CN102253281A - 一种基于软件抗谐波干扰并自动换相测量电网频率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于软件抗谐波干扰并自动换相测量电网频率的方法，包括以下步骤：通过A/D采样单元获得三相电压同步瞬时采样值；对同步瞬时采样值进行矢量运算，生成新的瞬时值；对新生成的瞬时值进行低通滤波；对低通滤波器输出的数据进行零点判断，出现第一次过零点时开始计时；当低通滤波输出的数据过零点的数量达到预定值后结束计时，计算间隔时间；通过间隔时间和该段时间经过的过零点次数计算电网频率。本发明对同步瞬时采样值进行矢量运算，可保证只要任何一相电压有信号，该矢量运算数据就有信号，系统无需任何辅助判断即可自动适应电压的相序。滤波器的采用可以保证最终用于测量频率的信号基本为正弦波，无需考虑电网中谐波的干扰。

Description

一种基于软件抗谐波干扰并自动换相测量电网频率的方法

技术领域

本发明属于仪器仪表测量技术领域，尤其涉及一种测量电网频率的方法。

背景技术

在电力系统中，数字化电力仪表广泛应用于各种控制系统、能源管理系统、变电站自动化和配电网自动化的开关柜中。电力仪表的各类参数中基本上所有测量参数的计算都和频率参数有关，如何准确有效快速的计算出电网频率成为计算其它电网参数的基础。当前，电力系统中频率测量方法有硬件和软件两类。传统的硬件测量由过零比较器、方波形成电路和计数器构成，需要增加硬件测频电路，容易受器件零点漂移和高次谐波的影响。在软件测频算法中，目前已经提出了许多不同的频率测量算法，它们各有优缺点，这其中基本上都需要对三相电压的频率分别进行计算，之后通过软件判断当前相电压是否出现缺相等问题，如果出现则放弃该相电压计算的相关频率。这造成了一个频率数据必须要进行三次测量(三相电压)的问题，浪费大量处理器资源。同时电网中的谐波也时刻影响着频率的测量精度。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于软件抗谐波干扰并自动换相测量电网频率的方法，通过矢量运算及数字低通滤波器保证软件能够自适应用于计算频率的输入电压，无需分别计算三相电压的频率，同时可避免谐波对频率测量造成的影响。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种基于软件抗谐波干扰并自动换相测量电网频率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过A/D采样单元获得三相电压同步瞬时采样值Ua，Ub，Uc；

(2)对所述步骤(1)中的同步瞬时采样值进行矢量运算(Ua-Ub-Uc)/2，生成新的瞬时值；

(3)对所述步骤(2)新生成的瞬时值通过低通滤波器进行低通滤波；

(4)判断所述步骤(3)中的低通滤波器输出的数据是否过零点，若没有出现过零点则返回步骤(1)，若出现过零点则将过零点次数加1，继续判断过零点次数是否为1，若过零点次数为1，则开始计时并返回步骤(1)；

(5)判断所述步骤(4)中过零点的次数是否达到事先设定的数值N，N为正整数，若过零点的次数没有达到N，则返回所述步骤(1)，若过零点的次数等于N，则结束计时，计算间隔时间T；

(6)通过步骤(5)所述间隔时间T和该段时间经过的过零点次数N计算电网频率f：

所述低通滤波器可以为数字低通滤波器。

还可包括步骤(7)：清除所述步骤(5)统计的过零点次数N并继续执行步骤(1)。

有益效果：本发明对同步瞬时采样值进行矢量运算(Ua-Ub-Uc)/2可保证只要任何一相电压有信号，该矢量运算数据就有信号，系统无需任何辅助判断即可自动适应电压的相序。滤波器的采用可以保证最终用于测量频率的信号基本为正弦波，无需考虑电网中谐波的干扰。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为传递函数的幅值图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明公开了一种基于软件抗谐波干扰并自动换相测量电网频率的方法，包括以下步骤：

步骤(1)，通过A/D采样单元获得三相电压同步瞬时采样值Ua，Ub，Uc；

步骤(2)，对同步瞬时采样值进行矢量运算(Ua-Ub-Uc)/2生成新的瞬时值；

步骤(3)，对新生成的瞬时值进行数字低通滤波，保证信号中基波频率(50Hz或60Hz)信号可以通过，大于该频率的信号分量被滤除；

步骤(4)，对数字低通滤波器输出的数据进行零点判断，若出现第一次过零点时启动处理器内部定时器开始计时，若没有出现过零点则返回步骤(1)；

步骤(5)，判断步骤(4)中过零点的次数是否达到事先设定的数值N，N为正整数，若过零点的次数没有达到N，则返回步骤(1)，若过零点的次数等于N，则结束定时器计时，计算间隔时间T；

步骤(6)，通过间隔时间T和该段时间经过的过零点数量N计算出电网频率f：

步骤(7)，清除步骤(5)统计的过零点次数N并重复步骤(1)。

在电力设备领域、特别是三相电力网络仪表技术领域，频率的测量至关重要，在某一相或某两相电压缺少的情况下仪表应该能够转而测量出有电压信号相的频率，并以此作为电网的频率。通常的做法是分别测量三相电压的频率，通过软件判断每一相的电压是否小于限值来决定采用或者放弃该相测出的频率。所谓自动换相即无需软件的辅助判断，无需分别测量三相电压的频率，可自动转换用于测量电网频率的电压相序。

低通滤波器的设计主要是为了解决电网谐波所带来的干扰，做到根据电网谐波的特点尽量用阶数低的滤波器且滤波器的参数可用16位定点数表示而不至于导致震荡等问题。举例如下：

