CN114002639B - 一种电信号采集电路的相对误差自监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电信号采集电路的相对误差自监测系统及方法，属于电能计量技术领域，以注入源的实时采样值为参考，分析目标电路输出的注入信号频率分量相对幅值和相位差，以此监测判断采样电路的传递函数变化，有效解决注入源自身参数“漂移”所带来的监测误报、错报等问题。针对含有被测和注入信号的混合信号，采用加窗和离散傅里叶变换(DFT)对其数字信号进行处理，输出频谱信息，然后直接求取注入信号频率分量的幅值和相位，有效避免了数字滤波带来的过渡过程问题。引入环境温度、被测信号参量对幅值相对误差和相位差进行修正，并利用滤波算法分别处理修正之后幅值相对大小和相位差，在一定程度上降低了这些参量和噪声对结果的影响。

Description

一种电信号采集电路的相对误差自监测系统及方法

技术领域

本发明属于电能计量技术领域，更具体地，涉及一种电信号采集电路的相对误差自监测系统及方法。

背景技术

电能表、合并单元是电能贸易结算的基础，它们的测量准确性直接关系到供用电双方的经济利益。在出厂之前会进行校准，使之满足标准规定的准确度等级，但是在现场安装后，由于外界环境变化、元器件老化等原因会造成测量准确度发生变化，准确度是否超差是计量关心的问题。目前通常采用定期离线检验方法，该方法不仅会严重干扰电力系统运行，而且工作量大，检测成本高。

多种在线监测系统或者方法被提出，归结起来可概括为：通过向目标电路注入标准信号的方式使得目标电路输出含注入信号频率分量的混合信号，经过A/D采样后通过数字滤波方式获得被测频率分量，以用于计量；同时通过相干或者滤波等处理，从混合信号中提取注入信号频率分量的幅频和相频特征，与预设标定值进行对比，根据其变化确定所述目标电路的传递函数变化。采用相干方式进行检测时，若只有一路参考信号(与注入信号同频率)，通过相干处理可以得到注入信号频率分量的幅值和相位的乘积值，然后判断该乘积值相对于预设标定值的变化。若有两路正交参考信号，则可将混合信号分别与两路正交的参考信号进行相乘、低通滤波等处理，得到两路正交检测信号，然后计算得到幅频和相频特征；采用滤波方法进行检测时，有专利提到采用带通滤波器提取注入信号频率的分量。

然而，以上在线监测方法通常忽略了标准注入源自身幅度、相位等参数“漂移”的问题，以绝对参考值为基准判断采集电路误差可能存在误报、错报的问题；采用数字滤波方式提取注入信号对应的频率分量会存在过渡过程，进而影响特征值的判断；同时，没有考虑温度、被测信号大小对于目标采集电路响应特性的影响。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种电信号采集电路的相对误差自监测系统及方法，以解决注入源自身参数“漂移”所带来的监测误报、错报问题，有效避免逐点数字滤波器提取信号时存在的过渡过程问题，同时考虑温度、被测信号大小对误差的影响。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电信号采集电路的相对误差自监测系统，包括：

被测信号源、注入信号源、目标采集电路、辅助采集电路、第一信号转换处理模块、第二信号转换处理模块和相对误差求解模块；

所述目标采集电路与所述被测信号源和注入信号源输出端相连，用于采集被测信号和注入信号的叠加信号；

所述辅助采集电路与所述注入信号源输出端相连，用于采集所述注入信号；

所述第一信号转换处理模块与所述目标采集电路输出端相连，用于处理所述叠加信号以得到第一频谱信息，并基于所述第一频谱信息计算指定频率的第一信号幅值和第一相位值；所述指定频率为所述注入信号的基波频率或谐波频率；

