CN106645939A - 基于频谱极值点的电网基波频率检测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的基于频谱极值点的电网基波频率检测方法及装置，以预设采样频率fs在预设时间内对电网的电压信号或电流信号进行时域采样，得到连续N个离散采样值{x(k),k＝0,1,2...N‑1}，所述预设时间至少为1s；取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N‑1}进行DFT或FFT变换后得到多个信号能量值X(i)；基于各个所述信号能量值绘制被测信号的频谱图，所述频率i的取值范围为[49.5,50.5]Hz，分辨率为0.01Hz；根据所述频谱图求取极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值。本发明提供的检测方法不要求同步采样，所需的采样时间窗口满足国家标准规定的频率检测时间要求，且运算简单，易于实现。

Description

基于频谱极值点的电网基波频率检测方法及装置
技术领域
本发明涉及电网频率测量技术领域，更具体的，涉及一种基于频谱极值点的电网基波频率检测方法及装置。
背景技术
电网基波频率是影响电力系统安全稳定运行的重要因素，是衡量电能指标的要素之一。GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率允许偏差》对电网的频率及偏差给出了明确规定：电网基波频率的标称值为50Hz，频率偏差限值为±0.2Hz，当系统容量较小时可以放宽到±0.5Hz。同时还给出了电网基波频率测量的取样时间是1s、3s或10s，以及测量精度是0.01Hz的要求。随着数字化测量技术的发展，基于数字信号处理算法的频率测量得到了越来越广泛的应用，离散傅立叶变换DFT和快速傅立叶变换FFT作为经典的数字滤波算法之一，目前在电气信号频率测量乃至电参量检测领域应用最为广泛。在采样频率和数据窗选择合适的情况下，DFT和FFT能准确求出电网频率。
DFT或FFT分离信号的基波及各次谐波分量，从而得到信号的基波频率。由于DFT或FFT方法具有内在的时域加窗和频域采样特性，当采样不同步时，会产生频谱泄漏和栅栏效应，导致检测出现误差，但由于电力系统负荷在不断变动，其大小、电源出力及其调节系统追随负荷变化又有一定的惯性，致使系统频率总是一直处于变动的状态之中。工程实际中实现严格同步采样十分困难，为减小频谱泄漏和栅栏效应影响，人们开始致力于减少频谱泄漏和栅栏效应算法的研究，如准同步采样算法、非整周期采样法、加窗插值法和离散频谱分析与校正方法等。这些方法虽然不要求采样周期与被测信号周期严格同步，但计算量大，实时性较差，同时需构造窗函数，使电网基波频率的检测变得十分复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于频谱极值点的电网基波频率检测方法及装置，根据频率极值点检测电网频率，不要求同步采样，所需的采样时间窗口满足国家标准规定的频率检测时间要求，且运算简单，易于实现。
具体技术方案如下：
一种基于频谱极值点的电网基波频率检测方法，所述方法包括：
以预设采样频率fs在预设时间内对电网的电压信号或电流信号进行时域采样，得到连续N个离散采样值{x(k),k＝0,1,2...N-1}，所述预设时间至少为1s；
取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行DFT或FFT变换后得到多个信号能量值X(i)；
基于各个所述信号能量值绘制被测信号的频谱图，所述频率i的取值范围为[49.5,50.5]Hz，分辨率为0.01Hz。
根据所述频谱图求取极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值。
优选的，所述预设采样频率为n*2*h*50，其中，h为电网的最高次谐波的阶次，n为正整数。
优选的，测量电路的信噪比大于等于20dB。
优选的，所述预设时间为1s、3s或10s。
优选的，当取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行DFT变换后得到多个信号能量值
优选的，当取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行FFT变换后得到多个信号能量值
优选的，所述根据所述频谱图求取极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值，包括：
S1：将所述信号能量值的最大值Xmax设为0，并将所述极值点的初始值fEP设为49.5Hz；
S2：判断X(fEP)是否大于Xmax；
S3：若X(fEP)不大于Xmax，令Xmax＝X(fEP)，fEP＝fEP+df，返回S2，所述df≤0.01；
S4：若X(fEP)大于Xmax，将fEP确定为极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值。
一种基于频谱极值点的电网基波频率检测装置，包括：
采样单元，用于以预设采样频率fs在预设时间内对电网的电压信号或电流信号进行时域采样，得到连续N个离散采样值{x(k),k＝0,1,2...N-1}，所述预设时间至少为1s；
变换单元，用于取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行DFT或FFT变换后得到多个信号能量值X(i)；
绘制单元，用于基于各个所述信号能量值绘制被测信号的频谱图，所述频率i的取值范围为[49.5,50.5]Hz，分辨率为0.01Hz。
