CN103913631A - 用于数显表的电网频率测量方法和测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于数显表的电网频率测量方法和测量系统。测量方法包括：将输入的电压信号经过衰减处理和低通滤波后按照预设时间间隔进行采样，得到离散采样信号；采用IIR滤波器对离散采样信号进行至少三阶滤波，获取得到的采样点序列在每一采样点处的电压幅值；滤除采样点序列的电压幅值的直流分量，获取得到的基波点序列在每一采样点处的电压幅值；获取基波点序列在每一上升沿和/或下降沿中的相邻两个采样点，根据两个采样点处的电压幅值计算电压幅值为零时对应的过零时间点，两个电压幅值互为相反；根据相邻两个上升沿中的过零时间点和/或相邻两个下降沿中的过零时间点计算电压信号的频率。本发明能够有效滤除谐波信号，准确测量电网频率。
Description
技术领域
本发明涉及电网领域，尤其是一种用于数显表的电网频率测量方法，还涉及一种用于数显表的电网频率测量系统。
背景技术
在工业生产日益发达的今天，用电能耗越来越高，用电负载也越来越复杂，导致电力线路中往往产生很严重的谐波。利用数显表测量电网频率时，必须要滤除掉谐波才能测量频率，否则频率计算结果将出现严重误差。
传统的数显表是将输入的交流电压信号通过光电耦合器隔离传输，处理器的I/O口通过光电耦合器的次级获得方波信号，该方波信号经处理器判断其上升下降沿，并配合计时器的计时，从而计算出频率。但是，传统的数显表只有在谐波小,信号较为稳定时,才能较为正确地计算。而在谐波信号干扰严重的情况下，交流电压信号有可能出现多次过零的情况，导致光电耦合器的次级在同一周期内出现多个方波，这样就导致计算出的频率产生误差甚至出错。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种用于数显表的电网频率测量方法和测量系统，能够有效滤除谐波信号，准确测量电网频率。
本发明采用的技术方案是提供一种用于数显表的电网频率测量方法，所述测量方法包括：将输入的电压信号经过衰减处理后进行低通滤波；按照预设时间间隔对低通滤波后的电压信号进行采样，得到预定时间长度的离散采样信号，其中，所述预定时间长度至少超过所述电压信号的一个周期；采用IIR滤波器对所述离散采样信号进行至少三阶滤波，得到采样点序列，获取所述采样点序列在每一采样点处的电压幅值S'k，k＝1,2,3,...N，其中，k为采样点；滤除所述采样点序列在每一采样点处的电压幅值S'k中的直流分量，得到基波点序列，获取所述基波点序列在每一采样点处的电压幅值Sk，其中，选择所述基波点序列在每一上升沿中的相邻两个采样点和/或在每一下降沿中的相邻两个采样点，根据所述相邻两个采样点处的电压幅值计算电压幅值为零时对应的过零时间点t，其中，Sk与Sk+1互为相反；根据相邻两个上升沿中的过零时间点和/或相邻两个下降沿中的过零时间点计算所述电压信号的频率。
其中，所述根据相邻两个上升沿中的过零时间点和/或相邻两个下降沿中的过零时间点计算所述电压信号的频率的步骤包括：根据相邻两个上升沿中的过零时间点之间的时间差值计算所述电压信号的频率。
其中，所述根据相邻两个上升沿中的过零时间点和/或相邻两个下降沿中的过零时间点计算所述电压信号的频率的步骤包括：根据相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值计算所述电压信号的频率。
其中，所述根据相邻两个上升沿中的过零时间点和/或相邻两个下降沿中的过零时间点计算所述电压信号的频率的步骤包括：计算相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值和相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值的平均值，根据所述平均值计算所述电压信号的频率。
其中，所述IIR滤波器采用切比雪夫I型低通滤波器，并且通带截止频率为55Hz,阻带截止频率为95Hz。
其中，采样频率为12.8ksps，所述预定时间长度为34ms。
本发明采用的另一技术方案是提供一种用于数显表的电网频率测量系统，所述测量系统包括低通滤波模块、采样模块、IIR滤波模块、直流滤除模块、采样点选择模块和计算模块，其中，所述低通滤波模块用于将输入的电压信号经过衰减处理后进行低通滤波；所述采样模块用于按照预设时间间隔对低通滤波后的电压信号进行采样，得到预定时间长度的离散采样信号，其中，所述预定时间长度至少超过所述电压信号的一个周期；所述IIR滤波模块用于采用IIR滤波器对所述离散采样信号进行至少三阶滤波，得到采样点序列，获取所述采样点序列在每一采样点处的电压幅值S'k，k＝1,2,3,...N，其中，k为采样点；所述直流滤除模块用于滤除所述采样点序列在每一采样点处的电压幅值S'k中的直流分量，得到基波点序列，获取所述基波点序列在每一采样点处的电压幅值Sk，其中，所述采样点选择模块用于选择所述基波点序列在每一上升沿中的相邻两个采样点和/或在每一下降沿中的相邻两个采样点，根据所述相邻两个采样点处的电压幅值计算电压幅值为零时对应的过零时间点t，其中，Sk与Sk+1互为相反；所述计算模块用于根据相邻两个上升沿中的过零时间点和/或相邻两个下降沿中的过零时间点计算所述电压信号的频率。
