基于滤波与相位协调的静态励磁系统同步信号检测方法

摘要

本发明公开一种基于滤波与相位协调的静态励磁系统同步信号检测方法。该方法通过高压调理变压器及低压调理变压器，将阳极电压调理到同步电压检测板要求的范围内，通过数字采集单元将电压信号离散，进行带通滤波消除阳极电压的换相缺口，再以超前环节对引入滤波所带来的同步信号相位延迟进行补偿，通过多路相电压的相位协调，实现了多路冗余的同步信号检测，在该基础上进行过零检测，输出可控硅触发电路的同步信号，从而实现了同步信号的数字化检测，避免了采用模拟电路存在的检测精度低问题，避免了采用过零检测法存在的误判风险，保证了同步信号的实时性和准确性。

主权项

一种基于滤波与相位协调的静态励磁系统同步信号检测方法，其特征是：该方法包括如下步骤：1)高压调理变压器(1)接入励磁系统整流桥(4)的阳极电压，高压调理变压器(1)的输出接于低压调理变压器(2)的输入；低压调理变压器(2)接入同步信号检测板(3)；2)对待检测的功率整流装置及其组成环节进行编号：将六个可控硅分别编号为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅和T₆，整流装置的三相交流输入信号分别用UA、UB、UC表示；3)选择数字信号处理器：根据功率整流装置阳极信号的工作频率范围、检测同步信号算法的计算时间参数确定处理器的采样频率，应保证f_s≥5f_u和f_s≥1/T_proc，其中，f_s为数字信号处理器的采样频率，f_u为阳极信号的最大工作频率，T_proc为算法的计算时间；4)计算确定测量装置变压器的型号和参数：将整流装置的交流输入信号UA、UB、UC引出，分别接于变压器的源端，利用变压器的连接方式和变比设定，使其输出幅值为±10V的电压信号U_ab、U_bc、U_ca，变压器输出电压应满足数字采样板的输入范围要求，该要求根据数字信号处理器的技术参数确定；5)将变压器的输出电压信号U_ab、U_bc、U_ca接在数字信号处理器的三个输入端口，通过数据采集端口的数字采样功能，处理得到离散化的电压信号，将其标记为并且存在以下关系${\bar{U}}_{\mathrm{ab}}\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}{U}_{\mathrm{ab}}\left(n{T}_s\right)\delta (t-n{T}_s)---\left(1\right)$${\bar{U}}_{\mathrm{ca}}\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}{U}_{\mathrm{ca}}\left(n{T}_s\right)\delta (t-n{T}_s)---\left(2\right)$${\bar{U}}_{\mathrm{bc}}\left(t\right)=\underset{t=0}{\overset{\infty }{\Sigma }}{U}_{\mathrm{bc}}\left(n{T}_s\right)\delta (t-n{T}_s)---\left(3\right)$其中，T_s为信号的采样周期，δ(t‑nT_s)为采样函数，且满足$\delta (t-n{T}_s)=\left\{\begin{array}{cc}1& t=n{T}_s\\ 0& t\ne n{T}_s\end{array}\right.---\left(4\right)$6)滤除三路离散相电压信号中的高次谐波：根据阳极电压信号的工作频率范围选择带通滤波器的通带宽度，滤波器选用压控电压源二阶带通滤波器，其传递函数表达式为$Y\left(s\right)=X\left(s\right)\frac{\mathrm{sRC}}{1+[3-X\left(s\right)]\mathrm{sRC}+{\left(\mathrm{sRC}\right)}^2}---\left(5\right)$其中，X(s)为三相电压信号的象函数，也即X(s)为滤波后信号的象函数，滤波器的中心频率为根据滤波器的中心频率和通带范围，确定相应的滤波器参数R和C，上限频率和下限频率的计算公式为：$\left\{\begin{array}{c}{f}_{p1}=\frac{f_0}{2}[\sqrt{{(3-K)}^2+4}-(3-K)]\\ f_{p2}=\frac{f_0}{2}[\sqrt{{(3-K)}^2+4}+(3-K)]\\ K=1+\frac{R_f}{R}\end{array}\right.---\left(6\right)$其中，f_p1为下限频率，f_p2为上限频率，K为放大倍数，R_f为反馈电阻值，R为前馈电阻值；7)将步骤6中的S域传递函数，转化为Z域上的传递函数$H\left(z\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{M}{\Sigma }}{b}_k{z}^{-k}}{1-\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_k{z}^{-k}}=\frac{Y\left(z\right)}{X\left(z\right)}---\left(7\right)$将其表示为差分方程为$y\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_{k}y(n-k)+\underset{k=0}{\overset{M}{\Sigma }}{b}_{x}x(n-k)---\left(8\right)$其中，x(n)是数字采样板采集得到的三路离散相电压信号序列，y(n)是经过滤波后的三路离散相电压信号序列，a_k和b_k为相应的系数，N和M为差分方程的阶次，阶次的确定以及系数的设计需要根据不同的滤波器设计方法得到；8)设计数字滤波器：a.将数字滤波器的技术指标，转换为相应的模拟滤波器技术指标；b.按照转换后的的技术指标，设计得到模拟带通滤波器H(s)；c.将H(s)转换为H(z)，将经过数字滤波后的信号记为U_ab,U_ca,U_bc；9)对经过滤波后的三路相电压信号U_ab,U_ca,U_bc进行相位补偿：补偿采用数字式超前环节，其相应的模拟传递函数为$G\left(s\right)=\frac{1+a{T}_{c}s}{1+T_{c}s}---\left(9\right)$其中，a和T_c为待设计的参数，根据相位补偿多少来确定，将传递函数转化为z域的传递函数，得到$H\left(z\right)=\frac{\underset{k=0}{\overset{M}{\Sigma }}{b}_k{z}^{-k}}{1-\underset{k=1}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_k{z}^{-k}}=\frac{Y_c\left(z\right)}{X_c\left(z\right)}---\left(10\right)$进一步将其转化为差分方程，可得$y_c\left(n\right)=\underset{k=0}{\overset{N}{\Sigma }}{a}_k{y}_c(n-k)+\underset{k=0}{\overset{M}{\Sigma }}{b}_x{x}_c(n-k)---\left(11\right)$其中，y_c(n)为超前环节的输出序列，x_c(n)为超前环节的输入序列，并将补偿后的三路相电压信号记为和10)将补偿后的两路相电压信号进行相位协调，实现冗余的信号检测，具体公式如下：其中，y_o(n)是相位协调后的输出信号序列；N[·]为故障判断函数，当其输入的信号存在故障时，其输出为0，否则输出为1，T_d1和T_d2分别是信号和相对于的超前相位，T_s为数字信号处理器的采样时间，T_d1和T_d2应为T_s的整数倍；11)对协调后的相电压输出信号序列y_o(n)进行过零检测，得到同步信号y_out(n)：过零检测环节的表达式为$y_{\mathrm{out}}\left(n\right)=\left\{\begin{array}{cc}{y}_{\max }& \left|y_o\left(n\right)\right|\le y_{o\min }\\ 0& \left|y_o\left(n\right)\right|>y_{o\min }\end{array}\right.---\left(13\right)$其中，y_max表示信号过零时的输出，y_omin为设定的一个参数，当y_o(n)的绝对值小于它时，便认为y_o(n)已小于0，可根据情况设定，通常建议设置为0；12)控制可控硅整流装置的门极电压：在检测得到的同步信号y_out(n)基础上，叠加由励磁系统自动电压调节器所计算得到的控制角，作为可控硅整流装置的触发脉冲信号，用以控制可控硅的门极电压。