CN103941088A - 一种基于三相信号的电力系统频率快速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三相信号的电力系统频率快速测量方法，包括：（1）对电力系统三相信号的同步采样；（2）对周期信号每一个周期内的正向过零点和负向过零点均进行频率测量；（3）将三相信号所测频率值均作为系统频率值；（4）将线电量也纳入频率测量范围，且所测频率值也作为系统频率值；（5）通过使用正负过零点、三相信号、三相线电量信号，使测频密度较传统过零点算法增加12倍，即每周波测频12次。本发明的频率测量方法测量简单、运算量小、跟踪频率速度快、实时性好、精度足够高，适用于智能电网对频率测量的要求。

Description

一种基于三相信号的电力系统频率快速测量方法

技术领域

本发明属于电力系统中的频率测量技术领域，具体涉及一种基于三相信号的电力系统频率快速实时测量方法。

背景技术

频率是最基本的电学量之一，电力系统中的电压、电流相量测量以及电能质量分析等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）才能进行精确的电压、电流相量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算法、最小二乘法原理算法、基于信号观测模型的解析法、短窗算法、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，但频率跟踪速度慢，一个周波只能进行一次测量。最小二乘法原理算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。短窗和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，该算法有一定的滤波效果，理论上可以将频率进行逐点测量，但频率偏移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，对其原始的定时间间隔离散化采样值序列先进行低通滤波，以消除原始输入信号中二次及二次以上谐波分量的干扰；再将采样值序列傅里叶变换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频率值。该方法频率跟踪速度快，但计算过程中用到两个周波的离散采样值，计算量过大，修正公式以查表方式实现，内存占用量大。

CN102879639A公开了一种电力系统频率的测量方法，测得待测波形的同一周期内变化率符号相同的两个近似过零点，再根据两个过零点的时间间隔求取待测波形的准确频率值。该方法只对单相数据进行了测量，并且计算的过零点方向均相同且只有一个方向，这样一来待测波形在一个信号周期内只有两个相邻同向过零点，一个周波只能进行一次测量，频率跟踪速度有限，不能满足当前测频跟踪速度的要求。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种基于三相信号的电力系统频率快速测量方法。该方法使用三相电气量，利用线性插值原理的过零点检测，增加一个信号周期时间内的测频次数即增加测频密度，结合前置、后置滤波等处理，实现高精度的频率的快速实时测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于三相信号的电力系统频率快速测量方法，包括以下步骤：

（1）对电力系统中的电流或电压电气量进行采样频率恒定的三相同步采样，并对采样结果进行前置低通滤波。

（2）利用线性插值原理，分别求取当前周期采样电气量信号的正向和负向过零点时刻。

（3）同时进行当前周期的A、B、C三相采样信号相电量的频率测量：分别将当前周期每一相采样信号相电量中的正向或负向过零点时刻与其相邻周期的同方向的过零点时刻作差值，得到的一个时间差即为待测信号的一个周期时间，相应的得到待测信号的一个频率值。

（4）对上述所得频率测量值进行后置滤波处理，得到最终的电力系统频率值。

所述步骤（3）中利用当前周期每一相的相电量信号计算频率值可以替换为利用当前周期A、B、C三相采样信号之间每两相线电量信号计算频率值，计算方法为：

同时进行当前周期的A、B、C三相采样信号中每两相线电量的频率测量：分别将当前周期每两相采样信号线电量中的正向或负向过零点时刻与其相邻周期的同方向的过零点时刻作差值，得到的一个时间差即为待测信号的一个周期时间，相应的得到待测信号的一个频率值。

所述步骤（3）中分别利用当前周期每一相的电气量信号计算频率值可以替换为利用当前周期三相采样信号中每一相的相电量信号和当前周期三相采样信号中每两相的线电量信号同时计算频率值，计算方法为：

同时进行当前周期A、B、C三相采样信号中每一相相电量和每两相线电量的频率测量：

分别将当前周期A、B、C三相采样信号中每一相相电量和每两相线电量的正向或负向过零点时刻与其相邻周期的同方向的过零点时刻作差值，得到的一个时间差即为待测信号的一个周期时间，相应的得到待测信号的一个频率值。