其中，所述计算模块具体用于根据相邻两个上升沿中的过零时间点之间的时间差值计算所述电压信号的频率。
其中，所述计算模块具体用于根据相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值计算所述电压信号的频率。
其中，所述计算模块具体用于计算相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值和相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值的平均值，根据所述平均值计算所述电压信号的频率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过低通滤波、采样以及IIR滤波器滤除掉大部分谐波后再滤除大部分直流分量，然后通过计算得到过零时间点，从而在利用相邻两个上升沿和/或下降沿中的过零时间点计算频率时，能够有效滤除谐波信号，准确测量电网频率，并且测量频率时，将去除剩余的直流分量的干扰，从而测量精度更高。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明用于数显表的电网频率测量方法一实施例的流程示意图。
图2是本发明用于数显表的电网频率测量系统一实施例的结构示意图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，
单独存在B这三种情况。
参见图1，是本发明用于数显表的电网频率测量方法一实施例的流程示意图。该测量方法包括以下步骤：
S11，将输入的电压信号经过衰减处理后进行低通滤波。
其中，电网中的电压信号电压很高，通常为220V。因此，在进行测量时，需要对电压信号进行衰减处理，使电压信号的电压降到比较小的值。衰减过程大多通过硬件电路实现，例如利用变压器进行变压。
电网中的电压信号并不纯净，包含了很多低频和高频谐波，高频谐波基本属于无用部分，而低频谐波中包含一些有用信息。采用低通滤波，可以保留一部分低频谐波，而滤除高频谐波。
S12，按照预设时间间隔对低通滤波后的电压信号进行采样，得到预定时间长度的离散采样信号，其中，预定时间长度至少超过电压信号的一个周期。
其中，预设时间间隔可以根据实际需要设置，预定时间长度也可以根据实际需要设置。可选地，在本实施例中，采样频率为12.8ksps，预定时间长度为34ms。各个地区或国家对电网中的频率都有规定，比如中国要求电网频率为50Hz，但是在实际情况中，电网频率因为各种原因会有变动，但是电网频率不能低于45Hz，否则就会出现严重问题。这里，假定电网频率为最低的45Hz,则一个周期为1/45＝22.222ms,预定时间长度可以设置为34ms,则采样时就可以至少采集到电压信号的一个半周期的数据。
S13，采用IIR滤波器对离散采样信号进行至少三阶滤波，得到采样点序列，获取采样点序列在每一采样点处的电压幅值S'k，k＝1,2,3,...N，其中，k为采样点。
其中，根据电网中干扰信号的特点,IIR滤波器主要滤除二次及以上的谐波。在本实施例中，IIR滤波器采用切比雪夫I型低通滤波器，并且通带截止频率为55Hz,阻带截止频率为95Hz。可选地，IIR滤波器的通带最大衰减为0.1dB,阻带最小衰减为40dB。本实施例的IIR滤波器经模拟滤波器设计再经双线性变换数字化后得到7阶滤波器传输函数。下面给出IIR滤波器的在实际应用场景中采用的参数：
H(z)＝[(8.17420e-15)+(5.72194e-14)z-1+(1.71658e-13)z-2+(2.86097e-13)z-3+(2.86097e-13)z-4+(1.71658e-13)z-5+(5.72194e-14)z-6+(8.17420e-15)z-7]/[(1.00000)+(-6.95302)z-1+(2.07205e1)z-2+(-3.43070e1)z-3+(3.40837e1)z-4+(-2.03185e1)z-5+(6.72966)z-6+(-9.55316e-1)z-7]。
TopDat[8]＝{8.17420e-15,5.72194e-14,1.71658e-13,2.86097e-13,2.86097e-13,1.71658e-13,5.72194e-14,8.17420e-15}。
DwnDat[8]＝{-9.55316e-1,6.72966,-2.03185e1,3.40837e1,-3.43070e1,2.07205e1,-6.95302e0,1.00000}。
