本发明涉及电能质量技术领域，尤其涉及一种高性价比高精度的超高次谐波测量方法、系统。
背景技术：
随着分布式能源、新能源发电、微网以及电力电子负荷在电网中的发展，超高次谐波对用户用电可靠性的威胁越来越大，如何进行超高次谐波的监测和分析目前属于电能质量分析的新的技术领域。目前国内外关于超高次谐波的监测分析方法和系统的研究还非常少。超高次谐波是2khz～150khz的谐波分量。根据香农采样定理，采样率至少需要达到300khz才能正确进行2khz～150khz超高次谐波的分析，工程上一般需要4倍采样即600khz才能准确可靠进行2khz～150khz超高次谐波的分析。由于要求的采样率非常高，因此对于系统的性能要求非常高，从而大幅度的提高了成本。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种超高次谐波测量方法、系统，旨在降低超高次谐波测量成本，提升系统的性价比和稳定性。
为了达到上述目的，本发明提出一种超高次谐波测量方法，所述方法应用于超高次谐波测量系统，所述超高次谐波测量系统包括电能质量监测系统核心模块、通道切换模块、带通滤波器、单通道高速ad，所述方法包括以下步骤：
当所述电能质量监测系统核心模块在设定的等时间间隔点将采样数据环形缓存区的当前写环形缓存区指针切换到下一个采样数据环形缓存区之后，所述通道切换模块切换到下一个需要分析的采样通道，并由所述电能质量监测系统核心模块将下一个需要分析的采样数据环形缓存区打上对应的通道标签；
在信号通过所述通道切换模块后，所述带通滤波器滤除待分析超高次谐波频段信号之外的信号，并将待分析超高次谐波频段信号输入至所述单通道高速ad；
所述电能质量监测系统核心模块触发高速单通道ad进行采样并读取采样值，然后根据当前采样环形缓存区写指针将采样值存入对应的环形采样缓存区，由所述电能质量监测系统核心模块对采样数据进行分析，得到所述超高次谐波的频谱。
本发明进一步的技术方案是，所述电能质量监测系统核心模块包括主处理芯片和内存，所述主处理芯片包括定时器、协处理器和主处理核，所述主处理核在设定的等时间间隔点将采样数据环形缓存区的当前写环形缓存区指针切换到下一个采样数据环形缓存区的步骤包括：
所述主处理核在设定的等时间间隔点将采样数据环形缓存区的当前写环形缓存区指针切换到下一个采样数据环形缓存区；
所述电能质量监测系统核心模块将下一个需要分析的采样数据环形缓存区打上对应的通道标签的步骤包括：
所述主处理核将下一个需要分析的采样数据环形缓存区打上对应的通道标签。
本发明进一步的技术方案是，所述电能质量监测系统核心模块触发单通道高速ad进行采样并读取采样数据的步骤之前包括：
所述电能质量监测系统核心模块读取采样数据，然后将采样数据存入采样数据环形缓存区，由所述电能质量监测系统核心模块对采样数据进行分析，得到所述超高次谐波的频谱的步骤包括：
所述电能质量监控系统核心模块读取采样数据，并按循环存储模式将采样数据存储到当前写环形缓存区指针指定的环形缓存区中，并更新最新采样点在当前写环形缓存区中的位置；
由所述主处理核在低优先级的任务中查询读环形缓存区指针和写环形缓存区指针；
当当前读环形缓存区指针和当前写环形缓存区指针不一致时，由所述主处理核根据所述当前读环形缓存区指针和所述写环形缓存区指针获取需要分析处理的环形缓存区，并对所述需要分析处理的环形缓存区进行计算分析，得到所述超高次谐波的频谱，然后将当前读指针更新到已分析采样数据环形缓存区的下一个采样数据环形缓存区。
本发明进一步的技术方案是，所述需要分析处理的环形缓存区为从当前读环形缓存区指针指向的环形缓存区开始到当前写环形缓存区指针指向的环形缓存区的前一个环形缓存区结束；
对所述需要分析处理的环形缓存区进行计算分析，得到所述超高次谐波的频谱的步骤包括：
对所述需要处理的环形缓存区根据最新采样点在环形缓存区的位置，按照采样时间先后顺序对采样数据的存储顺序进行重新排列。
