專利名稱：一種電力系統(tǒng)中頻率的實(shí)時(shí)測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)中的頻率測量技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種電力系統(tǒng)中頻率的實(shí)時(shí)測量方法。
背景技術(shù)：
頻率是最基本的電學(xué)量之一，電力系統(tǒng)中的電壓、電流、電能質(zhì)量分析等測量都依賴于對基波頻率的精確測量。由于電力系統(tǒng)實(shí)際的頻率是波動(dòng)的，因此必須對波動(dòng)的頻率進(jìn)行跟蹤(即實(shí)時(shí)測量，或準(zhǔn)同步測量)才能進(jìn)行精確的電流、電壓測量和電能質(zhì)量分析。目前測量頻率的方法很多，如基于過零點(diǎn)的周期法、誤差最小化原理類法、基于信 號觀測模型的解析法、DFT算法等?；谶^零點(diǎn)的周期法是測量信號波形相繼過零點(diǎn)間的時(shí)間寬度來測量頻率，該方法物理概念清楚，計(jì)算量小，但測量精度較低，且易受諧波、隨機(jī)干擾和非周期分量的影響。誤差最小化原理類法是在最小方差意義下實(shí)現(xiàn)樣本數(shù)據(jù)與模型的最佳擬合，該方法收斂速度快、抑制噪聲能力較強(qiáng)，有一定測量精度，但當(dāng)頻率偏移50Hz時(shí)，測量出的頻率存在采樣不同步誤差?；谛盘栍^測模型的解析法是假定輸入信號中的有效信息符合某一確定的模型，使輸入樣本數(shù)據(jù)最大限度擬合于這一模型，該算法有復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，計(jì)算工作量大。DFT算法將信號的基波及諧波分離，從而得到信號的基波頻率，該算法的精度和穩(wěn)定性較好，但噪聲對測量精度影響較大，計(jì)算量較大，而且對信號的周期延拓可能引入頻率混疊。CN102236048A公開了一種電力系統(tǒng)相量頻率的測量方法，其對原始的定時(shí)間間隔離散化采樣值序列先經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行低通濾波，以消除原始輸入信號中二次及二次以上諧波分量的干擾；再對從采樣值序列分別計(jì)算實(shí)部和虛部，從而計(jì)算得出相位，最后根據(jù)公式計(jì)算得出修正后的當(dāng)前的高精度頻率值。該方法不受電源基準(zhǔn)電平波動(dòng)的干擾，且不會持續(xù)受過去計(jì)算值的影響。但是這種測量方法存在測量精度較低、計(jì)算量過大以及實(shí)時(shí)性要求不高的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種電力系統(tǒng)中頻率的實(shí)時(shí)測量方法，通過相似三角形原理的過零點(diǎn)檢測，結(jié)合濾波和平均等處理，實(shí)現(xiàn)高精度的頻率的實(shí)時(shí)測量。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的具體技術(shù)方案如下—種電力系統(tǒng)中頻率的實(shí)時(shí)測量方法，用于實(shí)時(shí)跟蹤待測信號波形的頻率，其特征在于，包括(I)以待測信號波形的時(shí)間值為橫軸，瞬時(shí)值為縱軸，在該待測的信號波形上，設(shè)定任意兩相鄰且變化率符號相同的理論過零點(diǎn)Op 02。(2)假定相鄰的兩采樣點(diǎn)分別落在理論過零點(diǎn)的兩側(cè)，得到過零點(diǎn)O1兩側(cè)的兩采樣點(diǎn)IVpUi，和過零點(diǎn)O2兩側(cè)的兩采樣點(diǎn)Uh、+ ;i、j分別為采樣點(diǎn)的時(shí)間序列號。其中，兩采樣點(diǎn)Uh、Ui之間的連線與時(shí)間軸的交點(diǎn)為B1，兩采樣點(diǎn)IV1和+的連線與時(shí)間軸的交點(diǎn)為B2，該交點(diǎn)B1和B2即為近似過零點(diǎn)。(3)根據(jù)上述確定的近似過零點(diǎn)，即可得到待測的信號波形的頻率f，即