求取单元，用于根据所述频谱图求取极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值。
优选的，所述预设采样频率为n*2*h*50，其中，h为电网的最高次谐波的阶次，n为正整数。
优选的，所述求取单元包括：
初始化子单元，用于将所述信号能量值的最大值Xmax设为0，并将所述极值点的初始值fEP设为49.5Hz；
判断子单元，用于判断X(fEP)是否大于Xmax，若是，触发确定子单元；若否，触发执行子单元；
执行子单元，用于令Xmax＝X(fEP)，fEP＝fEP+df，所述df≤0.01，并触发所述判断子单元；
确定子单元，用于将fEP确定为极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值。
相对于现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明提供的基于频谱极值点的电网基波频率检测方法及装置，以预设采样频率fs在预设时间内对电网的电压信号或电流信号进行时域采样，得到连续N个离散采样值{x(k),k＝0,1,2...N-1}，所述预设时间至少为1s；取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行DFT或FFT变换后得到多个信号能量值X(i)；基于各个所述信号能量值绘制被测信号的频谱图，所述频率i的取值范围为[49.5,50.5]Hz，分辨率为0.01Hz；根据所述频谱图求取极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值。本发明提供的检测方法不要求同步采样，所需的采样时间窗口满足国家标准规定的频率检测时间要求，且运算简单，易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种基于频谱极值点的电网基波频率检测方法流程图；
图2为本发明实施例公开的一种基于频谱极值点的电网基波频率检测方法流程图；
图3为本发明实施例公开的一种基于频谱极值点的电网基波频率检测装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本实施例公开了一种基于频谱极值点的电网基波频率检测方法，具体包括以下步骤：
S101：以预设采样频率fs在预设时间内对电网的电压信号或电流信号进行时域采样，得到连续N个离散采样值{x(k),k＝0,1,2...N-1}，所述预设时间至少为1s；
需要说明的是，我国电网基波频率的标称值为50Hz，电网电压信号或电流信号以基波分量为主，还含有一定的高次谐波成分。设电网的电压或电流为x(t)，其中，t为采样时间，首先以预设采样频率fs对x(t)进行时域采样，得到连续N个离散采样值{x(k),k＝0,1,2...N-1}。
为避免频率混叠，预设采样频率需要满足采样定理，预设采样频率fs至少是原信号中最高次谐波阶次的2倍，将所述预设采样频率确定为n*2*h*50，其中，h为电网的最高次谐波的阶次，n为正整数。
还需要说明的是，为了保证频率的测量精度，模数转换器ADC的有效位大于等于10位，测量电路的信噪比大于等于20dB。
另外，需要说明的是，所述预设时间为1s、3s或10s。满足国家标准规定的频率检测时间要求。
S102：取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行DFT或FFT变换后得到多个信号能量值X(i)；
具体的，当取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行DFT变换后得到多个信号能量值当取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行FFT变换后得到多个信号能量值
S103：基于各个所述信号能量值绘制被测信号的频谱图，所述频率i的取值范围为[49.5,50.5]Hz，分辨率为0.01Hz；
S104：根据所述频谱图求取极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值。
需要说明的是，极值点可以通过穷举法或寻优法进行求解，请参阅图2，以穷举法为例对S104的具体执行过程进行说明如下：
S1：将所述信号能量值的最大值Xmax设为0，并将所述极值点的初始值fEP设为49.5Hz；
S2：判断X(fEP)是否大于Xmax；
S3：若X(fEP)不大于Xmax，令Xmax＝X(fEP)，fEP＝fEP+df，返回S2，所述df≤0.01；
S4：若X(fEP)大于Xmax，将fEP确定为极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值。
本实施例提供了一种基于频谱极值点的电网基波频率检测方法，根据频率极值点检测电网频率，不要求同步采样，所需的采样时间窗口满足国家标准规定的频率检测时间要求，且运算简单，易于实现。
基于上述实施例公开的基于频谱极值点的电网基波频率检测方法，请参阅图3，本实施例对应公开了一种基于频谱极值点的电网基波频率检测装置，包括：
采样单元101，用于以预设采样频率fs在预设时间内对电网的电压信号或电流信号进行时域采样，得到连续N个离散采样值{x(k),k＝0,1,2...N-1}，所述预设时间至少为1s；
为避免频率混叠，预设采样频率需要满足采样定理，预设采样频率fs至少是原信号中最高次谐波阶次的2倍，将所述预设采样频率确定为n*2*h*50，其中，h为电网的最高次谐波的阶次，n为正整数。
还需要说明的是，为了保证频率的测量精度，模数转换器ADC的有效位大于等于10位，测量电路的信噪比大于等于20dB。