所述第二数字信号处理模块与所述辅助采集电路输出端相连，用于处理所述注入信号以得到第二频谱信息，并基于所述第二频谱信息计算所述指定频率的第二信号幅值和第二相位值；

所述相对误差求解模块，用于计算所述第一信号幅值与第二信号幅值的幅值相对误差以及第一相位值与第二相位值的相位差值，并输出计算结果。

进一步地，所述系统还包括：

温度采集模块，用于检测所述目标采集电路所处的环境温度，并将所述环境温度发送给所述相对误差求解模块，使所述相对误差求解模块根据所述环境温度对所述幅值相对误差以及相位差值进行修正。

进一步地，所述系统还包括：

温度采集模块，用于检测所述目标采集电路所处的环境温度，并将所述环境温度发送给所述相对误差求解模块，使所述相对误差求解模块根据所述环境温度和输出信号对所述幅值相对误差以及相位差值进行修正；其中，所述输出信号为所述被测信号源经目标采集电路、A/D转换以及数字滤波后得到的被测信号。

进一步地，当所述电信号为电流信号时，所述目标采集电路和辅助采集电路采集电流信号并将电流信号转换为电压信号；当所述电信号为电压信号时，所述目标采集电路和辅助采集电路采集电压信号并将大电压信号转换为小电压信号。

进一步地，所述系统还包括：报警模块，用于接收所述相对误差求解模块的计算结果，并当所述幅值相对误差大于相对误差阈值，或所述相位差值大于差值阈值时，发出报警信息。

进一步地，所述第一信号转换处理模块采用加窗处理、离散傅里叶变换对所述叠加信号进行处理，获得第一频谱信息；所述第二信号转换处理模块采用加窗处理、离散傅里叶变换对所述注入信号进行处理，获得第二频谱信息。

进一步地，所述幅值相对误差k_p表示为：

其中，A₁和A₂分别为所述第一信号幅值与第二信号幅值，k_a为目标采集电路和辅助采样电路的信号幅值转换系数之比，所述信号幅值转换系数为采样电路输入和输出信号的幅值之比。

本发明另一方面提供了一种电信号采集电路的相对误差自监测方法，包括：

S1，采集注入信号以及被测信号与所述注入信号的叠加信号；

S2，处理所述叠加信号以得到第一频谱信息，并基于所述第一频谱信息计算指定频率的第一信号幅值和第一相位值；处理所述注入信号以得到第二频谱信息，并基于所述第二频谱信息计算所述指定频率的第二信号幅值和第二相位值；所述指定频率为所述注入信号的基波频率或谐波频率；

S3，计算所述第一信号幅值与第二信号幅值的幅值相对误差以及第一相位值与第二相位值的相位差值；若所述幅值相对误差大于相对误差阈值，或所述相位差值大于差值阈值时，发出报警信息。

进一步地，所述S3中，在计算所述第一信号幅值与第二信号幅值的幅值相对误差以及第一相位值与第二相位值的相位差值之后，所述方法还包括：

获取所述采集电路所处的环境温度，并根据所述环境温度对所述幅值相对误差以及相位差值进行修正，再基于修正后的值与对应阈值进行比较。

进一步地，所述S3中，在计算所述第一信号幅值与第二信号幅值的幅值相对误差以及第一相位值与第二相位值的相位差值之后，所述方法还包括：

获取所述采集电路所处的环境温度以及输出信号，并根据所述环境温度以及输出信号对所述幅值相对误差以及相位差值进行修正，再基于修正后的值与对应阈值进行比较；其中，所述输出信号为所述被测信号源经目标采集电路、A/D转换以及数字滤波后得到的被测信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明通过辅助采集电路和目标采集电路分别采集注入信号以及被测信号与注入信号的叠加信号，并分别进行处理得到注入信号和叠加信号的频谱信息，进一步计算指定频率的信号幅值和相位值；通过分析比较幅值相对误差以及相位差，判断电能计量设备的测量准确度是否超差。如此，通过增加辅助采集电路和第二数字信号处理模块采集，获取注入信号对应的信号幅值和相位值，并与叠加信号对应的信号幅值和相位值进行比较，本发明能够有效解决注入信息源自身参数“漂移”所带来的监测误报、错报等问题。