其中，H(z)为传输函数，TopDat[8]为H(z)为分子系数，DwnDat[8]为H(z)为分母系数。
S14，滤除采样点序列在每一采样点处的电压幅值S'k中的直流分量，得到基波点序列，获取基波点序列在每一采样点处的电压幅值Sk，其中，
其中，由于采样点序列中包含直流分量，导致采样点序列的过零时间点很少甚至没有过零点。为所有采样点处的电压幅值的平均值，每一采样点处的电压幅值减去该平均值后，可以基本滤除直流分量。
S15，选择基波点序列在每一上升沿中的相邻两个采样点和/或在每一下降沿中的相邻两个采样点，根据相邻两个采样点处的电压幅值计算电压幅值为零时对应的过零时间点t，其中，Sk与Sk+1互为相反。
其中，经过直流分量滤除的基波点序列是比较纯净的基波信号数据,由于基波点序列是离散信号,并非像真实的模拟信号一样,是连续的.因此将基波点序列直接和零比较得到的频率将有偏差,采样频率越低采样位数越小,偏差就越大,并在此后的重复采样和计算中,这个偏差会在真实的频率附近上下波动。因此，在选取过零时间点时会出现两种情况：一种是基波点序列的过零时间点恰好是采样点，另一种是所有采样点均不是过零时间点。
针对第一种情况，在基波点序列的每个上升沿和/或每个下降沿上，都有一个采样点为过零时间点。假设第k个采样点为过零点，那么Sk为零，而第k+1个采样点处的Sk+1大于零或小于零，由可知，过零时间点t即为第k个采样点。如果第k+1个采样点为过零点，那么Sk+1为零，而第k个采样点处的Sk大于零或小于零，由可知，过零时间点t即为第k+1个采样点。
针对第二种情况，在基波点序列的每个上升沿和/或每个下降沿上，每一个采样点都不是过零时间点。那么在基波点序列的每个上升沿和/或每个下降沿，如果存在两个相邻的采样点，并且这两个采样点处的电压幅值互为相反，那么可以判定过零时间点必然位于这两个采样点之间。由于这两个采样点和过零时间点很接近，可以近似认为这三个点处的导数相等。由可知，小于1，则过零时间点t恰好在k与k+1之间。
S16，根据相邻两个上升沿中的过零时间点和/或相邻两个下降沿中的过零时间点计算电压信号的频率。
其中，当过零时间点确认后，相邻两个上升沿和/或相邻两个下降沿的过零时间点之间的时间差值刚好为电压信号的一个周期，由此可以计算电压信号的频率。
应当注意的是，由于选取的过零时间点是两个相邻的上升沿和/或下降沿，所以即使在步骤14中有很小部分的直流分量没有被滤除，也不会对频率测量带来影响。
可选地，步骤S16在具体实施时，可以仅根据相邻两个上升沿中的过零时间点之间的时间差值计算电压信号的频率，或仅根据相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值计算电压信号的频率，亦或计算相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值和相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值的平均值，根据平均值计算电压信号的频率。由平均值计算的频率准确率更高。
可选地，在步骤S16之后，测量方法还包括将基波点序列经过过零比较，输出方波信号，以供后续电路使用。
本发明实施例用于数显表的电网频率测量方法通过低通滤波、IIR滤波、直流分量滤除以及特定的过零时间点确定过程，并利用相邻两个上升沿和/或下降沿中的过零时间点计算频率，从而能够有效滤除谐波信号，准确测量电网频率，并且测量频率时，将去除剩余的直流分量的干扰，从而测量精度更高。除了低通滤波，IIR滤波、直流分量滤除、特定的过零时间点确定过程以及频率计算过程均可以采用单片机完成，从而可以简化电路结构、降低电路成本，减小故障率。
参见图2，是本发明用于数显表的电网频率测量系统一实施例的结构示意图。该测量系统包括低通滤波模块21、采样模块22、IIR滤波模块23、直流滤除模块24、采样点选择模块25和计算模块26。
低通滤波模块21用于将输入的电压信号经过衰减处理后进行低通滤波。其中，电网中的电压信号电压很高，通常为220V。因此，在进行测量时，需要对电压信号进行衰减处理，使电压信号的电压降到比较小的值。衰减过程大多通过硬件电路实现，例如利用变压器进行变压。
衰减后的电压信号并不纯净，包含了很多低频和高频谐波。高频谐波基本属于无用部分，而低频谐波中包含一些有用信息。采用低通滤波，可以保留一部分低频谐波，而滤除高频谐波。，如图中所示，A为低通滤波前的电压信号波形图，A′为低通滤波前的电压信号的频谱图，B为低通滤波后的电压信号波形图，B′为低通滤波后的电压信号的频谱图，经过低通滤波后，波形图中高频谐波已经滤除，频谱范围减小到20。