所述步骤（2）中的当前周期采样电气量信号可以是：A、B、C三相采样信号中每一相的相电压、相电流，或者A、B、C三相采样信号中每两相的线电压、线电流。

所述步骤（2）中利用线性插值原理求取当前周期电气量信号的过零点时刻的具体方法为：

在待测信号当前周期中找到任意的数值符号相反且相邻的两采样点的采样值A_i和A_i+1，则两采样点i和i+1之间存在过零点O_i，由i和i+1两采样点的采样值A_i和A_i+1确定的插值曲线计算过零点O_i对应的时刻。

找到与过零点O_i相邻且方向相同的过零点O_j两侧的两采样值A_j和A_j+1，并计算O_j对应的时刻，过零点O_i与O_j之间相隔的时间即为待测信号的一个周期，在O_j点测量到的系统频率所对应的时刻就是过零点O_j的时刻；其中i，j为采样点的时间序列号。

所述利用线性插值原理求取过零点O_i对应的时刻的计算方法为：

$A\left(t\right)=\frac{t-t_{A_{i+1}}}{t_{A_i}-t_{A_{t+1}}}\×A_i+\frac{t-t_{A_i}}{t_{A_{i+1}}-t_{A_i}}\×A_{i+1}$

其中，A(t)为采样信号幅值的时间函数，当A(t)＝0时，所对应的时刻t就是过零点时刻；A_i、A_i+1分别表示第i、第i+1个采样点的值，分别表示第i、第i+1个采样点所对应的时刻。

所述过零点O_i临近两采样点A_i和A_i+1应满足：

|A_i-A_i+1|≤ΔA_max

其中，A_i表示第i个采样点所对应的采样值，A_i+1表示第i+1个采样点所对应的采样值，ΔA_max表示过零点左右相邻的两采样值的最大差值。

假如在过零点前后信号幅值发生突变，将使信号过零点处线性度大大降低，进一步导致频率测量出现很大误差，为了防止这一现象的产生，应当设置此最大差值，其具体数值应针对不同的实际要求而进行设定。

若不满足，此时的过零点时刻不计入频率计算过程，当前频率值按上一过零点所得测量值计算，从下一过零点重新开始频率计算。由于这一过零点的时刻未计入频率计算过程，则这一时刻无法进行频率计算，但是这一时刻的频率值仍然看做与上一测频时刻所得到的频率值相同。

信号波形在过零点处的前后采样值由负到正的过零点称为正向过零点；信号波形在过零点处的前后采样值由正到负的过零点称为负向过零点。电力系统中的电压、电流等电气量信号的每一个周波内存在一个正向过零点和一个负向过零点。

电力系统中的电气量信号频率是三相相同的，因为采用三相同步采样，所以可将三相信号的过零点时刻表示在同一时间轴上。这样在一个信号周期内，就有来自三相信号的三个正向过零点和三个负向过零点，可以得到六次频率测量值。

相电压（相电流）两两相减就变为线电压（线电流），线电量同样也是正弦或余弦信号。将线电量也纳入频率计算范围，例如线电压、线电流。由于电气量信号三相频率相同，而线电压（线电流）为两相电压（电流）之间的差值，它们的频率与相电压（相电流）相同。所以可将线电压（线电流）的过零点时刻计入频率测量的时间轴中。这样在一个信号周期内，三相线电压或线电流可以提供三个正向过零点和三个负向过零点，可以进行六次频率计算。

本方法可以单独使用相电量进行频率测量，可以单独使用线电量进行频率测量，也可以将相电量和线电量均用于频率测量。单独使用相电量或线电量时，每周期可以进行六次频率测量；一起使用时，每周期可以进行十二次频率测量。

经过以上步骤，在信号的一个周期内，总共最多可以得到十二次频率测量值，相比于传统过零点测频方法，频率测量密度可以增加12倍。

同时，使用线电量进行频率测量有如下优势：当线电压或线电流信号过零时，对应的两相信号值不为零且距零值较远，此时A/D采样的线性度好，不易受噪声干扰，采样误差小。

频率的精确测量值可通过后置滤波来实现，为了使测频结果更加平滑、减小波动，可以将多次得到的频率值进行滤波，例如：可以采用求取多个时刻频率值的平均值的滤波方法。

本发明的有益效果是：

本发明测量方法简单、运算量小、跟踪速度快、精度足够高、受直流分量影响小，适合于能够采集三相数据、要求频率跟踪性好，测量精度较高的场合。

本发明适用于当前智能电网对频率的测量要求，不持续受过去计算值影响，本发明方法相对于CN102879639A公开的方法在频率跟踪速度上增加了12倍，能够满足实际工程对频率跟踪速度的要求，且测量精度非常高。

