一种风电电能数据采集方法及装置

技术领域

本发明涉及能量采集的技术领域，尤其涉及一种风电电能数据采集方法及装置。

背景技术

经过近几年的快速发展，风电装机容量我国已位居世界第二。随着风电容量的不断扩大，风电对电能质量的影响越来越大，成为制约风电大规模利用的障碍之一。电能质量受风电机组运行特性和输出功率的影响，如电压偏差、电压波动、谐波和闪变等，一方面，电能质量的下降不仅会影响人们对电力的需求，也会造成很大的经济损失；另一方面，随着信息技术的发展，越来越多的敏感负载对电能质量的要求也越来越高；因此，为了保证电能质量，对电能数据进行精确测量和分析显得尤为重要。

然而，当前很多地区仍使用传统的基于C/S架构的电能采集系统实现电能采集，由于C/S架构对网速的要求比较高，导致采集电能数据的实时性较低，且安装部署困难，成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种风电电能数据采集方法及装置，以解决现有电能采集系统检测精度较低、实时性较差，以及成本较高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案，包括：将三相电压互感器和三相电流互感器采集的电能信号输入至隔离器进行滤波和分流处理；将处理后的电能信号经采样电阻输入至跟随器，获得同相单极的电能信号；所述跟随器包括多个电阻、反比例放大器和二极管钳位电路；所述跟随器与DCAC逆变器的模拟端口连接，由DCAC逆变器将跟随器输出的同相单极的电能信号转换为交流信号；通过背板数据总线将DCAC逆变器输出的信号发送至微处理器，由微处理器对所述变换后的电能信号进行分析计算，获得电能质量稳态数据。

作为本发明所述的风电电能数据采集方法的一种优选方案，其中：还包括时钟同步电路，所述时钟同步电路包括D触发器和RC振荡器，通过D触发器的CLK端触发上升沿，输出脉冲信号，以驱动RC振荡器调整同相单极的电能信号的时钟频率和占空比，实现时钟同步。

作为本发明所述的风电电能数据采集方法的一种优选方案，其中：所述隔离器包括隔离栅和抗混叠滤波器，所述隔离栅包括第一电容和第二电容，第一电容与第二电容之间通过封装键合线进行串联连接，其中，封装键合线为20μm的金丝。

作为本发明所述的风电电能数据采集方法的一种优选方案，其中：所述DCAC逆变器包括开关控制电路、控制开关、积分型单稳态电路、匹配电容和储能电容；由开关控制电路对控制开关的开启和关闭状态进行控制以实现直流信号到交流的变换；其中，控制开关的开启时刻由匹配电容上的电压决定，关闭时刻由匹配电容、储能电容上的电压决定。

作为本发明所述的风电电能数据采集方法的一种优选方案，其中：所述分析计算包括：使用布莱克曼窗对变换后的电能信号进行加窗操作，分辨率设置为1.85；通过线性调频Z变换算法将加窗后的电能信号转换为频域为单峰的函数信号，并通过斐波那契搜索算法进行极值搜索，所述极值即为电能质量稳态数据；其中，斐波那契搜索算法的测量点数量设置为200。

作为本发明所述的风电电能数据采集装置的一种优选方案，其中：包括：隔离单元，被配置为执行将三相电压互感器和三相电流互感器采集的电能信号输入至隔离器进行滤波和分流处理；同相单极信号输出单元，被配置为执行将处理后的电能信号经采样电阻输入至跟随器，获得同相单极的电能信号；所述跟随器包括多个电阻、反比例放大器和二极管钳位电路；信号转换单元，被配置为执行由DCAC逆变器将跟随器输出的同相单极的电能信号转换为交流信号；信号分析单元，被配置为执行通过背板数据总线将DCAC逆变器输出的信号发送至微处理器，由微处理器对所述变换后的电能信号进行分析计算，获得电能质量稳态数据。

作为本发明所述的风电电能数据采集方法的一种优选方案，其中：还包括时钟同步电路，所述时钟同步电路包括D触发器和RC振荡器，通过D触发器的CLK端触发上升沿，输出脉冲信号，以驱动RC振荡器调整同相单极的电能信号的时钟频率和占空比，实现时钟同步。

作为本发明所述的风电电能数据采集方法的一种优选方案，其中：所述隔离器包括隔离栅和抗混叠滤波器，所述隔离栅包括第一电容和第二电容，第一电容与第二电容之间通过封装键合线进行串联连接，其中，封装键合线为20μm的金丝。

作为本发明所述的风电电能数据采集方法的一种优选方案，其中：所述DCAC逆变器包括开关控制电路、控制开关、积分型单稳态电路、匹配电容和储能电容；由开关控制电路对控制开关的开启和关闭状态进行控制以实现直流信号到交流的变换；其中，控制开关的开启时刻由匹配电容上的电压决定，关闭时刻由匹配电容、储能电容上的电压决定。

