专利名称：一种电力系统中频率的实时测量方法
技术领域：
本发明属于电力系统中的频率测量技术领域，具体是一种电力系统中频率的实时测量方法。
背景技术：
频率是最基本的电学量之一，电力系统中的电压、电流、电能质量分析等测量都依赖于对基波频率的精确测量。由于电力系统实际的频率是波动的，因此必须对波动的频率进行跟踪(即实时测量，或准同步测量)才能进行精确的电流、电压测量和电能质量分析。目前测量频率的方法很多，如基于过零点的周期法、误差最小化原理类法、基于信 号观测模型的解析法、DFT算法等。基于过零点的周期法是测量信号波形相继过零点间的时间宽度来测量频率，该方法物理概念清楚，计算量小，但测量精度较低，且易受谐波、随机干扰和非周期分量的影响。误差最小化原理类法是在最小方差意义下实现样本数据与模型的最佳拟合，该方法收敛速度快、抑制噪声能力较强，有一定测量精度，但当频率偏移50Hz时，测量出的频率存在采样不同步误差。基于信号观测模型的解析法是假定输入信号中的有效信息符合某一确定的模型，使输入样本数据最大限度拟合于这一模型，该算法有复杂的数学运算，计算工作量大。DFT算法将信号的基波及谐波分离，从而得到信号的基波频率，该算法的精度和稳定性较好，但噪声对测量精度影响较大，计算量较大，而且对信号的周期延拓可能引入频率混叠。CN102236048A公开了一种电力系统相量频率的测量方法，其对原始的定时间间隔离散化采样值序列先经过低通滤波器进行低通滤波，以消除原始输入信号中二次及二次以上谐波分量的干扰；再对从采样值序列分别计算实部和虚部，从而计算得出相位，最后根据公式计算得出修正后的当前的高精度频率值。该方法不受电源基准电平波动的干扰，且不会持续受过去计算值的影响。但是这种测量方法存在测量精度较低、计算量过大以及实时性要求不高的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提出一种电力系统中频率的实时测量方法，通过相似三角形原理的过零点检测，结合滤波和平均等处理，实现高精度的频率的实时测量。实现本发明的目的所采用的具体技术方案如下—种电力系统中频率的实时测量方法，用于实时跟踪待测信号波形的频率，其特征在于，包括(I)以待测信号波形的时间值为横轴，瞬时值为纵轴，在该待测的信号波形上，设定任意两相邻且变化率符号相同的理论过零点Op 02。(2)假定相邻的两采样点分别落在理论过零点的两侧，得到过零点O1两侧的两采样点IVpUi，和过零点O2两侧的两采样点Uh、+ ;i、j分别为采样点的时间序列号。其中，两采样点Uh、Ui之间的连线与时间轴的交点为B1，两采样点IV1和+的连线与时间轴的交点为B2，该交点B1和B2即为近似过零点。(3)根据上述确定的近似过零点，即可得到待测的信号波形的频率f，即
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(J-1)XTS +tm -tg^式中，Ts为采样间隔,^r1为近似过零点B1与采样点Ui对应的时间点C1之间的时间间隔，&c2为近似过零点B2与采样点Uj对应的时间点C2之间的时间间隔。·
当采样频率足够高(即采样时间间隔很小)时，曲线上相邻两点的连线近似为直线，且采样间隔越小，曲线越逼近于直线，由该方法确定的频率或周期越准确。本发明的方法中，待测波形须经过数字滤波处理，滤除直流和谐波的干扰，以获得精确的过零点。本发明的频率测量方法具有测量简单、运算量小、实时性好、精度足够高等特点，适合于要求实时性好，测量精度较高的场合。
图I为本发明的实施例的方法进行频率测量的原理示意图。具体实施方法下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细介绍。需要说明的是，下述实施例仅是示例性的，并不构成是对本发明的限定。本实施例中以正弦波电压信号为例，具体说明进行频率测量的过程，但本实施例中的测量信号并不限定为电压信号，电力系统中的各种信号如电流、电场、磁场等均可适用。如图1，本实施例中的信号波形的频率的实时测量方法，具体包括如下步骤(I)对应待测的电压信号波形，建立相应的直角坐标系，其中坐标系横轴为时间，纵轴为电压瞬时值，且波形关于横轴对称。纵轴上的电压值相对于横轴一边的取值为正值，另一边取值为负值，电压波形与横轴交点即为电压零值，该交点也称为过零点。