CN107167657B - 频率测量装置、频率测量方法和低频减载装置 - Google Patents

频率测量装置、频率测量方法和低频减载装置 Download PDF

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Abstract

一种频率测量装置，包括：采样模块单元，根据输入的待采样电压和采样频率，输出电压采样值；基于单周波DFT的角度偏移计算单元，根据电压采样值，计算并输出基于单周波DFT的第1角度偏移；基于多周波DFT的角度偏移计算单元，根据电压采样值，计算并输出基于多周波DFT的第2角度偏移；角度偏移选择单元，根据第1角度偏移和第2角度偏移，选择并输出其中绝对值较小的角度偏移，作为选定角度偏移量；采样频率计算输出单元，根据选定角度偏移量计算新的采样频率，并将其输出到采样模块；以及频率测量值计算输出单元，根据输入的选定角度偏移量计算并输出频率测量值。

Description

频率测量装置、频率测量方法和低频减载装置
技术领域
本发明涉及频率测量装置、频率测量方法和低频减载装置。特别涉及同时使用了基于单周波DFT(离散傅立叶变换)的角度偏移计算单元和基于多周波DFT的角度偏移计算单元来计算角度偏移量的频率测量装置、频率测量方法和低频减载装置。
背景技术
电力系统自动化设备，例如继电保护设备、稳定控制设备，都需要对电力系统频率进行精确测量。频率测量的精度与速度，对自动化设备(例如：低频减载装置)的可靠性至关重要，。以往，有时因为频率测量的不准确，而导致自动化设备发出错误动作命令，造成不必要的经济损失。
传统的频率测量技术主要是过零点检测技术和基于离散傅立叶变换DFT的锁相技术。过零点检测技术的精度容易受到噪音、谐波等电力系统暂态过程影响。
图1是以往的频率测量装置的电路图。
由图1可知，该技术在频率测量中采用了基于离散傅立叶变换DFT的锁相技术这种方法，对于噪音和整数次谐波干扰有一定的过滤功能，但是这种方法采用的单周波DFT，对于非整数次谐波(例如：分频谐振干扰)、电压幅值剧烈变化、相角的突变，缺乏有效的过滤作用。而简单地采用多周波DFT，虽然能起到一定的滤波功能从而降低扰动幅度，但是扰动的总体持续时间反而要长于单周波DFT，因此也不能有效提高频率测量的可靠性。
另外，由图1可知，在用于频率跟踪的离散锁相环中，在运算采样频率和频率测量时采用了同一个控制因子G。控制因子G是用于调节响应特性，如稳定时间和过冲的比例控制因子。如果控制因子G等于1，频率稳定误差会减小，但频率响应变化剧烈。则如果控制因子G小于1，即欠补偿，频率稳定误差会增大，但频率响应平滑。由于采样频率和频率测量都受到同一控制因子的影响，所以难以兼顾频率测量的精度和采样频率的平滑的频率响应。
因此，以往在电力系统发生扰动，导致电压幅值波动、相角突变、或者存在分频谐波干扰时，频率测量值往往不够准确。
因此，有必要探索一种新的频率测量技术，在满足频率响应速度的要求下，尽可能提高在电力系统发生扰动情况下的频率测量精度。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的。其目的是提供在满足频率响应速度的要求下，尽可能提高在电力系统发生扰动情况下的频率测量精度的频率测量装置、频率测量方法和低频减载装置。
本发明的频率测量装置，包括：
采样模块，根据输入的采样电压和采样频率，输出电压采样值；
基于单周波离散傅立叶变换DFT的角度偏移计算单元，根据输入的来自所述采样模块的所述电压采样值，计算并输出基于单周波DFT的第1角度偏移；
基于多周波DFT的角度偏移计算单元，根据输入的来自所述采样模块的所述电压采样值，计算并输出基于多周波DFT的第2角度偏移；
角度偏移选择单元，根据输入的所述第1角度偏移和所述第2角度偏移，选择并输出其中绝对值较小的角度偏移，作为选定角度偏移量；
采样频率计算输出单元，根据输入的所述选定角度偏移量计算采样频率，并将其作为新的采样频率输出到所述采样模块；以及
频率测量值计算输出单元，根据输入的所述选定角度偏移量计算并输出频率测量值。
本发明的频率测量方法包括：
采样步骤，在采样模块中输入待采样电压和采样频率，输出电压采样值；
基于单周波离散傅立叶变换DFT的角度偏移计算步骤，根据输入的来自采样步骤的电压采样值，计算并输出基于单周波DFT的第1角度偏移；
