CN105092966B - 电信号频率检测方法、装置及设备保护方法和保护设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电信号频率检测方法及装置。该检测方法包括：检测被测电信号的过零点；判断检测出的过零点的间隔是否大于设定阈值，若大于，则根据检测出的过零点的间隔确定被测电信号的频率；否则，对被测电信号滤波并确定所述滤波后的信号的频率。采用本发明提出的方法和装置能够在干扰不强时，实现被测信号频率的快速检测，在干扰较强时，自动切换到滤波检测方式，从而具有较强的抗干扰性。

Description

电信号频率检测方法、装置及设备保护方法和保护设备

技术领域

本发明涉及电信号频率检测技术，特别涉及电信号频率检测方法及装置，以及设备保护方法和保护设备。

背景技术

频率是电信号的一个重要参数，保护装置、智能仪表等设备都需要对电信号的频率进行测量。

现有的一种电信号频率检测技术通过对被测电信号进行过零检测实现电信号频率测量。例如，通过检测过零点之间的间隔计算信号的频率。然而，这种技术并未考虑干扰因素，抗干扰能力差。实际的被测电信号会受到多种干扰，因此在实际应用时，这种技术的测量精度低，稳定性差。

现有的另一种电信号频率检测技术考虑了干扰因素，引入用于滤除谐波干扰的滤波器。在进行频率检测时，先将被测电信号的采样值输入滤波器，利用滤波器对采样数据进行滤波，从而滤除电信号中的干扰信号，以对电信号的频率进行精确测量。这种检测技术具有较高的精度和较强的抗干扰性，但是滤波器通常需要较宽的数据窗口。因此，还需要一种能够同时满足实际应用对实时性的要求和对精确度、稳定性的要求的新型频率检测技术。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提出了一种电信号频率检测方法及装置，能够在干扰不强时，实现被测信号频率的快速检测，在干扰较强时，自动切换到滤波检测方式，从而具有较强的抗干扰性。

本实施例提供的电信号频率检测方法，包括：

检测被测电信号的过零点；

判断检测出的过零点的间隔是否大于设定阈值，

若大于，则根据检测出的过零点的间隔确定被测电信号的频率；

否则，对被测电信号滤波并确定所述滤波后的信号的频率。

本发明实施例提供的电信号频率检测方法，在没有干扰或干扰较小时，采用过零点检测方式。利用过零点确定被测电信号的频率，检测速度快，且能满足实际应用对频率检测的实时性要求。在干扰较强时，通过对检测出的过零点的间隔是否大于设定阈值进行判断，自动切换为滤波检测方式，滤除被测电信号中的干扰后再确定被测信号的频率。这种方法对直流分量和谐波干扰具有很强的抵抗性。

在所述检测被测电信号的过零点之前，可对所述被测电信号进行采样，然后检测采样后的信号的过零点并记录检测出的过零点的采样位置。在检测采样后的信号的过零点时，可在采样后的信号中查找采样值反向的两个相邻采样点，根据所述采样值反向的两个相邻采样点的采样值以及其采样位置，采用插值法确定过零点的位置，从而准确有效地确定过零点的位置。

所述判断检测出的过零点的间隔是否大于设定阈值可具体为判断检测出的过零点的采样位置之差是否大于所述设定阈值，若大于所述设定阈值，则可根据采样频率和检测出的过零点的采样位置之差确定所述被测电信号的频率；否则，可对采样后的信号进行带通滤波；对带通滤波后的信号分别进行全通滤波和低通滤波；根据所述全通滤波后的信号和所述低通滤波后的信号确定被测电信号的频率。从而，通过简单有效的判断，即可在被测电信号受到较严重的干扰时，自动切换到滤波检测方式，提高频率检测的精确度、稳定性，实现较强的抗干扰能力。

优选地，可从检测出的过零点中确定最新的两个全波过零点；判断所述两个全波过零点的采样位置之差是否大于设定阈值，若大于设定阈值，则可利用这两个全波过零点的采样位置之差确定被测电信号的频率。利用全波过零点判断是否采用过零检测方式确定被测信号频率，并在条件满足时根据全波过零点确定被测电信号频率，可提高过零检测方式对于直流分量和谐波干扰的抗干扰性。

优选地，所述采样位置为采样点序号，所述设定阈值的取值范围可为其中N为所述被测电信号一个周波的采样点数目，从而既能有效检测出谐波干扰，又可以避免因将频率变大引起的过零点间隔变小误认为是谐波干扰引起的，而误切换到检测速度相对较慢的滤波检测方式。优选地，所述设定阈值可为从而可在有效检测出谐波干扰的同时，尽量避免将被测电信号频率变大的情况误判是谐波干扰。

