CN102778606B - 一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，针对连续的数字采样信号，在信号过负峰值后选取一个采样点P1，在后续采样点中选取两个连续点，使P1采样值的负值P4在两点之间，利用插值法选取P4。利用P1的发生时间和P4的虚拟发生时间计算电信号零点，由一系列零点求得电信号周期。根据前一时段信号过零点时间、预测的当前周波周期以及时间，得到当前瞬时相位。本发明不需要将交流电转换成方波，克服了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、抗干扰性等方面得到很大的提高。

Description

一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法

技术领域

本发明涉及一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，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

本发明所要解决的技术问题是针对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的数字化测量方法，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。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，包括以下步骤：

步骤1），对被测电信号进行采样，得到被测电信号的采样值，然后生成采样信号；

步骤2），在被测电信号的采样信号中，当被测电信号的周波过负峰值后未到达零点时选择一个采样点作为第一采样点P1_i，设该第一采样点P1_i的采样时间为T1_i，采样值为S1_i；

步骤3），当被测电信号的周波越过零点后未到达正峰值时，在该段采样信号中选取连续的两个采样点，即第二采样点P2_i和第三采样点P3_i，设这两个点的采样时间分别是T2_i和T3_i，采样值分别为S2_i和S3_i，其中采样值S2_i和S3_i需满足|S2_i|≤|S1_i|≤|S3_i|且|S2_i|＜|S3_i|；

步骤4），将第一采样点P1_i采样值的相反值所对应的点作为虚拟采样点P4_i,计算虚拟采样点P4_i的虚拟发生时间 ${T4}_i={T2}_i+\frac{({T3}_i-{T2}_i)\×({S1}_i+{S2}_i)}{{S2}_i-{S3}_i};$

步骤5），计算过零点时间：

步骤6），重复步骤2）至步骤5）得到若干个过零点时间：T_z1,T_z2,T_z3...T_zi,T_zi+1，T_zi+2...T_zn，其中，i=1、2、…n，n为正整数；则被测电信号的周期：T_pi=T_zi+1-T_zi，因此获得的信号的周期依次为T_p1,T_p2,T_p3,...T_pi-1,T_pi，...T_pk，其中k为正整数且k＝n-1；

步骤7），根据步骤6）计算得出的被测电信号的周期，预测当前周波的周期；

步骤8），根据前一个时段交流电信号的过零点的时间、步骤7）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，本发明的一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，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。

进一步的，本发明的一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，步骤1）所述的采样为对信号的整周波进行采样。

进一步的，本发明的一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，所述步骤7）的具体步骤如下：

设由步骤6）计算得到的被测电信号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为：T_p=K₁×T_pk+K₂×T_pk-1+K₃×T_pk-2+K₄×T_pk-3；其中，K₁,K₂,K₃,K₄为任意常数，但须满足条件K₁+K₂+K₃+K₄=1，k为大于3的正整数。

进一步的，本发明的一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，所述步骤8）的具体步骤如下：设被测电信号的前一个时段过零点的时间为T_z，当前时间为T_c，由步骤7）预测得到的被测电信号当前周波的周期为T_p，则被测电信号当前的瞬时相位以度数值表示为：或者以弧度值表示为：

进一步的，本发明的一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，在所述步骤3）中，当选取的第一至第三采样点的采样值符合|S2_i|=|S1_i|=|S3_i|条件时，采取以下两种处理方案中的任意一种：

a），重新选取第二采样点P2_i和第三采样点P3_i，使得第二采样点的采样值S2_i和第三采样点的采样值S3_i须满足|S2_i|<|S3_i|，然后继续步骤4）至步骤8）；

b），在第二采样点P2_i与第三采样点P3_i的采样时间区间[T2_i，T3_i]上任取一点作为虚拟采样点P4_i所对应的虚拟采样时间T4_i,然后继续步骤5）至步骤8）。

进一步的，本发明的一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，在所述方案b）中，取第二采样点P2_i与第三采样点P3_i的采样时间区间[T2_i，T3_i]上的中点，计算虚拟采样点P4_i的虚拟发生时间

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1）传统的零交法采用符号相反的两个连续点来确定零点并继而确定交流电的瞬时相位，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，才能计算出精确的瞬时相位。本发明由选取的3个采样点可经过计算得出过零点。确定了信号的过零点之后，可以计算出交流信号的频率和周期。最后根据前一个时段交流电信号的过零点的时间、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。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是由P1_i，P2_i，P3_i通过插值的方式获取P4_i，再进一步由T1_i和T4_i计算过零点的示意图；

图2是计算交流电周期的示意图；

图3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做进一步的详细说明：

本发明的实质是在信号过负峰值后选取一个采样点P1，然后在信号过零点后选择连续的两个点P2和P3，P2和P3的选取条件是P1采样值的负值在区间[P2采样值，P3采样值]内。则可以通过插值的方法在P2和P3所组成的线段上求取一点P4，使得P4的数值等于P1采样值的负值，同时可获取P4点的虚拟发生时间。由P1的采样发生时间和P4的虚拟发生时间计算电信号的零点，由一系列电信号的过零点计算电信号的周期。最后根据前一个时段交流电信号的过零点的时间、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。选取的P1不宜过于接近零点，如果接近零点的话容易受到噪声的干扰导致测量结果不够准确。

