CN100432681C

CN100432681C - 交流电频率监测方法

Info

Publication number: CN100432681C
Application number: CNB2005100092926A
Authority: CN
Inventors: 张海雯; 段成刚; 吴小华; 冯鸣
Original assignee: Emerson Network Power Co Ltd
Current assignee: Dimension Corp
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2025-02-02
Also published as: CN1815248A

Abstract

本发明公开了一种交流电频率监测方法，包括以下步骤：对被监测交流电进行采样；根据采样值，查找出该采样波形的过零点；根据过零点，计算被监测交流电的周期T；计算被监测交流电的频率。本发明直接用软件查找过零点，硬件开销小；多次计算的结果平均之后作为最终结果，精度高；去掉了数值偏大和数值偏小的不可靠数据，抗干扰性能强；该方法实现起来简单合理，且数据准确、可靠，实用性强。

Description

交流电频率监测方法

【技术领域】

本发明涉及交流电频率的测量技术。

【背景技术】

在电能质量监测、电机调速等领域中经常需要监测交流电的频率，测量的频率越精确，应用的效果就更好。在现有的低频交流测量方法中，多是将交流电信号先通过整形电路整形成方波，检测方波相邻两个上升沿或者下降沿的时间间隔T，求倒数得出频率。但当市电谐波比较大，或者在过零点附件有来回抖动，就会存在多个过零点，导致频率误测率较大，精度也受到限制。

【发明内容】

本发明的主要目的就是为了解决现有技术中交流电频率测量精度不够的问题，提供一种交流电频率监测方法，测量精度高。

为实现上述目的，本发明提出的一种交流电频率监测方法，包括以下步骤：

1)对被监测交流电进行采样；

2)根据采样值，查找出该采样波形的过零点；

3)根据过零点，计算被监测交流电的周期T；

4)计算被监测交流电的频率。

其特点在于，步骤3)中，周期T的计算方法包括以下步骤：

3-1)分别计算第一过零点到第一过零点后的第一个采样点的时间间隔T₁和第二过零点到第二过零点前的第一个采样点的时间间隔T_n；

3-2)计算第一过零点和第二过零点之间的时间间隔T_m，T_m＝(N-1)T_s+T₁+T_n；其中N为第一过零点和第二过零点之间的采样次数，T_s为采样时间间隔；

3-3)计算被监测交流电的周期T，

T = \frac{{2 T}_{m}}{m - 1}

其中m为第一过零点和第二过零点之间且包括第一过零点和第二过零点的过零点的数量。

优选方案是步骤1)所述的采样为等时间间隔采样。步骤1)中所述的采样为对整周波进行采样。

步骤2)中所述的查找过零点包括以下步骤：

2-1)判断每个采样点的采样值的正负号；

2-2)如果两个相邻的采样点的符号相反，则该两个相邻采样点的采样幅值的连线与时间轴的交点为过零点。

其中步骤3-1)中所述的时间间隔T₁利用线性插值法通过以下步骤计算：

T_{1} = \frac{A_{1}}{A_{1} - A_{0}} T_{s}

步骤3-1)中所述的时间间隔T_n利用线性插值法通过以下步骤计算：

T_{n} = \frac{{- A}_{n}}{A_{n + 1} - A_{n}} T_{s}

其中A₁为第一过零点后的第一个采样点的采样值，A₀为第一过零点前的第一个采样点的采样值，A_n为第二过零点前的第一个采样点的采样值，A_n+1为第二过零点后的第一个采样点的采样值，并且A₀、A₁、A_n和A_n+1的值根据其采样点位于正半波还是负半波而带有相应的正负号。

优选地，将所述第一过零点设为该采样波形的第一个过零点，所述第二过零点设为该采样波形的最后一个与第一个过零点同向的过零点或最后一个与第一个过零点异向的过零点，第一过零点与第二过零点可以是间隔两个周波。

为使测量的频率更精确，重复步骤1)到步骤4)，测量出多个频率值，对多个频率值采用中值平均法计算出最终频率。

本发明的有益效果是：1)只有准确定位零点，才能计算出精确的频率，因对于呈正弦的交流电来说，零点附近的波形近似为线性。如果采样频率足够大，可以根据线性插值法，用零点附近的两个采样点定位出零点的位置。本方案采用等时间间隔采样和线性插值法，能够准确定位出零点，从而精确计算出交流电的周期和频率。2)测量出多个频率值，采用中值平均法滤去不可靠的值，平均后得出最后频率。消除了谐波和抖动的影响，使测量值更精确可靠。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明测量交流电周期的原理图；