对重新排列后的需要处理的环形缓存区进行fft计算分析，得到所述超高次谐波的频谱。
本发明进一步的技术方案是，对重新排列后的需要处理的环形缓存区进行fft计算分析，得到所述超高次谐波的频谱的步骤之后包括：
由所述主处理核将计算分析结果根据环形缓存区对应的通道标签存入对应的通道结果中；
由所述主处理核将当前读环形缓存区指针更新到已处理环形缓存区之后的下一个环形缓存区。
本发明进一步的技术方案是，所述由所述主处理核将计算分析结果根据环形缓存区对应的通道标签存入对应的通道结果中的步骤之后还包括：
由所述主处理核根据各个通道的幅频特性对超高次谐波进行校准补偿。
本发明进一步的技术方案是，由所述主处理核根据各个通道的幅频特性对超高次谐波进行校准补偿的步骤之后还包括：
由所述主处理核在设定一段时间内的各个通道的超高次谐波值进行最大、最小、平均、95值的统计。
本发明进一步的技术方案是，由所述主处理核在设定一段时间内的各个通道的超高次谐波值进行最大、最小、平均、95值的统计的步骤之后还包括：
由所述主处理核分别对一天内的超高次谐波的最大、最小、平均、95值进行时频图的绘制，以时间为横轴，以频率为纵轴，以颜色显示幅值大小。
为实现上述目的，本发明还提出一种超高次谐波测量系统，所述系统包括电能质量监测系统核心模块、通道切换模块、带通滤波器、单通道高速ad，所述电能质量监测系统核心模块还包括存储器、处理器、以及存储在所述处存储芯片上的超高次谐波测量程序，所述超高次谐波测量程序被所述处理器调用时执行如上所述的方法的步骤。
本发明超高次谐波测量方法的有益效果是：
1、本发明应用单采样通道实现了对多通道超高次谐波的分析；
2、本发明充分应用原有电能质量监测系统的资源(主处理芯片内的定时器，协处理器、内存、主处理核)，在只增加很少模块(包括通道切换模块、带通滤波器、单通道高速ad)的基础上实现超高次谐波的计算分析，在原有电能质量监测系统上只需增加很少成本即完成了超高次谐波的分析；
3、本发明的设计流程，需要高速处理的部分都由协处理器完成，降低了主处理器进行超高次谐波分析的负荷，提升了系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明超高次谐波测量方法较佳实施例的流程示意图；
图2是超高次谐波测量系统的系统架构图；
图3是通道切换示例图；
图4是超高次谐波时频图。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请按照图1，本发明提出一种超高次谐波测量方法，图1是本发明超高次谐波测量方法较佳实施例的流程示意图。
所述方法应用于如图2所示的超高次谐波测量系统，所述超高次谐波测量系统包括电能质量监测系统核心模块、通道切换模块、带通滤波器、单通道高速ad。其中，所述电能质量监测系统核心模块包括主处理芯片和内存，所述主处理芯片包括定时器、协处理器和主处理核。
所述通道切换模块与所述主处理芯片的通用管脚相连，所述主处理芯片通过控制相应管脚来控制所述通道切换模块进行通道选择，所述通道切换模块与所述带通滤波器相连，所述带通滤波器的输出信号连接所述单通道高速ad，输入所述定时器的时钟频率为采样率的整数倍，以减少所述定时器对输入时钟分频后的截断误差对采样间隔的影响，所述定时器的输出管脚连接到所述协处理器的输入管脚，所述定时器将分频信号输入所述协处理器通知采样，所述协处理器通过串行接口连接所述单通道高速ad，通知所述单通道高速ad进行采样并读取数据。所述主处理核与所述协处理器共用内存访问总线，可同时对内存进行访问，所述主处理核与所述协处理器通过所述内存进行数据交互。
所述主处理核在等间隔的时间点将采样数据环形缓存区的当前写环形缓存区指针切换到下一个采样数据环形缓存区，然后所述主处理核控制所述通道切换模块切换到下一个待进行超高次谐波分析的通道，并给当前写指针对应的采样数据环形缓存区打上对应的通道标签。
