交流电信号的周期检测方法及相位差检测方法

摘要

本发明揭露了一种交流电信号的周期检测方法及相位差检测方法，所述周期检测方法包括：按照相同的采样时间间隔采样单相交流电信号的波形以获得采样点；从预定采样点开始截取N个连续的采样点作为一组初始样本，N为整数，且N与所述采样时间间隔的乘积大于等于所述交流电信号的最小周期；从预定采样点后的采样点中依次连续截取多组采样点作为多组目标样本，每组目标样本包括N个连续的采样点；计算每组目标样本与初始样本的互相关性；和其中互相关性最高的目标样本与初始样本之间的时间间隔即为所述单相交流电信号的周期。

说明书

【技术领域】

本发明涉及电力传输领域，特别涉及对三相交流电信号的周期和相位差进行检测的方法。

【背景技术】

三相交流电的相位测量通常可以通过三相综合矢量及坐标变换来求出相位。这种方法对于只有单相电压或者缺相的交流电而言，无法计算相位。

而现有技术中，单相交流电的周期和相位的测量方法通常是根据交流电信号中的过零点来计算频率并估算相位的，所谓过零点是指交流电信号(正弦型信号)由低到高变化时通过x轴时的过零点。如图1所示，具体的实现方法为：通过比较器及相关电路在交流电信号由负到正过零处产生上升沿信号，检测相邻两个上升沿的时间间隔，此时间间隔即为周期T，周期T的倒数即为频率。任一时刻与先前最近一个过零点的时间间隔为t，则此时刻的相位用角度表示即为t/T*360°。

但是上述方法的缺点在于：测量精度与过零点的采集精度息息相关。如果过零点附近有抖动或者较低的正弦度导致过零点电压畸变，都将导致上升沿信号与实际过零点有偏离。也就是说，一旦过零点的采集不准确，那么将导致该交流电信号的周期和相位检测不准确。

在实际应用中发现，在测量三相交流电信号的周期和相位差时，不仅需要测量精度高，而且还需要测量速度足够快，近乎能够测量出“瞬时”相位以利于后续处理，同时希望还能够对交流电信号的更多参数进行测量，比如各相交流电信号之间的相位差、相位顺序和能量等等。显然，现有技术不能很好地解决上述问题。

因此，亟待提出一种先进的、可以克服上述缺点的技术方案。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种交流电信号的周期检测方法，具有测量精度高、测量速度快的特点。

本发明的另一目的在于提供一种交流电信号的相位差检测方法，具有测量精度高、测量速度快的特点。

为了达到本发明的目的，根据本发明的一个方面，本发明提供一种交流电信号的周期检测方法，所述方法包括：按照相同的采样时间间隔采样单相交流电信号的波形以获得采样点；从预定采样点开始截取N个连续的采样点作为一组初始样本，N为整数，且N与所述采样时间间隔的乘积大于等于所述交流电信号的最小周期；从预定采样点后的采样点中依次连续截取多组采样点作为多组目标样本，每组目标样本包括N个连续的采样点；计算每组目标样本与初始样本的互相关性；和其中互相关性最高的目标样本与初始样本之间的时间间隔即为所述单相交流电信号的周期。

进一步地，所述“从预定采样点开始”包括：从预定采样点开始但不包括预定采样点。

进一步地，设所述初始样本为B(n)，n为整数，且n∈[1，N]，目标样本为B(n+k)，n为整数，且n∈[1，N]，k为目标样本和初始样本之间的间隔采样点数，则所述目标样本与初始样本的互相关性通过如下公式计算：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}B\left(n\right)*B(n+k),$

其中与初始样本互相关性最高的目标样本中的k与采样时间间隔的乘积即为所述单相交流电信号的周期。

进一步地，当检测所述单相交流电信号的最小周期时，所述间隔采样点数k的取值范围为((最小周期估计值-预定阀值)/采样时间间隔，(最小周期估计值+预定阀值)/采样时间间隔)，其中(最小周期估计值+预定阀值)＜(2*最小周期估计值)。

