一种配电终端产品上的电压电流模拟通道相位同步方法与流程

1.本发明涉及配网电能量计算领域，尤其涉及一种配电终端产品上的电压电流模拟通道相位同步方法。


背景技术：

2.在目前的配电终端产品中，电压信号和电流信号的接入是必不可少的，并要求利用电压电流信号计算出功率信号，进而计算电能量。为了计算的方便，需要将电压电流信号先进行模数转换，转变为数字信号。在模数转换的硬件电路中，由于电压互感器、电流互感器以及滤波电路中的电容电感等器件的特性，会导致电压电流信号在进入采样芯片前，相较于原始输入的电压电流信号产生较小的相位偏移，而且电压电流信号发生相位偏移的角度是不一致的，这样就会在电压和电流通道之间产生一个夹角θ。由于p=uicosθ、q=uisinθ，在外部输入同频同相的电压电流信号时，θ值理论上应为0，p为最大值ui，q值为0；而由于夹角的存在，即θ的值不为零，因此p的值变小，q值不为0，在计算功率时，由于存在该夹角，必然会产生误差，从而导致电能量计算不准确。
3.因此，就需要一种能够减小误差、使电能量计算更精确的配电终端产品上的电压电流模拟通道相位同步方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有的电能量计算方法误差大、精度低的缺陷，提供了一种能够减小误差、使电能量计算更精确的配电终端产品上的电压电流模拟通道相位同步方法。
5.本发明所述的一种配电终端产品上的电压电流模拟通道相位同步方法，它包括如下步骤：s1、将外部的电压信号输入电压互感器，将外部的电流信号输入电流互感器，所述电压互感器将电压信号的信号幅度进行比例缩小，所述电流互感器将电流信号的信号幅度进行比例缩小，使电压信号和电流信号满足二阶滤波网络之后的ad转换芯片接口电压需求；s2、将降幅后的电压信号和电流信号输入二阶滤波网络进行滤波，从而滤除干扰与毛刺；s3、将滤波后的电压信号和电流信号输入采样芯片，根据采样芯片的预设采样频率进行采样，得到当前采样的电流信号与电压信号的实际相位差；s4、根据预设采样频率确定单位相位差，根据实际相位差与单位相位差的比对结果进行相位同步，从而纠正电压信号和电流信号之间的相位偏移。
6.进一步地：在s1中，首先将电压信号和电流信号均进行模数转换为数字信号。
7.进一步地：在s2中，所述采样芯片由fpga芯片控制。
8.进一步地：在s4中，以采样的电压信号作为基准，将采样的电流信号的相位同步到
电压信号上，即实际相位差与单位相位差的关系包括如下4种情况：（1）电流信号超前电压信号在1个单位相位差及以内；（2）电流信号超前电压信号在1个单位相位差以外，2个单位相位差以内；（3）电流信号落后电压信号在1个单位相位差及以内；（4）电流信号落后电压信号在1个单位相位差以外，2个单位相位差以内。
9.进一步地：在s4中，所述相位同步采用线性插值算法，即根据同步时刻前后两个固定点的电流采样值进行线性插值计算。
10.本发明的有益效果是：本发明利用采样芯片对电流信号和电压信号进行高频率均匀采样，并对采样数据进行高精度、高实时性处理。本发明针对配电终端产品上的电能计量功能，通过线性插值算法，将由硬件电路产生相位偏移的电流采样值同步到电压通道的采样时刻上，从而提高功率的计算精度，进而提高电能计量的精度。由fpga控制的每周波256点的采样频率是非常高的，而且fpga可以做到非常均匀的采样，因此利用相邻采样数据进行线性插值，插值得到的结果与真实值之间的误差非常的小，完全满足功率计算所要求的精度。
附图说明
11.图1是本方法的整体功能框图；图2是滤波网络电路图；图3是相位差的计算原理示意图；图4是以电压为参考基准，电流比电压相位落后在1个单位相位差以内的示意图；图5是以电压为参考基准，电流比电压相位落后在1个单位相位差以外，2个单位相位差以内的示意图；图6是以电压为参考基准，电流比电压相位超前在1个单位相位差以内的示意图；图7是以电压为参考基准，电流比电压相位超前在1个单位相位差以外，2个单位相位差以内的示意图；图8是相位同步后各电流通道与电压通道的数据比较数据图。
