一种快速测量交流电信号相位差的方法

摘要

本发明提供了一种快速测量交流电信号相位差的方法。本发明首先对采样值进行预处理，后直接计算两路或多路交流电信号由低向高变化时的过零点时间，再由过零点计算信号的周期，最后使用不同信号的过零点时间的差异和信号的周期来计算信号之间的相位差。本发明不需要将交流电信号转换成方波，克服了传统的过零点检测抗干扰能力差的缺点，本方法还适合于低频信号的相位差测量，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。

权利要求

1.一种快速测量交流电信号相位差的方法，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；在被测电信号的某一个由低向高变化时的零点附近选择任意组合的n个采样点；

步骤2），假设每个采样点的采样时间为ti，采样值为yi，则n个采样点的采样值的平均值Mj和平均采样发生时间Tj表示为：上式中，n≥1，n、i、j均为自然数，则（Mj，Tj）表示一个虚拟点；

步骤3），根据被测电信号在过零点附近的交流电信号由低向高变化的过程、电信号有效值或者峰值，以及步骤2）所述n个采样点的采样值的平均值Mj，通过计算的方式来获得一个时间差T′j，所述时间差T′j代表纯正弦信号下离虚拟点（Mj，Tj）最近的过零点与该虚拟点之间的时间差；则对应的过零点时间表示为：Tzj=Tj+T′j；

将在零点附近的正弦信号近似看作一条直线，则过零点时间Tzj的计算方法如下：其中fc是交流电标准频率，Tc是交流电标准周期，UMAX是交流电信号最大值，UEMS是交流电信号有效值，上式成立的条件是 或者 的值接近于0，即要求 的值在范围[-0.1，0.1]才进行过零点的计算；

步骤4），依次在电信号的采样值的其它由低向高变化的零点附近选择任意组合的n个采样点，重复步骤2）和步骤3）得到若干个过零点时间，根据这若干个过零点时间，计算得出被测电信号的周期；

步骤5），根据不同信号的过零点时间的差异和步骤4）得到的信号的周期，计算得到信号之间的相位差。

2.根据权利要求1所述的快速测量交流电信号相位差的方法，其特征在于：步骤1）所述对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所述的快速测量交流电信号相位差的方法，其特征在于：步骤1）所述的采样为对电信号的整周波进行采样。

4.根据权利要求1所述的快速测量交流电信号相位差的方法，其特征在于：步骤4）中所述的计算被测电信号周期的具体步骤如下：重复步骤2）、步骤3）得到若干个过零点时间Tz1,Tz2,Tz3...Tzj,Tzj+1，Tzj+2...Tzn...，则被测交流电信号的周期：Tpj=Tzj+1-Tzj,因此获得的信号的周期依次为Tp1,Tp2,Tp3,Tp4，...Tpk-1,Tpk，...，k为自然数。

5.根据权利要求1所述的快速测量交流电信号相位差的方法，其特征在于：步骤5）所述具体步骤如下：设由步骤3）计算得到的某一路信号的过零点时间为T1i，另外一路信号的过零点时间为T2i，由步骤4）计算得到的交流电信号的周期为Tpi，则两路信号的相位差表示为： 或表示为： 计算得出的结果分别是以度数和弧度表示的相位差值。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的快速测量交流电信号相位差的方法，其特征在于：在被测交流电实际周期偏移交流电标准周期时，步骤3）中采用当前周波的预测周期Tc'代替交流电标准周期Tc来进行计算，获得Tc'的方法如下：a）设由计算得到的交流电信号前几个周波的周期依次为Tpk-3，Tpk-2，Tpk-1，Tpk，当前几个周波的周期不存在或得不到时，令其等于交流电标准周期；

b）预测的当前周波的周期表示为：

Tc'=K1×Tpk+K2×Tpk-1+K3×Tpk-2+K4×Tpk-3；其中K1、K2、K3、K4为任意常数，但须满足条件K1+K2+K3+K4=1。

说明书

一种快速测量交流电信号相位差的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及交流电信号的相位差测量方法，本发明也可以用于低频率信号的相位差测量。

