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一種基于三相信號的電力系統(tǒng)頻率快速測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于三相信號的電力系統(tǒng)頻率快速測量方法，包括：（1）對電力系統(tǒng)三相信號的同步采樣；（2）對周期信號每一個周期內(nèi)的正向過零點和負(fù)向過零點均進(jìn)行頻率測量；（3）將三相信號所測頻率值均作為系統(tǒng)頻率值；（4）將線電量也納入頻率測量范圍，且所測頻率值也作為系統(tǒng)頻率值；（5）通過使用正負(fù)過零點、三相信號、三相線電量信號，使測頻密度較傳統(tǒng)過零點算法增加12倍，即每周波測頻12次。本發(fā)明的頻率測量方法測量簡單、運算量小、跟蹤頻率速度快、實時性好、精度足夠高，適用于智能電網(wǎng)對頻率測量的要求。
【專利說明】一種基于三相信號的電力系統(tǒng)頻率快速測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)中的頻率測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于三相信號的電力系統(tǒng)頻率快速實時測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]頻率是最基本的電學(xué)量之一，電力系統(tǒng)中的電壓、電流相量測量以及電能質(zhì)量分析等都依賴于對基波頻率的精確測量。由于電力系統(tǒng)實際的頻率是波動的，因此必須對波動的頻率進(jìn)行跟蹤(即實時測量，或準(zhǔn)同步測量)才能進(jìn)行精確的電壓、電流相量測量和電能質(zhì)量分析。
[0003]目前測量頻率的方法很多，如基于過零點的周期算法、最小二乘法原理算法、基于信號觀測模型的解析法、短窗算法、DFT算法等。基于過零點的周期法是測量信號波形相繼過零點間的時間寬度來測量頻率，該方法物理概念清楚，計算量小，但頻率跟蹤速度慢，一個周波只能進(jìn)行一次測量。最小二乘法原理算法是在最小方差意義下實現(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，有一定測量精度，但當(dāng)頻率偏移50Hz時，測量出的頻率存在采樣不同步誤差。基于信號觀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)運算，計算工作量大。短窗和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，該算法有一定的濾波效果，理論上可以將頻率進(jìn)行逐點測量，但頻率偏移對測量精度影響較大，計算量較大，而且對信號的周期延拓可能引入頻率混疊。
[0004]CN102236048A公開了一種電力系統(tǒng)相量頻率的測量方法，對其原始的定時間間隔離散化采樣值序列先進(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；再將采樣值序列傅里葉變換分別計算實部和虛部，從而計算得出相位，最后根據(jù)公式計算得出修正后的當(dāng)前的頻率值。該方法頻率跟蹤速度快，但計算過程中用到兩個周波的離散采樣值，計算量過大，修正公式以查表方式實現(xiàn)，內(nèi)存占用量大。
[0005]CN102879639A公開了一種電力系統(tǒng)頻率的測量方法，測得待測波形的同一周期內(nèi)變化率符號相同的兩個近似過零點，再根據(jù)兩個過零點的時間間隔求取待測波形的準(zhǔn)確頻率值。該方法只對單相數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量，并且計算的過零點方向均相同且只有一個方向，這樣一來待測波形在一個信號周期內(nèi)只有兩個相鄰?fù)蜻^零點，一個周波只能進(jìn)行一次測量，頻率跟蹤速度有限，不能滿足當(dāng)前測頻跟蹤速度的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了解決上述問題，提出了一種基于三相信號的電力系統(tǒng)頻率快速測量方法。該方法使用三相電氣量，利用線性插值原理的過零點檢測，增加一個信號周期時間內(nèi)的測頻次數(shù)即增加測頻密度，結(jié)合前置、后置濾波等處理，實現(xiàn)高精度的頻率的快速實時測量。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:[0008]一種基于三相信號的電力系統(tǒng)頻率快速測量方法，包括以下步驟:
[0009](I)對電力系統(tǒng)中的電流或電壓電氣量進(jìn)行采樣頻率恒定的三相同步采樣，并對采樣結(jié)果進(jìn)行前置低通濾波。
[0010](2)利用線性插值原理，分別求取當(dāng)前周期采樣電氣量信號的正向和負(fù)向過零點時刻。
[0011](3)同時進(jìn)行當(dāng)前周期的A、B、C三相采樣信號相電量的頻率測量:分別將當(dāng)前周期每一相采樣信號相電量中的正向或負(fù)向過零點時刻與其相鄰周期的同方向的過零點時刻作差值，得到的一個時間差即為待測信號的一個周期時間，相應(yīng)的得到待測信號的一個
頻率值。
[0012](4)對上述所得頻率測量值進(jìn)行后置濾波處理，得到最終的電力系統(tǒng)頻率值。
[0013]所述步驟(3)中利用當(dāng)前周期每一相的相電量信號計算頻率值可以替換為利用當(dāng)前周期A、B、C三相采樣信號之間每兩相線電量信號計算頻率值，計算方法為:
[0014]同時進(jìn)行當(dāng)前 周期的A、B、C三相采樣信號中每兩相線電量的頻率測量:分別將當(dāng)前周期每兩相采樣信號線電量中的正向或負(fù)向過零點時刻與其相鄰周期的同方向的過零點時刻作差值，得到的一個時間差即為待測信號的一個周期時間，相應(yīng)的得到待測信號的一個頻率值。
[0015]所述步驟(3)中分別利用當(dāng)前周期每一相的電氣量信號計算頻率值可以替換為利用當(dāng)前周期三相采樣信號中每一相的相電量信號和當(dāng)前周期三相采樣信號中每兩相的線電量信號同時計算頻率值，計算方法為:
[0016]同時進(jìn)行當(dāng)前周期A、B、C三相采樣信號中每一相相電量和每兩相線電量的頻率測量:
[0017]分別將當(dāng)前周期A、B、C三相采樣信號中每一相相電量和每兩相線電量的正向或負(fù)向過零點時刻與其相鄰周期的同方向的過零點時刻作差值，得到的一個時間差即為待測信號的一個周期時間，相應(yīng)的得到待測信號的一個頻率值。
[0018]所述步驟(2)中的當(dāng)前周期采樣電氣量信號可以是:A、B、C三相采樣信號中每一相的相電壓、相電流，或者A、B、C三相采樣信號中每兩相的線電壓、線電流。
[0019]所述步驟(2)中利用線性插值原理求取當(dāng)前周期電氣量信號的過零點時刻的具體方法為:
[0020]在待測信號當(dāng)前周期中找到任意的數(shù)值符號相反且相鄰的兩采樣點的采樣值A(chǔ)i和Ai+1，則兩采樣點i和i+Ι之間存在過零點Oi,由i和i+Ι兩采樣點的采樣值A(chǔ)i和Ai+1確定的插值曲線計算過零點Oi對應(yīng)的時刻。
[0021]找到與過零點Oi相鄰且方向相同的過零點兩側(cè)的兩采樣值~和Ap1,并計算Oj對應(yīng)的時刻，過零點Oi與之間相隔的時間即為待測信號的一個周期，在點測量到的系統(tǒng)頻率所對應(yīng)的時刻就是過零點的時刻；其中i，j為采樣點的時間序列號。
[0022]所述利用線性插值原理求取過零點Oi對應(yīng)的時刻的計算方法為:
[0023]A(0 =.: x 4.+:χ/?/"
U ~U+i U+i
[0024]其中，A(t)為釆樣信號幅值的時間函數(shù)，當(dāng)A(t) = O時，所對應(yīng)的時刻t就是過零點時亥IJ ;A1、Ai+1分別表示第1、第i+Ι個采樣點的值，U、tU分別表示第1、第i+Ι個采樣點所對應(yīng)的時刻。
[0025]所述過零點Oi臨近兩采樣點Ai和Ai+1應(yīng)滿足:
[0026]|Α「Α?+1| ( AAmax
[0027]其中，Ai表不第i個米樣點所對應(yīng)的米樣值，Ai+1表不第i+Ι個米樣點所對應(yīng)的米樣值，AAfflax表示過零點左右相鄰的兩采樣值的最大差值。
