CN104635044B - 基于幅值调制的电力信号频率检测方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于幅值调制的电力信号频率检测方法和系统，所述方法包括：根据预设信号时间长度和预设采样频率，对电力信号进行采样，获得输入信号序列；测量所述输入信号序列的频率，得到所述电力信号的初步频率，并以所述初步频率为参考频率对输入信号序列和所述输入信号序列的π/2移相序列相加减，得到幅值随输入信号频率变化的两个幅值调制序列；通过分别对所述两个幅值调制序列进行混频、滤波以及积分，进而获取所述两个幅值调制序列的幅值，进行频率测量。实施本发明，可获得较高精度的频率测量结果。

Description

基于幅值调制的电力信号频率检测方法和系统

【技术领域】

本发明涉及电力技术领域，特别是涉及一种基于幅值调制的电力信号频率检测方法和系统。

【背景技术】

电力系统的频率测量、谐波测量、功率测量等在本质上均为正弦参数的测量。傅里叶变换等是实现正弦参数测量的基本方法，在电力系统有广泛的应用。但随着正弦测量技术的发展，傅里叶变换存在的问题也越显突出，难以进一步满足正弦参数高精度计算的要求。

在电力系统频率测量方面，有形式各样的频率测量或计算方法，如零交法、基于滤波的算法、基于小波变换算法、基于神经网络的算法、基于DFT变换的频率算法等。

但是，电网运行额定工频为50Hz，属于较低的频率，以上所述的频率测量方法对低频信号的频率测量精度不高，且抗噪声干扰性差，易导致正弦参数的测量精度低、抗噪声干扰性差。

另外，虽然频率测量是针对一段时间或序列进行的，但在研究和某些应用上，需要进行以1个采样间隔为距离的连续频率测量，信号初相位是任意的。上述频率测量方法难以满足连续频率测量的需要。

【发明内容】

基于此，有必要针对以上所述的频率测量方法对低频信号的频率测量精度不高，且抗噪声干扰性差，易导致正弦参数的测量精度低、抗噪声干扰性差、不能进行连续频率测量的问题，提供一种基于幅值调制的电力信号频率检测方法和系统。

一种基于幅值调制的电力信号频率检测方法，包括以下步骤：

根据预设信号时间长度和预设采样频率，对电力信号进行采样，获得输入信号序列；

对所述输入信号序列进行频率初测，生成所述电力信号的初步频率，以所述初步频率给定参考频率；

根据以下预设的第一转换规则将所述预设采样频率转换为所述参考频率在π/2移相的采样间隔整数，生成π/2序列长度，包括：获取所述预设采样频率与所述初步频率的比值；对所述比值与π/2的乘积向下取整为最接近的整数，生成所述π/2序列长度；

根据以下预设的第二转换规则，将所述π/2序列长度和所述预设采样频率转换为调幅频率，包括：获取所述预设采样频率与所述π/2序列长度的比值；获取所述比值与π/2的乘积为所述调幅频率；

将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度对应的移相序列相加，生成幅值随输入信号频率变化的第一幅值调制序列；

将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度对应的移相序列相减，生成幅值随输入信号频率变化的第二幅值调制序列；

将所述参考频率的余弦函数和所述参考频率的正弦函数分别与所述第一幅值调制序列相乘，生成第一实数向量序列和第一虚数向量序列；

将所述参考频率的余弦函数和所述参考频率的正弦函数分别与所述第二幅值调制序列相乘，生成第二实数向量序列和第二虚数向量序列；

分别对所述第一实数向量序列和所述第一虚数向量序列进行数字滤波，生成第一实数向量滤波序列和第一虚数向量滤波序列；

分别对所述第一实数向量滤波序列和所述第一虚数向量滤波序列进行积分运算，生成第一实数向量积分值和第一虚数向量积分值；

分别对所述第二实数向量序列和所述第二虚数向量序列进行数字滤波，生成第二实数向量滤波序列和第二虚数向量滤波序列；

对所述第二实数向量滤波序列和所述第二虚数向量滤波序列进行积分运算，生成第二实数向量积分值和第二虚数向量积分值；

根据以下预设的幅值转换规则，将所述第一虚数向量积分值与所述第一实数向量积分值转换为第一幅值，包括：获取所述虚数向量积分值与所述实数向量积分值的平方和，生成平方和参数；对所述平方和参数进行开根运算，生成所述第一幅值；

根据所述预设的幅值转换规则，将所述第二虚数向量积分值与所述第二实数向量积分值转换为第二幅值，包括：获取所述第二虚数向量积分值与所述第二实数向量积分值的平方和，生成平方和参数；对所述平方和参数进行开根运算，生成所述第二幅值；根据以下预设的频率转换规则，将所述第一幅值、所述第二幅值和调幅频率转换为所述电力信号的频率，包括：获取所述第二幅值与所述第一幅值的比值，生成幅值比值；获取所述幅值比值的反正切函数值；获取所述反正切函数值与所述调幅频率的乘积，生成乘积参数；获取所述乘积参数与π的比值的4倍，生成所述电力信号的频率。