根据本发明的另一方面，本发明提供一种交流电信号的相位差检测方法，所述方法包括：按照相同的采样时间间隔采样第一相交流电信号和第二相交流电信号分别获得采样点；从第一相交流电信号的预定采样点开始截取N个连续的采样点作为一组初始样本，N为整数，且N与所述采样时间间隔的乘积大于等于所述交流电信号的最小周期；在所述预定采样点对应的时刻后开始从第二相交流电信号的采样点中依次连续截取多组采样点作为多组目标样本，每组目标样本包括N个连续的采样点；计算每组目标样本与初始样本的互相关性；和根据互相关性最高的目标样本与初始样本之间的时间间隔计算第一相交流电信号与第二相交流电信号之间的相位差。

进一步地，设初始样本为A(n)，目标样本为B(n+k)，其中n为整数，且n∈[1，N]，k为目标样本和初始样本之间的间隔采样点数，则所述目标样本与初始样本的互相关性通过如下公式计算：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}A\left(n\right)*B(n+k).$

进一步地，所述间隔采样点数k为整数，且间隔采样点数k的取值范围为[1，T/tc+M]，其中T为所述单相交流电信号的最小周期，tc为采样时间间隔，M为1至5中的任一整数

进一步地，所述根据互相关性最高的目标样本与初始样本之间的时间间隔计算第一相交流电信号与第二相交流电信号之间的相位差包括：根据互相关性最高的目标样本与初始样本之间的间隔采样点数k与采样时间间隔的乘积计算互相关性最高的目标样本与初始样本之间的时间间隔Tmax；和根据公式360°*Tmax/T来计算第一相交流电信号与第二相交流电信号之间的相位差，其中T为单相交流电信号的最小周期。

进一步地，所述初始样本和目标样本中的N为：

N＝T/tc+S，

其中T为所述单相交流电信号的最小周期，tc为采样时间间隔，S为1至20中的任一整数。

与现有技术相比，本发明提供的交流电信号的周期检测方法及相位差检测方法，采用交流电信号中的多个采样点作为运算对象，通过互相关性计算来完成周期和相位差的计算，故测量精度较高，计算误差不易受到波形畸变等因素的干扰。另一方面，通过适当调整参数N和k的取值，可以达到非常快的计算速度，同时各个采样点还可以用于计算三相交流电信号的其他参数和后续处理。

【附图说明】

结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：

图1为现有技术中的三相交流电信号的相位差检测方法的波形示意图；

图2为本发明的一个实施例中的交流电信号的周期检测方法的方法流程图；

图3为本发明的一个实施例中的单相交流电信号的波形示意图；

图4为本发明的一个实施例中的正弦波的三角变换特性示意图；

图5为本发明的一个实施例中的交流电信号的相位差检测方法的方法流程图；和

图6为本发明的一个实施例中的第一相交流电信号和第二相交流电信号的波形示意图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明首先提供一种交流电信号的周期检测方法，所述交流电信号的周期检测方法采用的基本思想为：交流电信号中的各相交流电信号为正弦型或者余弦型的周期波形，每个周期内的波形具有相同的特征，利用波形之间的互相关性在相邻周期寻找与当前周期的特征波形符合的目标波形，在找到所述目标波形时，也即找到了所述交流电信号的周期。

请参考图2，其示出了本发明的一个实施例中的交流电信号的周期检测方法200的方法流程图。由于三相交流电中的每一相交流电信号的周期都是相同的，故只需测量某一相交流电信号的周期即可，以下统称某一相交流电信号为单相交流电信号，所述交流电信号的周期检测方法200包括：

