CN101833036B - 一种交流电的瞬时相位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种交流电的瞬时相位测量方法，也适用于低频率信号的瞬时相位测量。该方法的基本原理是首先通过采样值计算交流电的前几个周波的过零点(交流电信号由低向高变化时的过零点)时间，后由过零点计算交流电的周期，再预测当前周波的周期，最后根据过零点时间、预测的交流电周期和当前时间计算交流电的当前相位。本发明相比较传统的零交法而言，不需要将交流电转换成方波，克服了传统的过零点检测抗干扰能力差的缺点，尤其适合于交流电的瞬时相位测量，系统检测方便，硬件开销小；同时实现起来简单合理，数据准确、可靠；在测量的精度、抗干扰性等发明得到很大的提高。

Description

一种交流电的瞬时相位测量方法

技术领域

本发明涉及一种交流电的瞬时相位测量技术，也适用于低频率信号的瞬时相位测量。

背景技术

在日常生活、生产过程中常常需要测量交流电的瞬时相位，测量的瞬时相位越准确，应用的效果往往更好。在现有的瞬时相位测量方法中，大多数采用传统的零交法测量某一路信号的瞬时相位，这种算法易于实现，但是容易受到干扰的影响，使得测量的精度较低。

发明内容

发明目的：

本发明的主要目的就是解决现有技术中交流电的瞬时相位测量精度不够准确，提出了一种交流电的瞬时相位测量方法，相比较传统的零交法而言，在测量的精度、抗干扰性等发明得到很大的提高。

技术方案：

为实现上述目的，本发明提出了一种交流电的瞬时相位测量方法，包括以下步骤：

步骤1)，对交流电进行采样，得到一段时间内交流电信号的采样值；

步骤2)，根据步骤1)得到的采样值，在交流电信号由低向高变化时的零点附近选择n个采样点，拟合一条直线，设该直线与时间轴的交点为过零点，n≥2；

步骤3)，根据步骤2)得到的一系列过零点，计算交流电信号的周期；

步骤4)，根据步骤3)计算得出的交流电信号周期，预测当前周波的周期；

步骤5)，根据前一个时段交流电信号由低向高变化时计算得出的过零点的时间、步骤4)预测的当前周波的周期以及当前时间，计算得出当前的瞬时相位。

进一步的，本发明的交流电的瞬时相位测量方法中步骤1)所述的采样可以是等时间间隔采样，也可以是不等时间间隔采样。

进一步的，本发明的交流电的瞬时相位测量方法中步骤1)所述的采样为对信号的整周波进行采样。

进一步的，本发明的交流电的瞬时相位测量方法中步骤2)所述过零点的确定步骤如下：

2-1)在交流电的信号由低向高变化时的零点附近选择任意组合的若干个采样点，选出的采样点的采样值全部为正，或全部为负，或根据需要选择若干个采样值为正、若干个采样值为负的采样点；

2-2)根据选出的若干个采样点拟合一条直线，该直线与时间轴的交点为过零点。

进一步的，本发明的交流电的瞬时相位测量方法中步骤3)具体包括以下步骤：

3-1)在交流电信号第j个由低向高变化时的零点附近选择若干个采样点之后，假设选取的采样点数为n，每个采样点的采样时间为t_i，采样值为y_i，则

令 $C_{1j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i,$ $C_{2j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,$ $C_{3j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t_i}^2,$ $C_{4j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i{y}_i;$

再令： $B_j=\frac{C_{2j}{C}_{1j}-{\mathrm{nC}}_{4j}}{C_{1j}{C}_{1j}-{\mathrm{nC}}_{3j}},$ $A_j=\frac{C_{2j}-C_{1j}{B}_j}{n};$

则拟合的直线方程式为：y＝A_j*t+B_j；

则对应的过零点时间：

上式中，n≥2，i、j均为自然数；

3-2)重复步骤3-1)可以得到若干个过零点时间T₁，T₂，T₃...T_j-1，T_j，T_j+1...T_n...，由于被测交流电的周期可表示为：T_pj＝T_j+1-T_j，因此获得的交流电周期依次为T_p1，T_p2，T_p3，T_p4，...T_pk-1，T_pk，...，k为自然数。

进一步的，本发明的交流电的瞬时相位测量方法中步骤4)所述的根据已经计算得出的交流电周期预测当前周波周期的步骤如下：

设由步骤3)计算得到的交流电前几个周波的周期依次为T_pk-3，T_pk-2，T_pk-1，T_pk；则预测的当前周波的周期可表示为：T_p＝K₁×T_pk+K₂×T_pk-1+K₃×T_pk-2+K₄×T_pk-3；公式中的K₁，K₂，K₃，K₄可为任意常数，但须满足条件K₁+K₂+K₃+K₄＝1。

进一步的，本发明的交流电的瞬时相位测量方法中步骤5)具体步骤如下：设上一个交流电由低向高的过零点的时间为T_z，当前时间为T_c，由步骤4)预测得到的交流电当前周波的周期为T_p，则当前的瞬时相位可表示为：

