CN112710890B - 一种单相正弦交流相量实时计算方法及装置 - Google Patents

一种单相正弦交流相量实时计算方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单相正弦交流相量实时计算方法及装置，装置包括移相滤波器和幅值、相位运算模块，其中低通滤波器用于单相正弦信号实时滤波和构建正交信号，幅值、相位运算模块根据输入正弦交流信号及其正交信号实时计算相量。本发明可以实时计算单相正弦交流相量，并且算法结构简单、易于实现。与传统的单相正弦交流相量计算方法相比，所需采样数据远少于1/4周期采样数，运算量小，计算速度快，可用于实时计算。

Description

一种单相正弦交流相量实时计算方法及装置
技术领域
本发明属于电气或电子***测量控制技术领域，具体涉及一种单相正弦交流相量实时计算方法及装置。
背景技术
电气或电子***测量和控制设备中，通常需要检测正弦交流信号的幅值和相位，即获取正弦交流相量。三相正弦交流信号可通过基于dq变换的三相锁相环获取其幅值和相位；但单相正弦交流信号通常只能通过傅里叶变换或虚拟dq变换方式计算正弦交流相量。傅里叶变换通常可采用离散傅里叶变换(DFT)或快速傅里叶变换(FFT)，根据输入信号整周期或半周期的采样数据计算，需要存储大量数据且计算复杂。虚拟dq变换的方式则需要对输入信号进行存储和延时来获取正交信号，一般至少要存储1/4周期的采样数据。然而实时***的存储资源和计算资源有限，当信号采样率较高时，这两类传统方法均需要耗费大量的存储空间和计算资源来满足单相正弦交流相量的计算需求，甚至无法进行实时计算。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术所存在的上述不足，提供一种单相正弦交流相量实时计算方法，该计算方法所需采样数据远少于1/4周期采样数，运算量小，计算速度快，可用于实时计算。
为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种单相正弦交流相量实时计算方法，包括：
构建输入正弦交流信号的正交信号；
根据输入正弦交流信号及其正交信号实时计算相量。
优选的，采用移相滤波器构建输入正弦交流信号的正交信号，其传递函数为：
将移相滤波器的传递函数离散化，得到实时计算方程为：
uf(k)＝a0u(k)+a1u(k-1)+a2u(k-2)-b1uf(k-1)-b2uf(k-2)
式中：u(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的采样值，uf(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的正交信号计算值，a0、a1、a2、b1、b2为移相滤波器系数；
按照移相滤波器实时计算方程对输入正弦交流信号的采样值进行迭代计算，得到构建后的输入正弦交流信号的正交信号。
优选的，所述移相滤波器满足：在输入正弦交流信号的频率f0处幅频特性为0dB、相频特性为-90°。
优选的，所述移相滤波器采用二阶低通滤波器。
优选的，根据输入正弦交流信号及其正交信号实时计算相量，计算公式为：
式中：Uk为所述单相正弦交流相量，u(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的采样值，uf(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的正交信号计算值，Arg(-uf(k)+j·u(k))为复数(-uf(k)+j·u(k))的辐角。
本发明提供的另一个技术方案是：
一种单相正弦交流相量实时计算装置，包括：
移相滤波器，用于构建输入正弦交流信号的正交信号；
幅值相位运算模块，用于根据输入正弦交流信号及其正交信号实时计算相量。
优选的，所述移相滤波器满足：在输入正弦交流信号的频率f0处幅频特性为0dB、相频特性为-90°。
优选的，所述移相滤波器采用二阶低通滤波器。
优选的，所述移相滤波器的传递函数为：
将移相滤波器的传递函数离散化，得到实时计算方程为：
uf(k)＝a0u(k)+a1u(k-1)+a2u(k-2)-b1uf(k-1)-b2uf(k-2)
式中：u(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的采样值，uf(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的正交信号计算值，a0、a1、a2、b1、b2为移相滤波器系数；
按照移相滤波器实时计算方程对输入正弦交流信号的采样值进行迭代计算，得到构建后的输入正弦交流信号的正交信号。
优选的，所述幅值相位运算模块根据输入正弦交流信号及其正交信号实时计算相量的计算公式为：
式中：Uk为所述单相正弦交流相量，u(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的采样值，uf(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的正交信号计算值，Arg(-uf(k)+j·u(k))为复数(-uf(k)+j·u(k))的辐角。
本发明的有益效果如下：
1、本发明实施例设计的移相滤波器可有效实现输入的单相正弦交流信号的正交信号，即相位相差90°的正弦交流信号，同时滤除了输入信号中的高频分量，优于传统方法中依靠延时实现正交信号。
2、本发明实施例与传统方法相比，在实时计算过程中只需要6个数据，占用的存储空间小。
3、本发明实施例与传统方法相比，本发明中移相滤波和幅值相位运算模块的公式简单，运算量小，占用计算资源少。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中单相正弦交流相量实时计算方法组成模块示意图；
图2为本发明实施例中移相滤波器的一种实施方案的频率特性图；
图3为本发明实施例中单相正弦交流相量实时计算方法的一种实施效果图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
(一)本发明实施例提供了一种单相正弦交流相量实时计算方法及装置，算法结构简单、易于实现。与传统的单相正弦交流相量计算方法相比，在采样率较高时所需采样数据远少于1/4周期采样数，运算量小，计算速度快，可用于实时计算。
如图1所示，该装置包括移相滤波器和幅值相位运算模块，该方法通过移相滤波器构建输入正弦交流信号的正交信号，通过幅值相位运算模块根据输入正弦交流信号及其正交信号实时计算相量。
移相滤波器满足在输入正弦交流信号的频率f0处幅频特性为0dB，相频特性为-90°，即：
式中：为所述移相滤波器的频率特性函数，A(ω)为所述移相滤波器的幅频特性函数，/>为所述移相滤波器的相频特性函数，f0为输入正弦交流信号的频率。
A1.根据所述的移相滤波器特征设计移相滤波器传递函数；典型的，所述移相滤波器可采用满足条件的二阶低通滤波器，其传递函数为：
A2.将移相滤波器传递函数离散化，得到实时计算方程；上述传递函数对应的实时计算方程为：
uf(k)＝a0u(k)+a1u(k-1)+a2u(k-2)-b1uf(k-1)-b2uf(k-2)
式中：u(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的采样值，uf(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的正交信号计算值，a0、a1、a2、b1、b2为移相滤波器系数。
A3.存储输入正弦交流信号的采样值，按照移相滤波器实时计算方程进行迭代计算，存储计算结果；
A4.重复A3步骤。
所述幅值相位运算模块根据输入正弦交流信号及其正交信号实时计算相量。计算公式为：
式中：Uk为所述单相正弦交流相量，u(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的采样值，uf(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的正交信号计算值，Arg(-uf(k)+j·u(k))为复数(-uf(k)+j·u(k))的辐角。
(二)下面结合具体的实施例子对本发明实施例提供的技术方案进行解释和说明：
在本发明的一种实施方式中采样率设为20000采样点/秒，输入单相正弦交流信号的频率为f0＝50Hz，满足如下方程：
所述的移相滤波器，按照以下步骤实施：
A1.根据所述的移相滤波器特征设计移相滤波器传递函数。所述移相滤波器的一种实施方案为满足条件的二阶低通滤波器，其传递函数为：
该滤波器满足所述的移相滤波器特征，频率特性图如图2所示，在输入正弦交流信号的频率f0＝50Hz处幅频特性为0dB，相频特性为-90°，即：
A2.将移相滤波器传递函数离散化，得到实时计算方程。上述传递函数对应的实时计算方程为：
uf(k)＝8.6272237×10-5u(k)+1.7254447×10-4u(k-1)+8.6272237×10-5u(k-2)+1.9777869uf(k-1)-0.9780310uf(k-2)
A3.存储输入正弦交流信号的采样值u(k)、u(k-1)、u(k-2)，按照移相滤波器实时计算方程进行迭代计算，得到正交信号计算值uf(k)，存储计算结果uf(k)用于下次计算；
A4.重复A3步骤。
u(k)和uf(k)传递给所述幅值相位运算模块，根据输入正弦交流信号及其正交信号实时计算相量。计算公式为：
如图3所示，自上而下依次为u(k)、uf(k)、Uk幅值、Uk相位的计算结果。由图3可知，本发明所述的移相滤波器有效实时输出了输入单相正弦交流信号的正交信号，所述幅值相位运算模块在有效实时计算出单相正弦交流相量的幅值和相位。整个计算过程只需要存储6个数据，且单次运算量小。传统计算方法在该实施实例设定信号下至少要存储100个采样点数据用于计算，且运算量大，本发明所述方法具有明显优势。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (6)