附图说明

图1为本发明实施例进行频率测量的原理示意图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

一种电力系统中频率的快速实时测量方法，用于实时跟踪电力系统中的待测信号的频率，包括以下步骤：

步骤一：对电力系统中的电气量（电流、电压）进行三相同步采样并进行低通滤波，滤除高频分量的干扰，采样频率恒定即定采样时间间隔采样。

步骤二：记录每一相电气量信号的正向过零点时刻。根据当前周期的正向过零点与其相邻周期的正向过零点的时间差，可以得到一次信号的周期时间，相应得到信号的频率值。

步骤三：记录每一相电气量信号的负向过零点时刻。根据当前周期的负向过零点与其相邻周期的负向过零点的时间差，可以得到一次信号的周期时间，相应得到信号的频率值。结合步骤二可知，在一个周期内可以得到两次频率测量值。

步骤四：电力系统中的电气量信号频率是三相相同的，因为采用三相同步采样，所以可将三相信号的过零点时刻表示在同一时间轴上。将三相信号均采用步骤二、三的方法同时进行频率测量。这样在一个信号周期内，就有来自三相信号的三个正向过零点和三个负向过零点，可以得到六次频率测量值。

步骤五：相电压（相电流）两两相减就变为线电压（线电流），线电量同样也是正弦或余弦信号。将线电量也纳入频率计算范围，例如线电压、线电流。由于电气量信号三相频率相同，而线电压（线电流）为两相电压（电流）之间的差值，它们的频率与相电压（相电流）相同。所以可将线电压（线电流）的过零点时刻计入频率测量的时间轴中。三相之间的三个线电量也采用步骤二、三的方式进行频率测量。这样在一个信号周期内，三相线电压或线电流可以提供三个正向过零点和三个负向过零点，可以进行六次频率计算。

步骤六：对频率测量值进行后置滤波，使测频结果更加稳定、平滑，减小波动。

本实施例中以三相电压信号为例，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，电力系统中的其他三相信号如电流等均可适用。

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：

步骤一：对电力系统中的电压信号进行三相同步采样，得到U_A、U_B、U_C，并进行低通滤波，采样频率恒定即定采样时间间隔采样；

步骤二：首先在A相中找到任意的数值符号相反且相邻的两采样点UA_i和UA_i+1，则两采样点之间存在过零点OA_i，过零点OA_i对应的时刻由两采样点UA_i和UA_i+1确定的插值曲线得到。然后找到在OA_i之后与其相邻且方向相同的过零点OA_j两侧的两采样点UA_j和UA_j+1，并确定OA_j对应的时刻。其中i，j为采样点的时间序列号。过零点OA_i与OA_j之间相隔的时间即为待测信号的一个周期。

求取过零点时刻线性插值的公式为：

$U_A\left(t\right)=\frac{t-t_{{\mathrm{UA}}_{i+1}}}{t_{{\mathrm{UA}}_i}-t_{U{A}_{t+1}}}\×{\mathrm{UA}}_i+\frac{t-t_{U{A}_i}}{t_{{\mathrm{UA}}_{i+1}}-t_{U{A}_i}}\×{\mathrm{UA}}_{i+1}=0$

当U_A(t)＝0时，

步骤三：过零点OA_i附近两采样值应满足|UA_i-UA_i+1|≤ΔU_max，若不满足，此时的过零点时刻不计入频率计算过程，当前频率值按上一过零点所得测量值计算，从下一过零点重新开始频率计算。

步骤四：对A相电压的正向和负向过零点均计算过零时刻，频率计算方式为：

$f=\frac{1}{t_{O{A}_j}-t_{{\mathrm{OA}}_i}}$

其中，和分别为前后两个相邻同向过零点的过零时刻。则频率测量时刻即为过零点OA_j对应时刻。

步骤五：对U_B、U_C两相电压分别进行频率测量，测量方法与步骤四相同。将从U_A、U_B、U_C三相电压采集到的频率测量值及对应时刻作为系统的频率值及测量时刻。

步骤六：对U_AB、U_BC、U_CA三个线电压信号分别进行频率测量，测量方法与步骤四相同。将三相线电压信号的频率测量值及对应时刻作为系统的频率值及测量时刻。

步骤七：对以上所得到的所有频率测量值进行滤波处理，使时间—频率曲线更加平滑，减小波动。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种基于三相信号的电力系统频率快速测量方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）对电力系统中的电流或电压电气量进行采样频率恒定的三相同步采样，并对采样结果进行前置低通滤波；