背景技术

[0002] 在日常生活、生产过程中常常需要测量交流电信号之间的相位差，测量的相位差越准确，应用的效果往往更好。在现有的相位差测量方法中，大多数采用将信号转变成方波，然后测量两个方波之间上升沿的时间差，从而得出两个信号的相位差，这种方法易于实现但需要额外的硬件，且容易受到干扰的影响。业界需要的是一种运算量不大且具有一定测量精度的软件相位差测量方法。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中交流电信号的相位差测量精度不够准确，提出了一种快速测量交流电信号相位差的方法。

[0004] 本发明为解决上述技术问题，提供一种快速交流电信号的相位差测量方法，包括以下步骤：

[0005] 步骤1)，对被测电信号进行采样，得到被测电信号的采样值；在被测电信号的某一个由低向高变化时的零点附近选择任意组合的n个采样点；

[0006] 步骤2)，假设每个采样点的采样时间为ti，采样值为yi，则n个采样点的采样值的平均值M和平均采样发生时间T表示为：

[0007]

[0008] 上式中，n≥1，n、i、j均为自然数，则(Mj，Tj)表示一个虚拟点；

[0009] 步骤3)，根据被测电信号在过零点附近的交流电信号由低向高变化的过程、电信号有效值或者峰值，以及步骤2)所述n个采样点的采样值的平均值Mj，通过计算的方式来获得一个时间差T′j，所述时间差T′j代表纯正弦信号下离虚拟点(Mj，Tj)最近的过零点与该虚拟点之间的时间差；则对应的过零点时间表示为：Tzj＝Tj+T′j；

[0010] 将在零点附近的正弦信号近似看作一条直线，则过零点时间Tzj的计算方法如下：

[0011] 其中fc是交流电标准频率，Tc是交流电标准周期，UMAX是交流电信号最大值，UEMS是交流电信号有效值，上式成立的条件是 或者 的值接近于0；

[0012] 步骤4)，依次在电信号的采样值的其它由低向高变化的零点附近选择任意组合的n个采样点，重复步骤2)和步骤3)得到若干个过零点时间，根据这若干个过零点时间，计算得出被测电信号的周期；

[0013] 步骤5)，根据不同信号的过零点时间的差异和步骤4)得到的信号的周期，计算得到信号之间的相位差。

[0014] 进一步的，前述的快速测量交流电信号相位差的方法中，步骤1)所述对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。

[0015] 进一步的，前述的快速测量交流电信号相位差的方法中，步骤1)所述的采样为对电信号的整周波进行采样。

[0016] 进一步的，前述的快速测量交流电信号相位差的方法中，步骤4)中所述的计算被测电信号周期的具体步骤如下：重复步骤2)、步骤3)得到若干个过零点时间Tz1，Tz2，Tz3...Tzj，Tzj+1，Tzj+2...Tzn...，则被测交流电信号的周期：Tpj＝Tzj+1-Tzj，因此获得的信号的周期依次为Tp1，Tp2，Tp3，Tp4，...Tpk-1，Tpk，...，k为自然数。

[0017] 进一步的，前述的快速测量交流电信号相位差的方法中，步骤5)所述具体步骤如下：设由步骤3)计算得到的某一路信号的过零点为T1i，另外一路信号的过零点时间为T2i，由步骤4)计算得到的交流电信号的周期为Tpi，则两路信号的相位差表示为：或表示为： 计算得出的结果分别是以度数和弧
度表示的相位差值。

[0018] 进一步的，前述的快速测量交流电信号相位差的方法中，在被测交流电实际周期偏移交流电标准周期时，步骤3)中采用当前周波的预测周期T′c代替交流电标准周期Tc来进行计算，获得T′c的方法如下：

[0019] a)设由计算得到的交流电信号前几个周波的周期依次为Tpk-3，Tpk-2，Tpk-1，Tpk，当前几个周波的周期不存在或得不到时，令其等于交流电标准周期；

[0020] b)预测的当前周波的周期表示为：

[0021] T′c＝K1×Tpk+K2×Tpk-1+K3×Tpk-2+K4×Tpk-3；其中K1、K2、K3、K4为任意常数，但须满足条件K1+K2+K3+K4＝1。