采样模块22用于按照预设时间间隔对低通滤波后的电压信号进行采样，得到预定时间长度的离散采样信号，其中，预定时间长度至少超过电压信号的一个周期。其中，预设时间间隔可以根据实际需要设置，预定时间长度也可以根据实际需要设置。可选地，在本实施例中，采样频率为12.8ksps，预定时间长度为34ms。各个地区或国家对电网中的频率都有规定，比如中国要求电网频率为50Hz，但是在实际情况中，电网频率因为各种原因会有变动，但是电网频率不能低于45Hz，否则就会出现严重问题。这里，假定电网频率为最低的45Hz,则一个周期为1/45＝22.222ms,预定时间长度可以设置为34ms,则采样时就可以至少采集到电压信号的一个半周期的数据。
IIR滤波模块23用于采用IIR滤波器对离散采样信号进行至少三阶滤波，得到采样点序列，获取采样点序列在每一采样点处的电压幅值S'k，k＝1,2,3,...N，，其中，k为采样点。其中，根据电网中干扰信号的特点,IIR滤波器主要滤除二次及以上的谐波。在本实施例中，IIR滤波器采用切比雪夫I型低通滤波器，并且通带截止频率为55Hz,阻带截止频率为95Hz。可选地，IIR滤波器的通带最大衰减为0.1dB,阻带最小衰减为40dB。本实施例的IIR滤波器经模拟滤波器设计再经双线性变换数字化后得到7阶滤波器传输函数。如图中所示，C为IIR滤波后的波形图，C′为IIR滤波后的频谱图。应当注意的是，由于裁减间隔很小，所以波形图呈现为连续平滑的曲线，但其仍然为离散信号。
直流滤除模块23用于滤除采样点序列在每一采样点处的电压幅值S'k中的直流分量，得到基波点序列，获取基波点序列在每一采样点处的电压幅值Sk，其中，其中，由于采样点序列中包含直流分量，导致采样点序列的过零时间点很少甚至没有过零点。为所有采样点处的电压幅值的平均值，每一采样点处的电压幅值减去该平均值后，可以基本滤除直流分量。如图中所示，D为经过直流滤除后的波形图，波形中几乎不含有直流分量。
采样点选择模块25用于选择基波点序列在每一上升沿中的相邻两个采样点和/或在每一下降沿中的相邻两个采样点，根据相邻两个采样点处的电压幅值计算电压幅值为零时对应的过零时间点t，其中，Sk与Sk+1互为相反。其中，经过直流分量滤除的基波点序列是比较纯净的基波信号数据,由于基波点序列是离散信号,并非像真实的模拟信号一样,是连续的.因此将基波点序列直接和零比较得到的频率将有偏差,采样频率越低采样位数越小,偏差就越大,并在此后的重复采样和计算中,这个偏差会在真实的频率附近上下波动。因此，在选取过零时间点时会出现两种情况：一种是基波点序列的过零时间点恰好是采样点，另一种是所有采样点均不是过零时间点。针对第一种情况，在基波点序列的每个上升沿和/或每个下降沿上，都有一个采样点为过零时间点。假设第k个采样点为过零点，那么Sk为零，而第k+1个采样点处的Sk+1大于零或小于零，由可知，过零时间点t即为第k个采样点。如果第k+1个采样点为过零点，那么Sk+1为零，而第k个采样点处的Sk大于零或小于零，由可知，过零时间点t即为第k+1个采样点。针对第二种情况，在基波点序列的每个上升沿和/或每个下降沿上，每一个采样点都不是过零时间点。那么在基波点序列的每个上升沿和/或每个下降沿，如果存在两个相邻的采样点，并且这两个采样点处的电压幅值互为相反，那么可以判定过零时间点必然位于这两个采样点之间。由于这两个采样点和过零时间点很接近，可以近似认为这三个点处的导数相等。由可知，小于1，则过零时间点t恰好在k与k+1之间。
计算模块26用于根据相邻两个上升沿中的过零时间点和/或相邻两个下降沿中的过零时间点计算电压信号的频率。其中，当过零时间点确认后，相邻两个上升沿和/或相邻两个下降沿的过零时间点之间的时间差值刚好为电压信号的一个周期，由此可以计算电压信号的频率。应当注意的是，由于选取的过零时间点是两个相邻的上升沿和/或下降沿，所以即使直流滤除模块24还剩余很小部分的直流分量没有滤除，也不会对频率测量带来影响。
可选地，计算模块26具体用于仅根据相邻两个上升沿中的过零时间点之间的时间差值计算电压信号的频率，或仅根据相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值计算电压信号的频率，亦或计算相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值和相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值的平均值，根据平均值计算电压信号的频率。由平均值计算的频率准确率更高。
可选地，计算模块26计算出频率后，还可以将基波点序列经过过零比较，输出方波信号，以供后续电路使用。
本实施例的测量系统可以集成于数显表中，以应用于配电箱，工业自动化，自动化变电站，楼宇自动化等场合。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种用于数显表的电网频率测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：
