CN105116202A - 一种快速获取电信号基波幅值和多次谐波幅值的方法 - Google Patents

Abstract

一种快速获取电信号基波幅值和多次谐波幅值的方法，其特包括如下步骤：检测被测电信号的基波周期；采集至少一个基波周期的被测电信号；根据基波周期，生成两组1/X倍基波周期的相互正交的多次矩形波，其中X为大于1的正整数；选取至少一个基波周期中的N个采样信号与两组正交多次矩形波分别相乘求和，其中N为正整数；按照一次矩形波规律和X次矩形波规律分别获得基波和X次谐波的幅值。

Description

一种快速获取电信号基波幅值和多次谐波幅值的方法

技术领域

本发明涉及电信号处理方法，特别是涉及一种快速获取电信号基波幅值和多次谐波幅值的方法。

背景技术

目前应用最广泛的信号处理是对电信号进行处理。电信号中通常包含基波、谐波和间谐波等分量，这些不同分量具有不同的幅值、频率和初始相位。不同的分量携带着不同的信息，通过对该电信号进行处理，提取出不同的分量，即可获得相应的信息。近年来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子设备在电力***、工业、交通和家庭中的应用日益广泛，谐波、间谐波造成的危害日益严重。谐波、间谐波的测量是波形畸变分析、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波补偿和抑制的基础。

谐波分析技术在电能质量监控、电子产品生产检验、电器设备监控等众多领域应用广泛，是进行电网监控、质量检验、设备监控的重要技术手段。

电力***谐波检测的主要方法有：基于模拟带通或带阻滤波器的谐波检测、基于瞬时无功功率的谐波检测、基于傅立叶变换的谐波检测、基于神经网络的谐波检测、基于小波变换的谐波检测。

现在应用最广泛的谐波检测方法是基于傅立叶变换的谐波检测方法。在稳态的谐波检测中，基于傅立叶变换的谐波检测方法具有精度较高，功能较多，使用方便，易于实现等优点。

然而，目前基于傅立叶变换等理论的高精度的谐波检测都需要复杂的计算方法支撑，计算量大，且需要高性能的硬件、芯片支持，如高速的DSP，造成检测时间慢，体积大，成本高，维护难，便携性差等缺点，在一些不需要精确测量谐波含量的场合，工程应用不具有实用性。

发明内容

基于此，本申请提出一种快速获取电信号基波幅值与多次谐波幅值的方法，快速计算电流、电压的基波幅值和多次谐波幅值，此方法计算量小，硬件设计只需要单片机便可以完成，具有速度快，体积小，结构简单，便携等特点，在不需要精确测量基波、谐波幅值，只需要简易测量基波和多次谐波幅值的场所，可以满足工程使用要求。

一种快速获取电信号基波幅值和多次谐波幅值的方法，其包括如下步骤：

检测被测电信号的基波周期；

采集至少一个基波周期的被测电信号；

根据基波周期，生成两组1/X倍基波周期的相互正交的多次矩形波，其中X为大于1的正整数；

选取至少一个基波周期中的N个采样信号与两组正交多次矩形波分别相乘求和，其中N为正整数；

按照一次矩形波规律和X次矩形波规律分别获得基波和X次谐波的幅值，。

在其中一个实施例中，所述选取至少一个基波周期中的N个采样信号与两组正交多次矩形波分别相乘求和的步骤中，所选择的基波周期为一个基波周期。

在其中一个实施例中，所述采集至少一个基波周期的被测电信号的步骤中，所采集的基波周期为一个基波周期。

在其中一个实施例中，所述检测被测电信号的基波周期的步骤是通过检测被测电信号相继过零点的方法来检测基波周期的。

在其中一个实施例中，所述根据基波周期，生成两组1/X倍基波周期的相互正交的多次矩形波的步骤中，X为3。

上述获取电信号基波幅值与多次谐波幅值的方法相比于传统的半波整流基波幅值获取方法，本申请的方法具有以下优点：

(1)可以同时快速计算基波和多次谐波幅值。

(2)获取方法简单，通过生成正交的多次矩形波与被测信号相乘，即是对被测信号进行分段累加求和，获得被测信号分段积分值，只需要简单的加法和几次的乘法即可完成运算，计算速度快，编程设计简单。

(3)利用两组正交的三次矩形波进行调制，无需考虑多次矩形波与多次谐波、基波的相位一致性问题。

(4)利用多次矩形波与采样信号相乘求和中间过程的储存值，即分段累加求和获得的被测信号分段积分值，对其重新组合，可同时计算基波幅值，与只获取多次谐波幅值时间基本一样，节省了运算时间。

(5)由于运算简单，硬件要求不高，易于单片机上实现，可有效减小装置体积和成本。

附图说明

图1为本发明的获取电信号基波幅值与多次谐波幅值的方法流程图；

图2为给定的正弦信号及与其同频率的矩形波示意图；

图3为正弦信号对应的正交矩形波示意图。

具体实施方式

请参考图1，本发明的较佳实施方式提供一种快速获取电信号基波幅值与多次谐波幅值的方法。该电信号基波幅值与多次谐波幅值的方法是基于多次矩形波快速获取电信号基波幅值和多次谐波幅值。其包括如下步骤：

