CN107271770A - 用于测量电力线路中频率的数字化测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量电力线路中频率的数字化测量方法，涉及信号处理技术领域。本发明对输入信号进行低通滤波处理，对低通滤波处理后的信号进行等时间间隔的离散AD采样，获得N点采样数据，对获得的N点采样数据进行离散傅里叶变换得到采样周期内的基波向量数据，对相邻两周期的基波向量数据进行相移计算，得到相邻两周期的基波向量相移值；根据该相移值及采样周期计算出实际频率。本发明使用DFT相移算法解决频率计算问题，不仅精度高，运算量低，而且可以有效地避免谐波的影响，运算精度也高于现有技术中的过零点计算方法和FFT频谱分析法。

Description

用于测量电力线路中频率的数字化测量方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，尤其是涉及电力系统及其自动化中电压信号处理的技术领域，更具体地说涉及一种用于测量电力线路中频率的数字化测量方法。

背景技术

高精度频率源的测量常采用双混频时差测量法，先对信号混频完后过零检测，过零点触发计数器测量，如果过零点收噪声污染将导致测量出现误差。目前改善噪声主要依靠器件噪声的降低，发展较为缓慢，当前设备降低系统本底噪声的瓶颈在于单点过零检测对噪声较为敏感，而测频设备的差拍器、检测器等器件噪声都可能叠加到过零点，导致对过零点的误判，引起测量误差。

国家知识产权局于2012年12月05日，公开了一件公开号为CN102809687A，名称为“一种交流电频率的数字化测量方法”的发明专利，该发明专利针对连续的数字采样信号，在信号过正负峰值之后选取一个采样点P1，在后续的采样点中选取连续的两个点P2和P3，P2和P3的选取条件是P1采样值的负值在区间[P2采样值，P3采样值]内。则可以通过插值的方法在P2和P3所组成的线段上求取一点P4，使得P4的数值等于P1采样值的负值，同时可获取P4点的虚拟发生时间。由P1的采样发生时间和P4的虚拟发生时间计算电信号的零点，由一系列电信号的过零点计算电信号的频率或周期。

目前用于频率测量的方法主要使用硬件过零比较器，其主要原理是电压通过硬件过零比较器后送出方波，处理器采用中断方式采集方波边沿触发的时间点信息，从而求得频率值。但该方法存在一定的缺陷，处理器采集方波边沿信号需要使用外部中断方式，且中断要及时响应，在综合测控仪表中，处理器还要处理其他大量的数据，为了采集频率而频繁中断，资源消耗量大，不划算，某些处理器还会因为中断响应不及时而导致频率计算误差；另外当电压波动较大，谐波含量较大，电压幅值很低时均会影响频率测量的精度。

现有技术中的数字化计算频率的方法主要有：过零点计算方法，特点是采集离散的整周期电压信号，通过软件计算过零点位置，并计算出两个过零点的时间长度，从而计算频率；该方法的缺点是由于离散的采集信号，过零点位置查找不够准确，一般情况下只能通过真实过零点的左右两个采样点近似计算，电压值偏小、谐波加重时，误差变大，计算精度变小，另外采样模块的数模转换精度也要影响计算结果。

另外一种方式是采集较大量的离散电压数据，对电压数据进行FFT(快速傅立叶)计算，对频谱进行分析，检测最大频谱附近的2-3根频谱线对频率进行估计，这种方法的缺点是，要消耗大量的处理器运算资源，对频率计算的精度取决于FFT计算的点数和计算的时间区间长度，1秒中区间的FFT运算结果，两根相邻谱线的差值就是1Hz，那么结果要精确到0.01Hz的计算量将非常庞大。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明提供了一种用于测量电力线路中频率的数字化测量方法，本发明的发明目的旨在于提供一种符合精度要求，且计算量相对较小的频率数字化测量方法。本发明使用DFT相移算法解决频率计算问题，不仅精度高，运算量低，而且可以有效地避免谐波的影响，运算精度也高于现有技术中的过零点计算方法和FFT频谱分析法。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明是通过下述技术方案实现的：

