電參量計量過程中的噪聲功率估計裝置的製作方法

2023-07-21 18:13:56 1

本發明涉及一種電參量計量過程中的噪聲功率估計裝置，特別是涉及一種電參量計量過程中的自適應噪聲功率估計裝置。

背景技術：

伴隨電網智能化的快速發展和普及，處於智能電網終端電量計量也提出了越來越高的要求，除了不斷增強的通信、信息處理和豐富應用能力，作為其基礎功能，智能化對電參量計量的首要影響就是計量精度或性能的大幅提升，如在萬分之一的信號動態範圍內實現千分之一的計量精度已經成為現實，這也成為目前眾多廠家競相逐鹿的一個焦點。計量性能的提升是一個系統性工程，橫跨模擬電路、數字電路設計和數據信息軟處理。提高模擬採樣電路的精度可從根源影響並提升電路的輸出性能，但也會帶來電路結構和設計的較大變化，如基於sigma-delta調製器模擬adc(模數轉換器)在傳統電量計量電路中應用比較普遍，輸出精度一般在16bit-19bit之間。而計量終端對成本較為敏感，數位訊號處理實現成本較低，在模擬精度提升受限的情況下，將數位訊號處理作為一種輔助的補償方式，成為解決性能問題的關鍵途徑。傳統數字補償多通過簡單增益和偏置校正，未考慮信號噪聲的隨機性，其偏差和非線性在小信號計量時表現最為明顯。通過數字濾波方式從信號本身自適應提取噪聲的關鍵分量，可改善小信號計量性能，但存在信號跟蹤範圍受限的問題，且噪聲估計精度與濾波器帶寬設計之間存在一定矛盾。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是為了克服現有技術中電參量計量過程中噪聲估計方法對信號適應能力不足的缺陷，提供一種電參量計量過程中的噪聲功率估計裝置。