步骤201，按照相同的采样时间间隔采样单相交流电信号的波形以获得采样点。

首先将单相交流电信号通过诸如模数转换器之类的设备进行采样，采样时需要按照相同的采样时间间隔进行采样，所述相同的采样时间间隔可以为模数转换器的默认采样时间间隔。显然，所述相同的采样时间间隔相对于单相电信号的周期越小，那么计算的结果准确率越高。通过所述采样可以获得一系列的采样点，所述一系列的采样点可以参考图3所示。

步骤202，从预定采样点开始截取N个连续的采样点作为一组初始样本，N为整数，且N与所述采样时间间隔的乘积大于等于所述交流电信号的最小周期。

此处所述“预定采样点”可以是任一时刻的采样点，图3中所示预定采样点为过零点，过零点指的是正弦波信号由低到高变化时通过x轴时的点。但是在实际应用中可能并不能够恰好如此，此处只是以过零点作为预定采样点来作为实施例讲解，对于其他时刻的采样点作为预定采样点的实施例，是本领域技术人员所易于思及的，在此不再累述。从预定采样点开始截取N个连续的采样点后将其作为一组初始样本B(n)，其中n大于等于1，且小于等于N。显然所述初始样本中截取的采样点越多，计算越精确，但是截取的采样点越多，需要消耗的计算资源和时间也越多，可以根据具体实施例合理设定。为了能够既能保证计算精度，又能尽可能减少运算量，所述N个连续的采样点应当至少覆盖一个最小周期的交流电信号的波形，也就是说，N与所述采样时间间隔的乘积应当大于等于所述交流电信号的最小周期。在本实施例中，截取了大概四分之五个周期的波形内的采样点作为初始样本B(n)，n大于等于1且小于等于N，所述N＝26，这是因为对于三相交流电信号的频率通常为已知，对于三相交流电信号的周期也可以知道大概的估计值，此处选取了略大于一个周期的单相交流电信号的波形的采样点作为初始样本，不仅可以保留波形特征，而且还可以尽量地降低计算量。对于周期估计值不已知的实施例，可以选取较大的N值，只要能够保证N大于目标信号的一个周期内的采样点数即可。

步骤203，从过零点后的采样点中依次连续截取多组采样点作为多组目标样本，每组目标样本包括N个连续的采样点。

为了找到相邻周期内符合所述初始样本的波形，还需要在所述预定采样点后的采样点中连续截取多组采样点作为目标样本，每组目标样本也包括N个连续的采样点。在本实施例中，从k＝k1处开始截取N个连续的采样点作为第一组目标样本，其中k为目标样本与初始样本之间的间隔采样点数；然后从k＝k1+1处开始截取N个连续的采样点作为第二组目标样本；从k＝k1+2处开始截取N个连续的采样点作为第三组目标样本，...，从k＝k2处开始截取N个连续的采样点作为第k2-k1+1组目标样本。

步骤204，计算每组目标样本与初始样本的互相关性。

计算每组目标样本与初始样本的互相关性如下：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}B\left(n\right)*B(n+k);$k∈(k1，k2)

所述互相关性可以表示所述目标样本与所述初始样本的相似程度，并在所述目标样本与所述初始样本的波形一模一样时取到最大值。

步骤205，其中互相关性最高的目标样本与初始样本之间的时间间隔即为所述正弦波的周期。

其中与初始样本互相关性最高的目标样本中的k与采样时间间隔的乘积即为所述单相交流电信号的周期。

为了进一步说明所述目标样本与初始样本的互相关性的关系，请继续参考图4，因为所述单相交流电信号的波形为sin(x)类型，而目标样本只是处于不同周期的波形，同时也是sin(x)类型的波形。所述目标样本与初始样本的互相关性的计算结果其实符合sin(x1)*sin(x2)所代表的波形。根据三角函数变换中的积化和差公式，sinαsinβ＝-1/2[cos(α+β)-cos(α-β)]可知，所述目标样本与初始样本的互相关性符合cos(x)类型的波形。当所述(k1，k2)取值恰当时，所述互相关性的波形中的最大值正好对应单相交流电信号的最小周期的值。当然，也应当认识到，所述(k1，k2)取值范围很大时，所述互相关性的波形中的最大值对应的也是所述单相交流电信号的周期，而且所述最大值可以为多个。但是为了检测到所述单相交流电信号的最小周期，所述(k1，k2)的取值范围为((最小周期估计值-预定阀值)/采样时间间隔，(最小周期估计值+预定阀值)/采样时间间隔)，其中(最小周期估计值+预定阀值)＜(2*最小周期估计值)。