可在新获取的采样后的信号的采样点数目大于或等于半个周波的采样点数目时，检测采样后的信号的过零点，这样可尽量保证每次频率确定过程都能检测到新的过零点。

本发明实施例提供的电信号频率检测装置，包括：

过零检测单元，用于检测被测电信号的过零点；

滤波检测单元，用于对被测电信号滤波并确定所述滤波后的信号的频率；

控制单元，用于判断检测出的过零点的间隔是否大于设定阈值；若大于，则根据检测出的过零点的间隔确定被测电信号的频率；否则，触发所述滤波检测单元工作。

本实施例的电信号频率检测装置，在没有干扰或干扰较小时，采用过零点检测方式。利用过零点确定被测电信号的频率，检测速度快，且能满足实际应用对频率检测的实时性要求。在干扰较强时，通过对检测出的过零点的间隔是否大于设定阈值进行判断，自动切换为滤波检测方式，由滤波检测单元滤除被测电信号中的干扰后再确定被测信号的频率。这种装置对直流分量和谐波干扰具有很强的抵抗性

所述电信号频率检测装置还可包括：采样单元，用于对被测电信号进行采样。所述过零检测单元可包括：查找模块，用于在采样后的信号中查找采样值反向的两个相邻采样点；以及插值模块，用于根据所述采样值反向的两个相邻采样点的采样值以及其采样位置，采用插值法确定过零点的位置。这样可以准确有效地确定过零点的位置。

所述控制单元可判断检测出的过零点的间隔是否大于设定阈值。若所述检测出的过零点的间隔大于所述设定阈值，则可根据采样频率和检测出的过零点的采样位置之差确定被测电信号的频率。所述控制单元可包括：存储器，用于存储所述设定阈值以及所述过零检测单元检测的过零点的采样位置；判断模块，用于判断检测出的过零点的采样位置之差是否大于所述设定阈值；第一频率确定模块，用于在检测出的过零点的采样位置差大于所述设定阈值时，根据采样频率和所述检测出的过零点的采样位置之差确定被测电信号的频率；滤波检测触发模块，用于在检测出的过零点的采样位置之差小于或等于所述设定阈值时，向所述滤波检测单元发送触发信号。从而，通过简单有效的判断，即可在被测电信号受到较严重的干扰时，自动切换到滤波检测方式，提高频率检测的精确度、稳定性，实现较强的抗干扰能力。

优选地，所述判断模块可从所述存储器中查找最新的两个全波过零点，并判断所述两个全波过零点的位置之差是否大于设定阈值。所述第一频率确定模块可在检测出的过零点的采样位置之差大于所述设定阈值时，根据采样频率和所述检测出的全波过零点的采样位置之差确定被测电信号的频率。利用全波过零点判断是否采用过零检测方式确定被测信号频率，并在条件满足时根据全波过零点确定被测电信号频率，可提高过零检测方式对于直流分量和谐波干扰的抗干扰性。

优选地，所述采样位置为采样点序号，设定阈值的取值范围可为其中N为所述被测电信号一个周波的采样点数目，从而既能有效检测出谐波干扰，又可以避免因将频率变大引起的过零点间隔变小误认为是谐波干扰引起的，而误切换到检测速度相对较慢的滤波检测方式。优选地，所述设定阈值可为从而可在有效检测出谐波干扰的同时，尽量避免将被测电信号频率变大的情况误判是谐波干扰。

所述滤波检测单元可包括：带通滤波器，用于对采样后的信号进行带通滤波；全通滤波器，用于对所述带通滤波器输出的信号进行全通滤波；低通滤波器，用于对所述带通滤波器输出的信号进行低通滤波；第二频率确定模块，用于根据所述全通滤波器输出的信号以及所述低通滤波器输出的信号确定所述被测电信号的频率。从而，在被测电信号受到严重干扰时，可以有效滤除直流分量和谐波干扰，精确检测出被测电信号的频率。

所述电信号频率检测装置还可包括频率确定触发单元，用于当新获取的采样后的信号的采样点数目大于或等于半个周波的采样点数目时，产生并向所述过零检测单元发送触发信号，启动频率确定过程。这样，可尽量保证每次频率确定过程都能检测到新的过零点。

本发明实施例提供的一种设备保护方法，包括：

使用本发明实施例提供的电信号频率检测方法对被测电信号进行频率检测；

根据检测出的频率判断被测电信号是否异常，若异常则启动保护操作。

本实施例的设备保护方法采用上述实施例的电信号检测方法检测被测电信号的频率。在没有干扰或干扰较小时，利用过零点确定被测电信号的频率，能够及时检测出被测电信号异常，并及时启动后续保护操作。在干扰较强时，自动切换为滤波检测方式，能够准确判断信号异常，并基于对信号异常的准确判断采取相应的保护操作。

考虑到相角突变的影响，所述根据检测出的频率判断被测电信号的频率是否异常可包括：判断检测出的频率是否落入预设的异常阈值范围，若落入，则确定出现异常频率并判断异常频率是否是根据过零点确定的；若所述异常频率是根据过零点确定的，则判断异常频率连续出现的次数是否大于第一稳定次数，若大于，则确定被测电信号异常；若所述异常频率是根据滤波检测方式确定的，则判断异常频率连续出现的次数是否大于第二稳定次数，若大于，则确定被测电信号异常。其中，第二稳定次数大于第一稳定次数。从而，对于两种检测方式，采用不同的稳定次数，增强了频率保护的稳定性和速动性，能够有效避免将相位突变误判为被测信号异常。