任意两相邻且变化率符号相同的过零点之间的时间间隔即为波形的周期，根据该波形即可得到波形的频率。实际上，由于波形在不断波动，理论过零点是难以准确获得的，只能通过获取尽可能接近该理论过零点的点，以此进行波形周期和频率的测量。(2)对电压波形进行采样，获得波形上的多个采样点，对每一个理论过零点，进一步找到分列其两侧的两相邻的采样点。对于任意两相邻且变化率符号相同的理论过零点Op O2，假定分别位于过零点O1两侧的两采样点为Ui+ Ui,分别位于过零点O2两侧的两采样点为Uh、Up其中i、j分别为采样点的时间序列号。如图1，Ug和Ui分别位于过零点O1的左右侧，其在波形上的对应点分别是D1和E1, I^1和Uj分别位于过零点O2的左右侧，其在波形上的对应点分别是D2和E2。(3)根据找到的采样点确定对应每个理论过零点的近似过零点。采样点Ug和Ui在时间轴上对应的时间点分别为A1和C1，采样点Up1和Uj分别对应的时间点为A2和C2。
接下来,连接两采样点Up1和Ui间的连线即D1E1,以及两采样点Up1和Uj间的连线即D2E2,同时，连接时间点A1和C1形成线段A1C1，连接时间点A2和C2形成线段A2C2，并分别得到D1E1与A1C1的交点B1, D2E2与A2C2的交点B2。其中，线段A1C1和A2C2位于时间轴t上，与时间轴重合。该交点B1和B2定义信号波形的近似过零点；(4)根据上述确定的近似过零点B1和B2,即可得到待测的信号波形的频率f，即
权利要求
1.一种电力系统中频率的测量方法，用于实时跟踪电力系统中的待测信号波形的频率，其特征在于，该方法包括如下步骤 (1)根据待测波形建立直角坐标系，其中横轴为时间，纵轴为信号值，且该待测波形关于横轴对称，其与横轴的交点为理论过零点； (2)对待测波形进行连续采样，找到位于任意的第一理论过零点O1的两侧的且连续的两采样点IV1和Ui，以及位于该第一理论过零点O1后与其相邻且变化率符号相同的第二理论过零点O2两侧的两采样点I^1和Up其中i、j分别为采样点的时间序列号； (3)根据采样点确定近似过零点 直线连接两采样点I^1和Ui，将其与横轴的交点B1确定为第一近似过零点，直线连接两采样点和+，将其与横轴的交点B2确定为第二近似过零点； (4)根据上述确定的近似过零点，即可测量得到待测的信号波形的频率f，即
2.根据权利要求I所述的电力系统中频率的实时测量方法，其特征在于，所述的待测信号波形为周期波形，如正弦波形、余弦波形或非正弦周期波形。
3.根据权利要求I或2所述的电力系统中频率的实时测量方法，其特征在于，所述待测信号为电压信号或电流信号、电场信号或磁场信号。
4.根据权利要求1-3之一所述的电力系统中频率的实时测量方法，其特征在于，所述第一理论过零点和第二理论过零点位于待测波形的同一周期。
5.根据权利要求1-4之一所述的电力系统中频率的实时测量方法，其特征在于，所述频率的精确测量值可通过测量多个周波内的频率值后通过求取平均值得到。
6.根据权利要求1-5之一所述的电力系统中频率的实时测量方法，其特征在于，所述待测波形可以先经过数字滤波处理，滤除直流和噪声干扰后再进行采样测量。
7.一种电力系统中电压、电流、电场或磁场的测量方法，通过测量相应波形的频率实现，其中，所述频率采用权利要求1-6之一所述的方法测量得到。
全文摘要
本发明公开了一种电力系统中频率的实时测量方法，用于实时跟踪电力系统中的待测信号波形的频率，包括(1)根据待测波形建立直角坐标系，其中横轴为时间，纵轴为信号瞬时值，其与横轴的交点为理论过零点；(2)对待测波形进行连续采样，找到落在任意的第一理论过零点两侧且连续的两采样点，以及落在位于该第一理论过零点后与其相邻且变化率符号相同的第二理论过零点两侧的两采样点；(3)根据采样值分别直线连接两采样点，将它们分别与横轴的交点确定为近似过零点；(4)根据确定的两近似过零点，即可测得待测的信号波形的频率。本发明的频率测量方法测量简单、运算量小、实时性好、精度足够高，适合于要求实时性好，测量精度较高的场合。
文档编号G01R23/02GK102879639SQ201210338758
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者李林峰, 李开成 申请人:华中科技大学