一种基于量子电压的电信号测量方法及系统与流程

本发明涉及电测量与计量，更具体地，涉及一种基于量子电压的电信号测量方法及系统。

背景技术：

1、电信号测量是电力系统传感与量测的重要手段，同时也是量测数字化的关键环节，电信号测量的准确度直接关系到电力系统计量设备的准确性及控制保护的可靠性。目前电信号测量主要通过模数转换器(a/d)来实现的，测量准确度通常为1％～0.001％，例如目前高精密测量领域采用的8位半数字多用表，准确度可达到几个ppm。模数转换器可测量的电信号类型丰富多样，包括直流信号、工频信号、谐波信号、阶跃信号等等，能够实现各类电信号的测量。随着国际单位制的量子变革，计量及量测的量子化也不断发展，国务院发布的《计量发展规划(2021-2035)》提出建设以量子为核心的国家现代先进测量体系，体现量子技术在电信号测量及量传溯源中的应用价值。目前在电信号精密测量方面，量子电压技术已经在交、直流信号精密测量进行了实际应用，我国的直流电压基准装置实现了量子化，采用量子电压技术实现直流信号的精密溯源。随着量子电压技术的发展，可编程量子电压标准技术目前相对较为成熟，用于合成交流量子电压和直流电压，电压幅值高达10v，频率高达1khz。早期，可编程量子电压标准主要基于数字采样方法应用于热电转换器或模数转换器的交流有效值测量。德国联邦物理技术研究院(ptb)和美国国家标准与技术研究院(nist)在21世纪初提出一种差分采样方法，即利用高准确度数字多用表对量子正弦台阶电压与标准正弦交流电压的差分信号进行采样，剔除量子台阶过渡过程的动态采样点，重构出标准正弦交流电压信号，使1khz以下的交流电压测量不确定度达到10–7～10–8量级。差分采样技术在国际上被广泛应用，促进了量子电压在交、直流电压溯源及50hz和60hz电力计量领域的应用，包括阻抗、功率、模数转换装置、标准电压源和标准数字多用表等校准。我国量子电压溯源应用技术研究起步相对较晚，在电力系统领域开展了交直流电能、谐波电压、电压比例和电子式互感器校验仪等量子化溯源应用及相关研究。目前基于量子电压的电信号测量技术主要是应用于实验室计量标准的精密测量，待测量信号对象都是标准信号源输出的交直流信号，幅值和相位相对比较稳定，波动较小。量子电压输出的电压波形为正弦的台阶电压波形，测量前需要根据待测信号提前预设量子电压波形的信号频率、每周期台阶数以及各个台阶值等参数，使量子电压与待测信号的差分信号足够小，从而实现信号的精密测量，因此，为保证测量准确度，现有基于量子电压的电信号测量技术在实际应用时需要待测信号波形有规律的变化，例如实验室环境条件下稳定的直流信号或正弦交流信号。量子电压技术在针对电力系统快时变、强随机、动态电信号测量方面，待测信号波形形状未知，无法提前预设量子电压波形，因此，现有基于量子电压的电信号测量技术无法适用于随机或复杂多变信号的测量，而在绝大多数实际的电测量需求中，待测电信号一般都是复杂多变的，极大地限制了量子电压技术在电测量领域的应用。

2、因此，需要一种技术，以实现基于量子电压对电信号进行测量。

技术实现思路

1、本发明技术方案提供一种基于量子电压的电信号测量方法及系统，以解决如何基于量子电压对电信号进行测量的问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供了一种基于量子电压的电信号测量方法，所述方法包括：

3、s1:在初始t0时刻，输出周期为δt的台阶脉冲信号，并设置输出量子电压值u0；

4、s2:经过预设的延时δt时间后，输出周期为δt的采样脉冲信号，基于采样率fs对量子电压与待测信号进行差分采样，在δts时间后结束采样；

5、s3:在结束采样后，基于获取的采样区间δts内的差分采样值，计算采样区间中间时刻的差分电压值ud0和中间时刻的近似曲线斜率u′0，基于所述量子电压值u0、所述近似曲线斜率u′0以及所述差分电压值ud0计算下一次输出的量子电压值u1；