(2)本发明引入环境温度、被测信号参量对测量得到的幅值相对误差和相位差进行修正，并利用滤波算法分别处理修正之后幅值相对误差和相位差，在一定程度上降低了这些参量和噪声对结果的影响。

(3)本发明针对注入信号和叠加信号，采用加窗和离散傅里叶变换(DFT)对其数字信号进行处理，输出频谱信息，然后直接求取指定频率的幅值和相位，有效避免了数字滤波带来的过渡过程问题。针对目标采集电路和辅助采集电路分别求指定频率的相位，然后求得它们的相位差，以此作为相位偏移判据条件，大大降低了相位求解算法的精度要求。

附图说明

图1为本发明提供的一种电信号采集电路的相对误差自监测系统结构框图；

图2为本发明提供的一种基于温度参量校正的电信号采集电路相对误差自监测系统结构框图；

图3为本发明提供的一种基于多状态参量校正的电信号采集电路相对误差自监测系统结构框图；

图4是本发明实施例一提供的一种电流信号采集电路的相对误差自监测系统；

图5是本发明实施例二提供的一种电压信号采集电路的相对误差自监测系统；

图6是本发明实施例三提供的一种电信号采集电路的相对误差自监测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，本发明提供了一种电信号采集电路的相对误差自监测系统，包括：被测信号源、注入信号源、目标采集电路、辅助采集电路、第一信号转换处理模块、第二信号转换处理模块和相对误差求解模块；目标采集电路与被测信号源和注入信号源输出端相连，用于采集被测信号和注入信号的叠加信号；辅助采集电路与注入信号源输出端相连，用于采集注入信号；第一信号转换处理模块与目标采集电路输出端相连，用于处理叠加信号以得到第一频谱信息，并基于第一频谱信息计算指定频率的第一信号幅值和第一相位值；第二数字信号处理模块与辅助采集电路输出端相连，用于处理注入信号以得到第二频谱信息，并基于第二频谱信息计算指定频率的第二信号幅值和第二相位值；相对误差求解模块，用于计算第一信号幅值与第二信号幅值的幅值相对误差以及第一相位值与第二相位值的相位差值，并输出计算结果。

其中，第一信号转换处理模块包括图1中依次连接的第一A/D转换器、第一数字信号处理模块和第一幅值相位求解模块。具体的，第一A/D转换器与目标采集电路输出端相连，用于将目标采集电路的输出电信号数字化；第一数字信号处理模块与第一A/D转换器输出端相连，用于处理、计算第一A/D转换器输出信号的特征；第一幅值相位求解模块与第一数字信号处理模块输出端相连，用于计算指定频率的信号幅值和相位值。如图1所示，第二信号转换处理模块与第一信号转换处理模块类似，此处不再赘述。

进一步地，如图1所示，本发明提供的一种电信号采集电路的相对误差自监测系统，还包括：

显示与报警模块，与相对误差求解模块输出端相连，用于显示相对误差求解模块输出的幅值相对误差和相位差值。当幅值相对误差或者相位差值超过阈值时发出报警信息；

数字滤波模块，与第一A/D转换器输出端相连，用于剔除叠加信号中注入信号频率的分量，获得第二被测信号，提供给后续的分析处理模块。此外，数字滤波模块可以滤除注入信号基波分量，也可以滤除注入信号基波和谐波分量。

分析处理模块，与数字滤波模块输出端相连，用于分析处理数字滤波模块输出的信号。此外，分析处理模块的功能可以是按照指定的报文协议组帧发送，也可以计算电能。

进一步需要说明的是，辅助采样电路可以是目标采样电路的一部分，也可以是独立于目标采样电路之外的高精度采样电路；第一A/D转换器和第二A/D转换器可以在同一个A/D芯片当中，也可以是各自独立的A/D芯片。

进一步需要说明的是，第一信号转换处理模块和第二数字信号处理模块基于对应的频谱信息计算指定频率的幅值和相位值时，可计算注入信号基波频率的信号幅值和相位，也可以计算注入信号谐波频率的信号幅值和相位。优选地，计算注入信号基波频率的信号幅值和相位。

