于不同ADC触发信号的上升沿不一致，引起触发时刻存在差异的问题；采用基于复化梯形的准同步算法，解决了现有技术中电信号参数计算准确度较低的问题。
附图说明
图1为本发明一种用电负荷数据高速同步采集计算方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中对采样数据进行低通滤波的原理图；
图3为本发明实施例中数字移相仿真波形图；
图4为本发明一种用电负荷数据高速同步采集计算装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1所示，本发明的一种用电负荷数据高速同步采集计算方法，包括以下步骤：
步骤1：设置过采样率Mc，以过采样率Mc获取采样数据，对采样数据进行低通滤波，抽取过采样率Mc对应的采样数据；
具体实施时，采样过程的一个重要噪声来源是ADC量化噪声，一般是1/2LSB，即采样系统的分辨率。ADC的量化阶梯通常是均匀的，输入的样本值被舍弃到最接近的量化电平上，ADC的位数越高，则量化阶数越多，量化阶数与ADC位数的关系为：
C＝2n
式中，C为量化阶数，n为ADC的位数。n越大，分辨率就越高，即能分辨出更小更细微的信号差别。
记1/2LSB为e,ADC的量化误差由误差随机均匀分布在[-e,+e]，量化噪声的方差为：
对于幅值为A的信号，使用N位ADC采样的噪声功率为：
则ADC的信号噪声比(SNR，Signal-to-Noise Ratio)为：
式中，为信号功率。由上式可以看出，提高ADC的位数可以有效提高信噪比。
对于固定位数的ADC，通过低通滤波器后，噪声功率为：
式中，σlp 2为低通滤波后的噪声功率，M为过采样倍数，即过采样率。此时，经过采样后的信噪比为：
从上式可以看出，采用M倍过采样后，信噪比提升了10log10M，等效为提高了ADC的位数N。
若过采样率Mc每提高4倍，等效于将ADC位数提高1位，即相当于提高了ADC的分辨率。
设置的过采样率Mc高于用电负荷数据的信号带宽两倍，即以高于用电负荷数据的信号带宽两倍的过采样率Mc获取采样数据。
如图2所示，所述对采样数据进行低通滤波，具体包括：
利用模拟抗混叠滤波器对采样数据进行过滤处理，过滤混叠频率；
再利用ADC器件以1/Js的时间间隔对采样数据进行数模转换，Js为过采样频率；
最后利用数字低通滤波器对采样数据进行低通滤波处理，过滤高频分量。
步骤2：对步骤1的采样数据进行移相处理；
具体实施时，利用最小二乘数字移相算法对步骤1的采样数据进行移相处理，解决由于前端抗混叠滤波器的参数不一致，造成不同的相移。
所述最小二乘数字移相算法的递推式为：
eout(n)＝β1e(n)+β2e(n-1)+…+βme(n-m)；
其中，n为当前采样点编号，m为递推式采样值点数，k是多项式阶数；
eout(n)为根据当前接收的m点采样值数据求出的移相Δt后的采样值；
β1，β2，…，βm为归一化系数；
Ts为数据采集的采样率；
矩阵H为常数矩阵；
Gk为增益。
以下对3阶8点最小二乘数字移相算法的准确度进行仿真，令增益Gk＝1，设置采样率Ts为4kHz，信号频率为50Hz。1μs的时间延迟在50Hz条件下对应1.08'的相位偏差。
假设被信号为ui＝sin(100πt)，需要移相的时间分别为前移62.5μs或者后移62.5μs，则移相的点数分别为前移0.25或者后移0.25点，根据归一化系数公式，计算出的归一化的延迟常系数如表1所示。
表1数字移相的延迟常系数
根据上表的计算结果，代入eout(n)中，分别计算前移和后移的输出。仿真波形图如图3所示，移相前后的相位误差和幅值误差如表2所示。
表2移相前后的相位误差和幅值误差
从仿真结果可以看出，3阶8点的最小二乘数字移相算法具有较高移相准确度。在频域进一步分析了该算法的特性可知该移相方法在近40次谐波以内，幅频特性的增益约为1，且具有线性相位特性，即改算法不会改变幅值，同时群延迟时间也是恒定的。
步骤3：利用准同步算法对步骤2移相后的采样数据进行迭代处理，计算采样数据各次谐波的幅值、频率和相角。
具体实施时，利用基于复化梯形的准同步算法对步骤2移相后的采样数据进行迭代处理，具体包括：
设置采样率fs、每周期采样点数SN+1、最高谐波次数M、抽取采样数据的起始时刻t1和t2，以及权系数ρk；
分别在起始时刻t1和t2对采样数据开始取值，抽取后的序列分别为xt1(i1)和xt2(i2)，
将xt1(i1)和xt2(i2)分别运用公式进行第1次迭代运算；
其中，
各权系数的权值见表3。
表3各权系数的权值
权系数
ρ<sub>1</sub>
ρ<sub>2</sub>
ρ<sub>3</sub>
...
ρ<sub>N-1</sub>
ρ<sub>N</sub>
ρ<sub>N+1</sub>
权值
1
2
2
...
2
2
1
下标i表示各子区间序号,i＝1,2,3...,(S-1)N+1，S为将取值区间划分为多个子区间的数量，即为迭代次数，每个子区间的采样点为N个。
第i个长度为N的子区间为[t0+(i-1)fs,t0+(i-1+N)fs],x(i),x(i+1),...x(i+N)为第i个子区间内的采样点。
将第1次迭代运算的结果代入公式进行第s次迭代，直至迭代运算完成，获得和
其中，
采样数据各次谐波的幅值、频率和相角的计算公式为：
t1时刻各次谐波为：
t2时刻各次谐波为：
谐波幅值为：γmm为衰减因子，s为迭代次数
第m次谐波的频率为：
谐波相角为：R|t0，I|t0为以t0为起始时刻的一系列采样点进行s次迭代后的实部和虚部，m为第m次谐波，ωΔ为角频率变化值，fs为采样率。
记Cs＝i0/N+S/2，i0＝1,2,...,N+1,fNS＝Nfs。
如图4所示，本发明的一种用电负荷数据高速同步采集计算装置，包括过采样模块、移相模块和准同步模块；
所述过采样模块，用于设置过采样率Mc，以过采样率Mc获取采样数据，对采样数据进行低通滤波，抽取过采样率Mc对应的采样数据；
移相模块，用于对过采样模块的采样数据进行移相处理；
准同步模块，用于利用准同步算法对移相模块移相后的采样数据进行迭代处理，计算采样数据各次谐波的幅值、频率和相角。
综上所述，本发明采用过采样技术提高信号分辨率，解决了信号频率混叠及噪声抑制问题；采用最小二乘数字移相算法，解决了由于前端抗混叠滤波器的参数不一致，造成不同的相移，以及由于不同ADC触发信号的上升沿不一致，引起触发时刻存在差异的问题；采用基于复化梯形的准同步算法，解决了现有技术中电信号参数计算准确度较低的问题。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
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