CN102788965A - 电压调制比的校验和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压调制比的校验和测量方法，属于信号测量技术领域，涉及到电能质量与电学计量领域。本发明提供的调制比校验和测量方法中，在信号源和数字电压表之间没有锁相环，采用公开号为CN101603985的专利申请中的方法计算方波调制信号中载波电压每周期的最大幅值和最小幅值，再利用多个周期载波电压最大幅值的平均值和最小幅值的平均值，得到调制比。本发明计算调制比时，载波电压的最大值和最小值利用多个周期的平均值，减小了随机误差的影响。

Description

电压调制比的校验和测量方法

技术领域

本发明属于信号测量技术领域，涉及到电能质量与电学计量领域，可用于电力闪变仪或闪变仪校验系统中的电压调制比的准确测量。

背景技术

随着工业生产的发展和人们生活水平的提高，电网负荷的急剧增加，特别是冲击性、非线性负荷所占比重的不断加大，导致电网电压产生波动和闪变的因素越来越多，严重影响了电能质量。电压波动是指电压有效值的快速变化，闪变是指由于供电电压小幅度的快速变化导致电光源输出照度（或亮度）的闪烁对人眼所产生不良刺激的现象。已被公认的结论是，0.05Hz~35Hz的电压波动对人眼视觉会产生影响。IEC61000-4-15（IEC的全称InternationalElectrotechnical Commission）提出了闪变仪的设计规范，并给出了闪变仪的检测要求，我国也采用IEC61000-4-15推荐的闪变测量方法。然而，IEC61000-4-15只给出了闪变测量的模拟框图，并没有给出具体的实现方法，因而国内外出现了各种各样的闪变仪。对于这些闪变仪的准确性需要进行校验，其中最关键的环节是校验其电压调制比测量的准确性。

目前校验电压调制比的方法大都建立在信号采样和数学处理的基础上，原理框图如图1所示。被校闪变仪和校验系统同时测量信号源输出的信号，然后通过比较两者的测量结果来校验被校闪变仪的性能。校验系统中信号源和数字电压表之间通过锁相环实现同步，由信号源输出方波调制电压信号，经辅助测试装置（例如分压器或变压器）后，变换成满足数字电压表量程的电压信号，再由数字电压表进行采样，并将样本送至计算机内通过不同的数学处理方法得到电压调制比。例如，澳大利亚计量院采用图1所示方式，其中计算机通过分析方波调制信号中基波电压半周期峰值的变化得出调制比。英国国家物理实验室也采用图1所示的源表同步方式测量调制比。在调制频率不高时，通过测量输出电压一个周期有效值的变化得出调制比；当调制频率较高时，通过输出电压的离散傅里叶变换在频域中分析一个周期的基波幅值来得出调制比。为了解决非同步采样条件下利用离散傅里叶变换计算一个周期的基波幅值所存在的误差问题，法国国家度量衡学实验室在采样频率和基波信号频率成整数倍的条件下，利用傅里叶变换分析多个周期的电压有效值的变化得出调制比。而中国计量科学研究院采用半周期补偿的方法，通过准确计算半个周期内基波幅值的变化得出调制比。这种方法若想获得较高的准确度，则需要准确已知非同步采样误差，这样进一步增加了测量的复杂性。

上述方法中，时域内方波调制电压信号u(t)可利用下式表达：

$u\left(t\right)=A\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)\×\{1+k\frac{1}{2}\·\mathrm{sign}[\sin \left(2{\mathrm{\πf}}_{M}t\right)\left]\right\},$

其中，t为时间；A和f分别为载波信号的幅值和频率；f_M为调制频率，范围为0~30Hz；k为调制比。载波信号的最大幅值为U_max＝A(1+k/2)，最小幅值为U_min＝A(1-k/2)，由最大幅值和最小幅值可得调制比为：