参见图2，在图1的基础上，引入环境温度，温度采集模块用于检测目标采集电路所处的环境温度，并将环境温度发送给相对误差求解模块，使相对误差求解模块根据环境温度对幅值相对误差以及相位差值进行修正，并对修正之后的幅值相对误差和相位差值进行滤波处理，最后将滤波之后的结果提供给显示与报警模块。

参见图3，在图1的基础上，引入环境温度、被测信号参量，温度采集模块用于检测目标采集电路所处的环境温度，并将环境温度发送给相对误差求解模块，使相对误差求解模块根据环境温度和输出信号对幅值相对误差以及相位差值进行修正，并对修正之后的幅值相对误差和相位差值进行滤波处理，最后将滤波之后的结果提供给显示与报警模块；其中，所述输出信号为所述被测信号源经目标采集电路、A/D转换以及数字滤波后得到的被测信号。

下面针对具体的采集电路对本发明进行更进一步详细说明。

实施例一

参见图4，本实施例提供了一种电流信号采集电路的相对误差自监测系统。被测电流源100提供第一被测信号801，注入信号源200输出第一注入信号802，两信号叠加后得到混合电流信号803。辅助采集电路300由电阻R4组成，该电路将第一注入信号802转换为参考电压信号805提供给A/D转换器502。目标采集电路400由电阻R1、R2、R3和电容C1、C2组成，其中电阻R2、R3和电容C1、C2组成了二阶阻容滤波器，用来滤除高频噪声。电阻R1将混合电流信号803转换成电压信号，经过二阶阻容滤波器滤波后输出第一输出信号804。A/D转换器501作为第一A/D转换器，而A/D转换器502作为第二A/D转换器，它们分别将第一输出信号804和参考电压信号805对应转化为第一数字信号806和第二数字信号808，然后输出给处理器600。处理器600中包含数字信号处理模块601、幅值相位求解模块602、相对误差求解模块603、数字滤波模块604和分析处理模块605。第一和第二数字信号处理模块对应的程序相同，采用数字信号处理模块601统一表示；第一和第二幅值相位求解模块对应的程序也相同，采用幅值相位求解模块602统一表示。数字滤波模块604对第一数字信号806进行低通滤波处理，获得第二被测信号807，然后输出给分析处理模块605。分析处理模块605将第二被测信号807进行报文组帧，然后通过以太网发送至后级设备数字电能表。上位机700作为显示与报警模块用以显示分析结果和报警信息。

实施例二

参见图5，本实施例提供了一种电压信号采集电路的相对误差自监测系统。被测电压源100提供第一被测信号，注入信号源200输出第一注入信号。辅助采集电路300由直连到注入信号源200的导线组成，其输出参考电压信号805供A/D转换器采集。目标采集电路400由电阻R5、R6、R6和电容C3组成，其中电阻R5、R6和R7组成了分压电路将输入电压调整至合适幅值，电容C3组成了滤波电路滤除高频噪声，最终输出第一输出信号804。A/D转换器500的信号采集通道1和通道2分别作为所述第一A/D转换器和所述第二A/D转换器，将采集到的所述第一输出信号804和参考电压信号805数字化后并输入到处理器600。处理器600中包含数字信号处理模块601、幅值相位求解模块602、相对误差求解模块603、数字滤波模块604和分析处理模块605。第一和第二数字信号处理模块相同，均表示为数字信号处理模块601，第一和第二幅值相位求解模块也相同，均表示为幅值相位求解模块602。上位机700作为显示与报警模块用以显示分析结果和报警信息。

处理器600以及上位机700中的处理方法与实施例一相同，不再赘述。

实施例三

对应于实施例一和实施例二中的采集电路相对误差自监测系统，本实施例提供了一种电信号采集电路的相对误差自监测方法，描述了数字滤波模块、数字信号处理模块、幅值相位求解模块、相对误差求解模块的具体实现方法。