本发明实施例提供的一种保护设备，包括：

本发明实施例提供的电信号频率检测装置；

保护单元，用于进行保护操作；

异常判断单元，用于根据所述电信号频率检测装置检测出的频率判断被测电信号是否异常，若异常则向保护单元发送触发信号，触发所述保护单元进行保护操作。

本实施例的设备保护方法采用上述实施例的电信号检测方法检测被测电信号的频率。在没有干扰或干扰较小时，利用过零点确定被测电信号的频率，能够及时检测出被测电信号异常，并及时启动后续保护操作。在干扰较强时，自动切换为滤波检测方式，能够准确判断信号异常，并基于对信号异常的准确判断采取相应的保护操作。

考虑到相角突变的影响，所述异常判断单元可用于：判断检测出的频率是否落入预设的异常频率范围，若落入，则确定出现异常频率，并判断异常频率是否是根据过零点确定的，若所述异常频率是根据过零点确定的，则判断异常频率连续出现的次数是否大于第一稳定次数，若大于，则确定被测电信号异常；若所述异常频率是采用滤波检测方式确定的，则判断异常频率连续出现的次数是否大于第二稳定次数，若大于，则确定被测电信号异常；其中，第二稳定次数大于第一稳定次数。从而，对于两种检测方式，采用不同的稳定次数，增强了频率保护的稳定性和速动性，能够有效避免将相位突变误判为被测信号异常。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为根据本发明一实施例提供的电信号频率检测方法的流程图；

图2为本发明一实施例的基波电信号波形图；

图3为本发明一实施例的受到直流干扰的基波信号波形图；

图4为本发明一实施例的受到谐波干扰的基波信号波形图；

图5为根据本发明一实施例提供的电信号频率检测方法流程图；

图6为根据本发明一实施例提供的设备保护方法流程图；

图7为本发明一实施例的相角突变波形示意图；

图8为本发明一实施例的另一相角突变波形示意图；

图9为根据本发明一实施例提供的设备保护方法中根据检测出的频率判断被测电信号是否异常的流程图；

图10为根据本发明一实施例提供的电信号频率检测装置的结构示意图；

图11为根据本发明一实施例提供的电信号频率检测装置的结构示意图；

图12为根据本发明一实施例提供的电信号频率检测装置的结构示意图；

图13为根据本发明一实施例提供的保护设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下通过实施例对本发明进一步详细说明。

图1为根据本发明一实施例提供的电信号频率检测方法的流程图。该方法从步骤S110开始。在步骤S110中，首先检测被测电信号的过零点。本步骤可采用模拟信号处理方式，例如，通过模拟电路实现，也可以通过数字信号处理方式，例如利用数字信号处理器、微处理器或者计算机实现。

图2示例性地示出了一基波电信号波形图，该基波为一标准正弦波。图2中示出了该标准正弦波的四个过零点P1，P2，P3及P4。在采用模拟信号处理方式时，需要记录各过零点的时间点。当采用数字信号处理方式实现时，可先对被测电信号进行采样，然后检测采样后的信号的过零点，并记录检测出的过零点的采样位置（例如采样点时间，或采样频率和采样点序号）。

图2所示波形图中，一个周波的长度为T，一对半波过零点为相差半个周波的两个相邻过零点。这两个半波过零点一个是时域波形中上升部分的过零点，另一个是时域波形中下降部分的过零点。例如，图2中的P1和P2为一对半波过零点，P2和P3也是一对半波过零点。一对全波过零点为相差一个周波的两个过零点，这两个过零点同为时域波形上升部分的过零点，或者同为时域波形下降部分的过零点。例如，图2中的P1和P3是一对全波过零点，P2和P4也是一对全波过零点。

回到图1，在步骤S120中，判断所述检测出的过零点之间的间隔是否超出了一个预定的阈值。若超出，则执行步骤S130，否则执行步骤S140。在本步骤中，根据实际应用的需要，过零点既可以是全波过零点，也可以是半波过零点。根据检测出的过零点，判断利用这些过零点确定被测电信号频率的条件是否满足。若条件满足，则采用过零检测方式确定被测电信号频率，即利用过零点之间的间隔确定被测电信号频率。若条件不满足，则说明被测电信号受到了比较强的干扰，不适于利用过零检测方式确定被测电信号的频率。此时，采用滤波检测方式，即先对被测电信号滤波，滤除被测电信号中的干扰，然后再确定滤波后的信号的频率。

图3示出本发明一实施例的受到直流干扰的基波信号波形图。图中的基波信号受到正向直流分量的影响波形整体上移，波形上移后的横轴如粗实线L1所示。为了便于比较，将未受直流干扰情况下的横轴也以实线L2标于图3中。两横轴之间的距离即为直流干扰值。与未受直流干扰的基波信号的过零点P1-P4相比，受到直流干扰的信号其过零点Q1-Q4发生了移动。从图中可以看出，过零点的移动导致半波过零点间的间隔受到很大影响。例如，图3中的过零点Q1与Q2间的间隔明显增加，Q2与Q3间的间隔明显减小了。但是，全波过零点的间隔却没有受到直流干扰的影响，例如，Q1与Q3的间隔以及Q2与Q4的间隔均保持为一个周波。因此，对于直流干扰，相对于半波过零点来讲，利用全波过零点进行判断和后续的计算，更精确，稳定性也更好。另外，采用全波过零点也能够抵抗一定的谐波干扰。因此，为了提高对直流分量和谐波的抗干扰性，采用全波过零点将是判断和后续计算的一个优选方案。