所述定时器输出采样脉冲到所述协处理器，所述协处理器在接收到所述采用脉冲后控制所述单通道高速ad进行采样。所述协处理器在接收到采样数据后以循环存储的模式将采样数据存储到当前写指针对应的采样数据环形缓存区内并更新最新采样数据在环形缓存区内的位置。
所述主处理核和协处理器位于一个芯片内，能够通过公用总线访问同一片内存，所述主处理核和协处理器通过内存存储空间进行数据交互。
所述采样数据环形缓存区包括当前写环形缓存区指针、当前读环形缓存区指针、环形缓存区(多块)及其对应的通道标号、最新采样点在环形缓存区中的位置。所述采样协处理器以环形存储的模式将采样数据存储到当前写环形缓存区指针指定采样数据环形缓存区。所述主处理核通过当前读环形缓存区指针以及当前写环形缓存区指针确定需要进行超高次谐波分析的缓存区。所述主处理核分别对待分析环形缓存区根据最新采样数据在环形缓存区的位置按采样时间先后顺序进行存储位置的重新排列，然后对重新排列后的待分析采样数据环形缓存区进行傅里叶分析，获得超高次谐波并且根据环形缓存区的通道标签，将数据存入对应位置。
如图1所示，本实施例中，该超高次谐波测量方法包括以下步骤：
步骤s10，当所述电能质量监测系统核心模块在设定的等时间间隔点将采样数据环形缓存区的当前写指针切换到下一个采样数据环形缓存区之后，所述通道切换模块切换到下一个需要分析的采样通道，并由所述电能质量监测系统核心模块将下一个需要分析的采样数据环形缓存区打上对应的通道标签。
步骤s20，在信号通过通道切换模块后，所述带通滤波器滤除待分析超高次谐波频段信号之外的信号，并将待分析超高次谐波频段信号输入至所述单通道高速ad。
步骤s30，所述电能质量监测系统核心模块触发所述单通道高速ad进行采样并读取采样数据，然后将采样数据存入采样数据环形缓存区，由所述电能质量监测系统核心模块对采样数据进行分析和统计，得到所述超高次谐波的频谱和时频图。
其中，所述电能质量监测系统核心模块在设定的等时间间隔点将采样数据环形缓存区的当前写环形缓存区指针切换到下一个采样数据环形缓存区的步骤包括：
所述主处理核在设定的等时间间隔点将采样数据环形缓存区的当前写指针切换到下一个采样数据环形缓存区。
所述电能质量监测系统核心模块将下一个需要分析的采样数据环形缓存区打上对应的通道标签的步骤包括：
所述主处理核将下一个需要分析的采样数据环形缓存区打上对应的通道标签。
其中，所述电能质量监测系统核心模块触发所述单通道高速ad进行采样并读取采样数据的步骤之前包括：
由所述定时器向所述协处理器输出触发脉冲，当所述协处理器监测到所述输入脉冲的上升沿时，由所述协处理器向所述单通道高速ad输出触发脉冲。
所述电能质量监测系统核心模块读取采样数据，然后将采样数据存入采样数据环形缓存区，由所述电能质量监测系统核心模块对采样数据进行分析，得到所述超高次谐波的频谱的步骤包括：
所述电能质量监控系统核心模块读取采样数据，并按循环存储模式将采样数据存储到当前写环形缓存区指针指定的环形缓存区中，并更新最新采样点在当前写环形缓存区中的位置；
由所述主处理核在低优先级的任务中查询当前读环形缓存区指针和当前写环形缓存区指针；
当当前读环形缓存区指针和当前写环形缓存区指针不一致时，由所述主处理核根据所述当前读环形缓存区指针和所述当前写环形缓存区指针获取需要分析处理的环形缓存区，并对所述需要分析处理的环形缓存区进行计算分析，得到所述超高次谐波的频谱，然后将采样数据当前读指针更新到已处理采样数据环形缓存区的下一个环形缓存区。
其中，所述需要分析处理的环形缓存区为从当前读环形缓存区指针指向的环形缓存区开始到当前写环形缓存区指针指向的环形缓存区的前一个环形缓存区结束。
对所述需要分析处理的环形缓存区进行计算分析，得到所述超高次谐波的频谱的步骤包括：