一种基于幅值调制的电力信号频率检测系统，包括：

采样模块，用于根据预设信号时间长度和预设采样频率，对电力信号进行采样，获得输入信号序列；

初步频率模块，用于对所述输入信号序列进行频率初测，生成所述电力信号的初步频率，以所述初步频率给定参考频率；

π/2序列长度模块，用于根据以下预设的第一转换规则将所述预设采样频率转换为所述参考频率在π/2移相的采样间隔整数，生成π/2序列长度，包括：获取所述预设采样频率与所述初步频率的比值；对所述比值与π/2的乘积向下取整为最接近的整数，生成所述π/2序列长度；

调幅频率模块，用于根据以下预设的第二转换规则，将所述π/2序列长度和所述预设采样频率转换为调幅频率，包括：获取所述预设采样频率与所述π/2序列长度的比值；获取所述比值与π/2的乘积为所述调幅频率；

第一幅值调制模块，用于将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度对应的移相序列相加，生成幅值随输入信号频率变化的第一幅值调制序列；

第二幅值调制模块，用于将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度对应的移相序列相减，生成幅值随输入信号频率变化的第二幅值调制序列；

第一向量序列生成模块，用于将所述考频率的余弦函数和所述参考频率的正弦函数分别与所述第一幅值调制序列相乘，生成第一实数向量序列和第一虚数向量序列；

第二向量序列生成模块，用于将所述参考频率的余弦函数和所述参考频率的正弦函数分别与所述第二幅值调制序列相乘，生成第二实数向量序列和第二虚数向量序列；

第一向量滤波序列生成模块，用于分别对所述第一实数向量序列和所述第一虚数向量序列进行数字滤波，生成第一实数向量滤波序列和第一虚数向量滤波序列；

第一向量积分值生成模块，用于分别对所述第一实数向量滤波序列和所述第一虚数向量滤波序列进行积分运算，生成第一实数向量积分值和第一虚数向量积分值；

第二向量滤波序列生成模块，用于分别对所述第二实数向量序列和所述第二虚数向量序列进行数字滤波，生成第二实数向量滤波序列和第二虚数向量滤波序列；

第二向量积分值生成模块，用于对所述第二实数向量滤波序列和所述第二虚数向量滤波序列进行积分运算，生成第二实数向量积分值和第二虚数向量积分值；

第一幅值模块，用于根据以下预设的幅值转换规则，将所述第一虚数向量积分值与所述第一实数向量积分值转换为第一幅值，包括：获取所述虚数向量积分值与所述实数向量积分值的平方和，生成平方和参数；对所述平方和参数进行开根运算，生成所述第一幅值；第二幅值模块，用于根据所述预设的幅值转换规则，将所述第二虚数向量积分值与所述第二实数向量积分值转换为第二幅值，包括：获取所述第二虚数向量积分值与所述第二实数向量积分值的平方和，生成平方和参数；对所述平方和参数进行开根运算，生成所述第二幅值；频率测量模块，用于根据以下预设的频率转换规则，将所述第一幅值、所述第二幅值和调幅频率转换为所述电力信号的频率，包括：获取所述第二幅值与所述第一幅值的比值，生成幅值比值；获取所述幅值比值的反正切函数值；获取所述反正切函数值与所述调幅频率的乘积，生成乘积参数；获取所述乘积参数与π的比值的4倍，生成所述电力信号的频率。

上述基于幅值调制的电力信号频率检测方法和系统，根据预设信号时间长度和预设采样频率，对电力信号进行采样，获得输入信号序列；测量所述输入信号序列的频率，得到所述电力信号的初步频率，并以所述初步频率为参考频率对输入信号序列和所述输入信号序列的π/2移相序列相加减，得到幅值随输入信号频率变化的两个幅值调制序列；通过分别对所述两个幅值调制序列进行混频、滤波以及积分，进而获取所述两个幅值调制序列的幅值，进行频率测量。通过1/2π移相序列的幅值调制可有效抑制噪声或衰减次谐波和分次谐波干扰，通过数字滤波可抑制虚数向量序列和实数向量序列中的混频干扰成分，得到高精度的虚数向量积分值和实数向量积分值，进而最终获得精度较高的电力信号频率，并且能够进行以1个采样间隔为距离的连续频率测量。