数字滤波模块604可采用低通滤波器滤除注入信号分量，获得第二被测信号807。具体的，基于第一被测信号801的频率信息和幅值信息，设计低通滤波器的系数h(n)，并将该系数与输入信号序列在数学上进行卷积运算，即

N表示滤波器抽头数，x(n)是滤波器的输入信号，y(n)是滤波器的输出信号，h(k)表示滤波器系数，x(n-k)表示输入信号x(n)延迟k个采样周期。

参见图6，提供了一种电信号采集电路相对误差自监测的信号处理与分析的实现流程示意图，详述如下：

步骤S901，数字信号处理模块601将分别对所述第一数字信号806和第二数字信号808进行注入信号频率的单点DFT处理，得到它们注入信号频率的实部、虚部，即X_r1、X_i1和X_r2、X_i2。

步骤S902，幅值相位求解模块602根据所述DFT输出的注入信号频率的实部和虚部先求解得到信号幅值A_1d、A_2d和相位θ_1d、θ_2d。

具体的，幅值由

和

计算，其中l为进行DFT的信号长度。相位由

和

计算。

步骤S903，幅值相位求解模块602再对幅值A_1d、A_2d和相位θ_1d、θ_2d进行频谱校正，进而获得所述第一数字信号中注入信号频率分量的幅值A₁和相位θ₁，以及所述第二数字信号中注入信号频率分量的幅值A₂和相位θ₂。

可选的，所述频谱校正方法采用相位差校正法，截取两段信号进行分析，根据两次频谱中峰值谱线的相位差建立以校正频率为变量的方程，进而得到幅值和相位校正量。

步骤S904，相对误差求解模块603将对所述幅值A₁、A₂和相位θ₁、θ₂进行相对误差分析，将结果传输给显示与报警模块700。

可选的，相对比值由

计算，其中k_a是目标采集电路和辅助采样电路的信号幅度转换系数之比，信号幅度转换系数为采样电路输入和输出信号的幅值之比。相对相位值即相位差由

计算。

可选的，当相对比值k_p与预设相对比值k_ps之差大于预设的阈值k_T，或者相位差

与预设相位差

之差大于预设的阈值

则向显示与报警模块700发出报警信息。

当引入环境温度时，采用温度采集模块监测目标采集电路所处的环境温度T_a，并将T_a输出给相对误差求解模块。相对误差求解模块利用T_a对幅值相对大小k_p和相位差

进行修正，得到k_p'和

然后利用滤波算法分别处理k_p'和

得到k_p"和

最后将k_p"和

提供给显示与报警模块。

利用环境温度T_a对幅值相对大小k_p和相位差

进行修正时，需依据实验室测量得到的环境温度与幅值相对误差、相位差的依赖关系。

当引入环境温度、被测信号参量时，温度采集模块将环境温度T_a提供给相对误差求解模块，同时数字滤波模块将输出的第二被测信号也提供给相对误差求解模块。相对误差求解模块利用T_a和第二被测信号对幅值相对大小k_p和相位差

进行修正，得到k_p'和

然后利用滤波算法分别处理k_p'和

得到k_p"和

最后将k_p"和

提供给显示与报警模块。

通过在实验室开展不同环境温度T_a和第二被测信号条件下的实验，采用大数据分析方法，比如神经网络分析方法，获得不同环境温度T_a和第二被测信号对幅值相对大小k_p和相位差

的偏差影响量，为相对误差求解模块利用T_a和第二被测信号对幅值相对大小k_p和相位差

进行修正提供依据。

针对修正值k_p'和

所用的滤波方法可以是均值滤波、高斯滤波或者卡尔曼滤波。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电信号采集电路的相对误差自监测系统，其特征在于，包括：被测信号源、注入信号源、目标采集电路、辅助采集电路、第一信号转换处理模块、第二信号转换处理模块和相对误差求解模块；