本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的：

本發明提供了一種電參量計量過程中的噪聲功率估計裝置，其特點在於，包括波形處理模塊、信號補償模塊及噪聲功率估計模塊；

所述波形處理模塊用於採樣模擬信號，並將所述模擬信號轉換為第一數位訊號並輸出至所述噪聲功率估計模塊；

所述噪聲功率估計模塊用於將所述第一數位訊號轉換為第二數位訊號並輸出至所述信號補償模塊；

所述信號補償模塊用於對所述第二數位訊號中的信號分量進行同步跟蹤和反相補償，以生成第三數位訊號並輸出至所述噪聲功率估計模塊；

所述噪聲功率估計模塊還用於根據所述第三數位訊號估計計量噪聲的平均功率。

較佳地，所述波形處理模塊包括依次連接的增益放大器、模數轉換器、高通濾波器及增益補償器；

所述增益放大器用於將所述模擬信號縮放至所述模數轉換器的線性工作區間，並輸出至所述模數轉換器；

所述模數轉換器用於將所述模擬信號轉換為第一精度數位訊號，並將所述第一精度數位訊號轉換為精度更高的第二精度數位訊號後輸出至所述高通濾波器；

所述高通濾波器用於濾除所述第二精度數位訊號中的直流分量後輸出至所述增益補償器；

所述增益補償器用於對所述第二精度數位訊號進行全局增益校正，並生成所述第一數位訊號。

較佳地，所述模擬信號包括模擬電流信號及模擬電壓信號，所述第一數位訊號包括第一數字電流信號及第一數字電壓信號。

較佳地，所述噪聲功率估計模塊包括低通濾波器及信號抽取器；

所述低通濾波器用於濾除所述第一數位訊號中的高頻分量，以生成低通濾波信號並輸出至所述信號抽取器；

所述信號抽取器用於按照一採樣周期對所述低通濾波信號進行抽取，並將抽取後的信號作為所述第二數位訊號。

較佳地，所述噪聲功率估計模塊還包括零相位陷波器、噪聲計量乘法器、取直流濾波器及偏置補償器；

所述零相位陷波器用於接收所述第三數位訊號，並去除所述第三數位訊號中的電流信號的工頻信號分量，提取所述電流信號中的噪聲分量並輸出至所述噪聲計量乘法器；

所述噪聲計量乘法器用於對所述電流信號中的噪聲分量與所述信號抽取器抽取的信號中的電壓信號進行運算，以得到噪聲瞬時功率值並輸出至所述取直流濾波器；

所述取直流濾波器用於濾除所述噪聲瞬時功率值中的高頻波動分量，以生成噪聲平均功率值並輸出至所述偏置補償器；

所述偏置補償器用於調整所述噪聲平均功率值中的直流分量，並將調整結果作為計量噪聲的平均功率的最終估計值。

較佳地，所述低通濾波器的截止頻率低於100hz且高於50hz。

較佳地，所述零相位陷波器包括依次連接的第一陷波濾波器、第一緩存器、第一順序反轉模塊、第二陷波濾波器、第二緩存器以及第二順序反轉模塊；

所述第一陷波濾波器為中心頻率為50hz的陷波器，所述第一緩存器用於對所述第一陷波器的輸出信號進行分段緩存，所述第一順序反轉模塊用於將所述第一緩存器中的緩存數據的排序反轉，並將反轉後的數據輸出至所述第二陷波濾波器；

所述第二陷波濾波器為與所述第一陷波濾波器相同的濾波器，所述第二緩存器用於對所述第二陷波濾波器的輸出信號進行分段緩存，所述第二順序反轉模塊用於將所述第二緩存器中的緩存數據的排序反轉，並將反轉後的數據輸出至所述噪聲計量乘法器。

較佳地，所述信號補償模塊包括參考波形緩存器、過零點同步器、幅值 估計模塊、增益乘法器及反相補償器；

所述參考波形緩存器用於緩存理想工頻同步信號採樣數據並輸出至所述過零點同步器；

所述過零點同步器用於接收所述第二數位訊號，對所述第二數位訊號檢測過零點，並根據過零點同步所述理想工頻同步信號採樣數據並輸出至所述增益乘法器；

所述幅值估計模塊用於對所述第二數位訊號中的信號分量進行幅值估計並將幅值估計值輸出至所述增益乘法器；

所述增益乘法器用於調整所述理想工頻同步信號採樣數據的增益，以將所述理想工頻同步信號採樣數據的增益設置為所述幅值估計值；

所述反相補償器用於降低所述第二數位訊號中包含的理想信號分量，並將剩餘的信號分量作為所述第三數位訊號輸出至所述噪聲功率估計模塊。

較佳地，所述過零點同步器包括過零檢測模塊及數據同步模塊；

所述過零檢測模塊用於接收所述第二數位訊號，通過連續檢測相鄰採樣點的符號判斷過零點位置，並將過零點位置輸出至所述數據同步模塊；

所述數據同步模塊用於接收所述理想工頻同步信號採樣數據，根據所述過零點位置，選取長度為工頻周期的整數倍的理想工頻同步信號採樣數據，並輸出至所述增益乘法器。

較佳地，所述幅值估計模塊包括峰值檢測模塊及平均值計算模塊；

所述峰值檢測模塊用於接收所述第二數位訊號，並以工頻為周期連續檢測所述第二數位訊號的波形峰值，並將檢測出的峰值序列輸出至所述平均值計算模塊；

所述平均值計算模塊用於接收所述峰值序列，並在所述峰值序列累加至一固定長度後，計算平均值並將計算結果作為所述第二數位訊號中信號分量的幅值估計值並輸出至所述增益乘法器。

本發明的積極進步效果在於：本發明基於計量噪聲頻譜特性，利用信號本身提取噪聲中的關鍵分量，並用來估計噪聲平均功率，通過信號波形的自 適應估計和補償，降低噪聲功率估計對信號強度的依賴，改進噪聲功率估計的精度，噪聲功率估計具有自適應特徵，利用本發明的噪聲功率估計裝置可以改善小信號計量性能。

