同频周期信号相位差的测量方法

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN201310166125.7 (22)申请日 2013.05.07 (71)申请人 江苏理工学院

地址 213001 江苏省常州市钟楼区中吴大道1801号 (72)发明人 傅中君 周根元

(74)专利代理机构 北京三聚阳光知识产权代理有限公司 代理人 张建纲 (51)Int.CI

G01R25/00

权利要求说明书 说明书 幅图

(10)申请公布号 CN 103257273 A (43)申请公布日 2013.08.21

(54)发明名称

同频周期信号相位差的测量方法

(57)摘要

本发明公开了一种同频周期信号相

位差的测量方法，其包括以下步骤：S1，等间隔同步采样两个被测同频周期信号的W个采样数据；S2，获取两个被测同频周期信号的m 法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

1.一种同频周期信号相位差的测量方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1，等间隔同步采样两个被测同频周期信号的W个采样数据；

S2，对上述W个采样数据采用谐波分析方法获取一个被测信号的m₁次谐波幅值A_1k和初相角k=1,…,m₁；同时，获取另一个被测信号的m₂次谐波幅值A_2k和初相角k=1,…,m₂；

S3，根据谐幅值A_1k、A_2k和谐相角计算两个被测同频周期信号的初相角和

S4，根据两个初相角之差计算相位差

2.如权利要求1所述的同频周期信号相位差的测量方法，其特征在于，所述步骤

为谐相角，A_k为谐幅值，k∈Z为整数。

3.如权利要求1所述的同频周期信号相位差的测量方法，其特征在于，所述步骤

S3采用牛顿迭代法，具体采用如下步骤：

S3根据如下的初相角方程计算周期信号的初相角

S31、取

S32、代入计算

S33、代入计算

S34、用计算获得的和代入计算新的

S35、重复步骤S32、S33、S34直至收敛或者满足精度要求。

4.如权利要求1所述的同频周期信号相位差的测量方法，其特征在于，所述等间隔

同步采样是根据进行相位差测量的信号的周期T和频率f，对两个被

同时采样N点，即采样频率为fs=Nf，且

测信号在一个周期内 N≥64。

5.如权利要求1所述的频周期信号相位差的测量方法，其特征在于，所述m₁、m₂次谐波的次数理论上m不应小于被测周期信号离散频谱的最高谐波次数。

说 明 书

技术领域

本发明涉及一种测量方法，特别是涉及一种同频周期信号相位差的测量方法。 背景技术

所谓同频周期信号指的是两个周期信号的频率相同；所谓周期信号的初相角，指的

是对于一周期信号f(t)＝f(t+kT)，其中：k∈Z为整数，T为周期。初

相角式中：t₀为离原点最近的过零点；所谓相位差指的是两个同频周期信号初相角之差。

相位差测量在电力设备状态监测、信号采集与分析、通信、自动控制等领域有着重

要的意义。常用的相位差测量方法有过零法、相关分析法和波形转换

法等多种。

过零法包括过零时间法和过零电压比较法等。过零时间法是检测周期信号过零点的

时间差，该方法需要精确确定过零点时间和高精度计时装置，但常规

法往往存在较大误差。过零电压比较法是测量两个正弦

过正弦关系来计算相位差，在有谐波情况

值是各次谐波矢量叠加波形

用两同频率正

的确定过零点的方

波在过零点附近的电压差然后通

下，使用过零点法测量得到的相位角和电压幅

的相位角和电压幅值，并不符合正弦特性。相关分析法是使

弦信号的互相关函数零时刻值与其相位差成正比的原理得到相位差的。但

由于过零时间的确定较为困难，且空间干扰在有固定干扰源的情况下也并非

故测量精度无法保证。波形转换法是将周期信号转换成

形后来测量其相位差，这类方法是过零检

完全不相关，

三角波、锯齿波、方波等其他波 测法的变形，具有类似的测量弊端。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种同频周期信号相位差的测量方法，其获得高