【附图说明】

图1是本发明基于幅值调制的电力信号频率检测方法第一实施方式的流程示意图；

图2是本发明基于幅值调制的电力信号频率检测系统第一实施方式的结构示意图；

图3是本发明基于幅值调制的电力信号频率检测方法的测量频率相对误差随信号信噪比变化的实验结果示意图。

【具体实施方式】

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。

请参阅图1，图1是本发明的基于幅值调制的电力信号频率检测方法第一实施方式的流程示意图。

本实施方式的所述基于幅值调制的电力信号频率检测方法可包括以下步骤：

步骤S101，根据预设信号时间长度和预设采样频率，对电力信号进行采样，获得输入信号序列。

步骤S102，对所述输入信号序列进行频率初测，生成所述电力信号的初步频率，以所述初步频率给定参考频率。

步骤S103，根据预设的第一转换规则将所述预设采样频率转换为所述参考频率在π/2移相的采样间隔整数，生成π/2序列长度。

步骤S104，根据预设的第二转换规则，将所述π/2序列长度和所述预设采样频率转换为调幅频率。

步骤S105，将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度的移相序列相加，生成幅值随输入信号频率变化的第一幅值调制序列。

步骤S106，将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度的移相序列相减，生成幅值随输入信号频率变化的第二幅值调制序列。

步骤S107，将所述参考频率的余弦函数和所述参考频率的正弦函数分别与所述第一幅值调制序列相乘，生成第一实数向量序列和第一虚数向量序列。

步骤S108，将所述参考频率的余弦函数和所述参考频率的正弦函数分别与所述第二幅值调制序列相乘，生成第二实数向量序列和第二虚数向量序列。

步骤S109，分别对所述第一实数向量序列和所述第一虚数向量序列进行数字滤波，生成第一实数向量滤波序列和第一虚数向量滤波序列。

步骤S110，分别对所述第一实数向量滤波序列和所述第一虚数向量滤波序列进行积分运算，生成第一实数向量积分值和第一虚数向量积分值。

步骤S111，分别对所述第二实数向量序列和所述第二虚数向量序列进行数字滤波，生成第二实数向量滤波序列和第二虚数向量滤波序列。

步骤S112，对所述第二实数向量滤波序列和所述第二虚数向量滤波序列进行积分运算，生成第二实数向量积分值和第二虚数向量积分值。

步骤S113，根据预设的幅值转换规则，将所述第一虚数向量积分值与所述第一实数向量积分值转换为第一幅值。

步骤S114，根据所述预设的相位转换规则，将所述第二虚数向量积分值与所述第二实数向量积分值转换为第二幅值。

步骤S115，根据预设的频率转换规则，将所述第一幅值、所述第二幅值和调幅频率转换为所述电力信号的频率。

本实施方式，根据预设信号时间长度和预设采样频率，对电力信号进行采样，获得输入信号序列；测量所述输入信号序列的频率，得到所述电力信号的初步频率，并以所述初步频率为参考频率对输入信号序列和所述输入信号序列的π/2移相序列相加减，得到幅值随输入信号频率变化的两个幅值调制序列；通过分别对所述两个幅值调制序列进行混频、滤波以及积分，进而获取所述两个幅值调制序列的幅值，进行频率测量。通过1/2π移相序列的幅值调制可有效抑制噪声或衰减次谐波和分次谐波干扰，通过数字滤波可抑制虚数向量序列和实数向量序列中的混频干扰成分，得到高精度的虚数向量积分值和实数向量积分值，进而最终获得精度较高的电力信号频率，并且能够进行以1个采样间隔为距离的连续频率测量。

其中，对于步骤S101，可通过电网领域的采样设备对所述电力信号进行采样，获得输入信号序列。

优选地，为了保证一定的频率测量实时性，电力系统频率通常指信号在时间长度0.2s的平均频率，可取时间长度等于0.2s。

进一步地，电力系统额定频率50Hz，为了提高性能，采样频率应远大于50Hz，优选地，设置采样频率等于f_n＝10KHz，采样间隔表达为式(1)：

式中，T_n为采样间隔，单位s；f_n为所述预设采样频率，单位Hz。

所述样输入信号序列长度表达为式(2)：

N＝T_sf_n (2)；

式中，N为输入信号序列长度，单位无量纲，T_s为输入信号对应的输入时间，单位s。

所述输入信号序列表达为式(3)：

式中，X_i(n)为输入信号序列；A为信号幅值，单位v；ω为信号频率，单位rad/s；T_n为采样间隔，单位s；n为序列离散数，单位无量纲；为初相位，单位rad。