1.一种单相正弦交流相量实时计算方法，其特征在于，包括：
构建输入正弦交流信号的正交信号；
根据输入正弦交流信号及其正交信号实时计算相量；
采用移相滤波器构建输入正弦交流信号的正交信号，其传递函数为：
将移相滤波器的传递函数离散化，得到实时计算方程为：
uf(k)＝a0u(k)+a1u(k-1)+a2u(k-2)-b1uf(k-1)-b2uf(k-2)
式中：u(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的采样值，uf(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的正交信号计算值，a0、a1、a2、b1、b2为移相滤波器系数；
按照移相滤波器实时计算方程对输入正弦交流信号的采样值进行迭代计算，得到构建后的输入正弦交流信号的正交信号；
根据输入正弦交流信号及其正交信号实时计算相量，计算公式为：
式中：Uk为所述单相正弦交流相量，u(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的采样值，uf(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的正交信号计算值，Arg(-uf(k)+j·u(k))为复数(-uf(k)+j·u(k))的辐角。
2.根据权利要求1所述的单相正弦交流相量实时计算方法，其特征在于，所述移相滤波器满足：在输入正弦交流信号的频率f0处幅频特性为0dB、相频特性为-90°。
3.根据权利要求1所述的单相正弦交流相量实时计算方法，其特征在于，所述移相滤波器采用二阶低通滤波器。
4.一种单相正弦交流相量实时计算装置，其特征在于，包括：
移相滤波器，用于构建输入正弦交流信号的正交信号；
幅值相位运算模块，用于根据输入正弦交流信号及其正交信号实时计算相量；
所述移相滤波器的传递函数为：
将移相滤波器的传递函数离散化，得到实时计算方程为：
uf(k)＝a0u(k)+a1u(k-1)+a2u(k-2)-b1uf(k-1)-b2uf(k-2)
式中：u(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的采样值，uf(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的正交信号计算值，a0、a1、a2、b1、b2为移相滤波器系数；
按照移相滤波器实时计算方程对输入正弦交流信号的采样值进行迭代计算，得到构建后的输入正弦交流信号的正交信号；
所述幅值相位运算模块根据输入正弦交流信号及其正交信号实时计算相量的计算公式为：
式中：Uk为所述单相正弦交流相量，u(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的采样值，uf(k)为输入正弦交流信号在当前时刻的正交信号计算值，Arg(-uf(k)+j·u(k))为复数(-uf(k)+j·u(k))的辐角。
5.根据权利要求4所述的单相正弦交流相量实时计算装置，其特征在于，所述移相滤波器满足：在输入正弦交流信号的频率f0处幅频特性为0dB、相频特性为-90°。
6.根据权利要求4所述的单相正弦交流相量实时计算装置，其特征在于，所述移相滤波器采用二阶低通滤波器。
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