对所述需要处理的环形缓存区根据所述最新采样点在环形缓存区的位置，按照采样时间先后顺序对采样数据存储位置重新进行排列。
对重新排列后的需要处理的环形缓存区进行fft计算分析，得到所述超高次谐波的频谱。
其中，所述对重新排列后的需要处理的环形缓存区进行fft计算分析，得到所述超高次谐波的频谱的步骤之后包括：
由所述主处理核将计算分析结果根据环形缓存区对应的通道标签存入对应的通道结果中；
由所述主处理核将当前读环形缓存区指针更新到已处理环形缓存区之后的下一个环形缓存区。
其中，所述由所述主处理核将计算分析结果根据环形缓存区对应的通道标签存入对应的通道结果中的步骤之后还包括：
由所述主处理核根据各个通道的幅频特性对超高次谐波进行校准补偿。
其中，所述主处理核根据各个通道的幅频特性对超高次谐波进行校准补偿的步骤之后还包括：
由所述主处理核在设定一段时间内的各个通道的超高次谐波值进行最大、最小、平均、95值的统计。
其中，所述主处理核在设定一段时间内的各个通道的超高次谐波值进行最大、最小、平均、95值的统计的步骤之后还包括：
由所述主处理核分别对一天内的超高次谐波的最大、最小、平均、95值进行时频图的绘制，其中，以时间为横轴，以频率为纵轴，以颜色显示幅值大小。
以下结合图1至图4对本发明超高次谐波测量方法进行进一步的阐述。
本发明提供了一种高性价比高精度的超高次谐波测量方法及系统，其构成和步骤如下：
1、在设定的等间隔时间点，例如每半周波，主处理核将采样数据环形缓存区的当前写环形缓存区指针切换到下一个采样数据环形缓存区，如图3所示的通道切换示例图，采样数据环形缓存区当前写环形缓存区指针为指向环形缓存区2，并且当前采样通道为ua，主处理核将采样数据环形缓存区当前写指针修改为3，并将环形缓存区3的通道标签修改为下一个需要分析的通道ub，在完成采样数据环形缓存区切换后，主处理核控制通道切换模块将下一个待分析采样通道切换到ub。采样数据环形缓存区的当前写指针与采样数据环形缓存区的当前读指针按循环模式进行移动。
2、信号通过通道切换模块后，通过带通滤波器，滤除待分析频段信号之外的其他信号，超高次谐波的分析带宽为2khz～150khz，带通滤波器的-5db的低频和高频截止频率分别为2khz和150khz。信号经过2khz～150khz带通滤波后，只保留2khz～150khz频段的信号。
3、定时器输出等间隔的1.024m频率的触发脉冲，并输入协处理器的管脚。协处理器监控输入脉冲，当监测到输入脉冲的上升沿时，协处理器触发单通道高速ad并从单通道高速ad中读取数据，按环形存储模式将采样数据存储到当前写环形缓存区指针指定的环形缓存区中，并更新最新采样点在环形存储区中的位置。
4、主处理核在低优先级的任务中例如主循环中查询采样数据环形缓存区的当前读指针和当前写指针，当采样数据形缓存区当前读指针和采样数据环形缓存区当前写指针不一致时，计算需要分析处理的环形缓存区，并进行分析，需要分析处理的环形缓存区为从当前读指针对应的环形缓存区开始到当前写指针对应的环形缓存区的前一个环形缓存区结束，例如环形缓存区当前写指针为8，环形缓存区当前读指针为6，则需要分析处理的环形缓存区为6和7。每块环形缓存区可存储512个采样数据，协处理器将采样数据按环形模式在采样缓存区中存储。主处理核对需要分析的环形缓存区根据最新采样点在环形缓存区的位置根据采样时间前后进行存储位置的重新排列，例如在图2中环形缓存区4的最新采样点的位置是100，则主处理核将原环形缓存区中的第100点存在到第1点的位置，原第99点存储在第2点位置，原第1点存储在100点的位置，原512点存储在101位置，原511点存储在102的位置，以此类推。
主处理核对重新排列的需要分析处理的环形缓存区进行fft分析，获取超高次谐波的频谱。其分析公式如下：
