一种用于低功率因数的相位测量系统及方法与流程

本发明涉及相位测量，并且更具体地，涉及一种用于低功率因数的相位测量系统及方法。

背景技术：

1、相位测量技术是电子学和物理学中的一个重要技术，它主要涉及对两个或多个同频率信号之间相位差的测量。相位测量是指对两个或多个同频率信号之间相位差的测量。相位差是两个信号波形在时间上的相对位置，通常以度(°)或弧度(rad)为单位来表示。相位测量在电力计量领域有着十分重要的意思，可用于电网质量监测，计算有功、无功，对电能计量计费的准确计量，电能收费的公平公正具有十分重要的意义。根据新的jjg 597-202x检定规程的征求意见稿，在0.1a电流以上功率因数要求最低到0.25，在0.1a以下功率因数要求为0.5，最小的测试电流为0.3ma，在0.3ma时的功率因数为1.0，在极端情况下，功率因数可能会低于0.01，因此需要能够准确测量电压、电流相位。

2、对于现有的相位测量系统方法分为模拟方法、数字方法；模拟方法一般采用示波器法、零示(比较)法；示波器法是将两个被测信号同时加到双踪示波器的两个y通道，直接进行比较，根据两个波形的时间间隔与波形周期的比值来计算相位差，这种方法简便易行，但精度较低，难以集成用于自动测试系统；零示(比较)法，使用可变移相器与被测信号串联后，和另一同频率信号同时加在相位比较器(如示波器、指示器等)上，调节可变移相器使比较器指示零值相位，则移相器上的读值即为两信号间的相位差；数字方法一般采用直读式相位计、基于时间间隔测量法、基于电压测量法；直读式相位计，具有直读相位差的优点，测量速度快，能显示相位变化；数字式直读相位计法和矢量电压表法是目前使用较多的方法，一般通过算法测量；基于时间间隔测量法，将相位差转换为时间间隔，先测量出时间间隔再换算为相位差，这种方法通过电子计数器对时基信号产生的计数脉冲进行计数，计数值与相位差成正比，由于周期信号在过零点附近抖动，导致相位时间间隔难以准确测量，一般用于相位精度0.1°左右的测量系统；基于电压测量法，将相位差转换为电压，先测量出电压再换算为相位差，这种方法通常涉及到信号的调制和解调过程，易在调制和解调过程中引入误差，导致测试卷精度难以提高。

3、采用传统的模拟方法，如基于积分电路的电压测量方法和基于微处理器或定时、计数器的数字计数方法等，这些方法可能受到积分电容的泄漏电流、温度漂移、a/d转换器的量化误差、迟滞现象比较器的引入等因素的影响，导致精度有限。采用数字信号处理(dsp)方法的，通常具有更高的精度和稳定性。目前国内使用的相位测量系统为0.01级的雷电、emh等国外的进口标准电能表，该标准表针对传统50hz/60hz工频计量设计，标称相位准确度一般为0.01度，国内有研究机构针对0.3ma-0.3a设计了小电流低功率因数标准装置，但是相位测试精度有限为0.3′，电流测试范围窄为0.3ma-0.3a，按照相关规程规范需要实现0.3ma-120a的宽电流范围的高精度相位测量，测试功率因数最低0.25或者0.1，因此急需一种宽电流范围的高精度、高稳定度相位测量系统，可实现0.001度的高精度、高稳定度的相位测量，继而为宽功率因数范围0.1-1.0下的电能计量提供技术手段及方法。

4、目前工频相位测量系统的难点是由于正弦波在过零点的抖动问题，采用基于过零比较的模拟测试方法和数字测试方法存在较大的相位抖动误差，即相位的信噪比不够，即使通过各种算法补偿也难以实现，在本身信噪比有限的条件下，也难以实现高精度的相位测量；针对低功率因数测量，由于目前测量系统的功率因数计算式通过反正弦或者反正切的方式，存在非线性问题，在部分功率因数时，较小的相位抖动将引入较大的相位误差，比如采用反正弦测试方式，在90°等正弦值比较大的时候，同样的角度变化，在0°时正弦值变化较大，在90°时基本无变化，难以实现低功率因数下的相位测量。