步骤S110，检测被测电信号的基波周期。

步骤S120，采集至少一个基波周期的被测电信号。为了较少计算量，在实际使用时可以采取一个基波周期的电信号。

步骤S130，根据基波周期，生成两组1/X倍基波周期的相互正交的多次矩形波，其中X为大于1的正整数。

步骤S140，选取至少一个基波周期中的N个采样信号与两组正交多次矩形波分别相乘求和，其中N为正整数。为了较少计算量，在实际使用时可以选取一个基波周期的电信号。

步骤S150，按照一次矩形波规律和X次矩形波规律分别获得基波和X次谐波的幅值。

电信号一般为正弦信号或余弦信号。对于给定的正弦信号A_msin(ωt)，其在半个周期内的积分转换成数字信号时对数字正弦信号在半个周期内的积分，即为累加求和：

其中T为正弦信号周期，N和i为自然数，采样点N越大，y′越接近y。

给定与正弦信号同频率的矩形波，如附图2所示，矩形波占空比为50％，正幅值为1，负幅值为-1，用同频率的矩形波与被测信号相乘，即对转换成数字信号的正弦信号在整个周期内按矩形波规律累加求和，获得被测信号积分值：

$y^{\′\′}=\frac{2\mathrm{\π}}{2N}\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{A}_{m}sin\right({\mathrm{\ωt}}_i)-\underset{i=N+1}{\overset{2N}{\Σ}}{A}_{m}sin({\mathrm{\ωt}}_i\left)\right)\≈4A_m,$ 其中 $t_i=i\frac{T}{2N},$ T为正弦信号周期，采样点N越大，y″越接近4A_m。

根据上述原理，用基频正弦波与同频率矩形波相乘，即对被测信号进行分段累加求和，求得正弦波积分值，从而获得正弦波幅值A_m。当被测信号除了基波还含有谐波时，计算结果含有谐波幅值，但是谐波含量较小，在不需要精确计算时可以忽略不计，以此作为基波幅值。

当被测信号含有且主要含有某一个多次谐波时(例如三次谐波)，用被测信号与三次矩形波相乘，即对被测信号在整个周期内按三次矩形波规律累加求和，获得被测信号积分值，可以求得被测信号中的三次及高次谐波幅值成分，且不含有基波幅值成分，忽略较小的高次谐波幅值，即得到三次谐波幅值。

考虑被测信号与矩形波相位问题时，若被测信号与矩形波相位不一致，此时用两组正交的矩形波分别与被测信号相乘，即对被测信号进行分段累加求和，获得被测信号分段积分值，得到两组结果记为M1、M2，则基波或谐波幅值为： $M=\sqrt{{M_1}^2+{M_2}^2}.$

下面以基波幅值与三次谐波幅值为例介绍一下基波幅值与三次谐波幅值的获取的方法。以下只是举例介绍，本技术领域人员可以理解的是此获取方法也可以用于其它谐波幅值的获取，例如4次谐波幅值或者5次谐波幅值。

在获取基波幅值与三次谐波幅值时会首先对被测电信号进行基波周期检测。通过检测被测电信号相继过零点来检测基波周期。基波周期用于生成两组正交的三次矩形波调制信号。三次矩形波信号是指周期为基波周期1/3倍的矩形波。

对被测电信号进行采样并进行数模转换。按被测信号的基波周期，保证至少采样到一个基波周期的数据，设在一个基波周期内采样N个点，被测信号为f(t)，则采样生成的信号值序列为f(k)，k＝1，2…N。其中，N为正整数。

根据基波周期T，生成两组1/3倍基波周期的三次矩形波。两组矩形波占空比均为50％，正幅值均为1，负幅值均为-1，两组矩形波正交，相位差90度。分别记为Y1，Y2。所生成的两组正交的三次矩形波调制信号如图3所示。

此处无需考虑三次矩形波与被测信号基波、三次谐波的相位一致问题，即生成的三次矩形波相位与被测信号三次谐波相位可能不同，不影响检测结果。

将采样信号与两组正交的三次矩形波分别相乘求和，即对被测电信号进行分段累加求和，获得被测信号分段积分值，从而获取基波和三次谐波幅值。此处可以分两步分别获取三次谐波幅值与基波幅值。

1)计算三次谐波幅值。

采样信号f(k)与矩形波Y1相乘求和(即累加运算)，为方便使用中间过程计算值同时求基波和三次谐波幅值，分段记录累加求和值，获得被测信号分段积分值，分别记为A1、A2、A3、A4、A5、A6，其中 $A2=-\underset{k=N/6+1}{\overset{N/3}{\Σ}}f\left(k\right),A3=\underset{k=N/3+1}{\overset{N/2}{\Σ}}f\left(k\right),A4=-\underset{k=N/2+1}{\overset{2N/3}{\Σ}}f\left(k\right),A5=\underset{k=2N/3+1}{\overset{5N/6}{\Σ}}f\left(k\right),A6=-\underset{k=5N/6+1}{\overset{N}{\Σ}}f\left(k\right)$