附圖說明

圖1為本發明的較佳實施例的電參量計量過程中的噪聲功率估計裝置的結構示意圖。

圖2為本發明的較佳實施例的電參量計量過程中的噪聲功率估計裝置的波形處理模塊的結構示意圖。

圖3為本發明的較佳實施例的電參量計量過程中的噪聲功率估計裝置的信號補償模塊的結構示意圖。

圖4為本發明的較佳實施例的電參量計量過程中的噪聲功率估計裝置的信號補償模塊的過零點同步器的結構示意圖。

圖5為本發明的較佳實施例的電參量計量過程中的噪聲功率估計裝置的信號補償模塊的幅值估計模塊的結構示意圖。

圖6為本發明的較佳實施例的電參量計量過程中的噪聲功率估計裝置的噪聲功率估計模塊的結構示意圖。

圖7為本發明的較佳實施例的電參量計量過程中的噪聲功率估計裝置的噪聲功率估計模塊的零相位陷波器的結構示意圖。

具體實施方式

下面通過實施例的方式進一步說明本發明，但並不因此將本發明限制在所述的實施例範圍之中。

如圖1-7所示，本發明的電參量計量過程中的噪聲功率估計裝置包括波形處理模塊1、信號補償模塊2以及噪聲功率估計模塊3；

所述波形處理模塊1用於採樣模擬信號，並將所述模擬信號轉換為第一數位訊號並輸出至所述噪聲功率估計模塊3；

所述噪聲功率估計模塊3用於將所述第一數位訊號轉換為第二數位訊號並輸出至所述信號補償模塊2；

所述信號補償模塊2用於對所述第二數位訊號中的信號分量進行同步跟蹤和反相補償，以生成第三數位訊號並輸出至所述噪聲功率估計模塊3；

所述噪聲功率估計模塊3還用於根據所述第三數位訊號估計計量噪聲的平均功率。

其中，所述波形處理模塊1可以分為電流信號通道和電壓信號通道，分別接收模擬電流信號和模擬電壓信號作為模擬信號輸入(即所述模擬信號可具體包括模擬電流信號和模擬電壓信號)，對應的，所述第一數位訊號也包括第一數字電流信號和第一數字電壓信號，電流信號通道和電壓信號通道均包括依次連接的增益放大器11、模數轉換器12、高通濾波器13及增益補償器14；

所述增益放大器11用於將所述模擬信號縮放至所述模數轉換器12的線性工作區間，並輸出至所述模數轉換器12；

所述模數轉換器12用於將所述模擬信號轉換為第一精度數位訊號，並將所述第一精度數位訊號轉換為精度更高的第二精度數位訊號後輸出至所述高通濾波器13；

具體地，所述模數轉換器12可以包括順序連接的sigma-delta調製器和數字抽取濾波器，所述模擬信號會首先被輸出至所述sigma-delta調製器，以轉換為1bit低精度串行數位訊號(即所述第一精度數位訊號)，在本實施例中所述sigma-delta調製器的階次選擇二階，並將轉換後的第一精度數位訊號輸出至所述數字抽取濾波器，以生成精度更高的第二精度數位訊號，本實施例中選擇三階sinc濾波器作為所述數字抽取濾波器，所述數字抽取濾波器會將所述第二精度數位訊號輸出至所述高通濾波器13。

所述高通濾波器13用於濾除所述第二精度數位訊號中的直流分量後輸出至所述增益補償器14；本實施例中所述高通濾波器13的截止頻率選擇為1-2hz，經過濾波，可以去除所述第二精度數位訊號中的直流分量。