对于步骤S102，可通过零交法对所述输入信号序列进行频率初测，获取所述初步频率。还可通过本领域技术人员惯用的其他频率测量方法对所述输入信号序列进行频率初测。

所述初步频率表达为式(4)：

ω_o (4)；

式中，ω_o为初步频率，单位rad/s；

对于步骤S103，以所述初步频率为参考频率跟踪所述输入信号序列的频率。

优选地，所述参考频率表达为式(5)：

ω_s＝ω_o (5)；

式中，ω_s为参考频率，单位rad/s；ω_o为初步频率，单位rad/s。

在一个实施例中，根据预设的第一转换规则将所述预设采样频率转换为所述参考频率在π/2移相的采样间隔整数，生成π/2序列长度的步骤可包括以下步骤：

获取所述预设采样频率与所述初步频率的比值。

对所述比值与π/2的乘积向下取整为最接近的整数，生成所述π/2序列长度。

进一步地，根据所述预设的第一转换规则式(6)将所述预设采样频率转换为所述参考频率在π/2移相的采样间隔整数，生成π/2序列长度：

式中，N_π/2为所述π/2序列长度，单位无量纲；ω_s为参考频率，单位rad/s；T_n采样间隔。

对于步骤S104，所述预设的第二转换规则将所述π/2序列长度转换为所述调幅频率，用于修正N_π/2整数化存在1个采样间隔内的误差。

在一个实施例中，根据预设的第二转换规则，将所述π/2序列长度和所述预设采样频率转换为调幅频率的步骤可包括以下步骤：

获取所述预设采样频率与所述π/2序列长度的比值；

获取所述比值与π/2的乘积为所述调幅频率。

优选地，可通过所述预设的第二转换规则式(7)将所述π/2序列长度转换为所述调幅频率：

式中，ω_m为所述调幅频率，单位rad/s；N_π/2为所述π/2序列长度，单位无量纲；T_n为所述采样间隔。

信号频率与参考频率的频差为式(8)：

Ω＝ω-ω_s (8)；

式中，Ω为频差，单位rad/s。

对于步骤S105，将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度的移相序列相加，生成幅值随输入信号频率变化的第一幅值调制序列。

优选地，所述第一调幅调制序列为式(10)：

式中，X_MA(n)为第一幅值调制序列，M_A为第一幅值调制序列的调幅系数、单位无量纲，α为第一幅值调制序列的相位、单位rad。

对于步骤S106，将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度的移相序列相减，生成幅值随输入信号频率变化的第二幅值调制序列。

优选地，所述第二调幅调制序列为式(11)：

式中，X_MB(n)为第二幅值调制序列，M_B为第二幅值调制序列的调幅系数、单位无量纲，α为第二幅值调制序列的相位、单位rad。

对于步骤S107和步骤S108，所述参考频率的余弦函数和所述参考频率的正弦函数，可为以所述参考频率为频率的余弦函数和正弦函数。优选地，可通过乘法器将参考频率的余弦函数和参考频率的正弦函数分别与所述第一调幅调制序列或第二调幅调制序列相乘，生成第一实数向量序列与第一虚数向量序列或生成第二实数向量序列或第二虚数向量序列。所述乘法器是一种混频器。

对于步骤S109，可通过数字滤波器所述第一实数向量序列和所述第一虚数向量序列进行数字滤波，生成第一实数向量滤波序列和第一虚数向量滤波序列，滤除混频干扰成分。

在一个实施例中，数字滤波对所述实数向量序列中N_T个连续离散值相加，然后取其算术平均值作为滤波输出。

在N_T取值为二分之一参考频率的单位周期序列长度时，可以对1/2分次谐波和所有次谐波影响进行抑制，而在N_T取值为三分之二参考频率的单位周期序列长度时，可以对1/3分次谐波影响进行抑制。因此，数字滤波由两种滤波参数的滤波器所构成，为了提高混频干扰的抑制性能，每种滤波参数的滤波器均由参数完全相同的三级数字滤波组成。

滤波参数N_T取值为二分之一参考频率的单位周期序列长度时，第一数字滤波为式(12)：

式中，X_D1(n)为第一数字滤波输出序列，X_RI(n)为混频信号序列，N为序列长度，N_T1为第一滤波参数，即连续离散值相加数量。

N_T取值为三分之二参考频率的单位周期序列长度时，第二数字滤波为式(13)：

式中，X_D2(n)为第二数字滤波输出序列，X_D1(n)为所述第一数字滤波的输出序列，N_T2为第二滤波参数，即连续离散值相加数量。

在其他实施例中，还可通过第一数字滤波式对应的数字滤波器对所述第一实数向量序列或所述第一虚数向量序列进行三级以上数字滤波，通过第二数字滤波式对应的数字滤波器对所述第一滤波数据序列进行三级以上数字滤波。

对于步骤S110，可通过积分器分别对所述第一实数向量滤波序列和所述第一虚数向量滤波序列进行积分运算，生成第一实数向量积分值和第一虚数向量积分值。

优选地，积分器的积分式(14)：

式中，R_eA为第一实数向量积分值，I_mA为第一虚数向量积分值；L为积分序列长度，单位无量纲；K(Ω)为数字滤波在频差Ω的增益，单位无量纲；β(Ω)为数字滤波在频差Ω的移相，单位rad/s。