作为本发明所述的风电电能数据采集方法的一种优选方案，其中：所述信号分析单元具体被配置为执行：使用布莱克曼窗对变换后的电能信号进行加窗操作，分辨率设置为1.85；通过线性调频Z变换算法将加窗后的电能信号转换为频域为单峰的函数信号，并通过斐波那契搜索算法进行极值搜索，所述极值即为电能质量稳态数据；其中，斐波那契搜索算法的测量点数量设置为200。

本发明的有益效果：相较于传统的基于C/S架构的电能采集系统，本发明通过对电能采集装置进行改进，提升了电能数据的采集效率和测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明第一个实施例所述的风电电能数据采集方法的流程示意图；

图2为本发明第一个实施例所述的二极管钳位电路的结构示意图；

图3为本发明第二个实施例所述的风电电能数据采集装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

参照图1，为本发明的第一个实施例，该实施例提供了一种风电电能数据采集方法，包括：

S1：将三相电压互感器和三相电流互感器采集的电能信号输入至隔离器进行滤波和分流处理。

利用三相电压互感器和三相电流互感器对三相电压信号和三相电流信号进行采样，而后将采样的三相电压信号和三相电流信号，即将电能信号发送至隔离器，隔离器包括隔离栅和抗混叠滤波器。

具体的，隔离栅包括第一电容和第二电容，第一电容与第二电容之间通过封装键合线进行串联连接，封装键合线为20μm的金丝，共有30根，具有高强度的耐压能力，可达9kV

为解决频率混叠，在对三相电压信号和三相电流信号进行隔离前，需采用抗混叠滤波器减少电能信号在采样时发生的混叠量，滤除高于1/2采样频率的频率成份。设计中，抗混叠滤波器的截止频率fc为：

fc=fs / 2.56

式中，fs为采样频率。

优选的，本发明通过使用抗混叠滤波器降低同相单极的电能信号中的混叠频率，再通过隔离栅实现多路分流，各路既不干扰，也能隔离起来，提升了三相电能信号的采集效率。

S2：将处理后的电能信号经采样电阻输入至跟随器，获得同相单极的电能信号。

跟随器包括多个电阻、反比例放大器和二极管钳位电路，

隔离器处理后的电能信号经采样电阻输入至跟随器，先后经由两个反比例放大器，保证信号能够同相单极输出，同时，为保护电路，本发明在信号输入回路中采用二极管钳位电路对电路进行钳位保护，如图2所示，二极管钳位电路包括D

S3：由DCAC逆变器将跟随器输出的同相单极的电能信号转换为交流信号。

在进行信号转换时，需对随器输出的同相单极的电能信号进行时钟同步，以提高测量的精度，具体的，将跟随器输出的同相单极的电能信号输入至时钟同步电路，时钟同步电路包括D触发器和RC振荡器，通过D触发器的CLK端触发上升沿，输出脉冲信号，用以驱动RC振荡器调整同相单极的电能信号的时钟频率和占空比，实现时钟同步。

进一步地，将同步后的电能信号输入至DCAC逆变器，实现信号的模数转换，并将电能信号转换为交流信号。DCAC逆变器包括开关控制电路、控制开关、积分型单稳态电路、匹配电容和储能电容；由开关控制电路对控制开关的开启和关闭状态进行控制以实现直流信号到交流的变换；其中，控制开关的开启时刻由匹配电容上的电压决定，即当匹配电容上的电压下降到开启阈值时开启控制开关；关闭时刻由匹配电容、储能电容上的电压决定，即当匹配电容上的电压及储能电容上的电压上升到关闭阈值时，控制开关关闭。

较佳的是，通过在DCAC逆变器中加入积分型单稳态电路使得电路进入暂稳态，以防止外部电磁信号的干扰，进而提高信号转换的准确性。

S4：通过背板数据总线将DCAC逆变器输出的信号发送至微处理器，由微处理器对变换后的电能信号进行分析计算，获得电能质量稳态数据。

本实施例中的微处理器为8086微处理器，其由运算器（算术逻辑运算单元ALU、地址加法器）、控制器（总线控制器）、内部寄存器组（14个内部寄存器）三部分组成，通过背板数据总线将DCAC逆变器输出的信号发送至微处理器，由运算器对变换后的电能信号进行分析计算，具体步骤如下：

（1）使用布莱克曼窗对变换后的电能信号进行加窗操作，分辨率设置为1.85。

较佳的是，布莱克曼窗在频域上具有更好的抑制旁瓣效果和较小的波纹。

（2）通过线性调频Z变换算法将加窗后的电能信号转换为频域为单峰的函数信号，并通过斐波那契搜索算法进行极值搜索，极值即为电能质量稳态数据。

常用的频谱细化方式有DFT、FFT算法，但DFT算法只研究信号的某一频段，需要对该频段进行密集取样才能提高分辨率，从而增大工作量；FFT算法容易受到频谱泄露获栅栏效应的影响，存在计算量大且实时性不高的问题。

因此本发明选取线性调频Z变换（Chirp Z变换）将加窗后的电能信号转换为频域为单峰的函数信号，通过MATLAB实现，相较于现有的DFT算法和FFT算法，可以从任意频率上开始对输入的数据进行窄带高分辨率力分析，输入序列的长度和输出序列的长度无需相等，极大地减少了工作量。