5、目前现有的标准表或者电能标准装置一般是通过高精度同步采样adc直接计算出幅值、相位、功率电能，如图1所示，输入的三相电压、电流信号，经过通过adc采样，一般使用24bit以上的高精度多通道adc，三相电压、电流信号采样数据通过dft等算法计算出电压、电流间相位差，从而计算功率因数值，但存在adc采样精度有限，尤其是过零点时通过采样电压在相位噪声的影响下，难以有效、准确的识别过零点，只能通过各种均值滤波算法如平均值算法、准同步算法等算法处理，或是通过点积和计算有功和有效值视在功率，通过有功等于视在功率和功率因数的余弦乘积的方式，采用反余弦函数求解功率因数角，存在如下问题：一是，对于低功率因数下，有功含量少，adc的分辨率有限，难以准确测量有功值，从而存在较大的有功测量误差，进而影响功率因数计算测量；二是反余弦的测量方式，在低功率因数下，存在较大的非线性误差，非常小的功率因数变话，将导致较大的相位角度值变化；因此，难以从根本上解决相位测量精度问题，尤其是0.001度高精度的相位测量。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提出了一种用于低功率因数的相位测量系统，包括：

2、相位测量单元，用于接入低功率因数装置的三相宽范围电压信号和电流信号，对所述电压信号和电流信号进行增益及幅值放大处理，对处理后的电压信号及电流信号进行相位测量，并将相位测量结果上传至通讯控制模块；

3、所述相位测量单元，包括：

4、v/v变换模块，用于接入三相宽范围电压信号，将所述三相宽范围电压信号变换为低压范围的电压信号，并将所述第一低压范围的电压信号传输至第一自动增益信号调理模块；

5、第一自动增益信号调理模块，用于将所述第一低压范围的电压信号固定为第一固定电压信号输入至相位测量模块；

6、i/v变换模块，用于接入三相宽范围电流信号，将所述三相宽范围电流信号变换为第二低压范围的电压信号，并将所述第二低压范围的电压信号传输至第二自动增益信号调理模块；

7、第二自动增益信号调理模块，用于将所述第二低压范围的电压信号固定为第二固定电压信号输入至相位测量模块；

8、相位测量模块，用于对所述第一固定电压信号及第二固定电压信号的相位进行测量；

9、通讯控制模块，用于对所述相位测量结果进行读取。

10、可选的，相位测量单元，包括：a相、b相和c相的相位测量单元，分别用于接入低功率因数装置的a相、b相和c相宽范围电压信号和电流信号。

11、可选的，宽范围电压信号的电压范围为：30v-456v。

12、可选的，宽范围电流信号的电压范围为：0.3ma-120a。

13、可选的，第一低压范围的电压信号及所述第二低压范围的电压信号的电压范围为：0.13v-2v。

14、可选的，v/v变换模块，包括：

15、至少m欧姆级别的一体式精密分压电阻，用于对宽范围的电压信号进行分压，所述一体式精密分压电阻的连接线采用屏蔽式连接。

16、可选的，i/v变换模块，包括：

17、大电流精密100a级别的分流器，用于对宽范围的电流信号进行分流，所述分流器的分布电感小于80nh。

18、可选的，第一自动增益信号调理模块和第二自动增益信号调理模块，均包括：两级模拟可变增益放大器；

19、其中，第一级模拟可变增益放大器，用于将输入的第一/第二低压范围的电压信号，进行一级增益放大为至少200mv；

20、第二级模拟可变增益放大器，用于将增益放大至少200mv的电压信号，进行二级增益放大为2v。

21、可选的，相位测量模块，包括：

22、低相位噪声时钟模块，用于为第一发生器dds和第二发生器dds提供同频及同相的低相位噪声时钟信号，基于所述同频及同相的低相位噪声时钟信号控制所述第一发生器dds和第二发生器dds的时钟同步；

