CN110927452B - 一种基于瞬时无功功率的相位差测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于瞬时无功功率的相位差测量方法及装置。该方法包括：步骤1：获取任意t时刻相位为

时的第一瞬时电流值和相位为零时的第二瞬时电流值；步骤2：将所述第一瞬时电流值和所述第二瞬时电流值分别转换为两个三角函数周期信号，所述两个三角函数周期信号为同频信号；步骤3：根据所述两个三角函数周期信号构建第一测量矩阵和第二测量矩阵；步骤4：根据所述第一测量矩阵和所述第二测量矩阵，计算得到相位

值。该装置包括：获取单元、转换单元、矩阵构建单元和计算单元，本发明可以根据选取的任意时间点的瞬时电流值，通过构建矩阵计算得到相位差，方法简单，且计算速度快，测量结果准确。

Description

一种基于瞬时无功功率的相位差测量方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统相位差测量技术领域，尤其涉及一种基于瞬时无功功率的相位差测量方法及装置。

背景技术

相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量。交流电的大小和方向是随时间变化的。比如，电路的交流电流公式

电流的大小随时间的推移而变化，从零变到最大值，从最大值变到零，又从零变到负的最大值，从负的最大值变到零。相位测量是正弦信号经过不同的时间或不同的网络后可以有不同的相位，在工业测控领域以及电力系统中常常需要相位的应用。

在电工仪表、同步检测的数据处理以及电工实验中，常常需要测量两列同频信号之间相位差。例如，电力系统中电网并网合闸时，要求两电网的电信号之间的相位相同，这时需要精确测量两列同频信号的相位差。还有用相位差法测量光速，由于光速的直接测量在目前的技术上存在难度，且光速的精确测量关系到许多物理量精确度的提高，确定光接收器和发射器的距离，利用示波器求得相位差，从而得到光的传播延时，通过光学公式可以求出光速。

例如，当进行功率计算时，根据计算公式可知，需要分别得到电压、电流和相位差的值。在单相交流电路中：

S＝UI；在三相交流电路中：

如果可以更加简便地求出相位差，功率的计算速率也会提高。

另外，在系统运行时，为了维持电路稳定健康运行，需要提高电能质量，其中包括提高电压的质量，提高功率因数就是提高电压的质量，功率因数越高，电气设备的利用率就越高。根据功率因数的公式：

求出确切的相位差值后，从而改变功率因数大小。

目前，针对测相位的方法还存在着一些问题。相位的测量与传统的电压、电流或是温度、水量的测量不同，相位的测量需要考虑到电压、电流、频率、时间产生的影响。那么，如何解决这些影响因素是相位测量的一个很关键的问题。

现有的测量相位的方法有频谱分析法、间接法、直接法和比较法(叶林,周弘,张洪.相位差的几种测量方法和测量精度分析[J].电测与仪表,2006,43(4):11-14.)。

非整数谐波分析算法利用准同步DFT可以有效抑制由于矩阵采样窗导致的长范围频谱泄露，进行相位差测量。但是这种方法不能避免因为信号频率漂移而导致的短范围频谱泄露，不能保证频谱峰值出现的位置与理想位置一致性，需要应用信号频率漂移值对基波和高次谐波的波次值进行非整数修正才可以准确找到频谱峰值出现的位置，进而精确测量。但非整数谐波分析算法的分析过程比较复杂，采集数据多，计算过程复杂，迭代次数多，还需通过多个相邻采样点来计算信号频率漂移值，连续计算多次谐波参数。不适用于对测量实时性要求较高的准确测量。

间接法可以通过测量电压、电流、功率求得I、U间的相位角，用专用的相位表可以测量电压与电压之间的相位、电压与电流之间的相位以及电流与电流之间的相位。脉冲信号经过一个积分电路，通过脉冲对电容的充电的一个积分过程将脉冲宽度转换成电容上的电压信号，这种方法在转换过程上比较复杂，还需要使用A/D转换器，这种测量方法存在较大误差，很难达到高的精度，并且由于积分电路的存在，降低了系统的采样速度，使其适用范围缩小。

直接法可以通过指示仪表，例如变换式、电动式或数字式相位表进行测量。直接读取相位差，测量速度快，能够显示相位变化，具体可以使用相敏检波器法、环形调制器法、数字式直读相位计法以及矢量电压表法。目前相对使用较多的是数字式直读相位计法和矢量电压表法。相对于间接法，直接法的速度更快，精度也提高了，但还是存在一些误差过大、精度不够的问题。这种测量方法一般适用于低频信号相位差的测量。

比较法是通过示波器测量两个波形间的相位差。将可变移相器与被测信号串联，和另一同频率信号同时加在相位比较器上(这里可使用示波器)，调节可变移相器使得比较器指在零相位。这种测量方法要求所使用的设备精度高。