图2是本发明对半个周波的交流电进行采样的原理图。

【具体实施方式】

本发明的原理通过测量交流电一个周波的频率进行说明，如图1所示，必要时对交流信号通过波形幅相变换、电平偏移，采样后得到CPU易于读取的采样数据，每个周波采样N个点，采样时间间隔为Ts，采样次数足够多，可应用线性插值法查找过零点。因为采样点并不是过零点，所以需要准确定位零点，才能计算周期。根据线性插值法，用

T_{1} = \frac{A_{1}}{A_{1} - A_{0}} T_{s}

零点附近的两个采样点定位出零点的位置。查找过零点可以通过以下步骤：判断第一个点M的采样值的正负号，然后依次寻找下面的点，找到第一个与之符号相反的点A₁，则A₁的前一个点为A₀，则第一个过零点就在A₁和A₀之间。通过线性插值法，可计算出A₁到零点的时间间隔T₁：

其中，A₁为第一个过零点后的第一个采样点的采样值，符号为正，A₀为第一个过零点前的第一个采样点的采样值，符号为负。

同理，可查找出该周波的第二个同向过零点，也是该周波的最后一个与第一个过零点同向的过零点。通过线性插值法，可计算出A_n到第二个同向过零点的时间间隔T_n：

T_{n} = \frac{- A_{n}}{A_{n + 1} - A_{n}} T_{s}

其中，A_n为第二个过零点前的第一个采样点的采样值，符号为负，A_n+1为第二个过零点后的第一个采样点的采样值，符号为正。互为同向过零点是指，沿时间轴方向，两个过零点前后的两个相邻采样点的值都是从正到负或者都是从负到正。

两个相邻同向过零点间采样N次，所以交流电的周期T为：

T＝(N-1)T_s+T₁+T_n

频率f是周期的倒数：

f = \frac{1}{T}

利用线性插值法查找过零点还可以通过以下步骤：

1)判断每个采样点的采样值的正负号；

2)如果两个相邻的采样点的符号相反，则该两个相邻采样点的采样幅值的连线与时间轴的交点为过零点。

这样求出的频率具有一定的精度，连续多测几个周波的周期再求频率可以提高精度，不过采样时间过长会使计算速度会受到一些影响，而且也和硬件查找过零点的方法一样也易于受到干扰。为了进一步提高精度和抗干扰能力，本发明的实施方案可以是连续采样三个周波、取得两个采样周波的周期(用于计算周期的周波个数总是比实际保存的采样点周波个数少一个)求频率，即所取的第一过零点与第二过零点间隔两个周波。测量多次，计算出多个频率，再采用中值平均的方法滤波。下面对连续取得两个采样周波的周期，再求频率进行说明，仍然采用同向过零点，包括以下步骤：

1)利用线性插值法计算两个周波的第一个过零点到第一个过零点后的第一个采样点的时间间隔T₁；

T_{1} = \frac{A_{1}}{A_{1} - A_{0}} T_{s}

2)利用线性插值法计算两个周波最后一个同向过零点到其前的第一个采样点的时间间隔T_n，

T_{n} = \frac{- A_{n}}{A_{n + 1} - A_{n}} T_{s}

其中A₁为第一个过零点后的第一个采样点的采样值，A₀为第一个过零点前的第一个采样点的采样值，A_n为最后一个同向过零点前的第一个采样点的采样值，A_n+1为其后的第一个采样点的采样值；

3)计算第一过零点和最后一个同向过零点之间的时间间隔T_m，

T_m＝(N-1)Ts+T₁+T_n

其中N为第一过零点和最后一个同向过零点之间的采样次数；

4)计算被监测交流电的周期T，

T = \frac{2 Tm}{m - 1}

其中m为第一过零点和最后一个同向过零点之间且包括第一过零点和最后一个同向过零点的过零点的数量，对于两个周波，过零点的数量m为5，所以

T = \frac{Tm}{2}

5)计算被监测交流电的周期f：

f = \frac{2}{Tm}

6)采用中值平均的方法滤波。将测得的一组频率按照从大到小或从小到大进行排序，根据具体情况对称去掉若干最大值和最小值，计算出剩下的中间值的平均值，即为该交流电的频率。

