[发明专利]量程自适应电力系统信号采集方法

说明书

本发明公开了一种量程自适应电力系统信号采集方法，包括以下步骤：(1)信号传感；(2)电隔离及转换；(3)量程自适应控制；(4)电平移动；(5)A/D转换；(6)还原处理。本申请采取信号采集过程中进行量程自适应切换，即根据原始信号的幅值分段自动选取不同增益信号的方法，使得采集信号在原始信号的各种取值范围都有基本一致的信噪比，这样就保证了小信号时，采集信号具有满足要求的高信噪比，为后续信号处理系统的性能指标实现提供了根本的保证，有效解决了大动态范围信号采集时，不同幅值的信号对应的采集信号信噪比不平衡问题。

技术领域

本发明涉及信号采集技术领域，尤其是涉及一种量程自适应电力系统信号采集方法。

背景技术

任何信号处理系统，首个环节是信号采集。信号采集过程包括：1)传感，将原始的声、光、电、磁、热、化学相关、机械力相关等原始物理信号转换为电路系统所需的电信号；2)信号调理，包括信号隔离、放大或衰减、均值移动、限幅等，将信号转换为后续处理过程所要求的信号形式，主要是限定信号取值的动态范围；3)A/D转换，如果是数字信号处理系统，则将模拟波形信号转换为对应的数据形式。

针对电力系统信号的信号处理系统，如故障检测装置、继电保护装置等，当然须首先采集电力系统中的特定信号，如特定位置的三相电压信号，三相电流信号，零序电压信号，零序电流信号，电力系统中性点电压、电流信号等等。信号采集单元同样包括传感、信号调理、A/D转换等步骤。

电力系统信号采集已是广泛应用且十分成熟的技术。但是，某些应用场景下，尚存在着采集信号噪声、干扰严重，信噪比(signal to noise ratio,SNR)低的问题。

例如，在电力系统单相接地故障(single phase earth fault，SPEF)检测中，需采集各线路的剩余电流(定义为线路首端三相电流之和)、母线零序电压(或电力系统中性点电压)等信号。这些信号具有很大的动态范围，即信号取值从0到最大值(绝对值)的范围非常大。以10千伏中压电力系统的零序电压信号为例，其一次原始信号的取值范围从0变化到最大值可达千伏甚至10千伏的数量级。

然而信号采集过程中的信号调理电路的增益(广义，或为衰减)是恒定不变的，该增益的取值原则是：保证原信号的最大值经信号调理电路变换后的采集信号值处于正常的线性范围内，不致发生限幅而产生非线性失真。然而，信号采集过程所引入的噪声，包括高斯白噪声以及A/D转换时的量化噪声，其平均功率是固定不变的。这就产生一个严重问题，即，原始信号为大信号时，采集信号具有较高的信噪比SNR，可以保证后续信号处理的性能指标，而小信号时，尤其是信号取值接近0时，采集信号的SNR很低，不能保证后续信号处理的性能指标。简言之，好比用量程为数千伏的电压表去测量伏级的电压值，测量结果是不能保证达到精度要求的。

以电力系统单相接地故障SPEF检测(故障状态与故障线路识别)为例。当SPEF接地过渡电阻较小时，各线路剩余电流信号、零序电压信号幅值较大，对应采集信号的SNR较大，这时的检测性能较好，容易得到正确的检测结果，即正确识别出故障线路。但是对于高阻SPEF，其接地过渡电阻高达数百千欧姆，各信号具有很小的幅值，如果用恒定增益的信号采集方法，采集信号的信噪比很低，这时，无论用怎样先进的检测方案，也不能保证要求的检测性能。这其实是目前高阻SPEF检测问题不能有效解决的根本原因之一。可见，保证原始信号为小信号时采集信号具有高的信噪比，对于SPEF检测等问题是至关重要的。

为此，必须开发一种量程自适应的信号采集技术，以解决上述大动态范围信号采集过程中，小信号时采集信号信噪比低的问题。

发明内容

发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明公开了一种量程自适应电力系统信号采集方法，根据原始信号的幅值分段自动选取不同增益信号，使得采集信号在原始信号的各种取值范围都有基本一致的信噪比。

技术方案：本发明的量程自适应电力系统信号采集方法，包括以下步骤：