进一步地，通过斐波那契搜索算法进行极值搜索，其原理是逐步缩小搜索空间，直至最小点存在的区间达到允许的误差范围为止，本实施例将斐波那契搜索算法的测量点数量设置为200。

最后对获得的电能质量稳态数据进行谐波成分分析，得到各次谐波分量有效值、频率和相位信息，从而获得相应的谐波功率及谐波电能，具体的分析算法可采用现有技术，在此不做赘述。

实施例2

参照图3，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了一种风电电能数据采集装置，包括，

隔离单元，被配置为执行将三相电压互感器和三相电流互感器采集的电能信号输入至隔离器进行滤波和分流处理；隔离器包括隔离栅和抗混叠滤波器，隔离栅包括第一电容和第二电容，第一电容与第二电容之间通过封装键合线进行串联连接，其中，封装键合线为20μm的金丝。具体的，隔离栅包括第一电容和第二电容，第一电容与第二电容之间通过封装键合线进行串联连接，封装键合线为20μm的金丝，共有30根，具有高强度的耐压能力，可达9kV

为解决频率混叠，在对三相电压信号和三相电流信号进行隔离前，需采用抗混叠滤波器减少电能信号在采样时发生的混叠量，滤除高于1/2采样频率的频率成份。

同相单极信号输出单元，被配置为执行经采样电阻将处理后的电能信号输入至跟随器，获得同相单极的电能信号；跟随器包括多个电阻、反比例放大器和二极管钳位电路；具体的，隔离器处理后的电能信号经采样电阻输入至跟随器，先后经由两个反比例放大器，保证信号能够同相单极输出，同时，为保护电路，本发明在信号输入回路中采用二极管钳位电路对电路进行钳位保护，二极管钳位电路包括D

在进行信号转换时，需对随器输出的同相单极的电能信号进行时钟同步，以提高测量的精度，具体的，将跟随器输出的同相单极的电能信号输入至时钟同步电路，时钟同步电路包括D触发器和RC振荡器，通过D触发器的CLK端触发上升沿，输出脉冲信号，用以驱动RC振荡器调整同相单极的电能信号的时钟频率和占空比，实现时钟同步。

信号转换单元，被配置为执行由DCAC逆变器将跟随器输出的同相单极的电能信号转换为交流信号，DCAC逆变器包括开关控制电路、控制开关、积分型单稳态电路、匹配电容和储能电容；由开关控制电路对控制开关的开启和关闭状态进行控制以实现直流信号到交流的变换；其中，控制开关的开启时刻由匹配电容上的电压决定，即当匹配电容上的电压下降到开启阈值时开启控制开关；关闭时刻由匹配电容、储能电容上的电压决定，即当匹配电容上的电压及储能电容上的电压上升到关闭阈值时，控制开关关闭。

信号分析单元，被配置为执行通过背板数据总线将DCAC逆变器输出的信号发送至微处理器，由微处理器对变换后的电能信号进行分析计算，获得电能质量稳态数据。

具体的，本实施例中的微处理器为8086微处理器，其由运算器（算术逻辑运算单元ALU、地址加法器）、控制器（总线控制器）、内部寄存器组（14个内部寄存器）三部分组成，通过背板数据总线将DCAC逆变器输出的信号发送至微处理器，由运算器对变换后的电能信号进行分析计算，具体步骤如下：

（1）使用布莱克曼窗对变换后的电能信号进行加窗操作，分辨率设置为1.85；

（2）通过线性调频Z变换算法将加窗后的电能信号转换为频域为单峰的函数信号，并通过斐波那契搜索算法进行极值搜索，极值即为电能质量稳态数据。

通过斐波那契搜索算法进行极值搜索，其原理是逐步缩小搜索空间，直至最小点存在的区间达到允许的误差范围为止，本实施例将斐波那契搜索算法的测量点数量设置为200。

最后对获得的电能质量稳态数据进行谐波成分分析，得到各次谐波分量有效值、频率和相位信息，从而获得相应的谐波功率及谐波电能。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

如在本申请所使用的，术语“组件”、“模块”、“系统”等等旨在指代计算机相关实体，该计算机相关实体可以是硬件、固件、硬件和软件的结合、软件或者运行中的软件。例如，组件可以是，但不限于是：在处理器上运行的处理、处理器、对象、可执行文件、执行中的线程、程序和/或计算机。作为示例，在计算设备上运行的应用和该计算设备都可以是组件。一个或多个组件可以存在于执行中的过程和/或线程中，并且组件可以位于一个计算机中以及/或者分布在两个或更多个计算机之间。此外，这些组件能够从在其上具有各种数据结构的各种计算机可读介质中执行。这些组件可以通过诸如根据具有一个或多个数据分组（例如，来自一个组件的数据，该组件与本地系统、分布式系统中的另一个组件进行交互和/或以信号的方式通过诸如互联网之类的网络与其它系统进行交互）的信号，以本地和/或远程过程的方式进行通信。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。