精度的相位差测量结果，从而提高基于相位差技术的电力设备状态监

析、通信、自动控制等领域仪器设备的质量。

测、信号采集与分

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种同频周期信号相位差的测

S1，等间隔同步采样两个被测同频周期信号的W个采样数据；

S2，获取两个被测同频周期信号的m₁、m₂次谐波的谐幅值A_1k、A_2k和谐相角

S3，根据谐幅值A_1k、A_2k和谐相角计算两个被测同频周期信号的初相角和

S4，根据两个初相角之差计算相位差

优选地，所述步骤S3根据如下的初相角方程计算周期信号的初相角：

为谐相角，A_k为谐幅值，k∈Z为整数。

优选地，所述步骤S3采用牛顿迭代法，具体采用如下步骤： S31、取

量方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S32、代入计算

S33、代入计算

S34、用计算获得的代入计算新的

S35、重复步骤S32、S33、S34直至收敛或者满足精度要求。

优选地，所述等间隔同步采样是根据进行相位差测量的信号的周期T和频率f，对

了两个被测信号在一个周期内同时采样N点，即采样频率为fs=Nf，且

N≥64。

优选地，所述步骤S2采用谐波分析方法。

优选地，所述m₁、m₂次谐波的次数由被测周期信号的最高谐波次数和所要求的分析

精度而作相应选择，理论上m不应小于

被测周期信号离散频谱的最高谐波次数。

本发明的积极进步效果在于：本发明同频周期信号相位差的测量方法获得高精度的

相位差测量结果，从而提高基于相位差技术的电力设备状态监测、信

信、自动控制等领域仪器设备的质量和状态判断的有效

程，本发明所述的相位差测量方法在测量

周期信号进行同步采样，然

初相角和最后全数字实现。

号采集与分析、通

性。本发明实现全数字的测量过

过程中只需要根据采样频率fs对两个被测同频

后按照谐波分析方法和初相角方程进行运算就可以获得两个 计算它们的相位差测量过程中不需要添加其它的硬件电路，

本发明得到精度的测量结果，本发明所述的相位差测量方法测量精度由周

期内采样点数N和所选择的谐波分析方法决定，运算过程一般不带来测量

误差，可以获 得极高精度的测量结果。本发明有助于电力设备状态监

动控制等领域全数字的获得更加精确的同

测、信号采集与分析、通信、自 频周期信号相位差信息。 附图说明

图1为本发明同频周期信号相位差的测量方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明同频周期信号相位差的测量方法包括以下步骤：