也可以表示为：计算得出的结果分别是以度数或者弧度表示的相位值。

有益效果：

1)传统的零交法采用符号相反的两个连续点来确定零点，虽然算法物理概念清晰，但是容易受谐波、测量误差等的干扰，测量精度低。只有准确定位零点，才能计算出精确的频率和瞬时相位，对于低频的信号而言(特别是民用交流电)，零点附近的波形近似为直线。随着数据采集速度的提高，可以在零点附近任意选择若干个采样点。由选取的若干个采样点去拟合直线，该直线与时间轴的交点为过零点。确定了信号的零点之后，可以精确计算出低频信号的频率和周期。相比较传统的零交法而言，运算量有所增加，但测量的精度、抗干扰性得到了很大的提高。

2)本发明所涉及的采样可以是等时间间隔采样，也可以是不等时间间隔采样，如果是等时间间隔采样的话，则运算量可以经过优化而进一步减少。

附图说明：

图1是在零点附近进行等时间间隔采样而获取的8个采样点的示意图。

图2是由4个负电平采样点进行计算所获得的信号零点的示意图。

图3是由3个负电平和1个正电平采样点进行计算所获得的信号零点的示意图。

图4是由2个正电平和2个负电平采样点进行计算所获得的信号零点的示意图。

图5是在不等时间间隔采样情形下，由1个负电平和3个正电平采样点进行计算所获得的信号零点的示意图。

图6是计算交流电周期的示意图。

图7是计算某一个采样点瞬时相位的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的实质是由若干个采样点去拟合一条直线，选取的采样点不宜过多，选取的采样点如果较多的话，计算就会复杂一些；选取得采样点也不宜过少，选取的采样点如果较少的话，容易受到干扰的影响，因此用户可以根据需要选取合理的采样点组合和个数来进行计算。

为获得较为精确的测量结果，建议的采样点的选取方案是：正的采样点的数量和负的采样点的数量相等或者大致相等，采样点的个数则可根据具体实际情况来确定。

本发明的原理通过测量某一个采样点的瞬时相位来进行说明，随着采样速度的提高，在一个周波内的发生的采样次数也越来越多，当采样次数足够多时，可以利用过零点附近的若干个点来拟合直线，该直线与时间轴的交点为过零点。后续的具体实施方式中都采用了四个采样点来计算零点，实际应用中可以根据需要适当增加或者减少采样点的个数。

本发明的具体实施过程如下：

1.对被测电信号进行采样，这里所述的采样为对整周波进行的采样。可以是等时间间隔采样，也可以是不等时间间隔采样。

2.在信号的每一个零点附近选择任意组合的若干个采样点。这里所说的零点指的是交流电信号由低向高变化时的零点。选出的采样点的采样值可以全部为正；也可以是全部为负；也可以根据需要选择若干个采样值为正、若干个采样值为负的采样点。图1上的S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7是在零点附近进行等时间间隔采样而获取的8个采样点。可以在上述8个点(但不仅限于这8个点)中选择若干个采样点。为获得较为精确的测量结果，建议的采样点的选取方案是：正的采样点的数量和负的采样点的数量相等或者大致相等。

3.得到过零点的过程如下：在第j个零点附近选出了若干个采样点之后，假设选取的采样点数为n，每个采样点的采样时间为t_i，采样值为y_i，则

令 $C_{1j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i,$ $C_{2j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,$ $C_{3j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t_i}^2,$ $C_{4j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i{y}_i;$

再令： $B_j=\frac{C_{2j}{C}_{1j}-{\mathrm{nC}}_{4j}}{C_{1j}{C}_{1j}-{\mathrm{nC}}_{3j}},$ $A_j=\frac{C_{2j}-C_{1j}{B}_j}{n};$

则拟合的直线方程式为：y＝A_j*t+B_j；

则对应的过零点时间：

上式中，n≥2，i、j均为自然数；

4.图2中的直线L0是由图1中的采样点S0，S1，S2，S3进行直线拟合而获得的，直线L0和时间轴的交点T0可以认为是过零点；图3中的直线L1是由图1中的采样点S1，S2，S3，S4进行直线拟合而获得的，直线L1和时间轴的交点T1也可以认为是过零点；图4中的直线L2是由图1中的采样点S2，S3，S4，S5进行直线拟合而获得的，直线L2和时间轴的交点T2也可以认为是过零点。图2、图3、图4的例子中的采样是等时间间隔采样。图5是不等时间间隔采样情形下，进行的直线拟合，拟合直线L3和时间轴的交点T3也可以认为是过零点。

5.得到若干个过零点时间后可进行信号周期的计算，图6中的交流电在进行零点(交流电信号由低向高变化时计算得出的过零点)附近的直线拟合后一共拟合了4条直线L1、L2、L3、L4，L1、L2、L3、L4和时间轴的交点T₁、T₂、T₃、T₄则是4个过零点，由于被测交流电的周期可表示为：T_pj＝T_j+1-T_j，因此图6中信号周期可表示为：T_p4＝T₄-T₃、T_p3＝T₃-T₂、T_p2＝T₂-T₁。