[0022] 本发明采用上述技术方案具有以下有益效果：

[0023] 1)传统的零交法采用符号相反的两个连续点来确定过零点，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。只有准确定位过零点，才能计算出精确的相位差，对于低频的信号而言(特别是民用交流电)，过零点附近的波形近似为直线。随着数据采集速度的提高，可以在零点附近任意选择若干个采样点。由选取的若干个采样点经过直接计算后获取过零点的具体位置。确定了信号的过零点之后，可以精确计算出交流电信号之间的相位差。相比较传统的零交法而言，运算量大大减少，测量的精度、抗干扰性也没有降低。

[0024] 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。

[0025] 3)该方法在进行计算时可选取若干个采样点来参加计算，这能在一定程度上降低系统的随机误差；该方法的另外一个优点是算法的计算量和选取的采样点的个数只呈现线形关系，在选取的采样点数增加时，运算的精度可以大大提高但运算量不会呈现指数增长。

[0026] 4)本发明在正弦曲线的零点附近将正弦曲线拟合为直线，存在一定的计算误差，但在选取的虚拟点的Mj非常接近零时，误差几乎可以忽略不计。附图说明：

[0027] 图1是在零点附近进行等时间间隔采样而获取的8个采样点的示意图。

[0028] 图2是由4个负电平采样点进行计算所获得的信号过零点的示意图。

[0029] 图3是由3个负电平和1个正电平采样点进行计算所获得的信号过零点的示意图。

[0030] 图4是由2个正电平和2个负电平采样点进行计算所获得的信号过零点的示意图。

[0031] 图5是在不等时间间隔采样情形下，由1个负电平和3个正电平采样点进行计算所获得的信号过零点的示意图。

[0032] 图6是计算信号周期的示意图。

[0033] 图7是计算两路信号相位差的示意图。具体实施方式：

[0034] 下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

[0035] 本发明的实质是对若干个采样点进行预处理后经直接计算得到信号的过零点；后由一系列过零点来计算信号的周期以及不同信号之间的相位差。选取的采样点不宜过多，选取的采样点如果较多的话，计算就会复杂一些；选取得采样点也不宜过少，选取的采样点如果较少的话，容易受到干扰的影响。因此用户可以根据需要选取合理的采样点组合和个数来进行计算。

[0036] 为获得较为精确的测量结果，建议的采样点的选取方案是：正的采样点的数量和负的采样点的数量相等或者大致相等，采样点的个数则可根据具体实际情况来确定。

[0037] 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交流电信号的相位差来进行说明，随着采样速度的提高，在一个周波内发生的采样次数也越来越多，当采样次数足够多时，可以在交流电信号由低向高变化时的零点附近选择若干个采样点，计算若干个采样点的平均值M和平均采样发生时间T，然后根据当前信号的特点和平均值M计算获取T′，由T+T′来近似表示信号的过零点，从而计算出信号的周期；进一步可以计算出不同信号之间的相位差。后续的具体实施方式中都采用了四个采样点来计算过零点，实际应用中可以根据需要适当增加或者减少采样点的个数。本发明的具体实施过程如下：

[0038] 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。

[0039] 2.在信号的每一个零点附近选择任意组合的若干个采样点。这里所说的零点指的是交流电信号由低向高变化时的零点。选出的采样点的采样值可以全部为正；也可以是全部为负；也可以根据需要选择若干个采样值为正、若干个采样值为负的采样点。图1上的S0，S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7是在零点附近进行等时间间隔采样而获取的8个采样点。可以在上述8个点(但不仅限于这8个点)中选择若干个采样点。为获得较为精确的测量结果，建议的采样点的选取方案是：正的采样点的数量和负的采样点的数量相等或者大致相等。

[0040] 3.计算若干个采样点的平均值M和平均采样发生时间T的步骤如下：

[0041] 1)在交流电信号的由低向高变化时的零点附近选择任意组合的若干个采样点；

[0042] 2)假设选取的采样点数为n，每个采样点的采样时间为ti，采样值为yi，则n个采样点的平均值M和平均采样发生时间T可表示为：

[0043]

[0044] 上式中，n≥1，i、j均为自然数，则(Mj，Tj)可看作是一个虚拟点；

[0045] 得到过零点的过程如下：获取(Mj，Tj)后，由当前信号的特点、信号的有效值(或者峰值)和Mj通过直接计算来获得T′j，T′j的物理意义是纯正弦信号下，离虚拟点(Mj，Tj)最近的过零点与该虚拟点之间的时间差。由于在步骤2)中选取的采样点在交流电信号的由低向高变化时的零点附近选取的，则T′j可表示为：