具体实施方式
12.以下仅为本发明较佳的具体实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。以下所述实施例仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。下面详细描述本发明的实施例，为了便于描述本发明和简化描述，本发明的说明书中使用的技术术语应当做广义解读，包括但不限于本技术未提及的常规替换方案，同时包括直接实现方式和间接实现方式。
13.实施例1结合图1-图3说明本实施例，本实施例公开的一种配电终端产品上的电压电流模拟通道相位同步方法，它包括如下步骤：s1、首先将外部的电压信号和电流信号均进行模数转换为数字信号，将外部的电压信号输入电压互感器，将外部的电流信号输入电流互感器，所述电压互感器将电压信号
的信号幅度进行比例缩小，所述电流互感器将电流信号的信号幅度进行比例缩小，使电压信号和电流信号满足二阶滤波网络之后的ad转换芯片接口电压需求；其中，缩小比例根据二阶滤波网络之后的ad转换芯片接口电压的承载能力决定；s2、将降幅后的电压信号和电流信号输入二阶滤波网络进行滤波，从而滤除毛刺；ad转换采样通道的滤波电路如图2所示，其中，u、i：互感器二次侧输出的模拟量；gnd：地信号；l2-l5、l15、l29-l31：贴片磁珠cbg201209u360t；r33、r10—r16：贴片电阻0805-2k
±
5%；c4、c14—c16：贴片电容0805-50v-682k（0805cg682k500）；ch1 、ch1-、ch2 、ch2-；经滤波网络输出的信号。
14.s3、将滤波后的电压信号和电流信号输入采样芯片，根据采样芯片的预设采样频率进行采样，得到当前采样的电流信号与电压信号的实际相位差；所述采样芯片由fpga芯片控制；即采样芯片的控制及采样数据的处理是经过fpga来完成的，算法的实现也是在fpga内实现的；s4、根据预设采样频率确定单位相位差，根据实际相位差与单位相位差的比对结果进行相位同步，从而纠正电压信号和电流信号之间的相位偏移。当供电频率采用50hz时，fpga控制采样芯片按照每周波（20ms）采样256点的频率进行模拟信号到数字信号的转换，所述模数转换芯片采用美国adi公司的ad7606 bstz芯片，因此相邻采样点之间的时间间隔为78.125us(20ms/256)，转换为角度即为1.40625
°
(360
°
/256)。
15.如图3所示，在外部回路施加同频同相电压电流信号后，对接收到的电压电流通道的采样数据进行分析时，发现各自过零点（采样值由负值到正值或者采样值由正值到负值）。然后按照插值算法计算各自过零点时刻，然后根据各自过零点时刻，计算出时间差，及电流相位超前电压还是落后电压。如图3所示，在采样序列中发现a点的采样值y(a)为正，下一个采样点b点的采样值y(b)为负，认为发生过零点，需要计算过零点的时刻。从图3可以看到a点和b点为相邻的采样点，时间相差78.125us，同时y(a)、y(b)为采样值，大小可知，因此可以通过插值算法计算出过零点c点的时刻。这样电压和电流通道的过零点时刻均可算出，即可以算出u、i之间的相位差。