将输入的电压信号经过衰减处理后进行低通滤波；
按照预设时间间隔对低通滤波后的电压信号进行采样，得到预定时间长度的离散采样信号，其中，所述预定时间长度至少超过所述电压信号的一个周期；
采用IIR滤波器对所述离散采样信号进行至少三阶滤波，得到采样点序列，获取所述采样点序列在每一采样点处的电压幅值S'k，k＝1,2,3,...N，其中，k为采样点；
滤除所述采样点序列在每一采样点处的电压幅值S'k中的直流分量，得到基波点序列，获取所述基波点序列在每一采样点处的电压幅值Sk，其中，
选择所述基波点序列在每一上升沿中的相邻两个采样点和/或在每一下降沿中的相邻两个采样点，根据所述相邻两个采样点处的电压幅值计算电压幅值为零时对应的过零时间点t，其中，Sk与Sk+1互为相反；
根据相邻两个上升沿中的过零时间点和/或相邻两个下降沿中的过零时间点计算所述电压信号的频率。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述根据相邻两个上升沿中的过零时间点和/或相邻两个下降沿中的过零时间点计算所述电压信号的频率的步骤包括：
根据相邻两个上升沿中的过零时间点之间的时间差值计算所述电压信号的频率。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述根据相邻两个上升沿中的过零时间点和/或相邻两个下降沿中的过零时间点计算所述电压信号的频率的步骤包括：
根据相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值计算所述电压信号的频率。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述根据相邻两个上升沿中的过零时间点和/或相邻两个下降沿中的过零时间点计算所述电压信号的频率的步骤包括：
计算相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值和相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值的平均值，根据所述平均值计算所述电压信号的频率。
5.根据权利要求1至4任一项所述的测量方法，其特征在于，所述IIR滤波器采用切比雪夫I型低通滤波器，并且通带截止频率为55Hz,阻带截止频率为95Hz。
6.根据权利要求1至4任一项所述的测量方法，其特征在于，采样频率为12.8ksps，所述预定时间长度为34ms。
7.一种用于数显表的电网频率测量系统，其特征在于，所述测量系统包括低通滤波模块、采样模块、IIR滤波模块、直流滤除模块、采样点选择模块和计算模块，其中，
所述低通滤波模块用于将输入的电压信号经过衰减处理后进行低通滤波；
所述采样模块用于按照预设时间间隔对低通滤波后的电压信号进行采样，得到预定时间长度的离散采样信号，其中，所述预定时间长度至少超过所述电压信号的一个周期；
所述IIR滤波模块用于采用IIR滤波器对所述离散采样信号进行至少三阶滤波，得到采样点序列，获取所述采样点序列在每一采样点处的电压幅值S'k，k＝1,2,3,...N，其中，k为采样点；
所述直流滤除模块用于滤除所述采样点序列在每一采样点处的电压幅值S'k中的直流分量，得到基波点序列，获取所述基波点序列在每一采样点处的电压幅值Sk，其中，
所述采样点选择模块用于选择所述基波点序列在每一上升沿中的相邻两个采样点和/或在每一下降沿中的相邻两个采样点，根据所述相邻两个采样点处的电压幅值计算电压幅值为零时对应的过零时间点t，其中，Sk与Sk+1互为相反；
所述计算模块用于根据相邻两个上升沿中的过零时间点和/或相邻两个下降沿中的过零时间点计算所述电压信号的频率。
8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述计算模块具体用于根据相邻两个上升沿中的过零时间点之间的时间差值计算所述电压信号的频率。
9.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述计算模块具体用于根据相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值计算所述电压信号的频率。
10.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，所述计算模块具体用于计算相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值和相邻两个下降沿中的过零时间点之间的时间差值的平均值，根据所述平均值计算所述电压信号的频率。
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