下面对利用所述检测的过零点确定被测电信号频率的条件进行说明。由于如前所述，利用全波过零点进行判断和后续计算具有较强的抗干扰性，因此下面以全波过零点为例说明如何判断检测出的过零点的间隔是否大于设定阈值。

图4为本发明一实施例的受到谐波干扰的基波信号波形图。图示波形中，基波的全波过零点间隔为T_1st，过零点S1和S5的间隔与基波全波过零点的间隔一致。因谐波干扰较强，在原基波过零点的中间又多出现了两个过零点S2和S4。全波过零点S1和S3的间隔T1，S2和S4的间隔T2以及S3和S5的间隔T3远小于基波全波过零点的间隔。若利用T1、T2或T3确定被测信号频率，那么确定出的频率则为异常值。此时单纯的过零检测算法无法实现预期的精度，需要切换为频率检测方式确定频率，即滤除信号中的干扰后再确定信号频率。

谐波级数越高，谐波的频率就会越高，那么谐波的全波过零点的间隔就会更短，过零点之间的采样点个数也会更少。从图中可以看出，当谐波破坏了基波的过零点时，过零点的间隔会大大缩短。以二次谐波为例，它的频率是基波的两倍，假定对于一个基波的周波，采样点个数为N，那么二次谐波的两个全波过零点之间的采样点个数则小于或等于对于高次谐波来讲，全波过零点之间的采样点个数会更少。

观察并发现上述状况之后，本发明的发明人提出：当检测出的过零点的间隔大于某一阈值时，则认为谐波未影响到被测电信号的过零点，即满足利用检测出的过零点确定被测电信号频率的条件。这时就可采用过零检测方式确定被测信号的过零点。例如，在一个实施例中，被测电信号的额定频率为50Hz，每个基波周波内的采样点数目N为20，采样周期为1000Hz。从理论上来讲，设定阈值可为大于小于N的任意实数。考虑到被测电信号的频率突然变大时，过零点会提前到来，这样两个全波过零点之间的采样点个数会减少。也就是说，两个过零点之间的采样点个数减小可能是由谐波干扰引起的，也可能是由被测电信号频率突然变大引起的。但在第二种情况下，由于过零点并没有受到谐波干扰的影响，因而仍可以根据全波过零点确定被测电信号的频率。若设定阀值太大，则会因为将频率变大引起的过零点间隔变小误认为是谐波干扰引起的，而误切换到检测速度相对较慢的滤波检测方式。从而，为了准确地判断出谐波干扰，设定阀值的取值范围可优选

再回到图1中，在进行到步骤S130时，根据检测出的过零点之间的间隔确定被测电信号的频率。具体地，若被测电信号的过零点没有受到干扰影响，则可使用检测出的过零点确定被测电信号的频率。过零点的采样位置携带了时间周期信息，因此可以根据过零点的采样位置之差以及采样频率来确定被测电信号的频率。若利用半波过零点确定被测电信号频率，则获得半个到一个周波的数据就可以确定被测信号的频率。若利用全波过零点确定被测电信号频率，获得一个到一个半周波的采样信号就可以确定出被测信号的频率。因此，采用这种方法，检测速度提高了很多，从而能够更好的满足实际应用对于频率检测实时性的要求。

如果图1中流程进行到步骤S140，则在步骤S140中，对被测电信号滤波并确定所述滤波后的信号的频率。具体地，若被测电信号的过零点受到了干扰影响，则执行本步骤，对被测电信号进行滤波，将干扰滤除，然后确定滤波后信号的频率。

本实施例的电信号频率检测方法，在没有干扰或干扰较小时，采用过零点检测方式。利用过零点确定被测电信号的频率，检测速度快，且能满足实际应用对频率检测的实时性要求。在干扰较强时，通过对检测出的过零点的间隔是否大于设定阈值进行判断，自动切换为滤波检测方式，滤除被测电信号中的干扰后再确定被测信号的频率。这种方法对直流分量和谐波干扰具有很强的抵抗性。利用全波过零点判断是否采用过零检测方式确定被测信号频率，并在条件满足时根据全波过零点确定被测电信号频率，提高了过零检测方式对于直流分量和谐波干扰的抗干扰性。

图5为根据本发明一实施例提供的电信号频率检测方法流程图。本实施例在每个频率确定周期到达时，根据全波过零点判断利用过零检测方式确定被测电信号频率的条件是否满足，并根据判断结果根据全波过零点或者采用滤波检测方式确定被测电信号的频率。该方法从步骤S210开始。在步骤S210中，首先对被测电信号采样，采样频率为f_sample。