理想的三相电压的公式如下所示：

Ua＝U*sin(ωt)；

矢量运算(Ua-Ub-Uc)/2的结果为Ux＝U*sin(ωt)。通过结果我们发现Ua＝Ux，这也是在矢量运算中电压相减后要除以2的原因，这样可以保证运算结果的幅值大小与相电压基本相同，不会因为矢量运算导致数据的溢出。假设某一时刻A相电压缺相为0，则矢量运算(Ua-Ub-Uc)/2的结果为

$\mathrm{Ux}=\frac{1}{2}U*\sin \left(\mathrm{\ωt}\right),$

继续使用Ux测量电网的频率不会存在任何问题。假设某一时刻B相和C相电压同时缺相为0，则矢量运算(Ua-Ub-Uc)/2的结果为

$\mathrm{Ux}=\frac{1}{2}U*\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)$

同样继续使用Ux测量电网的频率不会存在任何问题。假设某一时刻A相电压、B相电压、C相电压同时缺相为0，则Ux＝0，此时相当于整个电网停电，频率也就不存在了，只需要设置成默认值就可以。对于现场的电网，三相电压的幅值无法完全相同，电压之间的相位差也不可能和理论值完全相等，但是各相电压频率之间的误差确是极微小的，可以认为相等。也正因为此，对三相电压进行的矢量运算绝对不会改变电网固有的频率特征。

低通滤波器的设计需要结合现场电网的特点：偶次谐波较小而奇次谐波偏大。正是这个特点，对于偶次谐波衰减的要求无需特别高。滤波器的传递函数可根据不同的采样频率进行调整，优选地，滤波器采用切比雪夫型滤I型波器，滤波器的截止频率保持在100Hz左右，100Hz的衰减小于-10dB，以保证电网频率无论50Hz或者是60Hz都可以通过滤波器。由于切比雪夫型I型滤波器在频带内基本呈现单调性，滤波器随着频率的增加其衰减逐渐大，基本可保证3次谐波输出的信号衰减为-20dB左右，同时滤波器的阶数保持在2阶，滤波器的参数通过16位定点数即可保证精度。此为申请人经过反复多次的实验研发中获得的数量值，由于电网中谐波百分含量通常在100％以内，所以经过滤波器后用于测量频率的周期波形基本为交流正弦信号，保留了完整的频率信息。假设A/D采样频率为6.4kHz，现给出按照要求设计的低通滤波器的传递函数，如下：

$H\left(z\right)=0.000576*\frac{1+{2z}^{-1}+z^{-2}}{1-{1.945z}^{-1}+{0.948z}^{-2}}$

该传递函数的幅值图如图2所示，图中的横坐标为频率，纵坐标为幅值，表示输出信号各个频率点与输入信号该频率点的比例关系，单位采用dB表示，可以看出在150Hz时，幅值的衰减为-18.9dB，也就是说三次谐波经过该低通滤波器后大小变为原来的0.113倍，随着频率的提高，幅值的衰减幅度越来越大。在电网频率测量中，高次谐波由于可能会导致波形在零点附近抖动而使频率测量误差偏大，所以干净的滤除高次谐波对频率测量非常重要。该低通率波器在500Hz的频率点的衰减幅度为-40.5dB，基本可以不用考虑其对频率测量的影响。随着频率的增加，幅值衰减程度越来越大，高次谐波可以被该滤波器有效的滤除。

数据经过低通滤波器后软件判断其是否为过零点，所谓过零点即当前数据与上次低通滤波器输出的数据乘积小于零或者本次低通滤波器输出的数据等于零都可认为波形正在穿过零点。当第一次出现过零点时，软件开启定时器进行计数。对于交流正弦波型一个周期有两个过零点，当交流波形经过N个过零点时，定时器停止计数并计算出时间T。一般情况下为了兼顾显示频率的实时性等因素，可将N设置为50，即统计25个周期波形的时间。因为正常电网的频率在50Hz左右，所以统计的时间应该在0.5S左右，而通常仪表刷新显示界面的周期都在0.5S到1S之间，因此该统计周期既可以保证测量电网频率的精度，又可以跟上显示刷新的速度。根据公式

计算出当前电网的频率。最后清除统计的过零次数为下一个计算频率循环做准备。

Claims (3)

1.一种基于软件抗谐波干扰并自动换相测量电网频率的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过A/D采样单元获得三相电压同步瞬时采样值Ua，Ub，Uc；

(2)对所述步骤(1)中的同步瞬时采样值进行矢量运算(Ua-Ub-Uc)/2，生成新的瞬时值；

(3)对所述步骤(2)新生成的瞬时值通过低通滤波器进行低通滤波；

(4)判断所述步骤(3)中的低通滤波器输出的数据是否过零点，若没有出现过零点则返回步骤(1)，若出现过零点则将过零点次数加1，继续判断过零点次数是否为1，若过零点次数为1，则开始计时并返回步骤(1)；

(5)判断所述步骤(4)中过零点的次数是否达到事先设定的数值N，N为正整数，若过零点的次数没有达到N，则返回所述步骤(1)，若过零点的次数等于N，则结束计时，计算间隔时间T；

(6)通过步骤(5)所述间隔时间T和该段时间经过的过零点次数N计算电网频率f：

2.根据权利要求1所述一种基于软件抗谐波干扰并自动换相测量电网频率的方法，其特征在于：所述低通滤波器为数字低通滤波器。

3.根据权利要求1所述一种基于软件抗谐波干扰并自动换相测量电网频率的方法，其特征在于：还包括步骤(7)：清除所述步骤(5)统计的过零点次数N并继续执行步骤(1)。

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