[0028]假如在過零點前后信號幅值發(fā)生突變，將使信號過零點處線性度大大降低，進(jìn)一步導(dǎo)致頻率測量出現(xiàn)很大誤差，為了防止這一現(xiàn)象的產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)設(shè)置此最大差值，其具體數(shù)值應(yīng)針對不同的實際要求而進(jìn)行設(shè)定。[0029]若不滿足，此時的過零點時刻不計入頻率計算過程，當(dāng)前頻率值按上一過零點所得測量值計算，從下一過零點重新開始頻率計算。由于這一過零點的時刻未計入頻率計算過程，則這一時刻無法進(jìn)行頻率計算，但是這一時刻的頻率值仍然看做與上一測頻時刻所得到的頻率值相同。
[0030]信號波形在過零點處的前后采樣值由負(fù)到正的過零點稱為正向過零點；信號波形在過零點處的前后采樣值由正到負(fù)的過零點稱為負(fù)向過零點。電力系統(tǒng)中的電壓、電流等電氣量信號的每一個周波內(nèi)存在一個正向過零點和一個負(fù)向過零點。
[0031]電力系統(tǒng)中的電氣量信號頻率是三相相同的，因為采用三相同步采樣，所以可將三相信號的過零點時刻表示在同一時間軸上。這樣在一個信號周期內(nèi)，就有來自三相信號的三個正向過零點和三個負(fù)向過零點，可以得到六次頻率測量值。
[0032]相電壓(相電流)兩兩相減就變?yōu)榫€電壓(線電流)，線電量同樣也是正弦或余弦信號。將線電量也納入頻率計算范圍，例如線電壓、線電流。由于電氣量信號三相頻率相同，而線電壓(線電流)為兩相電壓(電流)之間的差值，它們的頻率與相電壓(相電流)相同。所以可將線電壓(線電流)的過零點時刻計入頻率測量的時間軸中。這樣在一個信號周期內(nèi)，三相線電壓或線電流可以提供三個正向過零點和三個負(fù)向過零點，可以進(jìn)行六次頻率計算。
[0033]本方法可以單獨使用相電量進(jìn)行頻率測量，可以單獨使用線電量進(jìn)行頻率測量，也可以將相電量和線電量均用于頻率測量。單獨使用相電量或線電量時，每周期可以進(jìn)行六次頻率測量；一起使用時，每周期可以進(jìn)行十二次頻率測量。
[0034]經(jīng)過以上步驟，在信號的一個周期內(nèi)，總共最多可以得到十二次頻率測量值，相比于傳統(tǒng)過零點測頻方法，頻率測量密度可以增加12倍。
[0035]同時，使用線電量進(jìn)行頻率測量有如下優(yōu)勢:當(dāng)線電壓或線電流信號過零時，對應(yīng)的兩相信號值不為零且距零值較遠(yuǎn)，此時A/D采樣的線性度好，不易受噪聲干擾，采樣誤差小。
[0036]頻率的精確測量值可通過后置濾波來實現(xiàn)，為了使測頻結(jié)果更加平滑、減小波動，可以將多次得到的頻率值進(jìn)行濾波，例如:可以采用求取多個時刻頻率值的平均值的濾波方法。
[0037]本發(fā)明的有益效果是:
[0038]本發(fā)明測量方法簡單、運算量小、跟蹤速度快、精度足夠高、受直流分量影響小，適合于能夠采集三相數(shù)據(jù)、要求頻率跟蹤性好，測量精度較高的場合。
[0039]本發(fā)明適用于當(dāng)前智能電網(wǎng)對頻率的測量要求，不持續(xù)受過去計算值影響，本發(fā)明方法相對于CN102879639A公開的方法在頻率跟蹤速度上增加了 12倍，能夠滿足實際工程對頻率跟蹤速度的要求，且測量精度非常高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1為本發(fā)明實施例進(jìn)行頻率測量的原理示意圖；
【具體實施方式】:
[0041]下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明:
[0042]一種電力系統(tǒng)中頻率的快速實時測量方法，用于實時跟蹤電力系統(tǒng)中的待測信號的頻率，包括以下步驟:
[0043]步驟一:對電力系統(tǒng)中的電氣量(電流、電壓)進(jìn)行三相同步采樣并進(jìn)行低通濾波，濾除高頻分量的干擾，采樣頻率恒定即定采樣時間間隔采樣。
[0044]步驟二:記錄每一相電氣量信號的正向過零點時刻。根據(jù)當(dāng)前周期的正向過零點與其相鄰周期的正向過零點的時間差，可以得到一次信號的周期時間，相應(yīng)得到信號的頻率值。
