CN109030938B - 一种基于正弦滤波的抗谐波测频方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于正弦滤波的抗谐波测频方法和装置，其中方法包括如下步骤：对电力系统的频率信号进行低通滤波，得到电力系统的低频信号；对电力系统的低频信号进行正弦滤波，得到电力系统的测频信号；对电力系统的测频信号进行测频处理，得到电力系统的实时频率。本发明提供的技术方案，在对电力系统进行测频处理时，首先消除其中的高频信号，然后消除其中的低频谐波的干扰，所以测频结果更加准确。

Description

一种基于正弦滤波的抗谐波测频方法和装置
技术领域
本发明属于电力系统检测技术领域，具体涉及一种基于正弦滤波的抗谐波测频方法和装置。
背景技术
在电力系统中，频率是电能质量的重要指标之一，是反映电力系统运行状态的重要参数。一般情况下，电力系统的频率反映了电力系统中有功功率供需平衡的基本状态，它将随负荷波动在小范围内缓慢的变化。当电力系统处于稳定运行状态下时，发电机的输出功率与电力系统负荷和损耗的功率维持平衡，电力系统的频率为标称值。如果电力系统中有大容量的负荷或大功率的发电机投切，或者控制设备不完善，就会导致电力系统频率的偏移，对电力系统的稳定运行和用户设备的正常工作带来影响，所以对电力系统频率的检测非常重要。
目前测量电力系统频率的方法很多，如过零点测频、相量测频、最小二乘法测频等，当电力系统的频率偏移时，如果电力系统的波形比较纯净，这些方法都均能获得较好的测频效果。但是检测到的电力系统的真实波形，其中都会含有谐波，如此以来这些方法的测频结果都会出现一定的偏差，甚至出现严重的错误。
2005年4月的《电力系统及其自动化学报》记载了一篇名称为“电力系统频率测量的一种新方法”的论文，该论文公开了一种在被测信号进入AD采样之前，采用性能良好的带通或低通滤波器消除被测信号中的高频噪声和谐波。使用带通滤波器虽然能够得到较好的测频信号，但是高精度的带通滤波器设计比较困难，需要的成本比较高；采用低通滤波器虽然能够很好的滤除掉被测信号中的高频噪声，但是不能滤除其中的低频谐波，尤其是频率在30Hz-45Hz之间的谐波。所以经过低通滤波器滤波处理后的测频信号中依然存在干扰信号，导致测频结果不准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于正弦滤波的抗谐波测频方法和装置，用于解决电力系统存在谐波时测频结果不准确的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于正弦滤波的抗谐波测频方法，包括如下步骤：
(1)对电力系统的频率信号进行低通滤波，得到电力系统的低频信号；
(2)对电力系统的低频信号进行正弦滤波，得到电力系统的测频信号；
(3)对电力系统的测频信号进行测频处理，得到电力系统的实时频率。
进一步的，在对电力系统的低频信号进行正弦滤波时，滤波公式为
Figure BDA0001316950100000021
其中x(n)为电力系统的低频信号，n为采样序号，N为装置采样率下的一周波点数，y(n)为电力系统的测频信号。
进一步的，所述步骤(3)中采用过零测频法对电力系统的测频信号进行测频处理，得到电力系统的实时频率。
进一步的，在采用过零侧频法对电力系统的测频信号进行测频处理时，通过线性插值算法得出电力系统测频信号的过零点。
一种基于正弦滤波的抗谐波测频装置，包括：
对电力系统的频率信号进行低通滤波，得到电力系统的低频信号的模块；
对电力系统的低频信号进行正弦滤波，得到电力系统的测频信号的模块；
对电力系统的测频信号进行测频处理，得到电力系统的实时频率的模块。
进一步的，在对电力系统的低频信号进行正弦滤波时，滤波公式为
Figure BDA0001316950100000022
其中x(n)为电力系统的低频信号，n为采样序号，N为装置采样率下的一周波点数，y(n)为电力系统的测频信号。
进一步的，采用过零测频法对电力系统的测频信号进行测频处理，得到电力系统的实时频率。
进一步的，在采用过零侧频法对电力系统的测频信号进行测频处理时，通过线性插值算法得出电力系统测频信号的过零点。
本发明的有益效果是：本发明提供的技术方案，在对电力系统进行测频处理时，首先对电力系统的频率信号进行低通滤波，消除其中的高频信号，然后再进行正弦滤波，消除其中的低频谐波的干扰，所以测频结果更加准确。
附图说明
图1为方法实施例中全周傅氏、傅氏余弦部分和傅氏正弦部分的幅频特性图；
图2为方法实施例中过零测频法的示意图。
具体实施方式
本发明的目的在于提供一种基于正弦滤波的抗谐波测频方法和装置，用于解决电力系统存在谐波时测频结果不准确的问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种基于正弦滤波的抗谐波测频方法，包括如下步骤：
(1)对电力系统的频率信号进行低通滤波，得到电力系统的低频信号；
(2)对电力系统的低频信号进行正弦滤波，得到电力系统的测频信号；
(3)对电力系统的测频信号进行测频处理，得到电力系统的实时频率。
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
方法实施例：
本实施例提供一种基于正弦滤波的抗谐波测频方法，用于在对电力系统进行测频时，消除电力系统频率信号中的谐波，具体步骤如下：
(1)采用低通滤波器对电力系统的频率信号进行低通滤波，消除电力系统频率信号中的高频干扰信号，得到电力系统的低频信号；
我国电力系统的额定频率为50Hz，为了适应频率为50Hz的电力系统，在本实施例中按照滤除90Hz以上谐波和阶数尽量低的原则，运用切比雪夫滤波器设计方法，调节截止频率和衰减幅度，得到滤波系数，对电力系统的频率信号进行低通滤波，得到电力系统的低频信号；例如采样率为1200Hz，低通滤波器的通带截至频率为3Hz，阻带截至频率为88Hz，通带最大波纹衰减为1.8967dB，阻带最大衰减55dB，阶数为24阶，具体系数见表1。
表1
Figure BDA0001316950100000031
Figure BDA0001316950100000041
(2)对电力系统的低频信号进行正弦滤波，消除其中的低频谐波，得到电力系统的测频信号；
在本实施例中，利用傅氏正弦部分具有比全周傅氏更好的低通滤波特性，在电力系统频率偏移过低时，削弱谐波对测频精度的影响；图1中为全周傅氏、傅氏余弦部分和傅氏正弦部分的幅频特性，对他们的幅频特性对比分析，可知傅氏正弦部分在50-100Hz有更好的低通滤波特性；
在低通滤波的基础上，对信号使用傅氏正弦滤波，滤波的公式如下：
Figure BDA0001316950100000042
其中x(n)为电力系统的低频信号，n为采样序号，N为装置采样率下的一周波点数，即装置采样率下，一个周期的波形内的点数，y(n)为电力系统的测频信号；
(3)对电力系统的测频信号进行测频处理，得到电力系统的实时频率；
根据经过傅氏正弦滤波的电力系统测频信号，得到电力系统实时频率的方法很多，在本实施例中采用计算量较小的过零侧频法进行测频；采样装置在对电力系统的频率信号进行采样时，不一定能采集到电力系统频率信号的过零点，所以需要对电力系统的测频信号进行插值运算，寻找过零点；在本实施例中，采用线性插值寻找电力系统测频信号中的过零点，如图2所示，计算公式为
Figure BDA0001316950100000043
式中，x(tn)和x(tn+1)满足关系式x(tn)·x(tn+1)＜0，tn和tn+1为相邻两个采样点的采样时刻，t0为过零点时刻；
在采用过零侧频法进行测频时，根据3个连续的过零点即可确定当前测频信号的频率，计算公式为：
Figure BDA0001316950100000051
式中，t0-1为一周波的第一个过零点，t0-3为一周波的第三个过零点。
作为其他实施方式，可将低通滤波和正弦滤波合并，得到一组新的系数，合并方式如下：
Figure BDA0001316950100000052
式中，c1至cm为低通滤波器系数，m为滤波器阶数，d1至dN为正弦滤波系数
Figure BDA0001316950100000053
N为装置采样率下的一周波采样点数，x0为原始采样点，y(n)为正弦滤波后的测频信号，n为采样序号。
为了验证上述基于正弦滤波的抗谐波测频方法的效果，本实施例中还利用上述方法得到表2中数据，记录不同频率下的频率测量误差，信号模型如下：
xsig＝A·sin(w·t+phase1)+0.2·A·sin(h·w·t+phase2)
式中，A为信号幅值，w为信号频率,h谐波次数，phase1为信号相位，phase2为谐波相位。
表2中的数据，phase1取0度，phase2取60度，A取单位值。从表中可以看出本发明的测频精度在30～60Hz的宽范围内，可以达到0.01Hz以下的绝对精度。
表2
Figure BDA0001316950100000054
Figure BDA0001316950100000061
装置实施例：
本实施例提供一种基于正弦滤波的抗谐波测频装置，包括：
对电力系统的频率信号进行低通滤波，得到电力系统的低频信号的模块；
对电力系统的低频信号进行正弦滤波，得到电力系统的测频信号的模块；
对电力系统的测频信号进行测频处理，得到电力系统的实时频率的模块。
本实施例所提供的一种基于正弦滤波的抗谐波测频装置，其中各模块并不是硬件模块，而是按照上述方法实施例所提供的方法进行编程得到的软件模块，运行在相应的处理器或者控制器中，能够存储在可移动或者固定的存储装置中。