所述目标采集电路与所述被测信号源和注入信号源输出端相连，用于采集被测信号和注入信号的叠加信号；

所述辅助采集电路与所述注入信号源输出端相连，用于采集所述注入信号；

所述第一信号转换处理模块与所述目标采集电路输出端相连，用于处理所述叠加信号以得到第一频谱信息，并基于所述第一频谱信息计算指定频率的第一信号幅值和第一相位值；所述指定频率为所述注入信号的基波频率或谐波频率；

所述第二信号转换处理模块与所述辅助采集电路输出端相连，用于处理所述注入信号以得到第二频谱信息，并基于所述第二频谱信息计算所述指定频率的第二信号幅值和第二相位值；

所述相对误差求解模块，用于计算所述第一信号幅值与第二信号幅值的幅值相对误差以及第一相位值与第二相位值的相位差值，并输出计算结果。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

温度采集模块，用于检测所述目标采集电路所处的环境温度，并将所述环境温度发送给所述相对误差求解模块，使所述相对误差求解模块根据所述环境温度对所述幅值相对误差以及相位差值进行修正。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

温度采集模块，用于检测所述目标采集电路所处的环境温度，并将所述环境温度发送给所述相对误差求解模块，使所述相对误差求解模块根据所述环境温度和输出信号对所述幅值相对误差以及相位差值进行修正；其中，所述输出信号为所述被测信号源经目标采集电路、A/D转换以及数字滤波后得到的被测信号。

4.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，当所述电信号为电流信号时，所述目标采集电路和辅助采集电路采集电流信号并将电流信号转换为电压信号；当所述电信号为电压信号时，所述目标采集电路和辅助采集电路采集电压信号并将大电压信号转换为小电压信号。

5.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：报警模块，用于接收所述相对误差求解模块的计算结果，并当所述幅值相对误差大于相对误差阈值，或所述相位差值大于差值阈值时，发出报警信息。

6.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述第一信号转换处理模块采用加窗处理、离散傅里叶变换对所述叠加信号进行处理，获得第一频谱信息；所述第二信号转换处理模块采用加窗处理、离散傅里叶变换对所述注入信号进行处理，获得第二频谱信息。

7.根据权利要求1至3任一项所述的系统，其特征在于，所述幅值相对误差k_p表示为：

其中，A₁和A₂分别为所述第一信号幅值与第二信号幅值，k_a为目标采集电路和辅助采样电路的信号幅值转换系数之比，所述信号幅值转换系数为采样电路输入和输出信号的幅值之比。

8.一种基于权利要求1至7任一项所述的系统的电信号采集电路的相对误差自监测方法，其特征在于，包括：

S1，采集注入信号以及被测信号与所述注入信号的叠加信号；

S2，处理所述叠加信号以得到第一频谱信息，并基于所述第一频谱信息计算指定频率的第一信号幅值和第一相位值；处理所述注入信号以得到第二频谱信息，并基于所述第二频谱信息计算所述指定频率的第二信号幅值和第二相位值；所述指定频率为所述注入信号的基波频率或谐波频率；

S3，计算所述第一信号幅值与第二信号幅值的幅值相对误差以及第一相位值与第二相位值的相位差值；若所述幅值相对误差大于相对误差阈值，或所述相位差值大于差值阈值时，发出报警信息。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述S3中，在计算所述第一信号幅值与第二信号幅值的幅值相对误差以及第一相位值与第二相位值的相位差值之后，所述方法还包括：

获取所述采集电路所处的环境温度，并根据所述环境温度对所述幅值相对误差以及相位差值进行修正，再基于修正后的值与对应阈值进行比较。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述S3中，在计算所述第一信号幅值与第二信号幅值的幅值相对误差以及第一相位值与第二相位值的相位差值之后，所述方法还包括：

获取所述采集电路所处的环境温度以及输出信号，并根据所述环境温度以及输出信号对所述幅值相对误差以及相位差值进行修正，再基于修正后的值与对应阈值进行比较；其中，所述输出信号为所述被测信号源经目标采集电路、A/D转换以及数字滤波后得到的被测信号。

Images