S1，等间隔同步采样两个被测同频周期信号的W（个采样数据{f(i),i=0,1,…,W-1}

和{f₂(i),i=0,1,…,W-1}。W由周期内采样点数N和所选择的谐波

傅里叶变化（DFT）法或快速傅里叶变化（FFT）

谐波分析法由积分方法决定，

方法W=n(N-

分析方法决定，如离散

法时W=nN（n为采样的周期数）；准同步

常用的积分方法有复化梯形积分方法W=nN、复化矩形积分

1)、复化辛普森积分方法W=n(N-1)/2等。本发明不特定某一种谐波分析方法。

S2，采用谐波分析方法获取两个被测同频周期信号的m₁、m₂次谐波的谐幅值A_1k、A_2k和谐相角

S3，根据谐幅值A_1k、A_2k和谐相角计算两个被测同频周期信号的初相角和具体可以通过牛顿迭代法进行计算，其步骤为：

S31、取（基波初相角）；

S32、代入计算

S33、代入计算

S34、用计算获得的和代入计算新的

S35、重复步骤S32、S33、S34直至收敛或者满足精度要求。

S4，根据两个初相角之差计算相位差

步骤S3根据如下的初相角方程计算周期信号的初相角

为谐相角，A_k为谐幅值，k∈Z为整数。

等间隔同步采样是根据进行相位差测量的信号的周期T和频率f，对了两个被测信

步骤S2采用谐波分析方法。

所述m₁、m₂次谐波的次数由被测周期信号的最高谐波次数和所要求的分析精度而作

相应选择，理论上m不应小于被测周期

号在一个周期内同时采样N点，即采样频率为fs=Nf，且N≥64。

信号离散频谱的最高谐波次数。

实施例1：核相仪

核相仪应用于电力线路、变电所的相位校验和相序校验，具有核相测相序特点、验

电等功能。

核相仪主要由传感器、信号调理电路、数据采集电路、CPU及相应的分析软件组成。

传感器一般采用电压互感器，把被测两个高压线路的高电压信号按一

信号调理电路将传感器送来的电压信号变换为适合采集

集电路将调理后的信号进行采样，再由分

进行分析和判断。具体测量

定比例进行转换；

电路采样的电压信号；由数据采

析软件来完成对两个高压线路的相序、相位差 过程如下：

（1）同步采样被测两个高压线路上的电压信号V₁和V₂；

（2）应用谐波分析技术获取电压的各次谐波幅值V_1k、V_2k和初相角

（3）应用本发明计算两个电压的初相角和

（4）应用本发明计算相位差并得出相序结论显示。

本发明主要应用于核相仪的分析软件中，用于改进和提高相位差测量的质量，获取

实施例2：MOA阻性电流测试仪及MOA阻性电流在线监测装置

金属氧化物避雷器（以下简称MOA）因其优越的过电压保护特性在电力系统中得到

广泛应用，但MOA电阻片老化以及经受热和冲击破坏会引起故障，

炸，避雷器击穿还会导致变电站母线短路，影响

进行严格有效的检测和定期

压下的泄漏电

高精度的高压线路电压的相角差。

严重可能会导致其爆

系统安全运行，因此必须对运行中的MOA

预防性试验。在氧化锌避雷器的检测和试验中，交流运行电

流测量是一个重要的项目，泄漏电流中的阻性电流基波成分的大小能较准

确的反映氧化锌避雷器受潮、阀片的老化和内部绝缘受损等缺陷。因此，对

流基波等参量进行准确测量就可以较为准确地对MOA性能进

阻性泄漏电 行判别。

MOA阻性电流测试仪及MOA阻性电流在线监测装置应用谐波分析技术对运行中的MOA

的阻性泄漏电流等参量进行检测，进而判断MOA的性能。系

器、电网电压传感器、信号调理电路、数

泄露电流传感器一般

统一般由MOA泄露电流传感

据采集电路、CPU和相应的分析软件组成。MOA

采用电流互感器，串装在在MOA的下端的接地线中，获取MOA的泄

露电流；电网电压传感器一般采用电压互感器，安装在PT设备附近获取电

信号调理电路将传感器送来的电压、电流信号变换为适

数据采集电路将调理后的信号进行采样，

网的电压信号；

合采集电路采样的电压信号；由

再由分析软件来完成对谐波的分析与检测。

阻性泄漏电流基波参数通常按照投影法来获得，具体过程为：（1）同步采样电网电

压和MOA泄露电流信号；（2）应用谐波分析技术获取电网电压的

角（3）应用谐波分析技术获取

各次谐波幅值V_k和初相

MOA泄露电流的各次谐波幅值I_k和初相角（4）

应用谐波叠加原理计算MOA阻性泄露电流的有效值；（5）应用本

网电压和MOA泄露电流的初相角和（6）按照投影法获取泄

的投影角（7）获取MOA阻性泄露电流

发明计算电

露电流在电网电压上

本发明主要应用于MOA阻性电流测试仪及MOA阻性电流在线监测装置的分析软件中，

用于改进和提高MOA阻性泄露电流的测量质量，获取高精度

的MOA阻性泄露电流。

实施例3：介质损耗电流测试仪

介质损耗测试仪是发电厂、变电站等现场全自动测量各种高压电力设备介损正切值

及电容量的高精度仪器。在交流电压作用下，电介质要消耗部分电能，

变为热能产生损耗。这种能量损耗叫做电介质的损耗。

介质中的电压和电流间成在相角差的余角

质损耗角正切。tanδ值是用来衡量

样被试件上施加的电

这部分电能将转

当电介质上施加交流电压时，电

δ称为介质损耗角，δ的正切tanδ称为介

电介质损耗的参数。具体测量过程如下：（1）同步采

压信号V和流过的电流信号I；（2）应用谐波分析技术获取施加电压

的各次谐波幅值V_k和初相角（3）应用谐波分析技术获取被试

各次谐波幅值I_k和初相角（4）应用

（5）根据公式计算介质损

件中流过的电流信号

本发明计算施加电压和流过电流的初相角和 耗角正切。

本发明主要应用于介质损耗测试仪的分析软件中，用于改进和提高介质损耗测量的

质量，获取高精度的施加电压和被试件流过电流的相角差。具体实现

的具体实施过程来实现被分析信号的采样和分析，并把计算介质损耗角正切。

是应用本发明所述 分析结果按照公式

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细

说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不

凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同

明的保护范围之内。

用于限制本发明，

替换、改进等，均应包含在本发