在步骤S220中，频率确定周期到达，检测采样后的信号的过零点并记录检测出的过零点的采样位置。这里频率确定周期为进行频率确定（频率估计）的间隔，其可以是两次频率确定之间相隔的时间或采样点数目，但其需要能够保证当前新获取的采样点数目不少于半个周波的采样点数目。本实施例中，每次频率确定周期到达时，启动频率确定过程。频率确定周期可根据实际应用的需求设定。例如，可将频率确定周期设定为半个周波长度，那么每过半个周波，就可以确定一次被测电信号频率。频率确定周期也可根据采样点数确定，例如，每采样10个点就确定一次被测电信号频率。在确定过零点时，可在采样后的信号中查找采样值反向的两个相邻采样点，这两个采样点即为实际位于过零点两侧并且紧邻过零点的两个采样点。然后可采用插值算法，根据这两个采样值反向的相邻采样点的采样值以及其采样位置，确定过零点的位置，这样可以准确地确定过零点的位置。

在步骤S230中，从检测出的过零点中确定最新的两个全波过零点。若最新的过零点为上升沿过零点，则查找上一个上升沿过零点；若最新的过零点为下降沿过零点，则查找上一个下降沿过零点。最新的过零点与查找出的过零点即为最新的两个全波过零点。

在步骤S240中，判断最新的两个全波过零点的采样位置差是否大于设定阈值，若大于，执行步骤S250，否则执行步骤S260。本实施例中，设定阈值为从而既能有效检测出谐波干扰，又能尽量避免将被测电信号频率变大的情况误认为是谐波干扰。可根据下式判断全波过零点的采样位置之差是否大于设定阈值：

其中，i_cross1和i_cross2为一对全波过零点的采样位置。

若图5中的流程进行到步骤S250，则根据采样频率和两个全波过零点的采样位置之差确定被测电信号的频率。在本步骤中可利用公式（2）根据全波过零点确定被测电信号的频率f：

其中，f_sample为采样频率，T为全波过零点采样位置的间隔，T=i_cross1-i_cross2。

若图5中的流程进行到步骤S260，则对采样后的信号进行带通滤波，对带通滤波后的信号分别进行全通滤波和低通滤波，然后根据全通滤波后的信号和低通滤波后的信号确定被测电信号的频率。在一实施例中，可对采样后的信号进行带通滤波，从而将直流分量和谐波干扰滤除；对滤波后的信号进行全通滤波和低通滤波；然后，对全通滤波和低通滤波后的信号进行三角函数运算，得到被测电信号的频率，具体可参考美国专利US5,471,133。

图6为根据本发明一实施例提供的设备保护方法流程图。该方法从步骤S310开始，在步骤S310中，使用上述实施例的电信号检测方法对被测电信号进行频率检测。

在步骤S320中，根据检测出的频率判断被测电信号是否异常，若异常则启动保护操作。本步骤中，可将检测出的频率与预设的异常频率范围相比较，若检测出的频率落入该频率范围，则认为信号异常。也可预设正常频率范围，若检测出的频率未落入正常频率范围，则认为信号异常。

本实施例的设备保护方法采用上述实施例的电信号检测方法检测被测电信号的频率。在没有干扰或干扰较小时，利用过零点确定被测电信号的频率，能够及时检测出被测电信号异常，并及时启动后续保护操作。在干扰较强时，自动切换为滤波检测方式，能够准确判断信号异常，并基于对信号异常的准确判断采取相应的保护操作。

根据本发明另一实施例提供的设备保护方法考虑相角突变的影响。过零检测方式确定被测电信号频率只需一个到一个半周波的数据，而滤波检测方式需要采用更宽的数据窗对信号滤波以滤除信号中的干扰。从而，相位突变对两种检测方式的影响有所不同。因此，为了避免将相角突变误判为信号异常而采取保护措施，两种检测方式所需的稳定次数也是不同的。

图7和图8为相角突变的波形示意图。图7示出了相角突变使过零点提前的情况。在这种情况下，两个过零点间的采样点数目减少，导致确定的频率偏高。图8中示出了相角突变使过零点滞后的情况。在这种情况下，两个过零点间的采样点数目增多，导致频率降低。从图7和图8可以看出，在相角突变时，不论过零点被提前还是过零点被推迟，都只会影响突变处的两个全波过零点的间隔。以每半个周波确定一次被测信号频率为例，在图7所示情况下，相位突变会影响T1’和T2’，在图8所示情况下，相位突变会影响T1”和T2”，而到T3’和T3”时，就都恢复正常了。也就是说，第三次确定的频率是被测信号的真正频率。因此，为了避免将相位突变误判为信号异常，对于全波过零检测方式，可增加两次稳定次数，也就是说当第三次再次出现异常频率时，确定被测信号出现异常，采取相应的保护措施。

另外，图8示出的相角突变导致过零点滞后的情况，可能造成本频率确定周期未找到“新”的过零点。例如，从图8可以看出，过零点X1和X2的间隔大于半个周波。在这种情况下，如果频率确定周期为半个周波，可能在某个频率确定周期内新的采样点全部位于X1和X2之间时。此时，新获取的采样点中就没有新的过零点。因此，在根据过零点确定被测电信号的频率时，就需要考虑过零点是否更新，从而根据新的过零点来确定被测信号频率。