Claims (6)

1.一种基于正弦滤波的抗谐波测频方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对电力系统的频率信号进行低通滤波，得到电力系统的低频信号；
(2)对电力系统的低频信号进行正弦滤波，得到电力系统的测频信号，其中正弦滤波公式为：
Figure FDA0002895799770000011
其中x(n)为电力系统的低频信号，n为采样序号，N为装置采样率下的一周波点数，y(n)为电力系统的测频信号；
(3)对电力系统的测频信号进行测频处理，得到电力系统的实时频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于正弦滤波的抗谐波测频方法，其特征在于，所述步骤(3)中采用过零测频法对电力系统的测频信号进行测频处理，得到电力系统的实时频率。
3.根据权利要求2所述的一种基于正弦滤波的抗谐波测频方法，其特征在于，在采用过零测 频法对电力系统的测频信号进行测频处理时，通过线性插值算法得出电力系统测频信号的过零点。
4.一种基于正弦滤波的抗谐波测频装置，其特征在于，包括：
对电力系统的频率信号进行低通滤波，得到电力系统的低频信号的模块；
对电力系统的低频信号进行正弦滤波，得到电力系统的测频信号的模块，其中正弦滤波公式为：
Figure FDA0002895799770000012
其中x(n)为电力系统的低频信号，n为采样序号，N为装置采样率下的一周波点数，y(n)为电力系统的测频信号；
对电力系统的测频信号进行测频处理，得到电力系统的实时频率的模块。
5.根据权利要求4所述的一种基于正弦滤波的抗谐波测频装置，其特征在于，采用过零测频法对电力系统的测频信号进行测频处理，得到电力系统的实时频率。
6.根据权利要求5所述的一种基于正弦滤波的抗谐波测频装置，其特征在于，在采用过零测 频法对电力系统的测频信号进行测频处理时，通过线性插值算法得出电力系统测频信号的过零点。
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