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(J-1)XTS +tm -tg^式中，Ts為采樣間隔,^r1為近似過零點(diǎn)B1與采樣點(diǎn)Ui對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)C1之間的時(shí)間間隔，&c2為近似過零點(diǎn)B2與采樣點(diǎn)Uj對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)C2之間的時(shí)間間隔?！?br> 當(dāng)采樣頻率足夠高(即采樣時(shí)間間隔很小)時(shí)，曲線上相鄰兩點(diǎn)的連線近似為直線，且采樣間隔越小，曲線越逼近于直線，由該方法確定的頻率或周期越準(zhǔn)確。本發(fā)明的方法中，待測波形須經(jīng)過數(shù)字濾波處理，濾除直流和諧波的干擾，以獲得精確的過零點(diǎn)。本發(fā)明的頻率測量方法具有測量簡單、運(yùn)算量小、實(shí)時(shí)性好、精度足夠高等特點(diǎn)，適合于要求實(shí)時(shí)性好，測量精度較高的場合。


圖I為本發(fā)明的實(shí)施例的方法進(jìn)行頻率測量的原理示意圖。具體實(shí)施方法下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)介紹。需要說明的是，下述實(shí)施例僅是示例性的，并不構(gòu)成是對本發(fā)明的限定。本實(shí)施例中以正弦波電壓信號為例，具體說明進(jìn)行頻率測量的過程，但本實(shí)施例中的測量信號并不限定為電壓信號，電力系統(tǒng)中的各種信號如電流、電場、磁場等均可適用。如圖1，本實(shí)施例中的信號波形的頻率的實(shí)時(shí)測量方法，具體包括如下步驟(I)對應(yīng)待測的電壓信號波形，建立相應(yīng)的直角坐標(biāo)系，其中坐標(biāo)系橫軸為時(shí)間，縱軸為電壓瞬時(shí)值，且波形關(guān)于橫軸對稱?？v軸上的電壓值相對于橫軸一邊的取值為正值，另一邊取值為負(fù)值，電壓波形與橫軸交點(diǎn)即為電壓零值，該交點(diǎn)也稱為過零點(diǎn)。任意兩相鄰且變化率符號相同的過零點(diǎn)之間的時(shí)間間隔即為波形的周期，根據(jù)該波形即可得到波形的頻率。實(shí)際上，由于波形在不斷波動(dòng)，理論過零點(diǎn)是難以準(zhǔn)確獲得的，只能通過獲取盡可能接近該理論過零點(diǎn)的點(diǎn)，以此進(jìn)行波形周期和頻率的測量。(2)對電壓波形進(jìn)行采樣，獲得波形上的多個(gè)采樣點(diǎn)，對每一個(gè)理論過零點(diǎn)，進(jìn)一步找到分列其兩側(cè)的兩相鄰的采樣點(diǎn)。對于任意兩相鄰且變化率符號相同的理論過零點(diǎn)Op O2，假定分別位于過零點(diǎn)O1兩側(cè)的兩采樣點(diǎn)為Ui+ Ui,分別位于過零點(diǎn)O2兩側(cè)的兩采樣點(diǎn)為Uh、Up其中i、j分別為采樣點(diǎn)的時(shí)間序列號。如圖1，Ug和Ui分別位于過零點(diǎn)O1的左右側(cè)，其在波形上的對應(yīng)點(diǎn)分別是D1和E1, I^1和Uj分別位于過零點(diǎn)O2的左右側(cè)，其在波形上的對應(yīng)點(diǎn)分別是D2和E2。(3)根據(jù)找到的采樣點(diǎn)確定對應(yīng)每個(gè)理論過零點(diǎn)的近似過零點(diǎn)。采樣點(diǎn)Ug和Ui在時(shí)間軸上對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)分別為A1和C1，采樣點(diǎn)Up1和Uj分別對應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)為A2和C2。
接下來,連接兩采樣點(diǎn)Up1和Ui間的連線即D1E1,以及兩采樣點(diǎn)Up1和Uj間的連線即D2E2,同時(shí)，連接時(shí)間點(diǎn)A1和C1形成線段A1C1，連接時(shí)間點(diǎn)A2和C2形成線段A2C2，并分別得到D1E1與A1C1的交點(diǎn)B1, D2E2與A2C2的交點(diǎn)B2。其中，線段A1C1和A2C2位于時(shí)間軸t上，與時(shí)間軸重合。該交點(diǎn)B1和B2定義信號波形的近似過零點(diǎn)；(4)根據(jù)上述確定的近似過零點(diǎn)B1和B2,即可得到待測的信號波形的頻率f，即