与过零检测方式相比，滤波检测方式的数据窗较宽，因此相角突变会对这种检测方式产生更长的时间影响，稳定次数也需增加。稳定次数可根据具体采用的滤波检测方式决定。例如，一种滤波检测方式先对采样后的信号进行带通滤波，对带通滤波后的信号分别进行全通滤波和低通滤波，然后根据全通滤波后的信号和低通滤波后的信号确定被测电信号的频率。那么，对于这种滤波检测方式，稳定次数可设定为四次，在四次后，相位突变点就移出数据窗口了。

图9为根据本发明一实施例提供的设备保护方法中，根据检测出的频率判断被测电信号是否异常的流程图。在步骤S410中，判断检测出的频率是否落入预设的异常频率范围，若落入，则确定出现异常频率，执行步骤S420。

若图9的流程进行到步骤S420，则判断异常频率是否是根据过零点确定的，若所述异常频率是根据过零点确定的，则执行步骤S430，否则执行步骤S440。

若图9的流程进行到步骤S430，则判断异常频率连续出现的次数是否大于第一稳定次数，若大于，则确定被测电信号异常。本步骤中，若频率是根据全波过零点确定的，那么第一稳定次数可设为2。

若图9的流程进行到步骤S440，则判断异常频率连续出现的次数是否大于第二稳定次数，若大于，则确定被测电信号异常，其中，第二稳定次数大于第一稳定次数。本步骤中的第二稳定次数可根据具体采用的滤波检测方式确定。例如，若采用美国专利US5,471,133的滤波检测方式，那么第二稳定次数可设定为4。

本实施例的设备保护方法考虑了相位突变的影响，对于两种不同的检测方式，采用不同的稳定次数，增强了频率保护的稳定性和速动性。

图10为根据本发明一实施例提供的电信号频率检测装置的结构示意图。本实施例的电信号频率检测装置100可用于实施图1所示的电信号频率检测方法。

本实施例的电信号频率检测装置100包括过零检测单元110、滤波检测单元120和控制单元130。过零检测单元110用于检测被测电信号的过零点。滤波检测单元120用于对被测电信号滤波并确定所述滤波后的信号的频率。控制单元130用于判断检测出的过零点的间隔是否大于设定阈值；若大于，则根据检测出的过零点的间隔确定被测电信号的频率；否则，触发所述滤波检测单元120工作，利用滤波检测方式确定被测电信号的频率。为了提高对直流分量和谐波的抗干扰性，采用全波过零点将是判断和后续的频率计算的一优选方案，详细描述请参见关于图1所示实施例的描述。

本实施例提供的电信号频率检测装置，在没有干扰或干扰较小时，采用过零点检测方式，利用过零点确定被测电信号的频率，检测速度快，且能满足实际应用对频率检测的实时性要求。在干扰较强时，通过对检测出的过零点的间隔是否大于设定阈值进行判断，自动切换为滤波检测方式，由滤波检测单元滤除被测电信号中的干扰后再确定被测信号的频率。这种装置对直流分量和谐波干扰具有很强的抵抗性。利用全波过零点判断是否采用过零检测方式确定被测信号频率，并在条件满足时根据全波过零点确定被测电信号频率，提高了过零检测方式对于直流分量和谐波干扰的抗干扰性。

图11为根据本发明一实施例提供的电信号频率检测装置的结构示意图。本实施例的电信号频率检测装置200可用于实现图5所示的电信号频率检测方法。

本实施例提供的电信号频率检测装置200在图10所示实施例的基础上加入了采样单元290，用于对被测电信号进行采样。过零检测单元110具体用于检测采样后的信号的过零点。滤波检测单元120具体用于对采样后的信号滤波并检测所述滤波后的信号的频率。

过零检测单元110包括查找模块212和插值模块214。查找模块212用于在采样后的信号中查找采样值反向的两个相邻采样点。插值模块214用于根据查找模块212查找到的采样值反向的两个相邻采样点的采样值以及其采样位置，采用插值法确定过零点的位置。

滤波检测单元120包括带通滤波器222，全通滤波器224、低通滤波器226及第二频率确定模块228。带通滤波器222用于对采样后的信号进行带通滤波。全通滤波器224用于对带通滤波器输出的信号进行全通滤波。低通滤波器226用于对带通滤波器输出的信号进行低通滤波。第二频率确定模块228用于根据全通滤波器224输出的信号以及低通滤波器226输出的信号确定被测电信号的频率。

控制单元130包括存储器232、判断模块234、第一频率确定模块236以及滤波检测触发模块238。存储器232用于存储设定阈值以及过零点检测单元110检测的过零点的采样位置。判断模块234用于判断检测出的过零点的采样位置之差是否大于所述设定阈值，在大于所述设定阈值时，触发第一频率确定模块236工作，否则触发滤波检测触发模块238工作。第一频率确定模块236用于在检测出的过零点的采样位置之差大于设定阈值时，根据采样频率以及过零点的采样位置之差确定被测电信号的频率。滤波检测触发模块238用于在检测出的过零点的采样位置之差小于或等于设定阈值时，向滤波检测单元120发送触发信号，触发滤波检测单元120工作。

