专利名称：Rtds锁相同步元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种RTDS锁相同步元件，具体涉及一种用于直流输电的RTDS锁相同步元件。

背景技术：
在高压直流输电领域，RTDS是目前最佳的闭环测试工具，能够连接外部的控制和保护设备进行测试。当没有外部控制和保护设备时，RTDS自身也能够搭建控制和保护模型进行仿真，这对直流输电的系统研究具有重要意义。
锁相同步元件是直流输电最重要的基础组件，其输出直接用于触发脉冲的产生和分配。但是目前在RTDS中能够使用的锁相同步手段，均不能达到高压直流输电所需的性能和精度。为了更精确地仿真高压直流输电的控制过程，非常有必要在RTDS中设计全新的锁相同步元件。


发明内容
本发明的目的是提供一种RTDS锁相同步元件，以满足高压直流输电对触发脉冲同步的性能和精度要求。
为实现上述目的，采用的技术方案是，一种RTDS锁相同步元件，包括抗混叠滤波模块、重采样模块、滤过正序和滤除谐波的数字滤波模块、交流电压的幅值和相位计算模块，上述各模块顺序连接，其中抗混叠滤波模块输入为三相电压，交流电压的幅值和相位计算模块输出为同步电压的幅值和相位，同步电压的幅值和相位输出经交流电压频率跟踪模块连接于重采样模块的控制端，同步电压的相位输出经相位误差控制和相位积分模块输出锁相环的输出相位。
所述的相位误差控制器和相位积分模块包括顺次连接的相位误差计算子模块、比例积分控制子模块和相位积分模块，其中的相位积分模块输出锁相环的输出相位，相位误差计算子模块的输入为同步电压相位和锁相环的输出相位。
所述的交流电压频率跟踪模块输入的同步电压的幅值经幅值判断子模块连接于频率积分子模块和比例积分控制子模块，输入的同步电压的相位依次经过相邻两次采样点计算子模块和1/4周波的角差计算子模块连接于频率积分子模块，频率积分子模块的输出连接于重采样模块的控制端。
所述的滤过正序和滤除谐波的数字滤波模块包括依次连接的三相电压到αβ变换子模块和数字滤波子模块。
所述的相位误差计算子模块设有抗混叠滤波模块的静态补偿和动态补偿。
所述的幅值判断子模块判断同步电压幅值是否大于A倍的额定电压，若大于A倍的额定电压则输出工作信号，启动频率积分子模块和比例积分控制子模块；否则对应两积分器的输出维持不变。
所述的重采样模块为线性插值采样模块。
所述的抗混叠滤波模块为巴特沃斯低通滤波器。
所述的滤过正序和滤除谐波的数字滤波模块的额定采样间隔为600～650us，做为优化采样间隔取值为625us。
所述的交流电压的幅值和相位计算模块的输入为采样信号经滤过正序和滤除谐波的数字滤波模块输出的两个正交向量a和b，输出交流电压幅值m的计算公式为

输出交流电压相位p的计算公式为tan-1b/a。
本发明采用抗混叠滤波器防止了重采样时发生频率混叠，滤过正序和滤除谐波的数字滤波模块真正排除了负序分量和PT断线对锁相跟踪过程的干扰，交流电压频率跟踪模块对系统电压的基波频率进行跟踪，从而动态调整采样间隔，在系统频率发生偏移的时候，仍然按设计的每周波采样点数进行采样，从而保证测量计算的精度。