權(quán)利要求
1.一種電力系統(tǒng)中頻率的測量方法，用于實(shí)時(shí)跟蹤電力系統(tǒng)中的待測信號波形的頻率，其特征在于，該方法包括如下步驟 (1)根據(jù)待測波形建立直角坐標(biāo)系，其中橫軸為時(shí)間，縱軸為信號值，且該待測波形關(guān)于橫軸對稱，其與橫軸的交點(diǎn)為理論過零點(diǎn)； (2)對待測波形進(jìn)行連續(xù)采樣，找到位于任意的第一理論過零點(diǎn)O1的兩側(cè)的且連續(xù)的兩采樣點(diǎn)IV1和Ui，以及位于該第一理論過零點(diǎn)O1后與其相鄰且變化率符號相同的第二理論過零點(diǎn)O2兩側(cè)的兩采樣點(diǎn)I^1和Up其中i、j分別為采樣點(diǎn)的時(shí)間序列號； (3)根據(jù)采樣點(diǎn)確定近似過零點(diǎn) 直線連接兩采樣點(diǎn)I^1和Ui，將其與橫軸的交點(diǎn)B1確定為第一近似過零點(diǎn)，直線連接兩采樣點(diǎn)和+，將其與橫軸的交點(diǎn)B2確定為第二近似過零點(diǎn)； (4)根據(jù)上述確定的近似過零點(diǎn)，即可測量得到待測的信號波形的頻率f，即
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電力系統(tǒng)中頻率的實(shí)時(shí)測量方法，其特征在于，所述的待測信號波形為周期波形，如正弦波形、余弦波形或非正弦周期波形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的電力系統(tǒng)中頻率的實(shí)時(shí)測量方法，其特征在于，所述待測信號為電壓信號或電流信號、電場信號或磁場信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的電力系統(tǒng)中頻率的實(shí)時(shí)測量方法，其特征在于，所述第一理論過零點(diǎn)和第二理論過零點(diǎn)位于待測波形的同一周期。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的電力系統(tǒng)中頻率的實(shí)時(shí)測量方法，其特征在于，所述頻率的精確測量值可通過測量多個(gè)周波內(nèi)的頻率值后通過求取平均值得到。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的電力系統(tǒng)中頻率的實(shí)時(shí)測量方法，其特征在于，所述待測波形可以先經(jīng)過數(shù)字濾波處理，濾除直流和噪聲干擾后再進(jìn)行采樣測量。
7.一種電力系統(tǒng)中電壓、電流、電場或磁場的測量方法，通過測量相應(yīng)波形的頻率實(shí)現(xiàn)，其中，所述頻率采用權(quán)利要求1-6之一所述的方法測量得到。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電力系統(tǒng)中頻率的實(shí)時(shí)測量方法，用于實(shí)時(shí)跟蹤電力系統(tǒng)中的待測信號波形的頻率，包括(1)根據(jù)待測波形建立直角坐標(biāo)系，其中橫軸為時(shí)間，縱軸為信號瞬時(shí)值，其與橫軸的交點(diǎn)為理論過零點(diǎn)；(2)對待測波形進(jìn)行連續(xù)采樣，找到落在任意的第一理論過零點(diǎn)兩側(cè)且連續(xù)的兩采樣點(diǎn)，以及落在位于該第一理論過零點(diǎn)后與其相鄰且變化率符號相同的第二理論過零點(diǎn)兩側(cè)的兩采樣點(diǎn)；(3)根據(jù)采樣值分別直線連接兩采樣點(diǎn)，將它們分別與橫軸的交點(diǎn)確定為近似過零點(diǎn)；(4)根據(jù)確定的兩近似過零點(diǎn)，即可測得待測的信號波形的頻率。本發(fā)明的頻率測量方法測量簡單、運(yùn)算量小、實(shí)時(shí)性好、精度足夠高，適合于要求實(shí)時(shí)性好，測量精度較高的場合。
文檔編號G01R23/02GK102879639SQ201210338758
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者李林峰, 李開成 申請人:華中科技大學(xué)