$k=\left(2\frac{U_{\max }-U_{\min }}{U_{\max }+U_{\min }}\right).$

可见，现有方法或者要求信号源和数字电压表同步，增加了硬件的复杂性；或者要求采样频率和基波频率成整数倍；或者要求能够准确已知非同步采样误差，使计算条件变得复杂；等等。

发明内容

为了简单有效地校验调制比，本发明利用公开号为CN101603985的发明专利中的高准确度正弦信号测量方法，结合其它信号处理方法，提供一种新的电压调制比校验和测量方法。本发明提供的调制比校验和测量方法中，在信号源和数字电压表之间没有锁相环，即信号源与数字电压表之间不需要同步；计算机采用公开号为CN101603985的专利申请中的方法计算方波调制信号中载波电压每周期的最大幅值和最小幅值，再利用多个周期载波电压最大幅值的平均值和最小幅值的平均值，得到调制比。

本发明的技术方案如下：

利用数字电压表获取M个载波周期的信号样本，共N个，M、N分别为自然数。信号样本的表达通式为：

$v\left(n\right)=A\sin (2\mathrm{\πf}/f_s)\×\{1+k\frac{1}{2}\·\mathrm{sign}[\sin (2{\mathrm{\πf}}_M/f_s)\left]\right\},$

其中n为大于等于0且小于等于(N-1)的整数，f_s为数字电压表的采样频率，A和f分别为载波信号的幅值和频率；f_M为调制频率，其范围为0~30Hz；k为调制比。

利用计算机将N个信号样本按照载波周期分成M组，M为载波的周期数；

利用公开号为CN101603985的专利申请中的高准确度正弦信号测量方法计算每组样本的载波幅值，共得到M个载波幅值；

对M个载波幅值从小到大排序，得到类似于

形状的3段曲线，对于上、下两段曲线的值分别求其平均值，由上段曲线得到的平均值为

由下段曲线得到的平均值为

将

和

代入 $k=\left(2\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_H-{\stackrel{\‾}{U}}_L}{{\stackrel{\‾}{U}}_H+{\stackrel{\‾}{U}}_L}\right),$ 得电压调制比k。

本发明的优点在于：

（1）信号源和数字电压表之间没有锁相环，不需同步；

（2）计算载波电压每周期的最大幅值和最小幅值时采用了CN101603985中的算法，准确度高；

（3）计算调制比时，载波电压的最大值和最小值利用多个周期的平均值，减小了随机误差的影响。

附图说明

图1为现有技术中信号源和数字电压表同步的方式产生方波调制信号并测量调制比的原理框图；

图2为本发明中校验和测量调制比的原理框图；

图3为本发明方法中信号处理流程图；

图4为实施例中所得的M个幅值的示意图；

图5为实施例中对M个幅值进行排序后的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种电压调制比的校验和测量方法，该方法采用的校验和测量的原理框图如图2所示，通过线缆连接顺次连接的信号源、辅助测试装置、数字电压表和计算机，被校闪变仪设置在信号源与辅助测试装置之间。由信号源输出方波调制电压信号，经辅助测试装置（例如分压器或变压器等）后，变换成满足数字电压表量程的电压信号，再由数字电压表进行采样，并将采样样本送至计算机内通过本发明提供的校验和测量方法得到电压调制比。

如图3所示的流程步骤，本发明提供的校验和测量方法通过如下步骤实现：

第一步，利用数字电压表对信号源输出的方波调制信号进行采样，获取M个载波周期的信号样本，共N个，并传送至计算机内储存。

信号样本的表达通式为：

$v\left(n\right)=A\sin (2\mathrm{\πf}/f_s)\×\{1+k\frac{1}{2}\·\mathrm{sign}[\sin (2{\mathrm{\πf}}_M/f_s)\left]\right\},$

其中n为大于等于0且小于等于(N-1)的整数，f_s为数字电压表的采样频率，A和f分别为载波信号的幅值和频率；f_M为调制频率，其范围为0~30Hz；k为调制比。