用于测量电力线路中频率的数字化测量方法，其特征在于：对输入信号进行低通滤波处理，对低通滤波处理后的信号进行等时间间隔的离散AD采样，获得N点采样数据，其中N为一个采样周期的离散采样点数；对获得的N点采样数据进行离散傅里叶变换得到该采样周期内的基波向量数据；根据上述方法，获得相邻采样周期的基波向量数据；对相邻采样周期内的基波向量数据进行相移计算，得到相邻两周期的基波向量相移值；根据该相移值及采样周期计算出本采样周期的实际频率；所述相邻采样周期具体是指，本采样周期与本采样周期相邻的下一个采样周期。

所述对输入信号进行低通滤波处理，具体是指，采用低通滤波器对输入的信号进行低通滤波处理，且低通滤波器的阻带边缘频率设定为≤f_s/2的值，f_s表示采样频率，T_s表示采样周期。

所述N点采样数据为：x(n),n＝0,1,2,...,N-2,N-1，其中N为一个采样周期的离散采样点数，x(n)表示离散采样点。

所述对获得的N点采样数据进行离散傅里叶变换，具体是指：对x(n)进行离散傅里叶变换，即为X_k(1)表示第k周期基波向量；对相邻两组向量X_k(1),X_k-1(1)进行相移计算：

即

则，

根据X_k(1),X_k-1(1)求出 为相邻两周期向量相移值。

与现有技术相比，本发明所带来的有益的技术效果表现在：

1、本发明使用DFT相移算法巧妙地解决了频率计算的问题，不仅精度高运算量低，而且使用DFT运算，避免了谐波的影响，运算量仅2*N个乘法运算，远远低于FFT进行频谱分析的运算量。运算精度优于软件过零点算法和FFT频谱分析算法。

2、本申请对输入信号进行低通滤波处理，滤除较高次谐波，可以有效消除采样可能导致的频谱混叠现象，本申请采用离散傅里叶变换，使得变换后的数据谐波被滤除，仅剩余基波向量。可以有效的降低计算误差，提高精度，降低运算量。

3、通过采用DFT相移算法,降低了处理器计算频率参数的运算量,提高了频率计算的精度,降低了处理器的软件硬件开销。

附图说明

图1为本发明测量方法的流程图。

具体实施方式

实施例1

作为本发明一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

用于测量电力线路中频率的数字化测量方法，对输入信号进行低通滤波处理，对低通滤波处理后的信号进行等时间间隔的离散AD采样，获得N点采样数据，其中N为一个采样周期的离散采样点数；对获得的N点采样数据进行离散傅里叶变换得到该采样周期内的基波向量数据；根据上述方法，获得相邻采样周期的基波向量数据；对相邻采样周期内的基波向量数据进行相移计算，得到相邻两周期的基波向量相移值；根据该相移值及采样周期计算出本采样周期的实际频率；所述相邻采样周期具体是指，本采样周期与本采样周期相邻的上一个采样周期。

实施例2

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

用于测量电力线路中频率的数字化测量方法，对输入信号进行低通滤波处理，对低通滤波处理后的信号进行等时间间隔的离散AD采样，获得N点采样数据，其中N为一个采样周期的离散采样点数；对获得的N点采样数据进行离散傅里叶变换得到该采样周期内的基波向量数据；根据上述方法，获得相邻采样周期的基波向量数据；对相邻采样周期内的基波向量数据进行相移计算，得到相邻两周期的基波向量相移值；根据该相移值及采样周期计算出本采样周期的实际频率；所述相邻采样周期具体是指，本采样周期与本采样周期相邻的上一个采样周期；所述对输入信号进行低通滤波处理，具体是指，采用低通滤波器对输入的信号进行低通滤波处理，且低通滤波器的阻带边缘频率设定为≤f_s/2的值，f_s表示采样频率，T_s表示采样周期。

