CN105242099B - 一种单频信号的幅度获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单频信号的幅度获得方法，包括：获得单频信号x(n)的和序列y(n)，所述和序列y(n)是通过对所述单频信号x(n)的每M个采样点之和进行连续依次计算所获得的，其中，M＝|p_max‑p_min|，p_max是所述单频信号x(n)最大值的位置，p_min是所述单频信号x(n)最小值的位置；利用和序列y(n)的最大值max(y)与最小值min(y)计算和序列y(n)的峰值PK(y)，PK(y)＝[max(y)‑min(y)]/2；以及计算PK(y)/M，并对所述PK(y)/M进行增益调整，以获得所述单频信号x(n)的幅度。本发明利用均值滤波后取最值之差，快速获得单频信号的幅度，简单易行、计算要求低，适合需要快速获得单频信号幅度的场合，特别适合在电网发生窃电时电能计量单元利用电池供电的全失压场合。

Description

一种单频信号的幅度获得方法

技术领域

本发明总体上涉及电子信号的测控及计量技术领域，具体地说，涉及一种利用均值滤波后取最值之差以快速计算单频信号幅度的方法。本发明提供的方法适合在电网领域快速高精的实现窃电检测及计量。

背景技术

单频信号，即单一正弦波信号，被广泛应用于各种需要电子信号的领域。例如，在控制领域，单频信号常用作系统测试的输入信号；在电网领域，单频信号可以用于检测电网供电的稳定度及用户用电电流的大小。于是，快速得到单频信号的幅度，就具有满足实际需求的现实意义。

作为一种交流信号，单频信号主要用有效值指标来衡量其幅度信息。传统的获取单频信号的幅度的方法是均方根(RMS，Root Mean Square)法。RMS法在具体获取单频信号幅度时，需要经过去除直流、逐点平方、求和平均、开平方等复杂的计算步骤，尤其是对于小信号而言，还可能需要进行交流偏置校正。

RMS法的优点是数据精度高，可通过量测多个频率来合成有效值，但缺点也是明显的：算法和处理过程复杂，花费时间长，不适合简易快速的应用场合。

发明内容

针对传统RMS法的缺点，本发明利用均值滤波后取最值之差的方法来快速获得单频信号的幅度，简单易行、计算要求低，非常适合需要快速获得单频信号幅度的领域。值得一提的是，本发明特别适合在电网发生窃电时电能计量单元利用电池供电的全失压场合。

具体地，根据本发明的一方面，单频信号的幅度获得方法包括如下步骤：

获得单频信号x(n)的和序列y(n)，所述和序列y(n)是通过对所述单频信号x(n)的每M个采样点之和进行连续依次计算所获得的，其中，M＝|p_max-p_min|，p_max是所述单频信号x(n)最大值的位置，p_min是所述单频信号x(n)最小值的位置；

利用和序列y(n)的最大值max(y)与最小值min(y)，计算和序列y(n)的峰值PK(y)，PK(y)＝[max(y)-min(y)]/2；以及

计算PK(y)/M，并对所述PK(y)/M进行增益调整，以获得所述单频信号x(n)的幅度。

其中，所述增益调整包括：将PK(y)/M乘以增益因子G，其中，所述增益因子G是预先测定的。

该方法还可以进一步包括：

扫描所述单频信号x(n)，以获得其最大值max(x)和最小值min(x)；

计算所述单频信号x(n)的峰值PK(x)，PK(x)＝[max(x)-min(x)]/2；以及

通过将所述单频信号x(n)的峰值PK(x)除以来获得有效值，并将该有效值作为粗精度的幅度。

其中，按如下方式计算和序列y(n)：

y(1)＝x(1)+x(2)+...+x(M)

y(2)＝x(2)+...+x(M)+x(M+1)

于是，可得y(2)＝y(1)+[x(M+1)-x(1)]；

依次递推，可得和序列y(n)：

y(n)＝y(n-1)+[x(M+n-1)-x(n-1)]。

另一方面，本发明还提供一种通过电流幅度检测窃电的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、扫描并采样电流信号；