在实际测量中，由于载波周期的准确值未知，但可判断其大致范围，故此步并不严格要求M/N＝f/f_s。

第二步，利用计算机对N个信号样本按照载波周期进行分组，分成M组，每组的样本数为N′。分组原则为：每组的第一个样本应该大于等于零，最后一个样本应该小于零。

第三步，利用公开号为CN101603985的申请文件中公开的高准确度正弦信号测量方法计算每组样本的载波幅值，共得到M个载波幅值，对M个载波幅值从小到大排序。排序后的结果，若可以明显看到类似于

形状的3段曲线，舍弃中间过渡区曲线中的数据；对于下段曲线中的载波幅值数据（称为“小值区”）进行平均计算，得到平均值

对于上段曲线中的数据（称为“大值区”）进行平均计算，得到平均值

排序后的结果若无法看到明显分区，则返回第一步重新选取M个载波周期进行测量信号样本采集。

所述的载波幅值的计算过程如下：

(1)离散傅里叶变换：对每组N′个样本进行离散傅里叶变换；

(2)搜寻谱峰：从采样样本构成的离散频谱中选取幅值最大的第p根谱线X_p和幅值次最大的第q根谱线X_q，记下X_p的实部R_P和虚部I_P，以及X_q的实部R_q和虚部I_q；

计算建立如下公式：

$F(N^{\′},p,q)=\frac{\sin \left(\frac{2\mathrm{\πp}}{N^{\′}}\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πq}}{N^{\′}}\right)-\mathrm{\λ}\sin \left(\frac{2\mathrm{\πq}}{N^{\′}}\right)\cos \left(\frac{2\mathrm{\πp}}{N^{\′}}\right)}{\sin \left(\frac{2\mathrm{\πp}}{N^{\′}}\right)-\mathrm{\λ}\sin \left(\frac{2\mathrm{\πq}}{N^{\′}}\right)},$

计算 $\mathrm{\τ}=\frac{N^{\′}}{2\mathrm{\π}}\arccos \left[F(N^{\′},p,q)\right],$

(3)测量载波幅值：计算 $\mathrm{\α}=\frac{2\mathrm{\π}}{N^{\′}}(\mathrm{\τ}-p),$ $\mathrm{\β}=-\frac{2\mathrm{\π}}{N^{\′}}(\mathrm{\τ}+p);$ 且

$L_1=\frac{\sin \mathrm{\α}}{1-\cos \mathrm{\α}}$

$L_2=\frac{\sin \mathrm{\β}}{1-\cos \mathrm{\β}}$

以及

$b=\frac{2I_p}{L_1+L_2}$

$a=\frac{2(R_p-b)}{L_1-L_2}$

得到载波幅值为:

$A=\frac{N^{\′}\sqrt{a^2+b^2}}{1-\cos 2\mathrm{\π\τ}}.$

所述的明显分区通过如下方式进行判断：

对于排序后的M个载波幅值A₁,…,A_M，令a_i＝A_i+1-A_i，i＝1,…,M-1，在由a_i构成的数组中，如果存在数组a_s,a_s+1,…,a_r-1,a_r，并且这些元素比a₁,…,a_s-1和a_r+1,…,a_M-1均大10倍以上，则A₁,…,A_s为小值区，对它们取平均值，得到

A_r+1,…,A_M为大值区，对它们取平均值，得到

A_s+1,…,A_r为中间过渡区的载波幅值，对它们不予考虑。如果不存在a_s，或者不存在a_r，则返回第一步重新选取M个载波周期进行信号样本采集。

第四步，将

和

代入：

$k=\left(2\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_H-{\stackrel{\‾}{U}}_L}{{\stackrel{\‾}{U}}_H+{\stackrel{\‾}{U}}_L}\right),$