（2）利用线性插值原理，分别求取当前周期采样电气量信号的正向和负向过零点时刻；

（3）同时进行当前周期的A、B、C三相采样信号相电量的频率测量：分别将当前周期每一相采样信号相电量中的正向或负向过零点时刻与其相邻周期的同方向的过零点时刻作差值，得到的一个时间差即为待测信号的一个周期时间，相应的得到待测信号的一个频率值；

（4）对上述所得频率测量值进行后置滤波处理，得到最终的电力系统频率值。

2.如权利要求1所述的一种基于三相信号的电力系统频率快速测量方法，其特征是，所述步骤（3）中利用当前周期每一相的相电量信号计算频率值可以替换为利用当前周期A、B、C三相采样信号之间每两相线电量信号计算频率值，计算方法为：

同时进行当前周期的A、B、C三相采样信号中每两相线电量的频率测量：分别将当前周期每两相采样信号线电量中的正向或负向过零点时刻与其相邻周期的同方向的过零点时刻作差值，得到的一个时间差即为待测信号的一个周期时间，相应的得到待测信号的一个频率值。

3.如权利要求1所述的一种基于三相信号的电力系统频率快速测量方法，其特征是，所述步骤（3）中分别利用当前周期每一相的电气量信号计算频率值可以替换为利用当前周期三相采样信号中每一相的相电量信号和当前周期三相采样信号中每两相的线电量信号同时计算频率值，计算方法为：

同时进行当前周期A、B、C三相采样信号中每一相相电量和每两相线电量的频率测量：

分别将当前周期A、B、C三相采样信号中每一相相电量和每两相线电量的正向或负向过零点时刻与其相邻周期的同方向的过零点时刻作差值，得到的一个时间差即为待测信号的一个周期时间，相应的得到待测信号的一个频率值。

4.如权利要求1所述的一种基于三相信号的电力系统频率快速测量方法，其特征是，所述步骤（2）中的当前周期采样电气量信号可以是：A、B、C三相采样信号中每一相的相电压、相电流，或者A、B、C三相采样信号中每两相的线电压、线电流。

5.如权利要求1所述的一种基于三相信号的电力系统频率快速测量方法，其特征是，所述步骤（2）中利用线性插值原理求取当前周期电气量信号的过零点时刻的具体方法为：

在待测信号当前周期中找到任意的数值符号相反且相邻的两采样点的采样值A_i和A_i+1，则两采样点i和i+1之间存在过零点O_i，由i和i+1两采样点的采样值A_i和A_i+1确定的插值曲线计算过零点O_i对应的时刻；

找到与过零点O_i相邻且方向相同的过零点O_j两侧的两采样值A_j和A_j+1，并计算O_j对应的时刻，过零点O_i与O_j之间相隔的时间即为待测信号的一个周期，在O_j点测量到的系统频率所对应的时刻就是过零点O_j的时刻；其中i，j为采样点的时间序列号。

6.如权利要求5所述的一种基于三相信号的电力系统频率快速测量方法，其特征是，所述利用线性插值原理求取过零点O_i对应的时刻的计算方法为：

$A\left(t\right)=\frac{t-t_{A_{i+1}}}{t_{A_i}-t_{A_{t+1}}}\×A_i+\frac{t-t_{A_i}}{t_{A_{i+1}}-t_{A_i}}\×A_{i+1}$

其中，A(t)为采样信号幅值的时间函数，当A(t)＝0时，所对应的时刻t就是过零点时刻；A_i、A_i+1分别表示第i、第i+1个采样点的值，分别表示第i、第i+1个采样点所对应的时刻。

7.如权利要求5所述的一种基于三相信号的电力系统频率快速测量方法，其特征是，所述过零点O_i临近两采样点A_i和A_i+1应满足：

|A_i-A_i+1|≤ΔA_max

其中，A_i表示第i个采样点所对应的采样值，A_i+1表示第i+1个采样点所对应的采样值，ΔA_max表示过零点左右相邻的两采样值的最大差值；

若不满足，此时的过零点时刻不计入频率计算过程，当前时刻的频率值取上一过零点时刻所得的频率值，从下一满足要求的过零点时刻重新开始频率计算。