发明内容

为解决现有相位差测量方法存在的实时性差、准确度低以及对硬件设备的精度要求较高的问题，本发明提供一种基于瞬时无功功率的相位差测量方法及装置。

本发明提供一种基于瞬时无功功率的相位差测量方法，包括以下步骤：

步骤1：获取任意t时刻相位为

时的第一瞬时电流值和相位为零时的第二瞬时电流值；

步骤2：将所述第一瞬时电流值和所述第二瞬时电流值分别转换为两个三角函数周期信号，所述两个三角函数周期信号为同频信号；

步骤3：根据所述两个三角函数周期信号构建第一测量矩阵和第二测量矩阵；

步骤4：根据所述第一测量矩阵和所述第二测量矩阵，计算得到相位

值。

进一步地，所述第一测量矩阵为：

所述第二测量矩阵为：

其中，ω为两个三角函数周期信号的频率。

进一步地，步骤4具体为：

步骤4.1：根据公式(1)计算得到相位差

的三角函数值：

步骤4.2：根据相位差

的三角函数值，计算得到相位差

值。

本发明还提供一种基于瞬时无功功率的相位差测量装置，包括：

获取单元，获取任意t时刻相位为

时的第一瞬时电流值和相位为零时的第二瞬时电流值；

转换单元，将所述第一瞬时电流值和所述第二瞬时电流值分别转换为两个三角函数周期信号，所述两个三角函数周期信号为同频信号；

矩阵构建单元，根据所述两个三角函数周期信号构建第一测量矩阵和第二测量矩阵；

计算单元，根据所述第一测量矩阵和所述第二测量矩阵，计算得到相位

值。

进一步地，所述第一测量矩阵为：

所述第二测量矩阵为：

其中，ω为两个三角函数周期信号的频率。

进一步地，所述计算单元具体用于：

根据公式(1)计算得到相位差

的三角函数值：

根据相位差

的三角函数值，计算得到相位差

值。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种基于瞬时无功功率的相位差测量方法及测量装置，依据矩阵变换和相关性分析，可以根据选取的任意时间点的瞬时电流值，通过构建矩阵计算得到相位差，方法简单，且计算速度快，测量结果准确，因此，本发明可以适用于实时性和准确度要求较高的场景；本发明也无需使用积分电路，因此并不会降低系统的采样速度，不受信号变化速度的限制，可适用于信号变化快的高速系统；本发明也适用于任何频率信号相位差的测量。

本发明可以依据电力系统中存在的电力设备直接采集数据，无需增加其他的硬件设施，且对测量设备的精度并无要求，只需利用测量仪获取任意时刻的瞬时电流值即可，相比于比较法，本发明很大程度上减少了实现成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于瞬时无功功率的相位差测量方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于瞬时无功功率的相位差测量装置的结构示意图。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于瞬时无功功率的相位差测量方法，包括：

S101：获取任意t时刻相位为

时的第一瞬时电流值i₁和相位为零时的第二瞬时电流值i₂；

S102：将所述第一瞬时电流值i₁和所述第二瞬时电流值i₂分别转换为两个三角函数周期信号，所述两个三角函数周期信号为同频信号；

例如，将第一瞬时电流值i₁表示为

将第二瞬时电流值i₂表示为

I是电流最大值，ω为两个三角函数周期信号的频率。

S103：根据所述两个三角函数周期信号构建第一测量矩阵和第二测量矩阵；

具体地，已知电流

I是电流最大值，t为一个变量，分别取

和

随机确定某一时间点，由相位

可以得到

的值，根据三角函数公式可以得到

的值，将得到的三角函数构成一个矩阵X。即

可知X为已知矩阵。

由

可以得到sinωt以及cosωt,通过矩阵变换得到矩阵

设矩阵Y为所求量，根据公式XC＝Y，可以计算出Y。见下式(1)：

即：所述第一测量矩阵为：

所述第二测量矩阵为：

S104：根据所述第一测量矩阵和所述第二测量矩阵，计算得到相位

值。

具体地，首先，根据公式(1)计算得到相位差

的三角函数值：

然后，根据相位差

的三角函数值，计算得到相位差

值。

本发明实施例还提供一种基于瞬时无功功率的相位差测量装置，包括：

获取单元，获取任意t时刻相位为

时的第一瞬时电流值和相位为零时的第二瞬时电流值；

例如，获取单元可以是电流测量仪。

转换单元，将所述第一瞬时电流值和所述第二瞬时电流值分别转换为两个三角函数周期信号，所述两个三角函数周期信号为同频信号；

矩阵构建单元，根据所述两个三角函数周期信号构建第一测量矩阵和第二测量矩阵；

具体地，所述第一测量矩阵为：

所述第二测量矩阵为：

其中，ω为两个三角函数周期信号的频率。

计算单元，根据所述第一测量矩阵和所述第二测量矩阵，计算得到相位

值。

具体地，所述计算单元具体用于：

根据公式(1)计算得到相位差

的三角函数值：

根据相位差

的三角函数值，计算得到相位差

值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种基于瞬时无功功率的相位差测量方法，其特征在于，包括：

步骤1：获取任意t时刻相位为

时的第一瞬时电流值和相位为零时的第二瞬时电流值；

步骤2：将所述第一瞬时电流值和所述第二瞬时电流值分别转换为两个三角函数周期信号，所述两个三角函数周期信号为同频信号；

步骤3：根据所述两个三角函数周期信号构建第一测量矩阵和第二测量矩阵；所述第一测量矩阵为：

所述第二测量矩阵为：

其中，ω为两个三角函数周期信号的频率；

步骤4：根据所述第一测量矩阵和所述第二测量矩阵，计算得到相位

值，具体为：

步骤4.1：根据公式(1)计算得到相位差

的三角函数值：

步骤4.2：根据相位差

的三角函数值，计算得到相位差

值。

2.一种基于瞬时无功功率的相位差测量装置，其特征在于，包括：

获取单元，获取任意t时刻相位为

时的第一瞬时电流值和相位为零时的第二瞬时电流值；

转换单元，将所述第一瞬时电流值和所述第二瞬时电流值分别转换为两个三角函数周期信号，所述两个三角函数周期信号为同频信号；

矩阵构建单元，根据所述两个三角函数周期信号构建第一测量矩阵和第二测量矩阵；所述第一测量矩阵为：

所述第二测量矩阵为：

其中，ω为两个三角函数周期信号的频率；

计算单元，根据所述第一测量矩阵和所述第二测量矩阵，计算得到相位

值，具体用于：

根据公式(1)计算得到相位差

的三角函数值：

根据相位差

的三角函数值，计算得到相位差

值。

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