[發明專利]量程自適應電力系統信號采集方法

在審

• 申請號: 202010460983.2
• 申請日: 2020-05-27
• 公開（公告）號: CN111562521A
• 公開（公告）日: 2020-08-21
• 發明（設計）人: 劉金鑄
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01R31/52
• 分類號: G01R31/52;G01R1/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種量程自適應電力系統信號采集方法，包括以下步驟：(1)信號傳感；(2)電隔離及轉換；(3)量程自適應控制；(4)電平移動；(5)A/D轉換；(6)還原處理。本申請采取信號采集過程中進行量程自適應切換，即根據原始信號的幅值分段自動選取不同增益信號的方法，使得采集信號在原始信號的各種取值范圍都有基本一致的信噪比，這樣就保證了小信號時，采集信號具有滿足要求的高信噪比，為后續信號處理系統的性能指標實現提供了根本的保證，有效解決了大動態范圍信號采集時，不同幅值的信號對應的采集信號信噪比不平衡問題。

技術領域

本發明涉及信號采集技術領域，尤其是涉及一種量程自適應電力系統信號采集方法。

背景技術

任何信號處理系統，首個環節是信號采集。信號采集過程包括：1)傳感，將原始的聲、光、電、磁、熱、化學相關、機械力相關等原始物理信號轉換為電路系統所需的電信號；2)信號調理，包括信號隔離、放大或衰減、均值移動、限幅等，將信號轉換為后續處理過程所要求的信號形式，主要是限定信號取值的動態范圍；3)A/D轉換，如果是數字信號處理系統，則將模擬波形信號轉換為對應的數據形式。

針對電力系統信號的信號處理系統，如故障檢測裝置、繼電保護裝置等，當然須首先采集電力系統中的特定信號，如特定位置的三相電壓信號，三相電流信號，零序電壓信號，零序電流信號，電力系統中性點電壓、電流信號等等。信號采集單元同樣包括傳感、信號調理、A/D轉換等步驟。

電力系統信號采集已是廣泛應用且十分成熟的技術。但是，某些應用場景下，尚存在著采集信號噪聲、干擾嚴重，信噪比(signal to noise ratio,SNR)低的問題。

例如，在電力系統單相接地故障(single phase earth fault，SPEF)檢測中，需采集各線路的剩余電流(定義為線路首端三相電流之和)、母線零序電壓(或電力系統中性點電壓)等信號。這些信號具有很大的動態范圍，即信號取值從0到最大值(絕對值)的范圍非常大。以10千伏中壓電力系統的零序電壓信號為例，其一次原始信號的取值范圍從0變化到最大值可達千伏甚至10千伏的數量級。

然而信號采集過程中的信號調理電路的增益(廣義，或為衰減)是恒定不變的，該增益的取值原則是：保證原信號的最大值經信號調理電路變換后的采集信號值處于正常的線性范圍內，不致發生限幅而產生非線性失真。然而，信號采集過程所引入的噪聲，包括高斯白噪聲以及A/D轉換時的量化噪聲，其平均功率是固定不變的。這就產生一個嚴重問題，即，原始信號為大信號時，采集信號具有較高的信噪比SNR，可以保證后續信號處理的性能指標，而小信號時，尤其是信號取值接近0時，采集信號的SNR很低，不能保證后續信號處理的性能指標。簡言之，好比用量程為數千伏的電壓表去測量伏級的電壓值，測量結果是不能保證達到精度要求的。

以電力系統單相接地故障SPEF檢測(故障狀態與故障線路識別)為例。當SPEF接地過渡電阻較小時，各線路剩余電流信號、零序電壓信號幅值較大，對應采集信號的SNR較大，這時的檢測性能較好，容易得到正確的檢測結果，即正確識別出故障線路。但是對于高阻SPEF，其接地過渡電阻高達數百千歐姆，各信號具有很小的幅值，如果用恒定增益的信號采集方法，采集信號的信噪比很低，這時，無論用怎樣先進的檢測方案，也不能保證要求的檢測性能。這其實是目前高阻SPEF檢測問題不能有效解決的根本原因之一?？梢姡ＷC原始信號為小信號時采集信號具有高的信噪比，對于SPEF檢測等問題是至關重要的。

為此，必須開發一種量程自適應的信號采集技術，以解決上述大動態范圍信號采集過程中，小信號時采集信號信噪比低的問題。

發明內容

發明目的：為了克服背景技術的不足，本發明公開了一種量程自適應電力系統信號采集方法，根據原始信號的幅值分段自動選取不同增益信號，使得采集信號在原始信號的各種取值范圍都有基本一致的信噪比。

技術方案：本發明的量程自適應電力系統信號采集方法，包括以下步驟：