基于多周波DFT的角度偏移计算步骤，根据输入的来自采样步骤的电压采样值，计算并输出基于多周波DFT的第2角度偏移；
角度偏移选择步骤，根据第1角度偏移和第2角度偏移，选择并输出其中绝对值较小的角度偏移，作为选定角度偏移量；
采样频率计算输出步骤，根据输入的选定角度偏移量计算采样频率，并将其作为新的采样频率，输出到采样模块；以及
频率测量值计算输出步骤，根据输入的选定角度偏移量计算并输出频率测量值。
本发明的技术方案改进了基于DFT的频率测量技术，采用单周波DFT与多周波DFT相结合的方式，分别由单周波DFT、多周波DFT计算角度偏移值，选择绝对值较小的角度偏移量作为频率偏移的计算基础，此外，还采用“欠补偿”方式调整采样频率。
本发明的技术方案既利用了多周波DFT的滤波功能，又加速了频率响应过程，从而有效提高了电压扰动情况下频率测量的精度与速度。因此，本发明可以有助于提高电力自动化设备(例如：低频减载装置)的可靠性，降低发生误动作的概率。
附图说明
从本公开的具体实施例结合附图的以下描述中，其它优点和特征将变得更清楚明显，这些具体实施例仅是为了非限制性的目的，并在附图中示出，附图中同样的附图标记用于表示同样的部件或单元，其中：
图1是以往的频率测量装置的电路图。
图2是本发明的频率测量装置的电路图。
图3是本发明的频率测量装置的具体结构的框图。
图4是本发明的频率测量方法的流程图。
图5是本发明的频率测量方法中的基于单周波DFT的角度偏移计算步骤20的具体流程图。
图6是本发明的频率测量方法中的基于多周波DFT的角度偏移计算步骤S30的具体流程图。
图7是本发明的频率测量方法中的采样频率计算输出步骤S50的具体流程图。
图8是本发明的频率测量方法中的频率测量值计算输出步骤S60的具体流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的具体实施例。虽然附图中显示了本公开的多个具体实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开被理解得更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。
图2是本发明的频率测量装置的电路图的一个例子。
与现有技术的图1的电路图对比可知，本发明的频率测量装置分别通过单周波DFT、多周波DFT同时计算角度偏移值，选择绝对值较小的角度偏移量作为频率偏移的计算基础。并且在离散锁相环中，在频率测量值的计算中，采用的控制因子的比例系数为1，在新的采样频率计算中，采用的控制因子的比例系数小于1，即采用“欠补偿”方式调整采样频率。
图3是本发明的频率测量装置的具体结构的框图。
由图3可知，本发明的频率测量装置1包括：根据输入的待采样电压和采样频率，输出电压采样值的采样模块10；根据输入的来自采样模块10的电压采样值，计算并输出基于单周波DFT的第1角度偏移的基于单周波离散傅立叶变换DFT的角度偏移计算单元20；根据输入的来自采样模块10的电压采样值，计算并输出基于多周波DFT的第2角度偏移的基于多周波DFT的角度偏移计算单元30；根据输入的第1角度偏移和第2角度偏移，选择并输出其中绝对值较小的角度偏移，作为选定角度偏移量的角度偏移选择单元40；根据输入的选定角度偏移量计算采样频率，并将其作为新的采样频率输出到采样模块的采样频率计算输出单元50；以及根据输入的选定角度偏移量计算并输出频率测量值的频率测量值计算输出单元60。
其中，基于单周波DFT的角度偏移计算单元20包括：对输入的单周波的电压采样值进行DFT处理，输出第1电压相位角的单周波DFT单元201；根据第1电压相位角，计算并输出第1角度偏移量的第1角度偏移计算单元202。
基于多周波DFT的角度偏移计算单元30包括：通过窗函数，截取并输出多个周波的电压采样值的窗口单元301；对输入的多个周波的电压采样值进行DFT处理，计算并输出第2电压相位角的多周波DFT单元302；根据第2电压相位角，计算并输出第2角度偏移量的第2角度偏移计算单元303。
上述窗函数优选使用海明窗函数，但是不限于此，也可以采用其它合适的窗函数。
上述的多个周波优选1至10个周波，但是不限于此，也可以采用其它合适个数的周波。