为获得较为精确的测量结果，建议的采样点P1的选取方案是：不宜过于接近零点。

本发明的特点和优点将通过实例结合附图进行详细说明。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。

本发明的具体实施过程如下：

1.对被测信号进行采样,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.在测电信号过负峰值后选择一个采样点P1_i，设该采样点的采样时间为T1_i，采样值为S1_i；当采样信号越过零点后，在后续的采样值中选取连续的两个点P2_i和P3_i，设这两个点的采样时间分别是T2_i和T3_i，两个点的采样值分别为S2_i和S3_i，这两个点具有以下特点：S1_i为负数，S2_i和S3_i同为正数，且满足|S2_i|≤|S1_i|≤|S3_i|、|S2_i|<|S3_i|。

3.计算P4_i点的虚拟发生时间T4_i，由于P4_i的数值等于P1_i采样值的负值,则：T4_i可表示为当选取的采样点的采样值符合|S2_i|=|S1_i|=|S3_i|条件时，可以采取两种处理方法：一种方法是重新选取P2_i和P3_i并重新计算；另一种方法是T4_i在区间[T2_i，T3_i]上任取一点，为方便计算，取该区间的中点，则根据计算获得的T4_i，过零点时间的计算如下：

4.具体操作可以参见图1。图1上空心园点P1_i，P2_i，P3_i是根据要求选择出的三个点，空心三角形点P4_i是经过插值后得到的虚拟点，点P4_i的数值为点P1_i采样值的负值。T1_i是P1_i的采样时间，T4_i是P4_i的虚拟发生时间，水平轴上的空心园点T_zi是计算后获得的过零点。

5.得到若干个过零点时间后可进行信号周期的计算，图2中的低频信号一共存在3个负峰值，因此在负峰值出现后一共进行了3次插值并计算，水平轴上时间分别为T_z1、T_z2、T_z3的空心园点是计算得出的3个过零点，由于被测信号的周期可表示为：T_pi=T_zi+1-T_zi,因此图2中信号周期可表示为：T_p2=T_z3-T_z2、T_p1=T_z2-T_z1。

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，本发明的实例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，附图进行计算时采用了K₁=2,K₂=-1,K₃=K₄=0。

7.瞬时相位的计算可参见图3，计算的是图3中采样点S的瞬时相位，设图3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3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瞬时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的数字化测量方法，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 (7)

1.一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1)，对被测电信号进行采样，得到被测电信号的采样值，然后生成采样信号；

步骤2)，在被测电信号的采样信号中，当被测电信号的周波过负峰值后未到达零点时选择一个采样点作为第一采样点P1_i，设该第一采样点P1_i的采样时间为T1_i，采样值为S1_i；

步骤3)，当被测电信号的周波越过零点后未到达正峰值时，在该段采样信号中选取连续的两个采样点，即第二采样点P2_i和第三采样点P3_i，设这两个点的采样时间分别是T2_i和T3_i，采样值分别为S2_i和S3_i，其中采样值S2_i和S3_i需满足|S2_i|≤|S1_i|≤|S3_i|；

步骤4)，将第一采样点P1_i采样值的相反值所对应的点作为虚拟采样点P4_i,计算虚拟采样点P4_i的虚拟发生时间 ${T4}_i={T2}_i+\frac{({T3}_i-{T2}_i)\&times;({S1}_i+{S2}_i)}{{S2}_i-{S3}_i};$

步骤5)，计算过零点时间：

步骤6)，重复步骤2)至步骤5)得到若干个过零点时间：T_z1,T_z2,T_z3...T_zi,T_zi+1,T_zi+2...T_zn，其中，i＝1、2、…n，n为正整数；则被测电信号的周期：T_pi＝T_zi+1-T_zi，因此获得的信号的周期依次为T_p1,T_p2,T_p3,...T_pn-1；

步骤7)，根据步骤6)计算得出的被测电信号的周期，预测当前周波的周期；

步骤8)，根据当前时间的上一个交流电信号的过零点的时间、步骤7)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所述的一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，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所述的一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，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.根据权利要求1所述的一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，其特征在于：所述步骤7)的具体步骤如下：

设由步骤6)计算得到的被测电信号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为：T_p＝K₁×T_pk+K₂×T_pk-1+K₃×T_pk-2+K₄×T_pk-3；其中，K₁,K₂,K₃,K₄为任意常数，但须满足条件K₁+K₂+K₃+K₄＝1，k为大于3的正整数。

5.根据权利要求1所述的一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，其特征在于：所述步骤8)的具体步骤如下：设被测电信号的当前时间的上一个过零点的时间为T_z，当前时间为T_c，由步骤7)预测得到的被测电信号当前周波的周期为T_p，则被测电信号当前的瞬时相位以度数值表示为：或者以弧度值表示为：

6.根据权利要求1所述的一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，其特征在于：在所述步骤3)中，当选取的第一至第三采样点的采样值符合|S2_i|＝|S1_i|＝|S3_i|条件时，采取以下两种处理方案中的任意一种：

a)，重新选取第二采样点P2_i和第三采样点P3_i，使得第二采样点的采样值S2_i和第三采样点的采样值S3_i须满足|S2_i|<|S3_i|，然后继续步骤4)至步骤8)；

b)，在第二采样点P2_i与第三采样点P3_i的采样时间区间[T2_i，T3_i]上任取一点作为虚拟采样点P4_i所对应的虚拟采样时间T4_i,然后继续步骤5)至步骤8)。

7.根据权利要求6所述的一种交流电的瞬时相位的数字化测量方法，其特征在于：在所述方案b)中，取第二采样点P2_i与第三采样点P3_i的采样时间区间[T2_i，T3_i]上的中点，计算虚拟采样点P4_i的虚拟发生时间