图1是本发明的结构框图。

具体实施例方式 如图1所示，本实施例主要由以下几个部分构成 a)抗混叠滤波模块，采用巴特沃斯低通滤波器1； RTDS的典型工作步长为50us，根据采样定理能够表示高达10000Hz的信号；如图1的虚框所示，大多数组成部分的工作采样间隔为625us，只能表示800Hz以下的信号。为了防止重采样时发生频率混叠，必须设置抗混叠滤波器将RTDS原始信号的高频部分滤除，本实施例中使用5阶的巴特沃斯低通滤波器，截至频率设置为400Hz。
b)重采样模块，采用线性插值采样模块2； 因为RTDS的工作步长不是本实施例采样间隔的整数倍，为了尽量提高计算精度，在重采样时使用了线性插值采样模块。
c)滤过正序和滤除谐波的数字滤波模块，包括三相电压到αβ变换子模块3和数字滤波子模块4； 要想真正排除负序分量和PT断线对锁相跟踪过程的干扰，必须使用能够滤过正序分量的数字滤波模块，因为只有正序分量在故障过程中相位是保持不变的。
本实施例中的数字滤波模块具有滤过正序分量和滤除谐波的双重功能，该数字滤波模块属于有限冲击响应滤波器，具有线性相移特性。在额定频率下幅值衰减系数为1，相位移动大小为0，在额定频率的整倍次谐波幅值衰减系数为0，对额定频率的非整倍次谐波也有相当程度的衰减。综合考虑计算精度和GPC板卡的计算能力，将滤波模块的窗口长度设计为每工频周期32点，即额定采样间隔为625us。
d)交流电压的幅值和相位计算模块5； 重采样之后的信号依次经过αβ变换、数字滤波模块之后，成为正交的两个相量a和b，可以简单的使用