得电压调制比k。

以下给出利用本发明方法进行的仿真与测试实例。

假设载波信号电压的有效值为230V，载波频率f为50.5Hz；方波调制比k为0.725%，调制频率f_M为0.9167Hz；数字电压表的采样频率f_s为2kHz。选取M＝640，N＝25347。利用计算机按照本发明中所列的原则对样本进行分组，通过公开号为CN101603985的申请文件中公开的算法可得到M个幅值，如图4所示。对M个幅值从小到大排序，如图5所示。根据判断，从图5中可明显看到小值区（1~297）、过渡区（298~321）、大值区（322~640）。小值区的平均值为324.041078，大值区的平均值

为326.398923，将

和

代入：

$k=\left(2\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_H-{\stackrel{\‾}{U}}_L}{{\stackrel{\‾}{U}}_H+{\stackrel{\‾}{U}}_L}\right),$

得电压调制比k：k＝0.007250。

在实际测试中，由于辅助测试装置和数字电压表均存在误差，所以测量结果的准确度比仿真结果要低。

已有的电压调制比校验装置采用加锁相环的方法，由于除了辅助测试装置和数字电压表外，锁相环也会引入误差，信号源与数字电压表完全同步几乎不可能实现，在此基础上，再利用傅里叶变换方法很难得到准确的闪变测量结果。而本发明提供的电压调制比的校验和测量方法，得到了准确的电压调制比，对于被校闪变仪的性能测试提供了有效方法。

Claims (4)

1.电压调制比的校验和测量方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步，利用数字电压表对信号源输出的方波调制信号进行采样，获取M个载波周期的信号样本，共N个，M、N分别为自然数，并传送至计算机内储存；

第二步，利用计算机将N个信号样本按照载波周期分成M组，M为载波的周期数；分组原则为：每组的第一个样本应该大于等于零，最后一个样本应该小于零；

第三步，利用公开号为CN101603985的专利申请中的高准确度正弦信号测量方法计算每组样本的载波幅值，共得到M个载波幅值；对M个载波幅值从小到大排序，若排序后为

形状的三段曲线，舍弃中间过渡区曲线中的数据；对于下段曲线中的数据进行平均计算，得到

对于上段曲线中的数据进行平均计算，得到

若排序后的结果若无明显分区，则返回第一步重新选取M个载波周期进行信号样本采集；

第四步，对于得到

形状的三段曲线，将和

代入：

$k=\left(2\frac{{\stackrel{\‾}{U}}_H-{\stackrel{\‾}{U}}_L}{{\stackrel{\‾}{U}}_H+{\stackrel{\‾}{U}}_L}\right),$

得电压调制比k。

2.根据权利要求1所述的电压调制比的校验和测量方法，其特征在于：所述的信号样本的表达通式为：

$v\left(n\right)=A\sin (2\mathrm{\πf}/f_s)\×\{1+k\frac{1}{2}\·\mathrm{sign}[\sin (2{\mathrm{\πf}}_M/f_s)\left]\right\},$

其中n为大于等于0且小于等于(N-1)的整数，f_s为数字电压表的采样频率，A和f分别为载波信号的幅值和频率；f_M为调制频率，其范围为0~30Hz；k为调制比。

3.根据权利要求2所述的电压调制比的校验和测量方法，其特征在于：所述的调制频率f_M的范围为0~30Hz。

4.根据权利要求1所述的电压调制比的校验和测量方法，其特征在于：第三步中所述的明显分区是通过如下方式进行判断：

对于排序后的M个载波幅值A₁,…,A_M，令a_i＝A_i+1-A_i，i＝1,…,M-1，在由a_i构成的数组中，如果存在数组a_s,a_s+1,…,a_r-1,a_r，并且这些元素比a₁,…,a_s-1和a_r+1,…,a_M-1均大10倍以上，则A₁,…,A_s为小值区，对它们取平均值，得到

A_r+1,…,A_M为大值区，对它们取平均值，得到

A_s+1,…,A_r为中间过渡区的载波幅值，对它们不予考虑；如果不存在a_s，或者不存在a_r，则返回第一步重新选取M个载波周期进行信号样本采集。

Images