[0045]步驟三:記錄每一相電氣量信號的負(fù)向過零點時刻。根據(jù)當(dāng)前周期的負(fù)向過零點與其相鄰周期的負(fù)向過零點的時間差，可以得到一次信號的周期時間，相應(yīng)得到信號的頻率值。結(jié)合步驟二可知，在一個周期內(nèi)可以得到兩次頻率測量值。
[0046]步驟四:電力系統(tǒng)中的電氣量信號頻率是三相相同的，因為采用三相同步采樣，所以可將三相信號的過零點時刻表示在同一時間軸上。將三相信號均采用步驟二、三的方法同時進(jìn)行頻率測量。這樣在一個信號周期內(nèi)，就有來自三相信號的三個正向過零點和三個負(fù)向過零點，可以得到六次頻率測量值。
[0047]步驟五:相電壓(相電流)兩兩相減就變?yōu)榫€電壓(線電流)，線電量同樣也是正弦或余弦信號。將線電量也納入頻率計算范圍，例如線電壓、線電流。由于電氣量信號三相頻率相同，而線電壓(線電流)為兩相電壓(電流)之間的差值，它們的頻率與相電壓(相電流)相同。所以可將線電壓(線電流)的過零點時刻計入頻率測量的時間軸中。三相之間的三個線電量也采用步驟二、三的方式進(jìn)行頻率測量。這樣在一個信號周期內(nèi)，三相線電壓或線電流可以提供三個正向過零點和三個負(fù)向過零點，可以進(jìn)行六次頻率計算。
[0048]步驟六:對頻率測量值進(jìn)行后置濾波，使測頻結(jié)果更加穩(wěn)定、平滑，減小波動。
[0049]本實施例中以三相電壓信號為例，具體說明進(jìn)行頻率測量的過程，但本實施例中的測量信號并不限定為電壓信號，電力系統(tǒng)中的其他三相信號如電流等均可適用。
[0050]如圖1，本實施例中的信號波形的頻率的實時測量方法，具體包括如下步驟:
[0051]步驟一:對電力系統(tǒng)中的電壓信號進(jìn)行三相同步采樣，得到UA、UB、U。，并進(jìn)行低通濾波，采樣頻率恒定即定采樣時間間隔采樣；
[0052]步驟二:首先在A相中找到任意的數(shù)值符號相反且相鄰的兩采樣點UAi和UAi+1，則兩采樣點之間存在過零點OAi,過零點OAi對應(yīng)的時刻由兩采樣點UAi和UAi+1確定的插值曲線得到。然后找到在OAi之后與其相鄰且方向相同的過零點OAj兩側(cè)的兩采樣點UAj和UAJ+1,并確定OAj對應(yīng)的時刻。其中i，j為采樣點的時間序列號。過零點OAi與OAj之間相隔的時間即為待測信號的一個周期。[0053]求取過零點時刻線性插值的公式為:
[0054]U4 (?= , —XUA1 + XUAm = O
t — tr —f
[0055]當(dāng)Ua(t) = 0 時，f = z
[0056]步驟三:過零點OAi附近兩采樣值應(yīng)滿足I UA1-UAw | ( Δ Umax,若不滿足，此時的過零點時刻不計入頻率計算過程，當(dāng)前頻率值按上一過零點所得測量值計算，從下一過零點重新開始頻率計算。
[0057]步驟四:對A相電壓的正向和負(fù)向過零點均計算過零時刻，頻率計算方式為:
f- 1
[0058]J = -~――

lOAj lOAi
[0059]其中，&4和。分別為前后兩個相鄰?fù)蜻^零點的過零時刻。則頻率測量時刻即為過零點OAj對應(yīng)時刻。
[0060]步驟五:對UB、U。兩相電壓分別進(jìn)行頻率測量，測量方法與步驟四相同。將從UA、Ub> Uc三相電壓采集到的頻率測量值及對應(yīng)時刻作為系統(tǒng)的頻率值及測量時刻。
[0061]步驟六:對Uffl、Ubc, Ua三個線電壓信號分別進(jìn)行頻率測量，測量方法與步驟四相同。將三相線電壓信號的頻率測量值及對應(yīng)時刻作為系統(tǒng)的頻率值及測量時刻。
[0062]步驟七:對以上所得到的所有頻率測量值進(jìn)行濾波處理，使時間一頻率曲線更加平滑，減小波動。
