[发明专利]一种用于大型动力设备的节电装置

权利要求书

1.一种用于大型动力设备的节电装置，包括数据处理系统、数据运算系统、滤波系统和无功补偿系统，其特征在于：所述数据运算系统包括了FPGA系统和单片机，所述FPGA系统包括卡尔曼算法器和快速傅立叶算法器，所述卡尔曼算法器用于处理数据处理系统采集到的谐波参数，得到谐波的拟合模型，并将所述拟合模型与FPGA系统设定的阀值比较，所述FPGA系统将卡尔曼算法器和快速傅立叶算法器的结果传送给单片机，所述单片机分别将命令发送至滤波系统和无功补偿系统；所述卡尔曼算法器的卡尔曼算法步骤如下：

1)建立波形轨迹矢量集：对欧式空间二维平面x轴和y轴方向进行建模，建模数据如下：

其中：表示第表示第i条轨迹在x方向上的投影矢量集，表示第i条轨迹在y方向上的投影矢量集,称为轨迹T_rji的矢量集，T称为波形轨迹矢量集；

2)波形拟合：采用一种利用线性系统状态方程以及观测方程，

X(k+1)＝A(k)X(k)+T(k)W(k)

Z(k)＝H(k)X(k)+V(k)

通过以最小均方差J＝E[(x_k+1-x’_k+1)(x_k+1-x’_k+1)^T]为准则，根据滤波方程计算出最优状态估计值，所述滤波方程为：

X(k+1,k+1)＝X(k+1,k)+K(k+1)[Z(k+1)-Z(k+1,k)]

其中，X(k+1)表示k+1时刻下的状态值，A(k)为状态转移矩阵，T(k)为干扰转移矩阵，W(k)表示运动模型的系统状态噪声，Z(k)表示观测向量，H(k)为观测矩阵，V(k)为观测噪声，x_k+1表示k+1时刻下最优状态的估计值，K(k+1)为k+1时刻的增益矩阵；

3)误差分析：对于预测轨迹点与实际轨迹点的几何空间误差采用均方根误差RMSE来计算:

其中，(x_i,y_i)表示实际轨迹点的位置，(x_i',y_i')表示预测轨迹点的位置信息，k表示预测轨迹点的数量，通过算法计算得到谐波的拟合模型，将模型结构与设定的阀值进行比对，当模型误差不超过阀值时，不需要改变线路的电抗性，当模型误差超过阀值时，及时的调节电抗变换器来调节电抗性，从而实现动态滤波。

2.根据权利要求1所述的一种用于大型动力设备的节电装置，其特征在于：所述数据处理系统包括信号采集电路、信号调理电路和A/D转换电路，所述信号采集电路由电压互感器和电流互感器组成，所述信号采集电路通过电网端的并联支路采集电网端的输入电压和输入电流，所述输入电压和输入电流分别通过电压互感器盒电流互感器进行分离，并将分离后的电压和电流发送至信号调理电路中。

3.根据权利要求2所述的一种用于大型动力设备的节电装置，其特征在于：所述快速傅立叶算法器对互感到的电压信号和电流信号进行N点的等间隔采样，可以得到一个电压序列{u(m)}和电流序列{i(m)}，可以将二者组合成一个复数离散时间序列，其表达式如下所示:

x(m)＝u(m)+ji(m)

上述复数序列x(m)经过变换后为：

对式μ(m)和i(m)进行离散傅立叶变换运算，根绝复数共轭性质可以得到电压和电流的频谱为：

其中U(T)是实时的电压，I(T)是实时的电流，通过快速傅立叶算法器的计算，可以得到实时的电压、电流和无功功率的电参数，控制器根据其计算出来的实时无功和电压来判断对电容器进行投还是切，以达到动态无功平衡的目的。

4.根据权利要求2所述的一种用于大型动力设备的节电装置，其特征在于：所述信号调理电路包括信号转换模块、交直流变换模块、低通滤波模块和信号放大模块；由于电信号只能以电压的方式传递，所述信号采集电路分离得到的输入电流需要经过信号转换模块变为可接受的电压信号；所述电压信号中还含有一定量的交流成分，需要经过交直流变换模块，将交流信号转换为直流信号，所述低通滤波模块用于滤除高频谐波，防止感性负载产生的高次谐波影响采样的精度；再将得到的电信号通过信号放大模块进行放大以便提高信号的测量精度。