步骤S111和步骤S112分别与步骤S109和步骤S110相应。

对于步骤S113和步骤S114，所述预设的幅值转换规则可为本领域惯用的相位转换方法。

在一个实施例中，根据预设的幅值转换规则，将所述第一虚数向量积分值与所述第一实数向量积分值转换为第一幅值的步骤包括以下步骤：

获取所述第一虚数向量积分值与所述第一实数向量积分值的平方和，生成平方和参数。

对所述平方和参数进行开根运算，生成所述第一幅值。

在另一个实施例中，根据预设的幅值转换规则，将所述第二虚数向量积分值与所述第二实数向量积分值转换为第二幅值的步骤包括以下步骤：

获取所述第二虚数向量积分值与所述第二实数向量积分值的平方和，生成平方和参数。

对所述平方和参数进行开根运算，生成所述第二幅值。

优选地，通过公式(15)和公式(16)分别获得第一幅值和第二幅值：

其中，APM_A为第一幅值，APM_B为第二幅值，R_eB为第二实数向量积分值，I_mB为第二虚数向量积分值。

对于步骤S115，可通过电网领域的频率检测设备将所述第一虚数向量积分值与所述第一实数向量积分值转换为第一幅值。

在一个实施例中，根据预设的频率转换规则，将所述第一幅值、所述第二幅值和调幅频率转换为所述电力信号的频率的步骤包括以下步骤：

获取所述第二幅值与所述第一幅值的比值，生成幅值比值。

获取所述幅值比值的反正切函数值。

获取所述反正切函数值与所述调幅频率的乘积，生成乘积参数。

获取所述乘积参数与π的比值的4倍，生成所述电力信号的频率。

优选地，通过公式(17)将所述第一幅值、所述第二幅值和调幅频率转换为所述电力信号的频率：

其中，ω为rad/s单位的电力信号的频率。

请参阅图2，图2是本发明的基于幅值调制的电力信号频率检测系统第一实施方式的结构示意图。

本实施方式的所述基于幅值调制的电力信号频率检测系统可包括采样模块1010、初步频率模块1020、π/2序列长度模块1030、调幅频率模块1040、第一幅值调制模块1050、第二幅值调制模块1060、第一向量序列生成模块1080、第二向量序列生成模块1090、第一向量滤波序列生成模块1100、第一向量积分值生成模块1110、第二向量滤波序列生成模块1120、第二向量积分值生成模块1130、第一幅值模块1140、第二幅值模块1150、频率测量模块1160，其中：

采样模块1010，用于根据预设信号时间长度和预设采样频率，对电力信号进行采样，获得输入信号序列。

初步频率模块1020，用于对所述输入信号序列进行频率初测，生成所述电力信号的初步频率，以所述初步频率给定参考频率。

π/2序列长度模块1030，用于根据预设的第一转换规则将所述预设采样频率转换为所述参考频率在π/2移相的采样间隔整数，生成π/2序列长度。

调幅频率模块1040，用于根据预设的第二转换规则，将所述π/2序列长度和所述预设采样频率转换为调幅频率。

第一幅值调制模块1050，用于将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度的移相序列相加，生成幅值随输入信号频率变化的第一幅值调制序列。

第二幅值调制模块1060，用于将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度的移相序列相减，生成幅值随输入信号频率变化的第二幅值调制序列。

第一向量序列生成模块1080，用于将所述参考频率的余弦函数和所述参考频率的正弦函数分别与所述第一幅值调制序列相乘，生成第一实数向量序列和第一虚数向量序列。

第二向量序列生成模块1090，用于将所述参考频率的余弦函数和所述参考频率的正弦函数分别与所述第二幅值调制序列相乘，生成第二实数向量序列和第二虚数向量序列。

第一向量滤波序列生成模块1100，用于分别对所述第一实数向量序列和所述第一虚数向量序列进行数字滤波，生成第一实数向量滤波序列和第一虚数向量滤波序列。

第一向量积分值生成模块1110，用于分别对所述第一实数向量滤波序列和所述第一虚数向量滤波序列进行积分运算，生成第一实数向量积分值和第一虚数向量积分值。

第二向量滤波序列生成模块1120，用于分别对所述第二实数向量序列和所述第二虚数向量序列进行数字滤波，生成第二实数向量滤波序列和第二虚数向量滤波序列。

第二向量积分值生成模块1130，用于对所述第二实数向量滤波序列和所述第二虚数向量滤波序列进行积分运算，生成第二实数向量积分值和第二虚数向量积分值。

第一幅值模块1140，用于根据预设的幅值转换规则，将所述第一虚数向量积分值与所述第一实数向量积分值转换为第一幅值。

第二幅值模块1150，用于根据所述预设的相位转换规则，将所述第二虚数向量积分值与所述第二实数向量积分值转换为第二幅值。

频率测量模块1160，用于根据预设的频率转换规则，将所述第一幅值、所述第二幅值和调幅频率转换为所述电力信号的频率。

本实施方式，根据预设信号时间长度和预设采样频率，对电力信号进行采样，获得输入信号序列；测量所述输入信号序列的频率，得到所述电力信号的初步频率，并以所述初步频率为参考频率对输入信号序列和所述输入信号序列的π/2移相序列相加减，得到幅值随输入信号频率变化的两个幅值调制序列；通过分别对所述两个幅值调制序列进行混频、滤波以及积分，进而获取所述两个幅值调制序列的幅值，进行频率测量。通过1/2π移相序列的幅值调制可有效抑制噪声或衰减次谐波和分次谐波干扰，通过数字滤波可抑制虚数向量序列和实数向量序列中的混频干扰成分，得到高精度的虚数向量积分值和实数向量积分值，进而最终获得精度较高的电力信号频率。