例如将测出的频率数据依次存放在名为freq[]的数组里，假设数组长度为10L，将数组按数值大小排序。为了去掉精度不高或者不可靠的数据，取freq[]数值大小居中的6L长度数据求平均值，这样处理之后的数据作为每轮的频率计算结果。数组里的数据随着每轮的采样和计算而动态更新，实时地用最新的数据把最老的数据替换掉。

上述被采样的周波也可以不是整的周波，例如可以是一个半周波或两个半周波，第一个过零点和最后一个过零点也可以是异向过零点，互为异向过零点是指两个过零点前后的两个采样值，一个从正到负，另一个从负到正。取异向过零点计算出的T不是整周期，可能是半个周期或一个半周期等等，根据取的采样点的长度而定。

下面以采样半个周波为例，对测量交流电的频率再做具体说明，如图2所示。采用异向过零点，包括以下步骤：

1)利用线性插值法计算半个周波的第一个过零点到第一个过零点后的第一个采样点的时间间隔T₁；

T_{1} = \frac{A_{1}}{A_{1} - A_{0}} T_{s}

2)利用线性插值法计算半个周波的与第一个过零点异向的过零点(以下简称该异向过零点)到其前的第一个采样点的时间间隔T_n，

T_{n} = \frac{- A_{n}}{A_{n + 1} - A_{n}} T_{s}

其中A₁为第一个过零点后的第一个采样点的采样值，符号为正，A₀为第一个过零点前的第一个采样点的采样值，符号为负，A_n为该异向过零点前的第一个采样点的采样值，符号为正，A_n+1为其后的第一个采样点的采样值，符号为负；

3)计算第一过零点和该异向过零点之间的时间间隔Tm，

Tm＝(N-1)Ts+T1+Tn

其中N为第一过零点和该异向过零点之间的采样次数；

4)计算被监测交流电的周期T，

T = \frac{2 Tm}{m - 1}

其中m为第一过零点和该异向过零点之间且包括第一过零点和该异向过零点的过零点的数量，对于半个周波，过零点的数量m为2，所以

T＝2Tm

5)计算被监测交流电的周期f：

f = \frac{1}{2 Tm}

综上所述，本发明的交流电频率测量方法，不需要先将交流电转换成方波，尤其适用于非方波形式的交流电，检测简便，直接用软件查找过零点，硬件开销小；多次计算的结果平均之后作为最终结果，精度高；去掉了数值偏大和数值偏小的不可靠数据，抗干扰性能强；该方法实现起来简单合理，且数据准确、可靠，实用性强。

Claims

1.一种交流电频率监测方法，包括以下步骤：

1)对被监测交流电进行采样；

2)根据采样值，查找出该采样波形的过零点；

3)根据过零点，计算被监测交流电的周期T；

4)计算被监测交流电的频率；

其特征在于，所述步骤3)包括以下步骤：

3-1)分别计算第一过零点到第一过零点后的第一个采样点的时间间隔T_l和第二过零点到第二过零点前的第一个采样点的时间间隔T_n；

3-3)计算被监测交流电的周期T，

T = \frac{{2 T}_{m}}{m - 1}

2.如权利要求1所述的交流电频率监测方法，其特征在于：步骤1)所述的采样为等时间间隔采样。

3.如权利要求1所述的交流电频率监测方法，其特征在于：步骤1)中所述的采样为对整周波进行采样。

4.如权利要求1所述的交流电频率监测方法，其特征在于：步骤2)所述的查找过零点包括以下步骤：

2-1)判断每个采样点的采样值的正负号；

5.如权利要求1所述的交流电频率监测方法，其特征在于：步骤3-1)中所述的时间间隔T₁利用线性插值法通过以下步骤计算：

T_{1} = \frac{A_{1}}{A_{1} - A_{0}} T_{s}

T_{n} = \frac{- A_{n}}{A_{n + 1} - A_{n}} T_{s}

6.如权利要求1所述的交流电频率监测方法，其特征在于：将所述第一过零点设为该采样波形的第一个过零点，所述第二过零点设为该采样波形的最后一个与第一个过零点同向的过零点或最后一个与第一个过零点异向的过零点。

7.如权利要求6所述的交流电频率监测方法，其特征在于：第一过零点与第二过零点间隔两个周波。

8.如权利要求1至7中任一项所述的交流电频率监测方法，其特征在于还包括以下步骤：重复步骤1)到步骤4)，测量出多个频率值，对多个频率值采用中值平均法计算出最终频率。