[0063]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于三相信號的電力系統(tǒng)頻率快速測量方法，其特征是，包括以下步驟: (1)對電力系統(tǒng)中的電流或電壓電氣量進(jìn)行采樣頻率恒定的三相同步采樣，并對采樣結(jié)果進(jìn)行前置低通濾波； (2)利用線性插值原理，分別求取當(dāng)前周期采樣電氣量信號的正向和負(fù)向過零點時刻； (3)同時進(jìn)行當(dāng)前周期的A、B、C三相采樣信號相電量的頻率測量:分別將當(dāng)前周期每一相采樣信號相電量中的正向或負(fù)向過零點時刻與其相鄰周期的同方向的過零點時刻作差值，得到的一個時間差即為待測信號的一個周期時間，相應(yīng)的得到待測信號的一個頻率值； (4)對上述所得頻率測量值進(jìn)行后置濾波處理，得到最終的電力系統(tǒng)頻率值。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于三相信號的電力系統(tǒng)頻率快速測量方法，其特征是，所述步驟(3)中利用當(dāng)前周期每一相的相電量信號計算頻率值可以替換為利用當(dāng)前周期A、B、C三相采樣信號之間每兩相線電量信號計算頻率值，計算方法為: 同時進(jìn)行當(dāng)前周期的A、B、C三相采樣信號中每兩相線電量的頻率測量:分別將當(dāng)前周期每兩相采樣信號線電量中的正向或負(fù)向過零點時刻與其相鄰周期的同方向的過零點時刻作差值，得到的一個時間差即為待測信號的一個周期時間，相應(yīng)的得到待測信號的一個頻率值。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于三相信號的電力系統(tǒng)頻率快速測量方法，其特征是，所述步驟(3)中分別利用當(dāng)前周期每一相的電氣量信號計算頻率值可以替換為利用當(dāng)前周期三相采樣信號中每一相的相電量信號和當(dāng)前周期三相采樣信號中每兩相的線電量信號同時計算頻率值，計算方法為: 同時進(jìn)行當(dāng)前周期A、B、C三相采樣信號中每一相相電量和每兩相線電量的頻率測量: 分別將當(dāng)前周期A、B、C三相采樣信號中每一相相電量和每兩相線電量的正向或負(fù)向過零點時刻與其相鄰周期的同方向的過零點時刻作差值，得到的一個時間差即為待測信號的一個周期時間，相應(yīng)的得到待測信號的一個頻率值。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于三相信號的電力系統(tǒng)頻率快速測量方法，其特征是，所述步驟(2)中的當(dāng)前周期采樣電氣量信號可以是:A、B、C三相采樣信號中每一相的相電壓、相電流，或者A、B、C三相采樣信號中每兩相的線電壓、線電流。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于三相信號的電力系統(tǒng)頻率快速測量方法，其特征是，所述步驟(2)中利用線性插值原理求取當(dāng)前周期電氣量信號的過零點時刻的具體方法為: 在待測信號當(dāng)前周期中找到任意的數(shù)值符號相反且相鄰的兩采樣點的采樣值A(chǔ)i和Ai+1，則兩采樣點i和i+1之間存在過零點Oi,由i和i+1兩采樣點的采樣值A(chǔ)i和Ai+1確定的插值曲線計算過零點Oi對應(yīng)的時刻； 找到與過零點Oi相鄰且方向相同的過零點兩側(cè)的兩采樣值和Aj+1，并計算Oj對應(yīng)的時刻，過零點Oi與之間相隔的時間即為待測信號的一個周期，在Oj點測量到的系統(tǒng)頻率所對應(yīng)的時刻就是過零點的時刻；其中i，j為采樣點的時間序列號。
6.如權(quán)利要求5所述的一種基于三相信號的電力系統(tǒng)頻率快速測量方法，其特征是，所述利用線性插值原理求取過零點Oi對應(yīng)的時刻k的計算方法為:
7.如權(quán)利要求5所述的一種基于三相信號的電力系統(tǒng)頻率快速測量方法，其特征是，所述過零點Oi臨近兩采樣點Ai和Ai+1應(yīng)滿足: IHiI =≤ ΔAmax 其中，Ai表示第i個采樣點所對應(yīng)的采樣值，Ai+1表示第i+Ι個采樣點所對應(yīng)的采樣值，AAmax表示過零點左右相鄰的兩采樣值的最大差值； 若不滿足，此時的過零點時刻不計入頻率計算過程，當(dāng)前時刻的頻率值取上一過零點時刻所得的頻率值，從下一滿足要求的過零點時刻重新開始頻率計算。
【文檔編號】G01R23/02GK103941088SQ201410142293
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月10日
【發(fā)明者】劉世明, 郭韜, 吳聚昆, 李建輝, 王仲哲, 肖邁 申請人:山東大學(xué)