所述增益補償器14用於對所述第二精度數位訊號進行全局增益校正，並生成所述第一數位訊號。

在本實施例中，所述波形處理模塊1中的電流信號通道和電壓信號通道各模塊的參數設計均完全相同，以保證兩個通道之間的對稱性。

所述噪聲功率估計模塊3包括低通濾波器31、信號抽取器32、零相位陷波器33、噪聲計量乘法器34、取直流濾波器35及偏置補償器36；

所述噪聲功率估計模塊3與所述波形處理模塊1及所述信號補償模塊2相互連接，接收來自所述波形處理模塊1的第一數字電流信號和第一數字電壓信號，並將第一數字電流信號轉換為第二數位訊號輸出至信號補償模塊2，並接收來自信號補償模塊2的第三數位訊號，進行噪聲功率的估計。具體地，所述波形處理模塊1生成的信號中噪聲頻譜分布在低於轉角頻率時主要由反比於頻率的1/f(f表示頻率)閃爍噪聲構成，所述噪聲功率估計模塊利用這個特點，將低頻噪聲作為噪聲中的關鍵分量加以提取，同時為避免工頻諧波信號造成幹擾，通過所述低通濾波器31限制接收到的第一數字電流信號中的高頻分量，在本實施例中所述低通濾波器31的截止頻率應當低於100hz且高於工頻50hz，優選地，本實施例中設置為95hz，並且將濾波後的信號輸出至所述信號抽取器32進行數據降速處理。

所述低通濾波器31用於濾除所述第一數位訊號(具體為第一數字電流信號)中的高頻分量，以生成低通濾波信號並輸出至所述信號抽取器32；

所述信號抽取器32用於按照一採樣周期對所述低通濾波信號進行抽取，並將抽取後的電流信號作為所述第二數位訊號。所述信號抽取器32對所述低通濾波信號每隔d(d為2的整數次冪)個採樣點進行一次抽取(即所述信號抽取器為d倍抽取器)，優選地，抽取倍數d滿足抽取後的速率大於工頻50hz的三倍。

所述零相位陷波器33用於接收來自信號補償模塊2的所述第三數位訊號，並去除所述第三數位訊號中的電流信號的工頻信號分量，剩餘的則作為噪聲的關鍵分量，即所述噪聲分量，為此，所述零相位陷波器33的中心頻 率設置為工頻50hz，為了減少工頻附近噪聲分量的丟失，所述零相位陷波器33的帶寬設計應儘可能小，理想情況下趨近於0hz，本實施例中帶寬選擇為0.05hz；所述零相位陷波器33將提取所述電流信號中的噪聲分量(即噪聲的關鍵分量)並輸出至所述噪聲計量乘法器34；

由於第三數位訊號經過理想工頻同步信號反相補償，其中殘留的工頻信號強度大幅減小，這使得小衰減增益陷波器設計成為可能，也避免了傳統陷波器的設計依賴於輸入信號所含工頻分量強度的限制，低增益也使得工頻附近的噪聲分量衰減減小，進一步提高了噪聲功率估計的精度；在小信號計量情況下，強度較大的工頻電壓信號與電流信號中處於工頻附近的噪聲信號相乘產生的噪聲功率佔比較大，普通陷波器的非線性相位特性會導致噪聲功率估計產生顯著失真，所述零相位陷波器33在去除工頻分量同時保持噪聲分量的相位關係不變，避免相位失真；所述零相位陷波器33輸出作為第三數字電流信號中噪聲關鍵分量的估計值至相連接的噪聲計量乘法器34。

所述零相位陷波器33包括依次連接的第一陷波濾波器331、第一緩存器332、第一順序反轉模塊333、第二陷波濾波器334、第二緩存器335以及第二順序反轉模塊336；

所述第一陷波濾波器331為中心頻率為工頻50hz的陷波器，優選地，3db帶寬趨近於0hz，所述第一緩存器332用於對所述第一陷波濾波器331的輸出信號進行分段緩存，優選地，緩存空間容量設置為工頻周期採樣點個數的整數倍，所述第一順序反轉模塊333用於將所述第一緩存器332中的緩存數據的排序反轉，並將反轉後的數據輸出至所述第二陷波濾波器334；