本发明的频率测量装置1分别通过单周波DFT、多周波DFT同时计算角度偏移值，选择绝对值较小的角度偏移量作为频率偏移的计算基础，因此可以有效地克服单独采用的单周波DFT计算角度偏移值时，对于非整数次谐波(例如：分频谐振干扰)、电压幅值剧烈变化、相角的突变，缺乏有效的过滤作用的缺点，以及单独采用多周波DFT计算角度偏移值时，扰动的总体持续时间反而要长于单周波DFT，不能有效提高频率测量的可靠性的缺点。具有抗干扰性强，扰动时间短的优点。
本发明的采样频率计算输出单元50包括：频率偏移计算单元501；第1乘法器502；采样基准频率值计算单元503；以及第2乘法器504。
频率偏移计算单元501根据输入的选定角度偏移量计算并输出频率偏移量，第1乘法器502将频率偏移量乘以第1系数后，将第1结果输出到采样基准频率值计算单元503。采样基准频率值计算单元503根据输入的第1结果计算并输出采样基准频率值。第2乘法器504对采样基准频率值乘以整数倍后，生成新的采样频率，输出到采样模块，调整采样频率。上述运算为一次迭代处理过程，调整采样频率后，等待下一次迭代运算，运算间隔可以由具体应用设定，例如，每10ms、20ms执行一次。
其中第1系数可调，为大于0小于1的值，优选为大于0.1且小于1的值。
区别于传统DFT频率测量方案，本发明区别对待频率测量值与采样基准频率。采样频率是采样基准频率的整数倍，例如：采样基准频率为50Hz而采样频率为2400Hz，即信号在基准频率时，一个周期获取48个采样点。另外，在上述新的采样基准频率计算中，采用的控制因子的比例系数小于1，即采用“欠补偿”方式调整采样频率。这种方式，既保证了频率测量值的计算精度，又可以得到较好的频率响应特性，从而加快了频率响应。
频率测量值计算输出单元60包括：第3乘法器601；以及频率测量值计算单元602。
其中第3乘法器601将频率偏移量乘以第2系数后，将第2结果输出到频率测量值计算单元602。频率测量值计算单元602根据第2结果计算并输出频率测量值。其中第2系数优选为1的值。
综上所述，本发明具有如下特征：
(1)区别于传统DFT频率测量方案，本发明区别对待频率测量值与采样基准频率。在频率测量值的计算中，采用的比例系数为1；在新的采样基准频率计算中，采用的比例系数小于1，即采用“欠补偿”方式调整采样频率。这种方式，既保证了频率测量值的计算精度，又可以得到较好的频率响应特性，从而加快了频率响应。
(2)单周波DFT与多周波DFT同时运算。分别由单周波DFT、多周波DFT同时计算角度偏移值，选择绝对值较小的角度偏移量作为频率偏移的计算基础。
通过将特征(1)与(2)结合，本发明整体技术方案具有良好的频率测量精度、可靠性，同时响应速度能够满足应用要求。
下面，根据附图说明本发明的频率测量方法。
图4是本发明的频率测量方法的流程图。由图4可知，本发明的频率测量方法包括：采样步骤S10，在采样模块中输入待采样电压和采样频率，输出电压采样值；基于单周波离散傅立叶变换DFT的角度偏移计算步骤S20，根据输入的来自采样步骤的电压采样值，计算并输出基于单周波DFT的第1角度偏移；基于多周波DFT的角度偏移计算步骤S30，根据输入的来自采样步骤的电压采样值，计算并输出基于多周波DFT的第2角度偏移；角度偏移选择步骤S40，输入第1角度偏移和第2角度偏移，选择并输出其中绝对值较小的角度偏移，作为选定角度偏移量；采样频率计算输出步骤S50，输入选定角度偏移量，根据输入的选定角度偏移量计算采样频率，并将其作为新的采样频率输出到采样模块；以及频率测量值计算输出步骤S60，输入选定角度偏移量，根据输入的选定角度偏移量计算采样基准频率，计算并输出频率测量值。
图5是本发明的频率测量方法中的基于单周波DFT的角度偏移计算步骤20的具体流程图。
基于单周波DFT的角度偏移计算步骤20具体包括：单周波DFT步骤S201，对输入的单周波的电压采样值进行DFT处理，输出第1电压相位角；第1角度偏移计算步骤S202，根据第1电压相位角，计算并输出第1角度偏移量，作为第1角度偏移。
图6是本发明的频率测量方法中的基于多周波DFT的角度偏移计算步骤S30的具体流程图。
基于多周波DFT的角度偏移计算步骤S30包括：窗口步骤S301，通过窗函数，截取并输出多个周波的电压采样值；多周波DFT步骤S302，对输入的多个周波的电压采样值进行DFT处理，计算并输出第2电压相位角；第2角度偏移计算步骤S303，根据第2电压相位角，计算并输出第2角度偏移量，作为第2角度偏移。
上述窗函数优选使用海明窗函数，但是不限于此，也可以采用其它合适的窗函数。