16.实施例2结合图4-图7，以及实施例1说明本实施例，本实施例公开的一种配电终端产品上的电压电流模拟通道相位同步方法，在s4中，为了进行功率计算，特选定电压信号作为基准，将电流信号的相位同步到电压信号上来，这样电压与电流的相位关系就有4种可能，即电流超前电压1个点及以内、电流超前电压1个点以外2个点以内、电流落后电压1个点及以内、电流落后电压1个点以外2个点以内。电压信号与电流信号之间的相位差，可以由采样后数据描绘的正弦波的过零点的偏差来表示。由于电压电流信号产生的相位偏移不一致，有可能电压超前电流，也有可能电流超前电压，根据经验分析电压电流之间的相位差不会超过2.8125
°
（2个点）；以采样的电压信号作为基准，将采样的电流信号的相位同步到电压信号上，即实际相位差与单位相位差的关系包括如下4种情况：（1）电流信号超前电压信号在1个单位相位差及以内；即电流超前电压的相位在
1.40625
°
及以内；（2）电流信号超前电压信号在1个单位相位差以外，2个单位相位差以内；即电流超前电压的相位在1.40625
°
以外，2.8125
°
（2个点）以内；（3）电流信号落后电压信号在1个单位相位差及以内；即电流落后电压的相位在1.40625
°
（1个点）及以内；（4）电流信号落后电压信号在1个单位相位差以外，2个单位相位差以内；即电流落后电压的相位在1.40625
°
以外，2.8125
°
（2个点）以内；由于回路中的互感器、电容、电感等器件的参数在温度变化不大的情况下，参数保持不变，所以由此产生的相位差也会是一个固定值。为了计算这个固定的相位差，每台装置在出厂前，需要通过工装平台测算出这个相位差。
17.相位差的测算方法如下：（1）采用标准测试仪给回路施加额定的同频同相的电压电流值。
18.（2）由fpga控制ad芯片进行每周波256点采样，采样后的离散数据送给fpga，fpga对此数据不做处理，即默认相位差为0；将采样数据原样送给cpu。
19.（3）cpu收到电压、电流通道的采样数据后，按照过零点检测的方法，计算电压、电流信号在过零点的先后，及过零点相差的时间值（δt），由于采样是按照每周波256点采样，这样每个采样周期即为78.125us，每个采样周期对应的角度为360
°
/256=1.40625
°
，按此比例计算，δt也代表了相位差。
20.（4）cpu测量完相位差（δt）后，将此值存储到板件的eeprom（掉电内容不丢失）芯片中，至此相位差的测算过程结束。
21.（5）以上步骤和过程也被称为相位的整定过程。
22.装置在使用时，初始上电后，fpga会从eeprom里面获取电流相对于电压的相位差（超前或落后），并使用这个相位差，按照插值同步算法进行相位同步。
23.实施例3结合图8和实施例2说明本实施例，本实施例公开的一种配电终端产品上的电压电流模拟通道相位同步方法，在s4中，所述相位同步采用线性插值算法，即根据计算时刻前后两个固定点的电流采样值进行线性插值计算。在相位同步的过程中，采用的是两点之间线性插值的算法，即在固定间隔的采样点上记录电压、电流的采样值，但是用于功率计算的时候该时刻的电压值参与计算，而该时刻的电流的值是不参与计算的，参与计算的电流值是由该计算时刻前后的两个固定点的电流采样值通过线性插值计算得来。即找到电流通道上需要插值时刻两侧的两个采样点，利用这两个点进行插值计算。
24.在图4-图7中，纵轴y表示电压电流的幅值，横轴为时间轴。以a时刻的电压u为基准，电流通道向a时刻同步。a、b、c、d、e代表的是定频采样点，y(a)、y(b)、y(c)、y(d)、y(e)代表对应时刻的采样值；i代表的是电流通道需要进行插值的计算时刻，y(i)为对应时刻的插值计算值。δt表示u与i之间的相位差的时间表示。
25.图4是以电压u为参考基准，i比电压晚，但是相差小于1.40625
°
。
26.图5是以电压u为参考基准，i比电压晚，但是相差大于1.40625
°
，小于2*1.40625
°
。
27.图6是以电压u为参考基准，i比电压相位超前，但是相差小于1.40625
°
。
28.图7是以电压u为参考基准，i比电压相位超前，但是相差大于1.40625