23、第一发生器dds，用于向第一乘法器输出第一模拟信号；

24、第二发生器dds，用于向第二乘法器输出第二模拟信号；

25、第一乘法器，用于接收第一固定电压信号及所述第一模拟信号，并对所述第一固定电压信号及所述第一模拟信号进行乘法运算，生成第一乘法运算结果；

26、第二乘法器，用于接收第二固定电压信号及所述第二模拟信号，并对所述第二固定电压信号及所述第二模拟信号进行乘法运算，生成第二乘法运算结果；

27、第一adc高速采样器，用于对所述第一乘法运算结果进行采样，并将采样的第一乘法运算结果上传至处理器dsp；

28、第二adc高速采样器，用于对所述第二乘法运算结果进行采样，并将采样的第二乘法运算结果上传至处理器dsp；

29、处理器dsp，用于对所述第一乘法运算结果及所述第二乘法运算结果进行运算，以确定三相宽范围电压信号和电流信号的相位。

30、可选的，处理器dsp，对所述第一乘法运算结果及所述第二乘法运算结果进行运算，包括：

31、基于第一乘法运算结果及所述第二乘法运算结果，分别对第一模拟信号及第二模拟信号的相位及频率进行调整，以使第一模拟信号与第一固定电压信号正交和第二模拟信号与第二固定电压信号正交，根据正交结果读取第一发生器dds和第二发生器dds的相位控制字，基于所述相位控制字，分别计算出所述第一固定电压信号及第二电压信号的相位差，根据所述相位差，计算出三相宽范围电压信号和电流信号的相位。

32、再一方面，本发明还提出了一种用于低功率因数的相位测量方法，包括：

33、通过相位测量单元接入低功率因数装置的三相宽范围电压信号和电流信号，对所述电压信号和电流信号进行增益及幅值放大处理，对处理后的电压信号及电流信号进行相位测量，并将相位测量结果上传至通讯控制模块；

34、其中，通过相位测量单元的v/v变换模块，接入三相宽范围电压信号，将所述三相宽范围电压信号变换为低压范围的电压信号，并将所述第一低压范围的电压信号传输至第一自动增益信号调理模块；

35、通过相位测量单元的第一自动增益信号调理模块，将所述第一低压范围的电压信号固定为第一固定电压信号输入至相位测量模块；

36、通过相位测量单元的i/v变换模块，接入三相宽范围电流信号，将所述三相宽范围电流信号变换为第二低压范围的电压信号，并将所述第二低压范围的电压信号传输至第二自动增益信号调理模块；