上述的多个周波优选1至10个周波，但是不限于此，也可以采用其它合适个数的周波。
图7是本发明的频率测量方法中的采样频率计算输出步骤S50的具体流程图。
上述采样频率计算输出步骤S50包括：频率偏移计算步骤S501；第1乘法步骤S502；采样基准频率值计算步骤S503；以及第2乘法步骤S504。
频率偏移计算步骤S501根据输入的选定角度偏移量计算并输出频率偏移量，第1乘法步骤S502将频率偏移量乘以第1系数后，将第1结果输出到采样基准频率值计算步骤S503，采样基准频率值计算步骤S503根据输入的第1结果计算并输出采样基准频率值，第2乘法步骤S504对采样基准频率值乘以整数倍后，生成新的采样频率，输出到采样模块，从而调整采样频率。上述运算为一次迭代处理过程，计算得到新的采样频率，从而调整采样频率，等待下一次迭代运算，运算间隔可以由具体应用设定，例如，每10ms、20ms执行一次。
其中第1系数可调,为大于0小于1的值，优选为大于0.1且小于1的值。
图8是本发明的频率测量方法中的频率测量值计算输出步骤S60的具体流程图。
上述频率测量值计算输出步骤S60包括：第3乘法步骤S601；以及频率测量值计算步骤S602。第3乘法步骤S601将频率偏移量乘以第2系数后，将第2结果输出到频率测量值计算步骤S602，频率测量值计算步骤S602根据第2结果计算并输出频率测量值。其中第2系数为1。
本发明的上述频率测量方法具有良好的频率测量精度、可靠性，同时响应速度能够满足应用要求。
本发明的频率测量装置和方法既可以应用于低频减载装置中，也可以应用于其他需要准确测量频率的装置中。
本公开的各个实施例中的各个单元(功能模块、芯片等)的连接关系和构成关系不对本公开的保护范围构成限制，它们可以合并为单独一个单元来实现，或者其中的特定单元也可以被分割为功能更小的多个单元来实现。
附图中的各个框图显示了根据本公开实施例的频率测量装置可能实现的结构、功能和操作。在这点上，框图中的每个方框可以代表一个模块，所述模块包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图中的每个方框可以用执行规定功能或动作的专用的基于硬件的ASIC来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各个实施例。在不偏离所说明的各个实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各个实施例的原理、实际应用或对市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各个实施例。
工业适用性
本发明的频率测量装置、频率测量方法和低频减载装置具有良好的频率测量精度、可靠性，同时响应速度能够满足应用要求，可以减少低频减载装置误操作的可能性。

Claims (13)

1.一种频率测量装置，其特征在于，包括：
采样模块，根据输入的待采样电压和采样频率，输出电压采样值；
基于单周波离散傅立叶变换DFT的角度偏移计算单元，根据输入的来自所述采样模块的所述电压采样值，计算并输出基于单周波DFT的第1角度偏移；
基于多周波DFT的角度偏移计算单元，根据输入的来自所述采样模块的所述电压采样值，计算并输出基于多周波DFT的第2角度偏移；
角度偏移选择单元，根据输入的所述第1角度偏移和所述第2角度偏移，选择并输出其中绝对值较小的角度偏移，作为选定角度偏移量；
采样频率计算输出单元，根据输入的所述选定角度偏移量计算新的采样频率，并将新的采样频率输出到所述采样模块；以及
频率测量值计算输出单元，根据输入的所述选定角度偏移量计算并输出频率测量值。
2.如权利要求1所述的频率测量装置，其特征在于，
所述基于单周波DFT的角度偏移计算单元包括：
单周波DFT单元，对输入的单周波的电压采样值进行DFT处理，输出第1电压相位角；
第1角度偏移计算单元，根据所述第1电压相位角，计算并输出第1角度偏移量，作为所述第1角度偏移，
所述基于多周波DFT的角度偏移计算单元包括：
窗口单元，通过窗函数，截取并输出多个周波的所述电压采样值；
多周波DFT单元，对输入的所述多个周波的电压采样值进行DFT处理，计算并输出第2电压相位角；
第2角度偏移计算单元，根据所述第2电压相位角，计算并输出第2角度偏移量，作为所述第2角度偏移。