其中，对于采样模块1010，可通过电网领域的采样设备对所述电力信号进行采样，获得输入信号序列。

优选地，为了保证一定的频率测量实时性，电力系统频率通常指信号在时间长度0.2s的平均频率，可取时间长度等于0.2s。

进一步地，电力系统额定频率50Hz，为了提高性能，采样频率应远大于50Hz，优选地，设置采样频率等于f_n＝10KHz，采样间隔表达为式(1)：

式中，T_n为采样间隔，单位s；f_n为所述预设采样频率，单位Hz。

所述样输入信号序列长度表达为式(2)：

N＝T_sf_n (2)；

式中，N为输入信号序列长度，单位无量纲，T_s为输入信号对应的输入时间，单位s。

所述输入信号序列表达为式(3)：

式中，X_i(n)为输入信号序列；A为信号幅值，单位v；ω为信号频率，单位rad/s；T_n为采样间隔，单位s；n为序列离散数，单位无量纲；为初相位，单位rad。

对于初步频率模块1020，可通过零交法对所述输入信号序列进行频率初测，获取所述初步频率。还可通过本领域技术人员惯用的其他频率测量方法对所述输入信号序列进行频率初测。

所述初步频率表达为式(4)：

ω_o (4)；

式中，ω_o为初步频率，单位rad/s；

对于π/2序列长度模块1030，以所述初步频率为参考频率跟踪所述输入信号序列的频率。

优选地，所述参考频率表达为式(5)：

ω_s＝ω_o (5)；

式中，ω_s为参考频率，单位rad/s；ω_o为初步频率，单位rad/s。

在一个实施例中，π/2序列长度模块1030可用于：

获取所述预设采样频率与所述初步频率的比值。

对所述比值与π/2的乘积向下取整为最接近的整数，生成所述π/2序列长度。

进一步地，根据所述预设的第一转换规则式(6)将所述预设采样频率转换为所述参考频率在π/2移相的采样间隔整数，生成π/2序列长度：

式中，N_π/2为所述π/2序列长度，单位无量纲；ω_s为参考频率，单位rad/s；T_n采样间隔。

对于调幅频率模块1040，所述预设的第二转换规则将所述π/2序列长度转换为所述调幅频率，用于修正N_π/2整数化存在1个采样间隔内的误差。

在一个实施例中，调幅频率模块1040可用于：

获取所述预设采样频率与所述π/2序列长度的比值；

获取所述比值与π/2的乘积为所述调幅频率。

优选地，可通过所述预设的第二转换规则式(7)将所述π/2序列长度转换为所述调幅频率：

式中，ω_m为所述调幅频率，单位rad/s；N_π/2为所述π/2序列长度，单位无量纲；T_n为所述采样间隔。

信号频率与参考频率的频差为式(8)：

Ω＝ω-ω_s (8)；

式中，Ω为频差，单位rad/s。

对于第一幅值调制模块1050，将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度的移相序列相加，生成幅值随输入信号频率变化的第一幅值调制序列。

优选地，所述第一调幅调制序列为式(10)：

式中，X_MA(n)为第一幅值调制序列，M_A为第一幅值调制序列的调幅系数、单位无量纲，α为第一幅值调制序列的相位、单位rad。

对于第二幅值调制模块1060，将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度的移相序列相减，生成幅值随输入信号频率变化的第二幅值调制序列。

优选地，所述第二调幅调制序列为式(11)：

式中，X_MB(n)为第二幅值调制序列，M_B为第二幅值调制序列的调幅系数、单位无量纲，α为第二幅值调制序列的相位、单位rad。

对于第一向量序列生成模块1080和第二向量序列生成模块1090，优选地，可通过乘法器将参考频率的正弦函数和参考频率的余弦函数分别与所述第一调幅调制序列或第二调幅调制序列相乘，生成第一实数向量序列与第一虚数向量序列，或生成第二实数向量序列与第二虚数向量序列。所述乘法器是一种混频器。

对于第一向量滤波序列生成模块1100，可通过数字滤波器所述第一实数向量序列和所述第一虚数向量序列进行数字滤波，生成第一实数向量滤波序列和第一虚数向量滤波序列，滤除混频干扰成分。

在一个实施例中，数字滤波对所述实数向量序列中N_T个连续离散值相加，然后取其算术平均值作为滤波输出。

在N_T取值为二分之一参考频率的单位周期序列长度时，可以对1/2分次谐波和所有次谐波影响进行抑制，而在N_T取值为三分之二参考频率的单位周期序列长度时，可以对1/3分次谐波影响进行抑制。因此，数字滤波由两种滤波参数的滤波器所构成，为了提高混频干扰的抑制性能，每种滤波参数的滤波器均由参数完全相同的三级数字滤波组成。