在一实施例中，判断模块234从存储器232中查找最新的两个全波过零点并判断这两个全波过零点的位置差是否大于设定阈值。设定阈值可为N为所述被测电信号一个周波的采样点数目。判断模块234可根据公式（1）判断全波过零点的采样位置之差是否大于该设定阈值。

本实施例的电信号频率检测装置还可包括频率确定触发模块280，用于在设定的频率确定周期到达时，产生并向过零检测单元110的查找模块212发送触发信号，从而启动频率确定过程。频率确定周期应能保证当前新获取的采样点数目不少于半个周波的采样点数目。例如，每个周波的采样点为20个，那么可将频率确定周期设定为10个采样点。这样，每收到10个采样点，频率确定触发模块280就向过零检测单元110的查找模块212发出触发信号。查找模块212受到该触发信号的触发，在新获取的10个采样点中查找采样值反向的两个相邻采样点。插值模块214采用插值法，根据查找模块212查找到的采样值反向的两个相邻采样点的采样值以及其采样位置确定过零点的位置。存储器232存储插值模块214确定的过零点采样位置。判断模块234判断过零点的采样位置之差是否大于设定阈值。当过零点的采样位置之差大于设定阈值时，判断模块234触发第一频率确定模块236工作，否则触发滤波检测触发模块238工作。

图12为根据本发明一实施例提供的电信号频率检测装置的结构示意图。如图12所示，所述电信号频率检测装置300包括存储器310和处理器320。存储器310用于存储程序。具体地，程序可以包括程序代码，所述程序代码包括计算机操作指令。存储器310可包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器（non-volatile memory），例如至少一个磁盘存储器。处理器320用于执行存储器310存储的程序，以用于实现本发明方法实施例的全部或部分步骤。处理器320可为一个中央处理器（Central Processing Unit，简称为CPU），或者是特定集成电路（Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC），或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路。

在具体实现上，如果存储器310和处理器320独立实现，则存储器310和处理器320可以通过总线相互连接并完成相互间的通信。所述总线可以是工业标准体系结构（Industry Standard Architecture，简称为ISA）总线、外部设备互连（PeripheralComponent，简称为PCI）总线或扩展工业标准体系结构（Extended Industry StandardArchitecture，简称为EISA）总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图12中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

可选的，在具体实现上，如果存储器310和处理器320集成在一块芯片上实现，则存储器310和处理器320可以通过内部接口完成相互间的通信。

图13为根据本发明一实施例提供的保护设备的结构示意图。本实施例的保护设备可用于实施图6所示的设备保护方法。本实施例的保护设备400包括电信号频率检测装置410、保护单元420以及异常判断单元430。电信号频率检测装置410可为图10、图11或图12所示的电信号频率检测装置。保护单元420用于在信号异常时进行保护操作，例如进行切断电源等操作。异常判断单元430用于根据电信号频率检测装置410检测出的频率判断被测电信号是否异常。若被测电信号异常，则异常判断单元430向保护单元420发送触发信号，触发保护单元420进行保护操作。

本实施例的保护设备，在没有干扰或干扰较小时，利用过零点确定被测电信号的频率，能够及时检测出被测电信号异常，从而能及时启动后续保护操作。在干扰较强时，自动切换为滤波检测方式，能够准确判断信号异常，并基于对信号异常的准确判断采取相应的保护操作。

在一实施例中，保护设备在判断信号是否异常时考虑相位突变的影响。对于两种不同的检测方式，采用不同的稳定次数，这样可以增强频率保护的稳定性和速动性。为此，电信号频率检测装置除了将检测确定的频率发送给异常判断单元，还将确定该频率所采用的方式发送给异常判断单元。异常判断单元首先判断检测出的频率是否落入预设的异常频率范围，若落入，则确定出现异常频率，并继续判断异常频率是否是根据过零点确定的。若异常频率是根据过零点确定的，则判断异常频率连续出现的次数是否大于第一稳定次数，若大于，则确定被测电信号异常。若异常频率是采用滤波检测方式确定的，则判断异常频率出现的次数是否大于第二稳定次数，若大于，则确定被测电信号频率异常。其中，第二稳定次数大于第一稳定次数。

本实施例的设备保护方法考虑了相位突变的影响，对于两种不同的检测方式，采用不同的稳定次数，增强了频率保护的稳定性和速动性。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种电信号频率检测方法，包括：

检测被测电信号的过零点；

判断检测出的过零点的间隔是否大于设定阈值，

若大于，则根据检测出的过零点的间隔确定被测电信号的频率；

否则，对被测电信号滤波并确定所述滤波后的信号的频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述检测被测电信号的过零点之前，所述方法还包括：对所述被测电信号进行采样；

所述检测被测电信号的过零点包括：检测采样后的信号的过零点并记录检测出的过零点的采样位置；

所述判断检测出的过零点的间隔是否大于设定阈值包括：判断检测出的过零点的采样位置之差是否大于所述设定阈值。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述判断检测出的过零点的采样位置之差是否大于设定阈值包括：