3.如权利要求2所述的频率测量装置，其特征在于，
所述窗函数为海明窗函数，所述多个周波为1至10个周波，可根据应用需要进行调整。
4.如权利要求1所述的频率测量装置，其特征在于，
所述采样频率计算输出单元包括：
频率偏移计算单元；
第1乘法器；
采样基准频率值计算单元；以及
第2乘法器，
所述频率偏移计算单元根据输入的所述选定角度偏移量，计算并输出频率偏移量，所述第1乘法器将所述频率偏移量乘以第1系数后，将第1结果输出到所述采样基准频率值计算单元，所述采样基准频率值计算单元根据输入的所述第1结果计算并输出采样基准频率值，所述第2乘法器对所述采样基准频率值乘以整数倍后，生成新的采样频率，输出到所述采样模块，从而调整采样频率，
频率测量值计算输出单元包括：
第3乘法器；以及
频率测量值计算单元，
所述第3乘法器将所述频率偏移量乘以第2系数后，将第2结果输出到频率测量值计算单元，所述频率测量值计算单元根据所述第2结果计算并输出所述频率测量值。
5.如权利要求4所述的频率测量装置，其特征在于，
所述第1系数为大于0小于1的值，所述第2系数为1。
6.如权利要求1所述的频率测量装置，其特征在于，
每隔规定的运算间隔，运算一次从所述采样模块至所述采样频率计算输出单元并将新的采样频率输出到所述采样模块的迭代处理过程，所述运算间隔由具体应用进行设定。
7.一种频率测量方法，其特征在于，包括：
采样步骤，在采样模块中输入待采样电压和采样频率，输出电压采样值；
基于单周波离散傅立叶变换DFT的角度偏移计算步骤，根据输入的来自所述采样步骤的所述电压采样值，计算并输出基于单周波DFT的第1角度偏移；
基于多周波DFT的角度偏移计算步骤，根据输入的来自所述采样步骤的所述电压采样值，计算并输出基于多周波DFT的第2角度偏移；
角度偏移选择步骤，根据所述第1角度偏移和所述第2角度偏移，选择并输出其中绝对值较小的角度偏移，作为选定角度偏移量；
采样频率计算输出步骤，根据输入的所述选定角度偏移量计算采样频率，并将其作为新的采样频率输出到所述采样模块；以及
频率测量值计算输出步骤，根据输入的所述选定角度偏移量计算并输出频率测量值。
8.如权利要求7所述的频率测量方法，其特征在于，
所述基于单周波DFT的角度偏移计算步骤包括：
单周波DFT步骤，对输入的单周波的电压采样值进行DFT处理，输出第1电压相位角；
第1角度偏移计算步骤，根据所述第1电压相位角，计算并输出第1角度偏移量，作为所述第1角度偏移，
所述基于多周波DFT的角度偏移计算步骤包括：
窗口步骤，通过窗函数，截取并输出多个周波的所述电压采样值；
多周波DFT步骤，对输入的所述多个周波的电压采样值进行DFT处理，计算并输出第2电压相位角；
第2角度偏移计算步骤，根据所述第2电压相位角，计算并输出第2角度偏移量，作为所述第2角度偏移。
9.如权利要求8所述的频率测量方法，其特征在于，
所述窗函数为海明窗函数，所述多个周波为1至10个周波，可根据应用需要进行调整。
10.如权利要求7所述的频率测量方法，其特征在于，
所述采样频率计算输出步骤包括：
频率偏移计算步骤；
第1乘法步骤；
采样基准频率值计算步骤；以及
第2乘法步骤，
所述频率偏移计算步骤根据输入的所述选定角度偏移量计算并输出频率偏移量，所述第1乘法步骤将所述频率偏移量乘以第1系数后，将第1结果输出到所述采样基准频率值计算步骤，所述采样基准频率值计算步骤根据输入的所述第1结果计算并输出采样基准频率值，所述第2乘法步骤对所述采样基准频率值乘以整数倍后，生成新的采样频率，输出到所述采样模块，从而调整采样频率，
频率测量值计算输出步骤包括：
第3乘法步骤；以及
频率测量值计算步骤，
所述第3乘法步骤将所述频率偏移量乘以第2系数后，将第2结果输出到频率测量值计算步骤，所述频率测量值计算步骤根据所述第2结果计算并输出所述频率测量值。
11.如权利要求10所述的频率测量方法，其特征在于，
所述第1系数为大于0小于1的值，所述第2系数为1。
12.如权利要求7所述的频率测量方法，其特征在于，
每隔规定的运算间隔，运算一次从所述采样步骤至所述采样频率计算输出步骤的迭代处理过程，所述运算间隔由具体应用进行设定。
13.一种低频减载装置，其特征在于，包括权利要求1至6的任意一项所述的频率测量装置。
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