37、通过相位测量单元的第二自动增益信号调理模块，将所述第二低压范围的电压信号固定为第二固定电压信号输入至相位测量模块；

38、通过相位测量单元的相位测量模块，对所述第一固定电压信号及第二固定电压信号的相位进行测量；

39、通过所述通讯控制模块对所述相位测量结果进行读取。

40、可选的，相位测量单元，包括：a相、b相和c相的相位测量单元，分别用于接入低功率因数装置的a相、b相和c相宽范围电压信号和电流信号。

41、可选的，宽范围电压信号的电压范围为：30v-456v。

42、可选的，宽范围电流信号的电压范围为：0.3ma-120a。

43、可选的，第一低压范围的电压信号及所述第二低压范围的电压信号的电压范围为：0.13v-2v。

44、可选的，v/v变换模块，包括：

45、至少m欧姆级别的一体式精密分压电阻，用于对宽范围的电压信号进行分压，所述一体式精密分压电阻的连接线采用屏蔽式连接。

46、可选的，i/v变换模块，包括：

47、大电流精密100a级别的分流器，用于对宽范围的电流信号进行分流，所述分流器的分布电感小于80nh。

48、可选的，第一自动增益信号调理模块和第二自动增益信号调理模块，均包括：两级模拟可变增益放大器；

49、其中，第一级模拟可变增益放大器，用于将输入的第一/第二低压范围的电压信号，进行一级增益放大为至少200mv；

50、第二级模拟可变增益放大器，用于将增益放大至少200mv的电压信号，进行二级增益放大为2v。

51、可选的，相位测量模块，包括：

52、低相位噪声时钟模块，用于为第一发生器dds和第二发生器dds提供同频及同相的低相位噪声时钟信号，基于所述同频及同相的低相位噪声时钟信号控制所述第一发生器dds和第二发生器dds的时钟同步；

53、第一发生器dds，用于向第一乘法器输出第一模拟信号；

54、第二发生器dds，用于向第二乘法器输出第二模拟信号；

55、第一乘法器，用于接收第一固定电压信号及所述第一模拟信号，并对所述第一固定电压信号及所述第一模拟信号进行乘法运算，生成第一乘法运算结果；

56、第二乘法器，用于接收第二固定电压信号及所述第二模拟信号，并对所述第二固定电压信号及所述第二模拟信号进行乘法运算，生成第二乘法运算结果；

57、第一adc高速采样器，用于对所述第一乘法运算结果进行采样，并将采样的第一乘法运算结果上传至处理器dsp；

58、第二adc高速采样器，用于对所述第二乘法运算结果进行采样，并将采样的第二乘法运算结果上传至处理器dsp；

59、处理器dsp，用于对所述第一乘法运算结果及所述第二乘法运算结果进行运算，以确定三相宽范围电压信号和电流信号的相位。

60、可选的，处理器dsp，对所述第一乘法运算结果及所述第二乘法运算结果进行运算，包括：

61、基于第一乘法运算结果及所述第二乘法运算结果，分别对第一模拟信号及第二模拟信号的相位及频率进行调整，以使第一模拟信号与第一固定电压信号正交和第二模拟信号与第二固定电压信号正交，根据正交结果读取第一发生器dds和第二发生器dds的相位控制字，基于所述相位控制字，分别计算出所述第一固定电压信号及第二电压信号的相位差，根据所述相位差，计算出三相宽范围电压信号和电流信号的相位。

62、再一方面，本发明还提供了一种计算设备，包括：一个或多个处理器；

63、处理器，用于执行一个或多个程序；

64、当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，实现如上述所述的方法。

65、再一方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存有计算机程序，所述计算机程序被执行时，实现如上述所述的方法。

66、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

67、本发明提供了一种用于低功率因数的相位测量系统，包括：相位测量单元，用于接入低功率因数装置的三相宽范围电压信号和电流信号，对所述电压信号和电流信号进行增益及幅值放大处理，对处理后的电压信号及电流信号进行相位测量，并将相位测量结果上传至通讯控制模块；所述相位测量单元，包括：v/v变换模块，用于接入三相宽范围电压信号，将所述三相宽范围电压信号变换为低压范围的电压信号，并将所述第一低压范围的电压信号传输至第一自动增益信号调理模块；第一自动增益信号调理模块，用于将所述第一低压范围的电压信号固定为第一固定电压信号输入至相位测量模块；i/v变换模块，用于接入三相宽范围电流信号，将所述三相宽范围电流信号变换为第二低压范围的电压信号，并将所述第二低压范围的电压信号传输至第二自动增益信号调理模块；第二自动增益信号调理模块，用于将所述第二低压范围的电压信号固定为第二固定电压信号输入至相位测量模块；相位测量模块，用于对所述第一固定电压信号及第二固定电压信号的相位进行测量；通讯控制模块，用于对所述相位测量结果进行读取。本发明能够通过v/v变换模块及i/v变换模块，分别接入地范围的信号，并对信号进行变换，再通过第一自动增益信号调理模块及第二自动增益信号调理模块，对变换的信号进行固定，并通过相位测量模块对，固定的信号，进行测量，因此能够精密的测量出低功率因数的相位，精确度高。