步骤二、获得电流信号的和序列；

步骤三、计算和序列的最大值、最小值以及峰值和幅度；

步骤四、对该幅度进行增益调整；

步骤五、根据增益调整后的幅度检测窃电的发生。

如上所述，本发明的单频信号幅度获得方法具有以下有益效果：

1、免去复杂校正：RMS法需要直流偏置校正和交流噪声校正，否则误差较大，而本发明提供的方法并不需要这两种校正。

2、运算简单便捷：RMS法需要逐点平方运算和一次开方运算，而本发明提供的方法在相应之处只需要加减法的运算。

3、不要求对齐：RMS法需要完整周波计算，否则误差较大，而本发明提供的方法不需要正好对齐。

4、精度表现相当：本发明提供的方法与RMS法相比，在简化运算的同时，能提供精度相当的结果，误差精度也可替代。

综上，本发明提供的单频信号幅度获得方法结构简单、运算量低、实现成本低，在精度相当的条件下，较传统RMS法更快速有效的提供单频信号的幅度信息。特别是，在电网领域，本发明提供的方法可快速高精的实现窃电检测。

附图说明

参照以下附图，将更好地理解本发明的许多方面。附图中的各组成部分不一定成比例，重点在于清楚地例示出本发明的原理。

图1是根据本发明实施例的单频信号幅度获得方法的流程图。

图2是输入信号为5A、取样范围占ADC满量程20％情况下所获得的原始采样曲线及和序列曲线的示意图。

图3是输入信号为500mA、取样范围占ADC满量程2％情况下所获得的原始采样曲线及和序列曲线的示意图。

图4是输入信号为50mA、取样范围占ADC满量程0.2％情况下所获得的原始采样曲线及和序列曲线的示意图。

图5是电能计量芯片在电网中的连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

针对RMS法获取单频信号幅度的缺点，本发明的方法简单易行、计算要求低，适合需要快速获得单频信号幅度的应用场合。

图1示出了本发明提供的单频信号幅度获得方法的流程示意图。

如图1所示，单频信号幅度获得方法包括如下步骤：

步骤S101——扫描步骤：

扫描单频信号x(n)，获得其最大值max(x)、最小值min(x)及其位置p_max和p_min。

这里，单频信号x(n)的频率为fin，对单频信号x(n)进行采样的频率为fs，满足采样定理fin<fs/2。

步骤S102——计算步骤：

计算M，M＝|p_max-p_min|。

M是对单频信号x(n)进行采样的累加采样点数目。

进一步地，还可以计算单频信号x(n)的峰值PK(x)，PK(x)＝[max(x)-min(x)]/2，进而计算有效值PK(x)/，该有效值可以作为粗精度的幅度信息。

需要说明的是，对于单频信号来说，利用最大值与最小值计算获得的有效值，是比较粗略的幅度信息，往往误差较大。通过下面的步骤，可以进一步获得误差较小的幅度信息。

步骤S103——和序列获得步骤：

连续依次计算每M个采样点的单频信号之和，即获得单频信号x(n)的和序列y(n)，例如：

y(1)＝x(1)+x(2)+...+x(M)

y(2)＝x(2)+...+x(M)+x(M+1)

于是，可得y(2)＝y(1)+[x(M+1)-x(1)]，依次递推，可得y(n)序列：

y(n)＝y(n-1)+[x(M+n-1)-x(n-1)]。

不难发现，新的M个采样点的单频信号之和(例如，y(n))是在前一个和(例如，y(n-1))的基础上，加上新采样点的数据(例如，x(M+n-1))，再减去第M个旧数据(例如，x(n-1))。

这样，在计算和序列y(n)中的整个过程中，存储M个采样点的单频信号x(n)的数据即可。

步骤S104——峰值计算步骤：

获得了和序列y(n)之后，扫描y(n)序列，以获得y(n)序列的最大值max(y)、最小值min(y)，并计算峰值PK(y)＝[max(y)-min(y)]/2。

步骤S105——幅度获得步骤：

计算PK(y)/M，并对PK(y)/M进行增益调整，以获得单频信号的幅度。

已知的是，在计算和序列的过程中，对信号幅度引入了一定的衰减(理论值2/pi)。此外，由于硬件等其它因素，也使结果存在误差。于是，需要通过一定的增益调整来弥补这种衰减以及其它因素造成的误差。

在本实施例中，通过将PK(y)/M乘以增益因子G来进行调整，利用调整后的(PK(y)/M)×G用作单频信号的幅度，误差较小。其中，增益因子G是已知的，例如借助标定过程预先测定。