6、s4:将输出周期δt作为一个周期，重复执行步骤s1至s3，依次设置输出量子电压值，基于所述量子电压值对电信号进行测量。

7、优选地，所述基于所述量子电压值u0、所述近似曲线斜率u′0以及所述差分电压值ud0计算下一次输出的量子电压值u1，包括：

8、u1＝u0+u′0δt+ud0。

9、优选地，所述输出周期δt等于2倍延时δt与δts之和：

10、δt＝2δt+δts。

11、优选地，所述基于采样率fs对量子电压与待测信号进行差分采样，包括：

12、所述采样区间位于所述台阶脉冲信号的中间区域；

13、采样点数量不低于2个。

14、优选地，当计算采样区间中间时刻的差分电压值ud0时，若所述中间时刻具有采样值，则将所述中间时刻的采样值作为差分电压值ud0；

15、若所述中间时刻没有采样值，则通过线性插值法根据中间时刻前后的两个采样值计算中间时刻的采样值作为差分电压值ud0。

16、优选地，所述计算中间时刻的近似曲线斜率u′0，包括：

17、直接计算中间时刻前后的两个采样值的直线斜率作为近似曲线斜率u′0；或者

18、在延时δt时间内对采样区间的采样值进行插值曲线拟合，并基于采样区间中间时刻前后的两个采样值的直线斜率作为近似曲线斜率u′0；或者

19、对采样区间中间时刻的采样值进行微分计算，将计算出的微分值作为近似曲线斜率u′0；或者

20、计算采样区间全部采样值集合中任意两个采样值组合的直线斜率，将所有组合的直线斜率的平均值作为近似曲线斜率u′0。

21、优选地，所述台阶脉冲信号和所述采样脉冲信号均为周期性脉冲信号，周期为δt；

22、所述台阶脉冲信号和所述采样脉冲信号的相位相差为δt；

23、量子电压值输出时刻与差分采样开始时刻相差为δt。

24、优选地，还包括：

25、所述台阶脉冲信号和所述采样脉冲信号的周期δt根据待测信号类型进行调整，当待测信号包含高频或瞬时冲击分量时，缩短周期δt；当待测信号为直流信号或缓慢变化的中低频信号时，增加周期δt；

26、当周期δt调整时，对应的延时δt和采样区间δts进行等比例调整，保证δt＝2δt+δts。

27、基于本发明的另一方面，本发明提供一种基于量子电压的电信号测量系统，所述系统包括：

28、第一执行单元，用于执行s1:在初始t0时刻，输出周期为δt的台阶脉冲信号，并设置输出量子电压值u0；

29、第二执行单元，用于执行s2:经过预设的延时δt时间后，输出周期为δt的采样脉冲信号，基于采样率fs对量子电压与待测信号进行差分采样，在δts时间后结束采样；

30、第三执行单元，用于执行s3:在结束采样后，基于获取的采样区间δts内的差分采样值，计算采样区间中间时刻的差分电压值ud0和中间时刻的近似曲线斜率u′0，基于所述量子电压值u0、所述近似曲线斜率u′0以及所述差分电压值ud0计算下一次输出的量子电压值u1；

31、第四执行单元，用于执行s4:将输出周期δt作为一个周期，重复执行步骤s1至s3，依次设置输出量子电压值，基于所述量子电压值对电信号进行测量。

32、优选地，所述第三执行单元用于执行，基于所述量子电压值u0、所述近似曲线斜率u′0以及所述差分电压值ud0计算下一次输出的量子电压值u1，包括：

33、u1＝u0+u′0δt+ud0。

34、优选地，所述输出周期δt等于2倍延时δt与δts之和：

35、δt＝2δt+δts。

36、优选地，所述第二执行单元，用于执行基于采样率fs对量子电压与待测信号进行差分采样，包括：

37、所述采样区间位于所述台阶脉冲信号的中间区域；

38、采样点数量不低于2个。

39、优选地，所述第三执行单元，还用于：当计算采样区间中间时刻的差分电压值ud0时，若所述中间时刻具有采样值，则将所述中间时刻的采样值作为差分电压值ud0；

40、若所述中间时刻没有采样值，则通过线性插值法根据中间时刻前后的两个采样值计算中间时刻的采样值作为差分电压值ud0。

41、优选地，所述第三执行单元，用于计算中间时刻的近似曲线斜率u′0，包括：

42、直接计算中间时刻前后的两个采样值的直线斜率作为近似曲线斜率u′0；或者

43、在延时δt时间内对采样区间的采样值进行插值曲线拟合，并基于采样区间中间时刻前后的两个采样值的直线斜率作为近似曲线斜率u′0；或者

44、对采样区间中间时刻的采样值进行微分计算，将计算出的微分值作为近似曲线斜率u′0；或者

45、计算采样区间全部采样值集合中任意两个采样值组合的直线斜率，将所有组合的直线斜率的平均值作为近似曲线斜率u′0。

46、优选地，所述台阶脉冲信号和所述采样脉冲信号均为周期性脉冲信号，周期为δt；

47、所述台阶脉冲信号和所述采样脉冲信号的相位相差为δt；

48、量子电压值输出时刻与差分采样开始时刻相差为δt。

49、优选地，所述第一执行单元，还用于：

50、所述台阶脉冲信号和所述采样脉冲信号的周期δt根据待测信号类型进行调整，当待测信号包含高频或瞬时冲击分量时，缩短周期δt；当待测信号为直流信号或缓慢变化的中低频信号时，增加周期δt；

51、当周期δt调整时，对应的延时δt和采样区间δts进行等比例调整，保证δt＝2δt+δts。

52、本发明技术方案提供了一种基于量子电压的电信号测量方法及系统，其中方法包括：s1:在初始t0时刻，输出周期为δt的台阶脉冲信号，并设置输出量子电压值u0；s2:经过预设的延时δt时间后，输出周期为δt的采样脉冲信号，基于采样率fs对量子电压与待测信号进行差分采样，在δts时间后结束采样；s3:在结束采样后，基于获取的采样区间δts内的差分采样值，计算采样区间中间时刻的差分电压值ud0和中间时刻的近似曲线斜率u′0，基于所述量子电压值u0、所述近似曲线斜率u′0以及所述差分电压值ud0计算下一次输出的量子电压值u1；s4:将输出周期δt作为一个周期，重复执行步骤s1至s3，依次设置输出量子电压值，基于所述量子电压值对电信号进行测量。本发明提出一种基于量子电压的电信号测量方法，在信号测量过程中，实时计算待测信号的曲线斜率，并调整输出的量子电压台阶值，使量子电压与待测信号幅值始终保持相近，从而实现随机或复杂多变电信号的量子精密测量，极大地提高了量子电压技术在电信号测量中的应用范围及实用性。