采样信号f(k)与矩形波Y2相乘求和(即累加运算)，为方便使用中间过程计算值同时求基波和三次谐波幅值，分段记录累加求和值，获得被测信号分段积分值，分别记为B1、B2、B3、B4、B5、B6，B7，其中

$B1=\underset{k=1}{\overset{N/12}{\Σ}}f\left(k\right),B2=-\underset{k=N/12+1}{\overset{N/4}{\Σ}}f\left(k\right),B3=\underset{k=N/4+1}{\overset{5N/12}{\Σ}}f\left(k\right),B4=-\underset{k=5N/12+1}{\overset{7N/12}{\Σ}}f\left(k\right),B5=\underset{k=7N/12+1}{\overset{3N/4}{\Σ}}f\left(k\right),$ $B6=-\underset{k=3N/4+1}{\overset{11N/12}{\Σ}}f\left(k\right),B7=\underset{k=11N/12+1}{\overset{N}{\Σ}}f\left(k\right).$

令M₃₁＝A1+A2+A3+A4+A5+A6

M₃₂＝B1+B2+B3+B4+B5+B6+B7。

则，M₃₁为采样信号f(k)与矩形波Y1相乘求和结果，即为被测信号分段积分值按三次矩形波Y1规律组合结果，M₃₂为采样信号f(k)与矩形波Y1相乘求和结果，即为被测信号分段积分值按三次矩形波Y2规律组合结果，忽略较小的高次谐波幅值成分，三次谐波幅值为：

$M_3=\frac{\mathrm{\π}}{2N}\sqrt{{M_{31}}^2+{M_{32}}^2}$

2)计算基波幅值。

需要用两组正交的一次矩形波与被测信号采样值相乘求和获得被测信号基波积分值。由于一次矩形波可由三次矩形波组合得到，故利用上述记录分段积分值A、B，可同时计算基波幅值。

令M₁₁＝A1-A2+A3+A4-A5+A6

M₁₂＝B1-B2-B3+B4-B5-B6+B7

则，结果C1、D1相当于两组正交的一次矩形波与采样信号相乘的结果，即被测信号按一次矩形波规律组合的积分值，忽略较小的谐波幅值成分，基波幅值为：

$M_1=\frac{\mathrm{\π}}{2N}\sqrt{{M_{11}}^2+{M_{12}}^2}.$

这样就获得了被测电信号的基波幅值与三次谐波幅值。

通过以上获取电信号基波幅值与多次谐波幅值的方法我们可以看得，本申请的方法具有以下优点：

(1)可以同时快速计算基波和多次谐波幅值。

(2)获取方法简单，通过生成正交的多次矩形波与被测信号相乘，即是对被测信号进行分段累加求和，获得被测信号分段积分值，只需要简单的加法和几次的乘法即可完成运算，计算速度快，编程设计简单。

(3)利用两组正交的三次矩形波进行调制，无需考虑多次矩形波与多次谐波、基波的相位一致性问题。

(4)利用多次矩形波与采样信号相乘求和中间过程的储存值，即分段累加求和获得的被测信号分段积分值，对其重新组合，可同时计算基波幅值，与只获取多次谐波幅值时间基本一样，节省了运算时间。

(5)由于运算简单，硬件要求不高，易于单片机上实现，可有效减小装置体积和成本。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种快速获取电信号基波幅值和多次谐波幅值的方法，其特征在于，包括如下步骤：

检测被测电信号的基波周期；

采集至少一个基波周期的被测电信号；

根据基波周期，生成两组1/X倍基波周期的相互正交的多次矩形波，其中X为大于1的正整数；

选取至少一个基波周期中的N个采样信号与两组正交多次矩形波分别相乘求和，其中N为正整数；

按照一次矩形波规律和X次矩形波规律分别获得基波和X次谐波的幅值。

2.根据权利要求1所述的快速获取电信号基波幅值和多次谐波幅值的方法，其特征在于，所述选取至少一个基波周期中的N个采样信号与两组正交多次矩形波分别相乘求和的步骤中，所选择的基波周期为一个基波周期。

3.根据权利要求2所述的快速获取电信号基波幅值和多次谐波幅值的方法，其特征在于，所述采集至少一个基波周期的被测电信号的步骤中，所采集的基波周期为一个基波周期。

4.根据权利要求1所述的快速获取电信号基波幅值和多次谐波幅值的方法，其特征在于，所述检测被测电信号的基波周期的步骤是通过检测被测电信号相继过零点的方法来检测基波周期的。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的快速获取电信号基波幅值和多次谐波幅值的方法，其特征在于，所述根据基波周期，生成两组1/X倍基波周期的相互正交的多次矩形波的步骤中，X为3。