从检测出的过零点中确定最新的两个全波过零点；

判断所述两个全波过零点的采样位置之差是否大于所述设定阈值。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述采样位置为采样点序号，且所述设定阈值的取值范围为其中N为所述被测电信号一个周波的采样点数目。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述设定阈值为

6.根据权利要求2至5任一所述的方法，其中，所述检测采样后的信号的过零点包括：

在采样后的信号中查找采样值反向的两个相邻采样点；

根据所述采样值反向的两个相邻采样点的采样值以及其采样位置，采用插值法确定过零点的位置。

7.根据权利要求2至5任一所述的方法，其中，所述对被测电信号滤波并检测所述滤波后的信号的频率包括：

对采样后的信号进行带通滤波；

对带通滤波后的信号分别进行全通滤波和低通滤波；

根据所述全通滤波后的信号和所述低通滤波后的信号确定被测电信号的频率。

8.根据权利要求2至5任一所述的方法，其中，所述检测采样后的信号的过零点包括：当新获取的采样后的信号的采样点数目大于或等于半个周波的采样点数目时，检测被测电信号的过零点。

9.一种电信号频率检测装置（100、200），包括：

过零检测单元（110），用于检测被测电信号的过零点；

滤波检测单元（120），用于对被测电信号滤波并确定所述滤波后的信号的频率；

控制单元（130），用于判断检测出的过零点的间隔是否大于设定阈值；若大于，则根据检测出的过零点的间隔确定被测电信号的频率；否则，触发所述滤波检测单元工作。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述电信号频率检测装置还包括：采样单元（290），用于对所述被测电信号进行采样；

所述过零检测单元用于检测采样后的信号的过零点；

所述控制单元包括：

存储器（232），用于存储所述设定阈值以及所述过零检测单元检测的过零点的采样位置；

判断模块（234），用于判断检测出的过零点的采样位置之差是否大于所述设定阈值；

第一频率确定模块（236），用于在检测出的过零点的采样位置之差大于所述设定阈值时，根据采样频率和所述检测出的过零点的采样位置之差确定被测电信号的频率；以及

滤波检测触发模块（238），用于在检测出的过零点的采样位置之差小于或等于所述设定阈值时，向所述滤波检测单元发送触发信号。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述判断模块用于从所述存储器中查找最新的两个全波过零点并判断所述两个全波过零点的位置之差是否大于所述设定阈值。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述采样位置为采样点序号，且所述设定阈值的取值范围为其中N为所述被测电信号一个周波的采样点数目。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述设定阈值为

14.根据权利要求10至13任一所述的装置，其中，所述过零检测单元包括：

查找模块（212），用于在采样后的信号中查找采样值反向的两个相邻采样点；以及

插值模块（214），用于根据所述采样值反向的两个相邻采样点的采样值以及其采样位置，采用插值法确定过零点的位置。

15.根据权利要求10至13任一所述的装置，其中，所述滤波检测单元包括：

带通滤波器（222），用于对采样后的信号进行带通滤波；

全通滤波器（224），用于对所述带通滤波器输出的信号进行全通滤波；

低通滤波器（226），用于对所述带通滤波器输出的信号进行低通滤波；

第二频率确定模块（228），用于根据所述全通滤波器输出的信号以及所述低通滤波器输出的信号确定所述被测电信号的频率。

16.根据权利要求10至13任一所述的装置，还包括：频率确定触发模块（280），用于当新获取的采样后的信号的采样点数目大于或等于半个周波的采样点数目时，产生并向所述过零检测单元发送触发信号。

17.一种设备保护方法，包括：

使用所述权利要求1-8任一所述的电信号频率检测方法对被测电信号进行频率检测；

根据检测出的频率判断被测电信号是否异常，若异常则启动保护操作。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述根据检测出的频率判断被测电信号是否异常包括：

判断检测出的频率是否落入预设的异常频率范围，

若落入，则确定出现异常频率，并判断异常频率是否是根据过零点确定的，

若所述异常频率是根据过零点确定的，则判断异常频率连续出现的次数是否大于第一稳定次数，若大于，则确定被测电信号异常；

否则，判断异常频率连续出现的次数是否大于第二稳定次数，若大于，则确定被测电信号频率异常；其中，第二稳定次数大于第一稳定次数。

19.一种保护设备，包括：

权利要求9-16任一所述的电信号频率检测装置（100、200、300）；

保护单元（420），用于进行保护操作；

异常判断单元（430），用于根据所述电信号频率检测装置检测出的频率判断被测电信号是否异常，若异常，则向保护单元发送触发信号，触发所述保护单元进行保护操作。

20.根据权利要求19所述的保护设备，其中，所述异常判断单元用于：

判断检测出的频率是否落入预设的异常频率范围，

若落入，则确定出现异常频率，并判断异常频率是否是根据过零点确定的，

若所述异常频率是根据过零点确定的，则判断异常频率连续出现的次数是否大于第一稳定次数，若大于，则确定被测电信号异常；

否则，判断异常频率连续出现的次数是否大于第二稳定次数，若大于，则确定被测电信号异常；其中，第二稳定次数大于第一稳定次数。