[0046]

[0047] 当 较小时，T′j可近似表示为：

[0048]

[0049]

[0050] 上述几个公式中，fc是交流电标准频率，Tc是交流电标准周期，UMAX是交流电信号最大值，UEMS是交流电信号有效值。上述几个公式的成立条件是 或者 尽量小。在通常情况下， 越小，则应用的效果越好，后续的应用中要求 的范围在[-0.1，0.1]才进行过零点的计算。

[0051] 计算后，则对应的过零点时间可表示为：Tzj＝Tj+T′j。

[0052] 4.图2中的空心三角形所在的点(M0，T0)是由图1中的采样点S0，S1，S2，S3进行计算后获得的虚拟点，空心圆所在的点是经计算后得到的过零点；图3中的空心三角形所在的点(M1，T1)是由图1中的采样点S1，S2，S3，S4进行计算后获得的虚拟点，空心圆所在的点是经计算后得到的过零点；图3中的空心三角形所在的点(M2，T2)是由图1中的采样点S2，S3，S4，S5进行计算后获得的虚拟点，空心圆所在的点是经计算后得到的过零点；图2、图3、图4的例子中的采样是等时间间隔采样。图5是不等时间间隔采样情形下得到的结果示意图，空心三角形所在的点(M3，T3)是由图中的采样点S0，S1，S2，S3进行计算后获得的虚拟点，空心圆所在的点是经计算后得到的过零点。

[0053] 5.得到若干个过零点时间后可进行信号周期的计算，图6中的交流电信号在零点(信号由低向高变化时的过零点)附近进行了四次计算(每次计算采用零点附近的2个正电平和2个负电平采样点)，获取了四个空心三角形所在的虚拟点，由四个虚拟点计算后得到了空心圆所在的四个过零点：T1、T2、T3、T4。由于被测交流电信号的周期可表示为：Tpj＝Tj+1-Tj，因此图6中信号周期可表示为：Tp3＝T4-T3、Tp2＝T3-T2、Tp1＝T2-T1。

[0054] 6.相位差的计算可参见图7，图中空心三角形所在的点为计算得到的虚拟点。图7中交流信号I在由低向高变化时经计算有两个过零点T1i和T1i+1，交流信号II在由低向高变化时经计算有两个过零点T2i和T2i+1，则交流信号I和交流信号II的相位差可表示为：或者 公式中的Tpi和Tpi+1是计算得出的信号
的周期。公式也可以与成弧度表达的形式。

[0055] 7.本发明采用交流电标准周期Tc来计算过零点Tzj，在被测交流电实际周期偏移交流电标准周期不大时，已经可以获得较为准确的测量结果。在被测交流电实际周期偏移交流电标准周期有一定程度时，如果仍然采用交流电标准周期Tc来计算过零点Tzj的话，则可能会产生较大的计算误差，此时可以采用当前周波的预测周期T′c代替交流电标准周期Tc来进行计算。获得T′c的方法如下：设由计算得到的交流电信号前几个周波的周期依次为Tpk-3，Tpk-2，Tpk-1，Tpk(在前面周波的周期没有计算得到时，可令部分或者全部的Tpk-3，Tpk-2，Tpk-1，Tpk等于交流电标准周期)；则预测的当前周波的周期可表示为：T′c＝K1×Tpk+K2×Tpk-1+K3×Tpk-2+K4×Tpk-3；公式中的K1，K2，K3，K4可为任意常数，但须满足条件K1+K2+K3+K4＝1。如采用当前周波的预测周期T′c来计算过零点Tzj，可以得到更加准确的结果。在上述的实验中，令K1＝1，K2＝K3＝K4＝0，则T′c＝Tpk，即认为当前周波的周期与上一周波的周期相同。

[0056] 优选方案是所述的采样为等时间间隔采样。

[0057] 综上所述，本发明所涉及的一种快速测量交流电信号相位差的方法，不需要将交流电信号转换成方波，克服了传统的过零点检测抗干扰能力差的缺点，也适合于低频信号的相位差测量，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，本发明通常可应用于民用三相交流电的相位差测量、功角测量等等。