所述第二陷波濾波器334為中心頻率為工頻50hz的濾波器，所述第二陷波濾波器334與所述第一陷波濾波器331完全相同，所述第二緩存器335用於對所述第二陷波濾波器334的輸出信號進行分段緩存，緩存空間的大小與所述第一緩存器332完全相同，所述第二順序反轉模塊336用於將所述第二緩存器335中的緩存數據的排序反轉，並將反轉後的數據輸出至所述噪聲計量乘法器34。

這樣，所述噪聲計量乘法器34連接的一個輸入信號即為第一數字電流信號經過所述低通濾波器31、所述信號抽取器32的處理後生成的第二數位訊號再經過所述信號補償模塊2的反相補償後生成的第三數位訊號(即第三數字電流信號)經過所述零相位陷波器33處理後所產生的電流信號中的噪聲分量；所述噪聲計量乘法器34連接的另一個輸入信號為第一數字電壓信號經過所述低通濾波器31和所述信號抽取器32後所產生的電壓信號，其中，所述第一低通濾波器31用於限制輸入的第一數字電壓信號中的高頻分量，其截止頻率與處理第一數字電流信號的第一低通濾波器相同，所述信號抽取器32同樣進行數據降速處理，其抽取倍數也與處理第一數字電流信號的信號抽取器相同；小信號計量時電流通道的工頻信號很小，與電壓通道噪聲相乘產生的噪聲功率佔比較小，第一數字電壓信號經過所述信號抽取器32的處理後不再經過零相位陷波器的處理而直接輸出至所述噪聲計量乘法器34，並與提取的第三數字電流信號中的噪聲分量相乘得到噪聲瞬時功率估計值。

所述噪聲計量乘法器34用於對所述電流信號(即所述第三數字電流信號)中的噪聲分量與所述信號抽取器抽取的信號中的電壓信號進行運算，以得到噪聲瞬時功率值並輸出至所述取直流濾波器35；

所述取直流濾波器35用於濾除所述噪聲瞬時功率值中的高頻波動分量，以生成噪聲平均功率值並輸出至所述偏置補償器36；所述取直流濾波器35優選為一低通濾波器，優選地，本實施例中所述取直流濾波器35的截止頻率選擇為1-2hz。

所述偏置補償器36用於調整所述噪聲平均功率值中的直流分量，並將調整結果作為計量噪聲的平均功率的最終估計值並輸出。

所述信號補償模塊2用於接收所述噪聲功率估計模塊3輸出的第二數位訊號(電流信號)，利用信號擬合的方法同步跟蹤、反相補償第二數位訊號中包含的工頻信號，降低工頻信號的含量，並將補償結果作為第三數位訊號(電流信號)反饋輸出至所述噪聲功率估計模塊3。所述信號補償模塊2包括參考波形緩存器21、過零點同步器22、幅值估計模塊23、增益乘法器24 及反相補償器25；

其中，所述參考波形緩存器21用於緩存理想工頻同步信號採樣數據並輸出至所述過零點同步器22；在本實施例中將幅值為單位幅值1、頻率為工頻50hz、初始相位為0的理想正弦波，按照所述噪聲功率估計模塊3中的信號抽取器輸出的採樣率採樣後的數據，截取整數周期後，作為參考波形預先存儲至所述參考波形緩存器21，本實施例中截取周期個數選擇為3個周期為例，並將緩存數據輸出至所述過零點同步器22；

所述過零點同步器用於接收所述第二數位訊號，對所述第二數位訊號檢測過零點，並根據過零點同步所述理想工頻同步信號採樣數據並輸出至所述增益乘法器24；

具體地，所述過零點同步器22包括過零檢測模塊221及數據同步模塊222；

所述過零檢測模塊221用於接收所述第二數位訊號，通過連續檢測相鄰採樣點的符號判斷過零點位置，過零方向可選擇正向過零或反向過零，本實施例選擇相鄰3個採樣數據、正向過零的判斷規則，為了提高檢測的準確性可以增加檢測數據點個數，過零信息(包括過零點位置)被輸出至所述數據同步模塊222，用於同步來自參考波形緩存器21的理想波形的相位關係；