在一个具体的实施例中，由于三相交流电信号的频率为已知的，故可以估计出所述单相交流电信号的周期大概为19-21个采样点之间的时间间隔，故为了计算的快捷性，所述N可以为26，所述(k1，k2)可以为(12，28)。另外，也可以先一次性截取N+k2＝26+28＝54个采样点，然后从这54个采样点中分别截取初始样本和多组目标样本。

综上所述，本发明提供的单相交流电信号的周期检测方法采用单相交流电信号的波形中的多个采样点作为运算对象，通过互相关性计算来完成周期的计算，故测量精度较高，计算误差不易受到波形畸变等因素的干扰。另一方面，通过适当调整参数N和k的取值，可以达到非常快的计算速度，同时在应用于交流电检测时各个采样点的值还可以用于计算三相交流电信号的其他参数。

基于上述发明构思，本发明人同时提供一种三相交流电信号的相位差检测方法，所述三相交流电信号的相位差检测方法采用的基本思想为：利用波形之间的互相关性在第二相电信号中寻找与第一相电信号中特征波形符合的目标波形，在找到所述目标波形时，根据所述目标波形与特征波形之间的间隔采样点数即可换算出两相交流电信号之间的相位差。

请参考图5，其示出了本发明的一个实施例中的三相交流电信号的相位差检测方法500的方法流程图。所述三相交流电信号的相位差检测方法500包括：

步骤501，按照相同的采样时间间隔采样第一相交流电信号和第二相交流电信号以分别获得采样点。

首先将交流电波形通过诸如模数转换器之类的设备进行采样，采样时需要按照相同的采样时间间隔进行采样，所述相同的采样时间间隔可以为模数转换器的默认采样间隔。显然，所述相同的采样时间间隔相对于交流电波形的周期越小，那么计算的结果准确率越高。通过所述采样可以分别获得一系列的采样点，所述第一相电信号的波形示意可以参考图6中的位于上面的波形，所述第二相电信号的波形示意可以参考图6中位于下面的波形。

步骤502，从第一相交流电信号的预定采样点开始截取N个连续的采样点作为初始样本，设所述初始样本为A(n)，n大于等于1小于等于N，且n为整数。

此处所述“预定采样点”可以是任一时刻的采样点，图6中所示预定采样点为过零点，过零点指的是正弦波信号由低到高变化时通过x轴时的点。但是在实际应用中可能并不能够恰好如此，此处只是以过零点作为预定采样点来作为实施例讲解，对于其他时刻的采样点作为预定采样点的实施例，是本领域技术人员所易于思及的，在此不再累述。从第一相交流电信号的预定采样点开始截取N个连续的采样点后将其作为一组初始样本B(n)，其中n大于等于1，且小于等于N。显然所述初始样本中截取的采样点越多，计算越精确，但是截取的采样点越多，需要消耗的计算资源和时间也越多，可以根据具体实施例合理设定。为了能够既能保证计算精度，又能尽可能减少运算量，所述N个连续的采样点应当至少覆盖一个最小周期的交流电信号的波形，也就是说，N与所述采样时间间隔的乘积应当大于等于所述交流电信号的最小周期。在本实施例中，截取了大概四分之五个周期的波形内的采样点作为初始样本A(n)，n大于等于1且小于等于N，所述N＝26，此处选取了略大于一个周期的单相交流电信号的波形的采样点作为初始样本，不仅可以保留波形特征，而且还可以尽量地降低计算量。