所述N点采样数据为：x(n),n＝0,1,2,...,N-2,N-1，其中N为一个采样周期的离散采样点数，x(n)表示离散采样点；所述对获得的N点采样数据进行离散傅里叶变换，具体是指：对x(n)进行离散傅里叶变换，即为X_k(1)表示第k周期基波向量；对相邻两组向量X_k(1),X_k-1(1)进行相移计算：

即

则，

根据X_k(1),X_k-1(1)求出 为相邻两周期向量相移值。

实施例3

作为本发明又一较佳实施例，参照说明书附图1，本实施例公开了：

本实施例以一个连续的电压信号为例，电压输入信号首先经过硬件低通滤波器滤除较高次谐波,防止离散信号采集导致频谱混叠现象。根据奈奎斯特采样定理,低通滤波器的阻带边缘频率设定为<＝f_s/2的值,即可确保采样频谱不混叠；

采用数字信号处理器对经硬件滤波后的信号进行等间隔AD采样,得到离散的数字信号x(n),n＝0,1,2,...,N-2,N-1,本例中设有一个连续的电压信号 其中ω＝2πf。经AD采样后得到离散数字序列

n＝0,1,2,,,,N-2,N-1；

对上述x(n)进行N点DFT变换得到

由此得到：

由于采用DFT进行变换，因此后面的谐波被滤除，仅剩余基波向量。另外当n＝N,N+1,...,2N-2,2N-1时，对x(n)进行DFT变换得到由此得到：

对X_k(1)和X_k-1(1)进行归一化处理后得到：

命

则有

显然有

这里应注意到，由于对信号频率范围的预知，DFT计算的时间域宽度也就是N，和实际频率周期相差很小，所以这里的和f非常接近，因此的大小是一个接近2π的数据，当时，略大于2π，当时，略小于2π，当时，等于于2π。而习惯上我们将两个信号的相位差控制在2π以内，所以这里应写成：

这时，且在和f接近的情况下值非常接近0；

根据值以及f_s的值以及以上公式可以得到：f表示本采样周期的实际频率。

实施例4

在本实施例中，考虑一个特殊的例子，设需要计算的频率f＝50.1Hz，事先我们并不知道这个频率值，我们只知道它在50Hz附近，所以取N＝256，f_s＝12.8kHz，也就是时间区域范围为N/f_s＝20ms，设f₀＝50Hz。因此有第二次DFT的信号相对于第一次DFT的信号超前相位为:

根据(5)公式：

Claims (4)

1.用于测量电力线路中频率的数字化测量方法，其特征在于：对输入信号进行低通滤波处理，对低通滤波处理后的信号进行等时间间隔的离散AD采样，获得N点采样数据，其中N为一个采样周期的离散采样点数；对获得的N点采样数据进行离散傅里叶变换得到该采样周期内的基波向量数据；根据上述方法，获得相邻采样周期的基波向量数据；对相邻采样周期内的基波向量数据进行相移计算，得到相邻两周期的基波向量相移值；根据该相移值及采样周期计算出本采样周期的实际频率；所述相邻采样周期具体是指，本采样周期与本采样周期相邻的上一个采样周期。

2.如权利要求1所述的用于测量电力线路中频率的数字化测量方法，其特征在于：所述对输入信号进行低通滤波处理，具体是指，采用低通滤波器对输入的信号进行低通滤波处理，且低通滤波器的阻带边缘频率设定为≤f_s/2的值，f_s表示采样频率，T_s表示采样周期。

3.如权利要求1或2所述的用于测量电力线路中频率的数字化测量方法，其特征在于：所述N点采样数据为：x(n),n＝0,1,2,...,N-2,N-1，其中N为一个采样周期的离散采样点数，x(n)表示离散采样点。

4.如权利要求1或2所述的用于测量电力线路中频率的数字化测量方法，其特征在于：所述对获得的N点采样数据进行离散傅里叶变换，具体是指：对x(n)进行离散傅里叶变换，即为X_k(1)表示第k周期基波向量；对相邻两组向量X_k(1),X_k-1(1)进行相移计算：

即

则，

根据X_k(1),X_k-1(1)求出 为相邻两周期向量相移值。