和tan-1b/a求出交流电压的幅值和相位。
e)交流电压频率跟踪模块，包括幅值判断子模块6、相邻两次采样点计算子模块7、1/4周波的角差计算子模块8和频率积分子模块9； 电力系统是一个极其庞大和复杂的系统，对于电力信号来说，不仅信号成分复杂、幅度可变，而且基波频率也不是恒定不变的。如果按照固定的基波频率50Hz来确定采样间隔，就会产生频谱泄漏效应。因此要根据系统电压的基波频率，动态调整采样间隔，在系统频率发生偏移的时候，仍然按设计的每周波采样点数进行采样，从而保证测量计算的精度。
通过测量两个采样点之间的角度增量，计算出1/4周波可能造成的相位差值，该相位差值经过20ms平滑滤波，以积分的形式叠加到频率上，进而算出新的采样间隔，用新的采样间隔控制插值采样，当满足每周波恰好32点时，相位差值为0调整过程结束。本实施例中频率跟踪范围设定为45～55Hz，频率跟踪速度设定为每100ms频率变化1Hz。
f)相位误差控制和相位积分模块，包括相位误差计算子模块10、比例积分控制子模块11和相位积分模块12； 使用相位积分子模块复原交流电压相位，该积分子模块为模积分器，超过2π重置为0，该积分子模块以RTDS工作步长积分，典型的为50us；使用一个标准的比例积分控制子模块将相位积分子模块与交流电压相位同步，比例积分控制子模块每周波输出32个积分速度值；交流电压相位减去相位积分子模块的差值作为比例积分控制子模块的输入，误差形成环节考虑了抗混叠滤波模块的静态补偿和动态补偿。
只有在交流电压大于10％额定电压时，比例积分控制子模块才投入工作；当交流电压小于10％额定电压时，比例积分控制子模块将比例部分的输出置为0，积分部分输出维持不变，这样当交流电压过低时，锁相同步元件进入惯性同步状态。为了避免比例积分控制子模块在两种状态频繁切换，在进入和退出惯性状态时增加了死区。
工作原理如下 三相同步电压Ua、Ub、Uc经过巴特沃斯低通滤波器1，进行抗混叠滤波；抗混叠滤波器的输出经过线性插值采样模块2进行重采样，降低采样率为每周波32点，即采样周期为625us；重采样的电压信号经过三相电压到αβ变换子模块3，滤除零序分量，得到同步电压的α和β分量；同步电压的α和β分量经过数字滤波子模块4，进一步滤除负序分量和谐波分量，得到滤波后的α和β分量；滤波后的α和β分量经过交流电压的幅值和相位计算模块5，得到同步电压的幅值m和相位p；幅值m经过幅值判断子模块6判断同步电压幅值是否大于10％的额定电压，大于10％时发出允许信号，频率积分子模块9和比例积分控制子模块11开始工作；相位p经过模块7计算两次采样点之间的角差，再通过1/4周波的角差计算子模块8推测1/4周波的角差x，如果重采样率恰好是每周波32点，该角差应该为0；角差x经过频率积分子模块9，逐渐修正积分器的输出频率，输出频率控制插值采样环节，从而构成频率跟踪采样；相位p和锁相环的相位输出经过相位误差计算子模块10，得到两者的相位偏差；相位偏差经过比例积分控制子模块11，比例积分控制子模块11的输出为角速度；比例积分控制子模块11输出的角速度经过相位积分模块12，该积分模块为模积分器，超过2π重置为0，当锁相环锁定时，相位积分模块12的相位输出和输入同步电压的相位相同。
权利要求
1.一种RTDS锁相同步元件，其特征在于，包括抗混叠滤波模块、重采样模块、滤过正序和滤除谐波的数字滤波模块、交流电压的幅值和相位计算模块，上述各模块顺序连接，其中抗混叠滤波模块输入为三相电压，交流电压的幅值和相位计算模块输出为同步电压的幅值和相位，同步电压的幅值和相位输出经交流电压频率跟踪模块连接于重采样模块的控制端，同步电压的相位输出经相位误差控制和相位积分模块输出锁相环的输出相位。
2.如权利要求1所述的RTDS锁相同步元件，其特征在于，所述的相位误差控制器和相位积分模块包括顺次连接的相位误差计算子模块、比例积分控制子模块和相位积分模块，其中的相位积分模块输出锁相环的输出相位，相位误差计算子模块的输入为同步电压相位和锁相环的输出相位。
3.如权利要求1或2所述的RTDS锁相同步元件，其特征在于，所述的交流电压频率跟踪模块输入的同步电压的幅值经幅值判断子模块连接于频率积分子模块和比例积分控制子模块，输入的同步电压的相位依次经过相邻两次采样点计算子模块和1/4周波的角差计算子模块连接于频率积分子模块，频率积分子模块的输出连接于重采样模块的控制端。
4.如权利要求3所述的RTDS锁相同步元件，其特征在于，所述的滤过正序和滤除谐波的数字滤波模块包括依次连接的三相电压到αβ变换子模块和数字滤波子模块。
5.如权利要求4所述的RTDS锁相同步元件，其特征在于，所述的相位误差计算子模块设有抗混叠滤波模块的静态补偿和动态补偿。
6.如权利要求5所述的RTDS锁相同步元件，其特征在于，所述的幅值判断子模块判断同步电压幅值是否大于A倍的额定电压，若大于A倍的额定电压则输出工作信号，启动频率积分子模块和比例积分控制子模块；否则对应两积分器的输出维持不变。
7.如权利要求6所述的RTDS锁相同步元件，其特征在于，所述的重采样模块为线性插值采样模块。
8.如权利要求7所述的RTDS锁相同步元件，其特征在于，所述的抗混叠滤波模块为巴特沃斯低通滤波器。
9.如权利要求8所述的RTDS锁相同步元件，其特征在于，所述的滤过正序和滤除谐波的数字滤波模块的额定采样间隔为600～650us，做为优化采样间隔取值为625us。
10.如权利要求9所述的RTDS锁相同步元件，其特征在于，所述的交流电压的幅值和相位计算模块的输入为采样信号经滤过正序和滤除谐波的数字滤波模块输出的两个正交向量a和b，输出交流电压幅值m的计算公式为
输出交流电压相位p的计算公式为tan-1b/a。
全文摘要
本发明涉及一种RTDS锁相同步元件，包括抗混叠滤波模块、重采样模块、滤过正序和滤除谐波的数字滤波模块、交流电压的幅值和相位计算模块，上述各模块顺序连接，其中抗混叠滤波模块输入为三相电压，交流电压的幅值和相位计算模块输出为同步电压的幅值和相位，同步电压的幅值和相位输出经交流电压频率跟踪模块连接于重采样模块的控制端，同步电压的相位输出经相位误差控制和相位积分模块输出锁相环的输出相位，满足了高压直流输电对触发脉冲同步的性能和精度要求。
文档编号G01R25/00GK101789601SQ20101012521
公开日2010年7月28日 申请日期2010年3月16日 优先权日2010年3月16日
发明者姚致清, 周鹏鹏, 傅润炜, 庄良文, 李树森, 李亚萍, 王伟 申请人:许昌开普电器检测研究院