°
，但小于2*
1.40625
°
。
29.从图4-图7中分析，电压电流信号之间存在着4种相位差关系，下面分别介绍各种情况下的插值计算方法。
30.（1）由于电流相位落后电压相位，所以可以看到a时刻，电压的采样值ua要大于电流的采样值ia的，因此要获得电流在电压a时刻对应的电流值，就需要使用电流将来的一个点b进行插值计算得到；同时由于相位差为δt，利用tb与ta之间相差78.125us；以及a、b时刻的电流采样值，通过线性插值得到y(i)，此时得到的y(i)对应的是电压a点的电流值，也就是说此时的y(i)与ua时刻同步。而此时实际的采样时刻点已经到了b点，所以，同步后的y(i)比实际的采样时刻晚了1个采样间隔。
31.（2）由于电流i比电压u晚1个采样点还多，因此，要计算a时刻的u对应的电流值，就要利用将来的两个点来计算，也就是利用b、c两点来计算；而电压与电流的相位差为δt，此时δt是大于78.125us的，因此在对电流通道进行数据同步的时候，需要利用b、c两点以及y(b)、y(c)、δt来计算i时刻的插值数据y(i)。而此时实际的采样时刻点已经到了c点，所以，同步后的y(i)比实际的采样时刻晚了2个采样间隔。
32.（3）以电压u为参考基准，i比电压相位超前，但是相差小于1.40625
°
。在这种情况下，仍然要将电压的采样时刻a为基准，因为电流超前电压，要计算a时刻的电压对应的电流值，就应该利用a点后面的电流采样点d进行插值计算，即利用电流通道在a、d点的采样值及δt来计算电流通道在i的插值数据y(i)。而此时实际的采样时刻点已经到了a点，所以，同步后的y(i)与实际的采样时刻同步。
33.（4）以电压u为参考基准，i比电压相位超前，但是相差大于1.40625
°
，但小于2*1.40625
°
。在这种情况下，仍然要将电压的采样时刻a为基准，因为电流超前电压，要计算a时刻的电压对应的电流值，由于δt大于一个采样间隔，就应该利用a点后面的电流采样点d和e进行插值计算，即利用电流通道在e、d点的采样值及δt来计算电流通道在i的插值数据y(i)。而此时实际的采样时刻点已经到了a点，所以，同步后的y(i)与实际的采样时刻同步。
34.仿真验证：在图8的仿真图中，a0_out、a1_out、a2_out、a3_out、a4_out表示的是不同通道的采样数据输入，峰值为32767；其中a1_out为电压通道数据，也是同步的基准，其他为电流通道；a0_out=32767sinwt；电流通道1，滞后电压0.5
°
。
35.a1_out=32767sin(wt 0.5
°
)；电压通道，同步基准。
36.a2_out=32767sin(wt 1
°
)；电流通道2，超前电压0.5
°
。
37.a3_out=32767sin(wt 2
°
)；电流通道3，超前电压1.5
°
。
38.a4_out=32767sin(wt-1
°
)；电流通道4，滞后电压1.5
°
。
39.a0_data 、a1_data 、a2_data 、a3_data 、a4_data 分别为对应电流、电压通道插值后输出的数据。从图8中可以看到，第5个采样点采集完成后，即开始了插值运算，插值运算的结果等到下一个ad采样启动后输出（data_done高脉冲），从而保证插值后的数据也是按照固定间隔输出的。
40.从仿真图中可以看到，在幅值为32767的时，进行相位同步前，各个电流通道与电压通道（a1_out）的采样数值还是有比较大的差异，最大数值为848，可见由于相位差的存
在，有的采样值比电压通道的大，有的比电压通道的小。经过相位同步调整后，各个电流通道的采样值与电压通道（a1_data）相同或者相差1个数值，所以利用同步后的采样数据进行功率计算会大大提高功率和能量的计算精度。