CN103575990A - 一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，采用数字积分并插值的方式处理连续的数字采样信号，利用积分开始点P₁点和根据差值的方式获取的积分结束点k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频率或周期，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。本发明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

一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法

技术领域

本发明涉及一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，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，提出了一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，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：

一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，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，当被测电信号在一个周波内越过负峰值后选择m个在采样时间上按次序排放的采样点，设这m个采样点的采样时间分别为t₁、t₂、...t_i、t_i+1、...t_m，采样值分别为x₁、x₂、...x_i、x_i+1...x_m，其中i、m均为自然数且1≤i<m；

步骤3），令S_i为从第1采样点(x₁,t₁)到第i采样点(x_i,t_i)的数字积分，则S_i+1为从第1采样点(x₁,t₁)到第i+1采样点(x_i+1,t_i+1)的数字积分；当S_i和S_i+1的乘积小于等于0时，在第i个采样点和第i+1个采样点之间通过插值的方式获取一个数字积分结束点k，使得从第1采样点(x₁,t₁)到积分结束点(x_k,t_k)的数字积分为零，计算得出积分结束点k的虚拟发生时间t_k；

步骤4），计算过零点时间：

步骤5），重复步骤2）至步骤4）依次得到若干个过零点时间：T_z1,T_z2...T_zj,T_zj+1...T_zn，其中，j=1、2、…n，n为正整数，则被测电信号的周期：T_pj=T_zj+1-T_zj，因此获得被测电信号的周期依次为T_p1,T_p2,T_p3,......T_pn-1；

步骤6），根据步骤5）计算得出的交流电信号周期，预测当前周波的周期；

步骤7），根据前一个时段交流电信号的过零点的时间、步骤6）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，本发明的一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，步骤1）所述对被测电信号进行采样是等时间间隔采样或者是不等时间间隔采样。

进一步的，本发明的一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，步骤1）所述的采样为对被测电信号的整周波进行采样。

进一步的，本发明的一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，所述第1采样点的选取方案为：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1采样点。

进一步的，本发明的一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，其特征在于：所述步骤6）的具体步骤如下：

设由步骤5）计算得到的被测电信号前几个周波的周期依次为T_p(b-3),T_p(b-2),T_p(b-1),T_pb；则预测的当前周波的周期为：T_p=K₁×T_pb+K₂×T_p(b-1)+K₃×T_p(b-2)+K₄×T_p(b-3)；其中，K₁,K₂,K₃,K₄为任意常数，但须满足条件K₁+K₂+K₃+K₄=1，b为大于3的正整数。

进一步的，本发明的一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，所述步骤7）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6）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，本发明的一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，所述数字积分方式包括：梯形积分或者矩形积分；所述插值方式包括：矩形插值或者梯形插值。

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。针对电信号大多数是对称的特点，对被测电信号过峰值后进行数字积分，通过插值的方式获取一个积分结束点，使得从积分开始点到积分结束点的数字积分为零，由积分开始时间和积分结束时间计算电信号的零点。确定了信号的过零点之后，可以计算出电信号的频率和周期。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是采用矩形积分、矩形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间，并获取过零点的示意图；

图2是采用梯形积分、梯形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间，并获取过零点的示意图；

图3是采用梯形积分、矩形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间，并获取过零点的示意图；

图4是采用矩形积分、矩形插值的方式获取一系列过零点并计算交流电周期的示意图；

图5是采用梯形积分、梯形插值的方式获取一系列过零点并计算交流电周期的示意图；

图6是采用梯形积分、矩形插值的方式获取一系列过零点并计算交流电周期的示意图；

图7是采用矩形积分、矩形插值方式时计算某一个采样点瞬时相位的示意图；

图8是采用梯形积分、梯形插值方式时计算某一个采样点瞬时相位的示意图；

图9是采用梯形积分、矩形插值方式时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：

本发明的实质是采用数字积分并插值的方式处理连续的数字采样信号，在信号过正负峰值之后选取一个采样点P₁作为积分开始点，在后续的采样点中会存在这样连续的两个点P_i和P_i+1，如果从P₁到P_i的数字积分数值和从P₁到P_i+1的数字积分数值的乘积小于等于0时,则可以在P_i和P_i+1之间通过插值的方式获取一个积分结束点k，k的获取条件是从P₁到k的数字积分为0。则可以由P₁的采样发生时间和k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频率或周期。这里所谓的数字积分有如下几种方式：梯形积分、矩形积分方式；这里所谓的插值有矩形插值、梯形插值方式。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.在被测电信号过负峰值后选择若干个在采样时间上按次序排放的采样点，假设每个采样点的采样时间为t_i，采样值为x_i，i>=1，令S_i为从点(x₁,t₁)到第i点的数字积分；如果S_i和S_i+1的乘积小于等于0，则可在第i点和第i+1点之间通过插值的方式获取一个积分结束点k，使得从点(x₁,t₁)到点k的数字积分为零，可计算得出点k的虚拟发生时间t_k；