6.测量交流电瞬时相位的一个前提是获得当前周波的周期，但是在当前周波没有结束之前，当前周波的周期还无法直接获得，考虑到交流电的周期(频率)一般不会发生急剧的变化，本发明采用了一个公式来预测当前周波的周期T_p。该公式可表示为：T_p＝K₁×T_pk+K₂×T_pk-1+K₃×T_pk-2+K₄×T_pk-3，其中K₁＝2，K₂＝-1，K₃＝K₄＝0。

7.瞬时相位的计算可参见图7，计算的是图7中采样点S的瞬时相位，设图7中采样点S的采样时间是T_c，经计算得到的上一个交流电由低向高的过零点的时间为T_z，则采样点S的瞬时相位可表示为

其中的T_p是先前预测得到的交流电当前周波的周期。计算得出的结果是以度数表示的相位值。图7中的其他采样点的瞬时相位也可以采用类似的方法获得。一个周波内任意点的相位的计算方法同上。

优选方案是所述的采样为等时间间隔采样。

综上所述，本发明所涉及的一种交流电的瞬时相位测量方法，不需要将交流电转换成方波，克服了传统的过零点检测抗干扰能力差的缺点，尤其适合于交流电的瞬时相位测量，系统检测方便，硬件开销小；系统的抗干扰能力较强；实现起来简单合理，数据准确、可靠；有较广泛的应用前景。当然，本发明也可以应用于低频正弦信号的瞬时相位测量。

Claims (6)

1.一种交流电的瞬时相位测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)，对交流电进行采样，得到一段时间内交流电信号的采样值；

步骤2)，根据步骤1)得到的采样值，在交流电信号由低向高变化时的零点附近选择n个采样点，拟合一条直线，设该直线与时间轴的交点为过零点，n≥2；

步骤3)，根据步骤2)得到的一系列过零点，计算交流电信号的周期；具体包括以下步骤：

3-1)在交流电信号第j个由低向高变化时的零点附近选择若干个采样点之后，假设选取的采样点数为n，每个采样点的采样时间为t_i，采样值为y_i，则

令 $C_{1j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i,$ $C_{2j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{y}_i,$ $C_{3j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t_i}^2,$ $C_{4j}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i{y}_i;$

再令： $B_j=\frac{C_{2j}{C}_{1j}-n{C}_{4j}}{C_{1j}{C}_{1j}-n{C}_{3j}},$ $A_j=\frac{C_{2j}-C_{1j}{B}_j}{n};$

则拟合的直线方程式为：y＝A_j*t+B_j；

则对应的过零点时间： $T_j=-1*\frac{A_j}{B_j};$

上式中，n≥2，i、j均为自然数；

3-2)重复步骤3-1)可以得到若干个过零点时间T₁，T₂，T₃...T_j-1，T_j，T_j+1...T_n，由于被测交流电的周期可表示为：T_pj＝T_j+1-T_j，因此获得的交流电周期依次为T_p1，T_p2，T_p3，T_p4，...T_pk-1，T_pk，k为自然数；

步骤4)，根据步骤3)计算得出的交流电信号周期，预测当前周波的周期；

步骤5)，根据前一个时段交流电信号由低向高变化时计算得出的过零点的时间、步骤4)预测的当前周波的周期以及当前时间，计算得出当前的瞬时相位。

2.根据权利要求1所述的交流电的瞬时相位测量方法，其特征在于：步骤1)所述的采样是等时间间隔采样或不等时间间隔采样。

3.根据权利要求1所述的交流电的瞬时相位测量方法，其特征在于：步骤1)所述的采样为对信号的整周波进行采样。

4.如权利要求1所述的交流电的瞬时相位测量方法，其特征在于：步骤2)所述过零点的确定步骤如下：

2-1)在交流电的信号由低向高变化时的零点附近选择任意组合的若干个采样点，选出的采样点的采样值全部为正，或全部为负，或根据需要选择若干个采样值为正、若干个采样值为负的采样点；

2-2)根据选出的若干个采样点拟合一条直线，该直线与时间轴的交点为过零点。

5.根据权利要求1所述的交流电的瞬时相位测量方法，其特征在于：步骤4)所述的根据已经计算得出的交流电周期预测当前周波周期的步骤如下：

设由步骤3)计算得到的交流电前几个周波的周期依次为T_pk-3，T_pk-2，T_pk-1，T_pk；则预测的当前周波的周期可表示为：T_p＝K₁×T_pk+K₂×T_pk-1+K₃×T_pk-2+K₄×T_pk-3；公式中的K₁，K₂，K₃，K₄可为任意常数，但须满足条件K₁+K₂+K₃+K₄＝1。

6.根据权利要求1所述的交流电的瞬时相位测量方法，其特征在于：步骤5)具体步骤如下：设上一个交流电由低向高的过零点的时间为T_z，当前时间为T_c，由步骤4)预测得到的交流电当前周波的周期为T_n，则当前的瞬时相位可表示为：

也可以表示为：

计算得出的结果分别是以度数或者弧度表示的相位值。

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