进一步地，图2-4示出了在三种情况下本发明提供的方法与传统RMS法在精度上的表现。

图2-4分别对应着三种情况：输入信号是5A、500mA、50mA的电流、取样范围占ADC(模数转换器)满量程的20％、2％、0.2％。而且，输入信号的ADC采样频率fs是14400Hz，输入信号的频率fin是50Hz，它们满足采样定理fin<fs/2。

在图2-4中，横坐标为ADC采样点数，纵坐标为采样码值，曲线1为原始采样数据，曲线2为对曲线1进行和序列计算后的和序列曲线。

经计算，传统的RMS法与本发明的方法之间的比较结果见下表1。

表1 RMS法与本发明方法的比较

从表1中不难看出，两种方法在精度的表现上是相当的。本发明提供的方法在误差上是完全可接受的。

下面，结合图5，描述本发明提供的方法在电网领域中的应用示例。通常所使用的家用单相电能表的规格是电压220V、电流5A、频率50Hz。图5是电能表在电网中的连接示意图。电能表连接在电网中，用以对电能进行计量。交流信号经锰铜或电流互感器采样后，在电能表的电能计量芯片中经电容电阻滤波器滤波后，由模数转换器(ADC)转换成数字信号，输入到电能计量芯片的电能计量单元中进行计算，从而实现对用户用电的计量。

本发明提供的单频信号幅度获得方法，特别适合电表全失压窃电检测场合。发生这种情况的窃电时，电表失去电压，但仍有较大的窃电电流，电表中的电能计量芯片通过电池进行供电。这样，利用本发明的方法，扫描并采样电流信号，获得电流信号的和序列，计算和序列的最大值、最小值以及峰值和幅度，进一步对该幅度进行增益调整，调整后的结果即可作为电流信号的幅度信息，据此可以判断是否发生窃电，实现窃电检测，并进行电能计量。

通过以上实施例及与传统RMS法的比较，本发明提供的方法在不损失精度的前提下，可以简化计算、降低成本，与传统RMS法相比，可以更快速有效地给出单频信号的幅度信息。在电网领域，可快速、高精地实现窃电检测。

以上所述的具体实施方式是用于帮助理解本发明的目的、技术方案和有益效果。应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单频信号的幅度获得方法，其特征在于，该方法包括：

获得单频信号x(n)的和序列y(n)，所述和序列y(n)是通过对所述单频信号x(n)的每M个采样点之和进行连续依次计算所获得的，其中，M＝|p_max-p_min|，p_max是所述单频信号x(n)最大值的位置，p_min是所述单频信号x(n)最小值的位置；

利用和序列y(n)的最大值max(y)与最小值min(y)，计算和序列y(n)的峰值PK(y)，PK(y)＝[max(y)-min(y)]/2；以及

计算PK(y)/M，并对所述PK(y)/M进行增益调整，以获得所述单频信号x(n)的幅度。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增益调整包括：

将PK(y)/M乘以增益因子G，其中，所述增益因子G是预先测定的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法在获得所述和序列y(n)前进一步包括：

扫描所述单频信号x(n)，以获得其最大值max(x)和最小值min(x)；

计算所述单频信号x(n)的峰值PK(x)，PK(x)＝[max(x)-min(x)]/2；以及

通过将所述单频信号x(n)的峰值PK(x)除以来获得有效值，并将该有效值作为粗精度的幅度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，按如下方式计算和序列y(n)：

y(1)＝x(1)+x(2)+...+x(M)，

y(2)＝x(2)+...+x(M)+x(M+1)，

于是，可得y(2)＝y(1)+[x(M+1)-x(1)]，

依次递推，可得和序列y(n)：

y(n)＝y(n-1)+[x(M+n-1)-x(n-1)]。

5.一种通过电流幅度检测窃电的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、扫描并采样电流信号；

步骤二、获得电流信号的和序列，所述和序列是通过对所述电流信号的每M个采样点之和进行连续依次计算所获得；

步骤三、计算和序列的最大值、最小值以及利用最大值、最小值计算的峰值和幅度；

步骤四、对该幅度进行增益调整；

步骤五、根据增益调整后的幅度检测窃电的发生。