所述數據同步模塊222用於接收所述理想工頻同步信號採樣數據，根據所述過零點位置，選取長度為工頻周期的整數倍的理想工頻同步信號採樣數據，並輸出至所述增益乘法器24。

其中，所述數據同步模塊222根據過零信息動態選擇理想波形數據輸出的起止位置，由有限長度的理想波形採樣數據生成連續傳輸的理想波形採樣數據，並輸出至所述增益乘法器24。

所述幅值估計模塊23用於對所述第二數位訊號中的信號分量進行幅值估計並將幅值估計值輸出至所述增益乘法器；

具體地，所述幅值估計模塊23包括峰值檢測模塊231及平均值計算模塊232；

所述峰值檢測模塊231用於接收所述第二數位訊號，並以工頻為周期連續檢測所述第二數位訊號的波形峰值，並將檢測出的峰值序列輸出至所述平均值計算模塊232；在本實施例中，所述峰值檢測模塊231接收來自所述噪聲功率估計模塊3輸出的第二數位訊號，以工頻50hz作為周期，連續檢測每個周期中的信號峰值，並將檢測出的峰值序列輸出至所述平均值計算模塊232；

所述平均值計算模塊232用於接收所述峰值序列，並在所述峰值序列累加至一固定長度後(即累加到一定的峰值數量後)，計算峰值平均值並將計算結果作為所述第二數位訊號中信號分量的幅值估計值並輸出至所述增益乘法器24。在峰值點數足夠多的情況下，將得到相對穩定和精確的幅值估計，本實施例中選擇峰值點數20個為例。

所述增益乘法器24用於調整所述理想工頻同步信號採樣數據的增益，以將所述理想工頻同步信號採樣數據的增益設置為所述幅值估計值；

所述增益乘法器24根據幅值估計提供的增益信息通過乘法運算調整理想波形採樣數據幅值，生成理想的工頻跟蹤信號，並輸出至所述反相補償器25。

所述反相補償器25用於降低所述第二數位訊號中包含的理想信號分量，並將剩餘的信號分量作為所述第三數位訊號輸出至所述噪聲功率估計模塊3。其中，所述反相補償器25包含一減法器，利用理想的工頻跟蹤信號作為減數來降低來自所述噪聲功率估計模塊3的第二數位訊號的工頻分量的含量，並將計算結果作為第三數位訊號輸出至所述噪聲功率估計模塊3。

理想情況下，信號補償模塊2提供的跟蹤信號精確跟蹤第二數位訊號中的工頻分量，第三數位訊號中將僅包含噪聲分量，信號補償結果相當於帶寬為0hz的理想工頻陷波器，實際由於存在信號跟蹤誤差，第三數位訊號中將殘餘少量的工頻信號分量，在反饋至噪聲功率估計模塊3後可通過零相位陷波器濾除，由於殘留工頻分量幅值較小，設計小衰減增益陷波器成為可能，小增益也使得工頻附近的噪聲分量衰減減小，進一步提高噪聲功率估計的精 度，同時，工頻信號分量的自適應跟蹤和反相補償，也避免了傳統陷波器的設計依賴於輸入信號所含工頻分量強度的限制。

綜上所述，利用本發明提供的電參量計量過程中自適應噪聲功率估計裝置，通過工頻信號分量的自適應跟蹤和反相補償，可實現噪聲中的關鍵分量提取和噪聲功率的自適應估計，避免噪聲功率估計對信號強度的依賴，改進噪聲功率估計的精度。利用本發明的所述噪聲功率估計裝置可以改善小信號計量性能。

雖然以上描述了本發明的具體實施方式，但是本領域的技術人員應當理解，這些僅是舉例說明，本發明的保護範圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本發明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發明的保護範圍。