3.得到过零点的过程如下，则所选择的峰值之后的过零点时间的计算：

4.计算过零点时间的具体操作可以参见图1、图2、图3。图1是采用矩形积分、矩形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间，并获取过零点的示意图。图1中从t₁开始数字积分，t_k是插值获取的积分结束点的虚拟发生时间，图中从t₁到t_k的数字积分为0。T_z是计算获取的过零点。图2是采用梯形积分、梯形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间，并获取过零点的示意图。图2中从t₁开始数字积分，t_k是插值获取的积分结束点的虚拟发生时间，图中从t₁到t_k的数字积分为0。T_z是计算获取的过零点。图3是采用梯形积分、矩形插值的方式计算得到积分结束点的虚拟发生时间，并获取过零点的示意图。图3中从t₁开始数字积分，t_k是插值获取的积分结束点的虚拟发生时间，图中从t₁到t_k的数字积分为0。T_z是计算获取的过零点。如果纯粹采用梯形积分法，在进行插值计算时存在计算量偏大的情况。

图3在开始积分的时候采用梯形积分法，但是在进行插值运算时，采用了矩形插值的方法，这样做的目的是降低运算的复杂度。为取得较为准确的测量结果,在附图的计算中设该矩形的高度是邻近的两个采样点的平均值。

5.得到若干个过零点时间后可进行信号周期的计算，具体可以参见图4、图5、图6。图4是采用矩形积分、矩形插值的方式获取一系列过零点并计算交流电周期的示意图。图5是采用梯形积分、梯形插值的方式获取一系列过零点并计算交流电周期的示意图。图6是采用梯形积分、矩形插值的方式获取一系列过零点并计算交流电周期的示意图。图4、图5、图6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_pj=T_zj+1-T_zj,因此图4、图5、图6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_pb+K₂×T_p(b-1)+K₃×T_p(b-2)+K₄×T_p(b-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7、图8、图9。图7是采用矩形积分、矩形插值方式时计算某一个采样点瞬时相位的示意图。图8是采用梯形积分、梯形插值方式时计算某一个采样点瞬时相位的示意图。图9是采用梯形积分、矩形插值方式时计算某一个采样点瞬时相位的示意图。计算的是图7、图8、图9中采样点S的瞬时相位，设图中采样点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7、图8、图9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数字化测量交流电的瞬时相位的方法，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)

1.一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，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，当被测电信号在一个周波内越过负峰值后选择m个在采样时间上按次序排放的采样点，设这m个采样点的采样时间分别为t₁、t₂、...t_i、t_i+1、...t_m，采样值分别为x₁、x₂、...x_i、x_i+1...x_m，其中i、m均为自然数且1≤i<m；

步骤3），令S_i为从第1采样点(x₁,t₁)到第i采样点(x_i,t_i)的数字积分，则S_i+1为从第1采样点(x₁,t₁)到第i+1采样点(x_i+1,t_i+1)的数字积分；当S_i和S_i+1的乘积小于等于0时，在第i个采样点和第i+1个采样点之间通过插值的方式获取一个数字积分结束点k，使得从第1采样点(x₁,t₁)到积分结束点(x_k,t_k)的数字积分为零，计算得出积分结束点k的虚拟发生时间t_k；

步骤4），计算过零点时间：

步骤5），重复步骤2）至步骤4）依次得到若干个过零点时间：T_z1,T_z2...T_zj,T_zj+1...T_zn，其中，j=1、2、…n，n为正整数，则被测电信号的周期：T_pj=T_zj+1-T_zj，因此获得被测电信号的周期依次为T_p1,T_p2,T_p3,......T_pn-1；

步骤6），根据步骤5）计算得出的交流电信号周期，预测当前周波的周期；

步骤7），根据前一个时段交流电信号的过零点的时间、步骤6）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所述的一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，其特征在于：步骤1）所述对被测电信号进行采样是等时间间隔采样或者是不等时间间隔采样。

3.根据权利要求1所述的一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，其特征在于：步骤1）所述的采样为对被测电信号的整周波进行采样。

4.根据权利要求1所述的一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，其特征在于：所述第1采样点的选取方案为：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1采样点。

5.根据权利要求1所述的一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，其特征在于：所述步骤6）的具体步骤如下：

设由步骤5）计算得到的被测电信号前几个周波的周期依次为T_p(b-3),T_p(b-2),T_p(b-1),T_pb；则预测的当前周波的周期为：T_p=K₁×T_pb+K₂×T_p(b-1)+K₃×T_p(b-2)+K₄×T_p(b-3)；其中，K₁,K₂,K₃,K₄为任意常数，但须满足条件K₁+K₂+K₃+K₄=1，b为大于3的正整数。

6.根据权利要求1所述的一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，其特征在于：所述步骤7）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6）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：

7.根据权利要求1至6中任一项所述的一种数字化测量交流电的瞬时相位的方法，其特征在于：所述数字积分方式包括：梯形积分或者矩形积分；所述插值方式包括：矩形插值或者梯形插值。

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