步骤503，在所述预定采样点对应的时刻后开始从第二相电信号的采样点中依次连续截取多组采样点作为目标样本，每组目标样本包括N个连续的采样点，设所述目标样本为B(n+k)，k为目标样本和初始样本之间的间隔采样点数，k为整数。

为了在第二相电信号中找到符合所述初始样本的波形，还需要从第一相电信号的预定采样点后的对应时刻，在第二相交流电信号中截取多组采样点作为目标样本，每组目标样本也包括N个连续的采样点n，所述N＝26。在本实施例中，从k＝1处开始截取N个连续的采样点作为第一组目标样本；从k＝2处开始截取N个连续的采样点作为第二组目标样本；从k＝3处开始截取N个连续的采样点作为第三组目标样本，...，从k＝k3处开始截取N个连续的采样点作为第三组目标样本k3组目标样本。所述k3的取值应当大于等于一个周期的长度。所述k3可以为28。

步骤504，计算每组目标样本与初始样本的互相关性，所述互相关性的计算可以采用如下公式：

$\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}A\left(n\right)*B(n+k).$

其中互相关性最高的目标样本即代表从第二相交流电信号中寻找到的与第一相交流电信号中的特征波形符合的目标波形。此时k只是代表第一相电信号和第二相电信号的相位差内的采样点的个数，并不是实际需要的用角度单位表示的相位差，所以还需要换算的过程。

步骤505，根据间隔采样点数与采样时间间隔的乘积计算互相关性最高的目标样本与初始样本之间的时间间隔。

根据互相关性最高的目标样本与初始样本之间的间隔采样点数k与采样时间间隔tc的乘积计算互相关性最高的目标样本与初始样本之间的时间间隔Tmax＝k*tc。

步骤506，根据所述时间间隔计算第一相交流电信号与第二相交流电信号之间的相位差。

根据公式360°*Tmax/T来计算第一相交流电信号与第二相交流电信号之间的相位差，其中T为单相交流电信号的最小周期。

显然，所述第一相电信号和第二相电信号的最小周期可以通过图2中所述交流电信号的周期检测方法获得。同时由于三相交流电的周期已知，所以为了在保证测量精度的前提下尽可能减少运算量，可以令N＝T/tc+S，其中T为所述单相交流电信号的最小周期，tc为采样时间间隔，S为1至20中的任一整数。另外，对于三相交流电中的第二相电信号与第三相电信号之间的相位差计算，与所述第一相电信号与第二相电信号之间的相位差计算方法相同，是本领域技术人员易于思及的，在此不再累述。

比较所述交流电信号的周期检测方法和相位差检测方法，可知，所述交流电信号的周期检测方法中的间隔采样点数k是为了在同一信号的相邻周期中找到与初始样本符合的目标样本，所述目标样本的可能存在区间包括下一个周期附近，故k的取值范围是以所述交流电信号的周期估计值为中点，预定阀值为浮动范围的区间。而所述交流电信号的相位差检测方法中的间隔采样点数k是为了在第二相交流电信号中找到与第一相交流电信号的初始样本相符合的目标样本，所述目标样本的可能存在区间是从第一相交流电信号的预定采样点开始，长度为一个周期或略大于一个周期的区间，故所述间隔采样点数k的取值范围为[1，T/tc+M]，其中T为所述单相交流电信号的最小周期，tc为采样时间间隔，M为1至5中的任一整数。

综上所述，本发明提供的三相交流电信号的相位差检测方法采用各相电信号波形中的多个采样点作为运算对象，通过互相关性计算来完成各相电信号的相位差计算，故测量精度较高，计算误差不易受到波形畸变等因素的干扰。另一方面，通过适当调整参数N和k的取值，可以达到非常快的计算速度，同时在应用于交流电检测时各个采样点的值还可以用于计算三相交流电信号的其他参数。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于所述具体实施方式。