其中n为分析窗口的采样点数本例中为环形缓存区内的采样点数512，xn为环形缓存区中的第n个点，h为频谱分量的次数，1代表2khz的频谱分量，h代表(2*h)khz的频谱分量。计算出结果后根据环形缓存区对应的通道标签将分析结果存入对应的通道结果中，例如在图3通道切换示例图中，当前分析的环形缓存区为环形缓存区1，则分析结果存入uc的超高次谐波分析结果中。
5、主处理核根据各个通道的幅频特性对超高次谐波进行校准补偿。其校准补偿公式如下：
x[h]phase＝x[h]phase*f(h)phase
其中，x[h]代表(2*h)khz的频谱，phase代表相别,f(h)代表(2*h)khz处的补偿系数。
6、主处理核在设定对一段时间内的各个通道的超高次谐波值进行最大、最小、平均、95值的统计。例如主处理核每半周波切换一次采样通道，并每半波进行一次超高次谐波的分析，每3000周波进行一次超高次谐波的最大最小平均95值的统计，总共对ua、ub、uc三个通道的超高次谐波进行分析，则每3000周波统计时，需要对每个通道的1000个分析值进行统计。其中h代表谐波次数范围是1，2，…75，其中1对应2khz。
max(h)＝max(x[h]1,x[h]2……..x[h]999,x[h]1000)
min(h)＝min(x[h]1,x[h]2……..x[h]999,x[h]1000)
avg(h)＝avg(x[h]1,x[h]2……..x[h]999,x[h]1000)
p95(h)＝p95(x[h]1,x[h]2……..x[h]999,x[kh]1000)
7、主处理核分别对一天内的2khz～150khz超高次谐波的最大、最小、平均、95值进行时频图的绘制，以时间为横轴，以频率为纵轴，以颜色显示幅值大小。超高次谐波时频图如图4所示。
本发明超高次谐波测量方法的有益效果是：
1、本发明应用单采样通道实现了对多通道超高次谐波的分析；
2、本发明充分应用原有电能质量监测系统的资源(主处理芯片内的定时器，协处理器、内存、主处理核)，在只增加很少模块(包括通道切换模块、带通滤波器、单通道高速ad)的基础上实现超高次谐波的计算分析，在原有电能质量监测系统上只需增加很少成本即完成了超高次谐波的分析；
3、本发明的设计流程，需要高速处理的部分都由协处理器完成，降低了主处理器进行超高次谐波分析的负荷，提升了系统的稳定性。
为实现上述目的，本发明还提出一种超高次谐波测量系统，所述系统包括电能质量监测系统核心模块、通道切换模块、带通滤波器、单通道高速ad，所述电能质量核心模块包括存储器、处理器、以及存储在所述处理器上的超高次谐波测量程序，所述超高次谐波测量程序被所述处理器调用时执行如上实施例所述的方法的步骤，这里不再赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
1.一种超高次谐波测量方法，其特征在于，所述方法应用于超高次谐波测量系统，所述超高次谐波测量系统包括电能质量监测系统核心模块、通道切换模块、带通滤波器、单通道高速ad，所述方法包括以下步骤：
当所述电能质量监测系统核心模块在设定的等时间间隔点将采样数据环形缓存区的当前写环形缓存区指针切换到下一个采样数据环形缓存区之后，所述通道切换模块切换到下一个需要分析的采样通道，并由所述电能质量监测系统核心模块将下一个需要分析的采样数据环形缓存区打上对应的通道标签；
在信号通过所述通道切换模块后，所述带通滤波器滤除待分析超高次谐波频段信号之外的信号，并将待分析超高次谐波频段信号输入所述单通道高速ad；
所述电能质量监测系统核心模块触发所述单通道高速ad进行采样并读取采样数据，然后将采样数据存入采样数据环形缓存区，由所述电能质量监测系统核心模块对采样数据进行分析和统计，得到所述超高次谐波的频谱和时频图。