滤波参数N_T取值为二分之一参考频率的单位周期序列长度时，第一数字滤波为式(12)：

式中，X_D1(n)为第一数字滤波输出序列，X_RI(n)为混频信号序列，N为序列长度，N_T1为第一滤波参数，即连续离散值相加数量。

N_T取值为三分之二参考频率的单位周期序列长度时，第二数字滤波为式(13)：

式中，X_D2(n)为第二数字滤波输出序列，X_D1(n)为所述第一数字滤波的输出序列，N_T2为第二滤波参数，即连续离散值相加数量。

在其他实施例中，还可通过第一数字滤波式对应的数字滤波器对所述第一实数向量序列或所述第一虚数向量序列进行三级以上数字滤波，通过第二数字滤波式对应的数字滤波器对所述第一滤波数据序列进行三级以上数字滤波。

对于第一向量积分值生成模块1110，可通过积分器分别对所述第一实数向量滤波序列和所述第一虚数向量滤波序列进行积分运算，生成第一实数向量积分值和第一虚数向量积分值。

优选地，积分器的积分式(14)：

式中，R_eA为第一实数向量积分值，I_mA为第一虚数向量积分值；L为积分序列长度，单位无量纲；K(Ω)为数字滤波在频差Ω的增益，单位无量纲；β(Ω)为数字滤波在频差Ω的移相，单位rad/s。

第二向量滤波序列生成模块1120和第二向量积分值生成模块1130分别与第一向量滤波序列生成模块1120和第一向量积分值生成模块1130相应。

对于第一幅值模块1140和第二幅值模块1150，所述预设的幅值转换规则可为本领域惯用的相位转换方法。

在一个实施例中，第一幅值模块1140可用于：

获取所述第一虚数向量积分值与所述第一实数向量积分值的平方和，生成平方和参数；

对所述平方和参数进行开根运算，生成所述第一幅值。

在另一个实施例中，第二幅值模块1150可用于：

获取所述第二虚数向量积分值与所述第二实数向量积分值的平方和，生成平方和参数；

对所述平方和参数进行开根运算，生成所述第二幅值。

优选地，第一幅值模块1140和第二幅值模块1150可分别通过公式(15)和公式(16)分别获得第一幅值和第二幅值：

其中，APM_A为第一幅值，APM_B为第二幅值，R_eB为第二实数向量积分值，I_mB为第二虚数向量积分值。

对于频率测量模块1160，可通过电网领域的频率检测设备将所述第一虚数向量积分值与所述第一实数向量积分值转换为第一幅值。

在一个实施例中，频率测量模块1160可用于：

获取所述第二幅值与所述第一幅值的比值，生成幅值比值。

获取所述幅值比值的反正切函数值。

获取所述反正切函数值与所述调幅频率的乘积，生成乘积参数。

获取所述乘积参数与π的比值的4倍，生成所述电力信号的频率。

优选地，频率测量模块1160可通过公式(17)将所述第一幅值、所述第二幅值和调幅频率转换为所述电力信号的频率：

其中，ω为rad/s单位的电力信号的频率。

请参阅图3，图3是本发明基于幅值调制的电力信号频率检测方法的测量频率相对误差随信号信噪比变化的实验结果示意图。

本发明基于幅值调制的电力信号频率检测方法中，信号基波频率为50Hz，输入信号时间0.25s，参考频率50.125Hz，测量频率相对误差Ferr(N:S)随噪信比变化的实验结果如图3所示，其中，在噪信比-60dB时可实现10^-6量级精度的频率计算。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种基于幅值调制的电力信号频率检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据预设信号时间长度和预设采样频率，对电力信号进行采样，获得输入信号序列；

对所述输入信号序列进行频率初测，生成所述电力信号的初步频率，以所述初步频率给定参考频率；

根据以下预设的第一转换规则将所述预设采样频率转换为所述参考频率在π/2移相的采样间隔整数，生成π/2序列长度，包括：获取所述预设采样频率与所述初步频率的比值；对所述比值与π/2的乘积向下取整为最接近的整数，生成所述π/2序列长度；

根据以下预设的第二转换规则，将所述π/2序列长度和所述预设采样频率转换为调幅频率，包括：获取所述预设采样频率与所述π/2序列长度的比值；获取所述比值与π/2的乘积为所述调幅频率；

将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度对应的移相序列相加，生成幅值随输入信号频率变化的第一幅值调制序列；

将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度对应的移相序列相减，生成幅值随输入信号频率变化的第二幅值调制序列；