另外，需要说明的是，所述预设时间为1s、3s或10s。满足国家标准规定的频率检测时间要求。
变换单元102，用于取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行DFT或FFT变换后得到多个信号能量值X(i)；
具体的，当取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行DFT变换后得到多个信号能量值当取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行FFT变换后得到多个信号能量值
绘制单元103，用于基于各个所述信号能量值绘制被测信号的频谱图，所述频率i的取值范围为[49.5,50.5]Hz，分辨率为0.01Hz；
求取单元104，用于根据所述频谱图求取极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值。
需要说明的是，求取单元可以通过穷举法或寻优法进行求解，以穷举法为例求取单元104可以包括以下子单元：
初始化子单元，用于将所述信号能量值的最大值Xmax设为0，并将所述极值点的初始值fEP设为49.5Hz；
判断子单元，用于判断X(fEP)是否大于Xmax，若是，触发确定子单元；若否，触发执行子单元；
执行子单元，用于令Xmax＝X(fEP)，fEP＝fEP+df，所述df≤0.01，并触发所述判断子单元；
确定子单元，用于将fEP确定为极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值。
本实施例公开的基于频谱极值点的电网基波频率检测装置，不需要同步采样，就能够实现电网基波频率的快速、准确的检测，运算简单，易于实现。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于频谱极值点的电网基波频率检测方法，其特征在于，所述方法包括：
以预设采样频率fs在预设时间内对电网的电压信号或电流信号进行时域采样，得到连续N个离散采样值{x(k),k＝0,1,2...N-1}，所述预设时间至少为1s；
取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行DFT或FFT变换后得到多个信号能量值X(i)；
基于各个所述信号能量值绘制被测信号的频谱图，所述频率i的取值范围为[49.5,50.5]Hz，分辨率为0.01Hz；
根据所述频谱图求取极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设采样频率为n*2*h*50，其中，h为电网的最高次谐波的阶次，n为正整数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，测量电路的信噪比大于等于20dB。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设时间为1s、3s或10s。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行DFT变换后得到多个信号能量值
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行FFT变换后得到多个信号能量值
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述频谱图求取极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值，包括：
S1：将所述信号能量值的最大值Xmax设为0，并将所述极值点的初始值fEP设为49.5Hz；
S2：判断X(fEP)是否大于Xmax；
S3：若X(fEP)不大于Xmax，令Xmax＝X(fEP)，fEP＝fEP+df，返回S2，所述df≤0.01；
S4：若X(fEP)大于Xmax，将fEP确定为极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值。
8.一种基于频谱极值点的电网基波频率检测装置，其特征在于，包括：
采样单元，用于以预设采样频率fs在预设时间内对电网的电压信号或电流信号进行时域采样，得到连续N个离散采样值{x(k),k＝0,1,2...N-1}，所述预设时间至少为1s；
变换单元，用于取不同的频率i对{x(k),k＝0,1,2...N-1}进行DFT或FFT变换后得到多个信号能量值X(i)；
绘制单元，用于基于各个所述信号能量值绘制被测信号的频谱图，所述频率i的取值范围为[49.5,50.5]Hz，分辨率为0.01Hz；
求取单元，用于根据所述频谱图求取极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述预设采样频率为n*2*h*50，其中，h为电网的最高次谐波的阶次，n为正整数。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述求取单元包括：
初始化子单元，用于将所述信号能量值的最大值Xmax设为0，并将所述极值点的初始值fEP设为49.5Hz；
判断子单元，用于判断X(fEP)是否大于Xmax，若是，触发确定子单元；若否，触发执行子单元；
执行子单元，用于令Xmax＝X(fEP)，fEP＝fEP+df，所述df≤0.01，并触发所述判断子单元；
确定子单元，用于将fEP确定为极值点，并将所述极值点的值确定为电网基波频率的值。
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