2.根据权利要求1所述的超高次谐波测量方法，其特征在于，所述电能质量监测系统核心模块包括主处理芯片和内存，所述主处理芯片包括定时器、协处理器和主处理核，所述电能质量监测系统核心模块在设定的等时间间隔点将采样数据环形缓存区的当前写环形缓存区指针切换到下一个采样数据环形缓存区的步骤包括：
所述主处理核在设定的等时间间隔点将采样数据环形缓存区的当前写环形缓存区指针切换到下一个采样数据环形缓存区；
所述电能质量监测系统核心模块将下一个需要分析的采样数据环形缓存区打上对应的通道标签的步骤包括：
所述主处理核将下一个需要分析的采样数据环形缓存区打上对应的通道标签。
3.根据权利要求2所述的超高次谐波测量方法，其特征在于，所述电能质量监测系统核心模块触发所述单通道高速ad进行采样并读取采样数据的步骤之前包括：
由所述定时器向所述协处理器输出触发脉冲，当所述协处理器监测到所述输入脉冲的上升沿时，由所述协处理器向所述单通道高速ad输出触发脉冲；
所述电能质量监测系统核心模块读取采样数据，然后将采样数据存入采样数据环形缓存区，由所述电能质量监测系统核心模块对采样数据进行分析，得到所述超高次谐波的频谱的步骤包括：
所述电能质量监控系统核心模块读取采样数据，并按循环存储模式将采样数据存储到当前写环形缓存区指针指定的环形缓存区中，并更新最新采样点在当前写环形缓存区中的位置；
由所述主处理核在低优先级的任务中查询当前读环形缓存区指针和当前写环形缓存区指针；
当当前读环形缓存区指针和当前写环形缓存区指针不一致时，由所述主处理核根据所述当前读环形缓存区指针和所述当前写环形缓存区指针获取需要分析处理的环形缓存区，并对所述需要分析处理的环形缓存区进行计算分析，得到所述超高次谐波的频谱，然后将当前读指针更新到已分析采样数据环形缓存区的下一个采样数据环形缓存区。
4.根据权利要求3所述的超高次谐波测量方法，其特征在于，所述需要分析处理的环形缓存区为从当前读环形缓存区指针指向的环形缓存区开始到当前写环形缓存区指针指向的环形缓存区的前一个环形缓存区结束；
对所述需要分析处理的环形缓存区进行计算分析，得到所述超高次谐波的频谱的步骤包括：
对所述需要处理的环形缓存区根据所述最新采样点在环形缓存区的位置，按照采样时间先后顺序对采样数据存储位置重新进行排列；
对重新排列后的需要处理的环形缓存区进行fft计算分析，得到所述超高次谐波的频谱。
5.根据权利要求4所述的超高次谐波测量方法，其特征在于，对所述重新排列后的需要处理的环形缓存区进行fft计算分析，得到所述超高次谐波的频谱的步骤之后包括：
由所述主处理核将计算分析结果根据环形缓存区对应的通道标签存入对应的通道结果中；
由所述主处理核将当前读环形缓存区指针更新到已处理环形缓存区之后的下一个环形缓存区。
6.根据权利要求5所述的超高次谐波测量方法，其特征在于，所述由所述主处理核将计算分析结果根据环形缓存区对应的通道标签存入对应的通道结果中的步骤之后还包括：
由所述主处理核根据各个通道的幅频特性对超高次谐波进行校准补偿。
7.根据权利要求6所述的超高次谐波测量方法，其特征在于，所述由所述主处理核根据各个通道的幅频特性对超高次谐波进行校准补偿的步骤之后还包括：
由所述主处理核在设定一段时间内的各个通道的超高次谐波值进行最大、最小、平均、95值的统计。
8.根据权利要求7所述的超高次谐波测量方法，其特征在于，所述由所述主处理核在设定一段时间内的各个通道的超高次谐波值进行最大、最小、平均、95值的统计的步骤之后还包括：
由所述主处理核分别对一天内的超高次谐波的最大、最小、平均、95值进行时频图的绘制，以时间为横轴，以频率为纵轴，以颜色显示幅值大小。
9.一种超高次谐波测量系统，其特征在于，所述系统包括电能质量监测系统核心模块、通道切换模块、带通滤波器、单通道高速ad，所述电能质量监测系统核心模块还包括存储器、处理器、以及存储在所述处理器上的超高次谐波测量程序，所述超高次谐波测量程序被所述处理器调用时执行如权利要求1-8任意一项所述的方法的步骤。
技术总结