将所述参考频率的余弦函数和所述参考频率的正弦函数分别与所述第一幅值调制序列相乘，生成第一实数向量序列和第一虚数向量序列；

将所述参考频率的余弦函数和所述参考频率的正弦函数分别与所述第二幅值调制序列相乘，生成第二实数向量序列和第二虚数向量序列；

分别对所述第一实数向量序列和所述第一虚数向量序列进行数字滤波，生成第一实数向量滤波序列和第一虚数向量滤波序列；

分别对所述第一实数向量滤波序列和所述第一虚数向量滤波序列进行积分运算，生成第一实数向量积分值和第一虚数向量积分值；

分别对所述第二实数向量序列和所述第二虚数向量序列进行数字滤波，生成第二实数向量滤波序列和第二虚数向量滤波序列；

对所述第二实数向量滤波序列和所述第二虚数向量滤波序列进行积分运算，生成第二实数向量积分值和第二虚数向量积分值；

根据以下预设的幅值转换规则，将所述第一虚数向量积分值与所述第一实数向量积分值转换为第一幅值，包括：获取所述虚数向量积分值与所述实数向量积分值的平方和，生成平方和参数；对所述平方和参数进行开根运算，生成所述第一幅值；

根据所述预设的幅值转换规则，将所述第二虚数向量积分值与所述第二实数向量积分值转换为第二幅值，包括：获取所述第二虚数向量积分值与所述第二实数向量积分值的平方和，生成平方和参数；对所述平方和参数进行开根运算，生成所述第二幅值；根据以下预设的频率转换规则，将所述第一幅值、所述第二幅值和调幅频率转换为所述电力信号的频率，包括：获取所述第二幅值与所述第一幅值的比值，生成幅值比值；获取所述幅值比值的反正切函数值；获取所述反正切函数值与所述调幅频率的乘积，生成乘积参数；获取所述乘积参数与π的比值的4倍，生成所述电力信号的频率。

2.一种基于幅值调制的电力信号频率检测系统，其特征在于，包括：

采样模块，用于根据预设信号时间长度和预设采样频率，对电力信号进行采样，获得输入信号序列；

初步频率模块，用于对所述输入信号序列进行频率初测，生成所述电力信号的初步频率，以所述初步频率给定参考频率；

π/2序列长度模块，用于根据以下预设的第一转换规则将所述预设采样频率转换为所述参考频率在π/2移相的采样间隔整数，生成π/2序列长度，包括：获取所述预设采样频率与所述初步频率的比值；对所述比值与π/2的乘积向下取整为最接近的整数，生成所述π/2序列长度；

调幅频率模块，用于根据以下预设的第二转换规则，将所述π/2序列长度和所述预设采样频率转换为调幅频率，包括：获取所述预设采样频率与所述π/2序列长度的比值；获取所述比值与π/2的乘积为所述调幅频率；

第一幅值调制模块，用于将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度对应的移相序列相加，生成幅值随输入信号频率变化的第一幅值调制序列；

第二幅值调制模块，用于将所述输入信号序列与所述输入信号序列在所述π/2序列长度对应的移相序列相减，生成幅值随输入信号频率变化的第二幅值调制序列；

第一向量序列生成模块，用于将所述参考频率的余弦函数和所述参考频率的正弦函数分别与所述第一幅值调制序列相乘，生成第一实数向量序列和第一虚数向量序列；

第二向量序列生成模块，用于将所述参考频率的余弦函数和所述参考频率的正弦函数分别与所述第二幅值调制序列相乘，生成第二实数向量序列和第二虚数向量序列；

第一向量滤波序列生成模块，用于分别对所述第一实数向量序列和所述第一虚数向量序列进行数字滤波，生成第一实数向量滤波序列和第一虚数向量滤波序列；

第一向量积分值生成模块，用于分别对所述第一实数向量滤波序列和所述第一虚数向量滤波序列进行积分运算，生成第一实数向量积分值和第一虚数向量积分值；

第二向量滤波序列生成模块，用于分别对所述第二实数向量序列和所述第二虚数向量序列进行数字滤波，生成第二实数向量滤波序列和第二虚数向量滤波序列；

第二向量积分值生成模块，用于对所述第二实数向量滤波序列和所述第二虚数向量滤波序列进行积分运算，生成第二实数向量积分值和第二虚数向量积分值；

第一幅值模块，用于根据以下预设的幅值转换规则，将所述第一虚数向量积分值与所述第一实数向量积分值转换为第一幅值，包括：获取所述虚数向量积分值与所述实数向量积分值的平方和，生成平方和参数；对所述平方和参数进行开根运算，生成所述第一幅值；第二幅值模块，用于根据所述预设的幅值转换规则，将所述第二虚数向量积分值与所述第二实数向量积分值转换为第二幅值，包括：获取所述第二虚数向量积分值与所述第二实数向量积分值的平方和，生成平方和参数；对所述平方和参数进行开根运算，生成所述第二幅值；频率测量模块，用于根据以下预设的频率转换规则，将所述第一幅值、所述第二幅值和调幅频率转换为所述电力信号的频率，包括：获取所述第二幅值与所述第一幅值的比值，生成幅值比值；获取所述幅值比值的反正切函数值；获取所述反正切函数值与所述调幅频率的乘积，生成乘积参数；获取所述乘积参数与π的比值的4倍，生成所述电力信号的频率。