CN109633265B - 一种基于电压幅值的电网频率实时测量方法及系统 - Google Patents

一种基于电压幅值的电网频率实时测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于电网频率测量技术领域，公开了一种基于电压幅值的电网频率实时测量方法及系统，利用100:5隔离变压器，将高压PT的输出电压降低至5V，然后利用精密无感电阻分压取样；再利用射极跟随电路放大调理，电路取样功率趋于0；在120％PT输入电压下，电压输出峰值小于±5V；接着利用16位AD完成采样，采样频率为10kHz。本发明解决了常规算法中需要三角函数计算、计算速度慢、精度低，抗干扰性差等一系列问题，以存储空间换计算速度，利用电压幅值差计算频率，抗干扰性好、计算精度高、实时性好、在计算过程中无需要三角函数计算。

Description

一种基于电压幅值的电网频率实时测量方法及系统
技术领域
本发明属于电网频率测量技术领域，尤其涉及一种基于电压幅值的电网频率实时测量方法及系统。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：
目前，电网频率的实时计算方法主要有：三点值法、数字脉冲计数法、锁相倍频法、CZT算法、周期移相法。
电网频率波动范围是电力质量体系中三个指标中最重要的指标。智能变电站中的很多在线监测装置，都需要相对准确的电网频率参数。因此，研发高精度、实时的电网频率测量技术是非常必要的。
综上所述，现有技术存在的问题是：
在频率测量过程中，存在电压波形畸变、非周期电压分量及噪声干扰等问题；
基于三点值法的频率计算方法简单，反应速度快，但抗干扰性太差；
对含有高次谐波的电压信号，基于数字脉冲计数法的频率测量方法，测试结果离散性太大，失去测试意义；
随着采样频率的增加，锁相倍频法中锁相倍频环路的倍频系数值变大，环路稳定性变差，使测量的可靠性大大降低；
CTZ算法计算精度一般，提升计算精度的难度系数比较大；
周期移相法需要三角函数计算，虽然计算量不大，但受高频谐波影响精度有限。提高采样频率虽可提高精度，但计算量大大增加，对硬件要求过高。
解决上述问题的难度：
由于种种原因，电网电压波形本身存在波形畸变、非周期分量及各种噪声，对精密取样电阻要求高。若提高采样频率，则会导致计算量线性增加，对硬件要求过高。
解决上述技术问题的意义：本发明在电网频率参数确定中，以存储空间换计算速度，利用电压幅值差，抗干扰性好，计算精度较高，测量范围宽，实时性好，在计算过程中，不需要三角函数的计算。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于电压幅值的电网频率实时测量方法及系统。本发明通过16位AD采样，利用软硬件结合办法实现电网频率的准确实时测量，有处理速度快、精度高、抗干扰好、测量范围宽、便于数字化的优点。
本发明是这样实现的，一种基于电压幅值的电网频率实时测量方法包括：
利用高精度100:5隔离变压器，将PT输出电压降低至5V，然后利用无感精密电阻分压取样；
利用射极跟随电路调理，取样电路功率趋于0。在120％PT输入电压下，电压调理后电压输出峰值小于±5V；
AD取样：利用16位AD完成采样，采样频率10kHz，为提高供计算精度，可以进一步提高采样速率；
频率计算法：
设电网实际频率为f0，考虑各次谐波，则电压u
Figure BDA0001944479000000021
其中a0,a1,a2......am依次是直流、基波、2次到m次谐波的幅值。φ1,φ2......φm依次是基波、2次到m次谐波的相位。
对于基频，利用DFT变换，基频的实部R1(n)、虚部V1(n)为
Figure BDA0001944479000000022
n＝0,1,2,3…N-1；
R1(n)是利用n,n+1,n+2，…，n+N-1共N个点计算出的基频实部。
V1(n)是利用n,n+1,n+2，…，n+N-1共N个点计算出的基频虚部。
其中N是基准频率对应的整周期取样点数。则基波幅值
Figure BDA0001944479000000031
若采样频率fs不等于真实电网频率f0整数倍，U1n将在一定的范围内波动(非整周期采样)。
在真实频率f0附近，U1n的波动范围ΔU(U1n最大值与最小值之差)和Δf(计算频率f＝fs/N与真实频率f0之差)绝对值成正比。
若f＝f0，基波幅值U1n(n＝0,1,2……)为一定值,不随n变化，记为U1。基波幅值U1与实际幅值a1满足如下关系：
Figure BDA0001944479000000032
该式称为匹配频率下的幅值归一。
采样频率取Fs＝104Hz，即一个工频周期内取200个点，在目前单片机硬件条件下，这个AD采样速度还是比较容易实现的。
整周期采样点数N下对应计算频率f为：
Figure BDA0001944479000000033
各种整周期采样点数N对应的频率f见表1。
表1整周期采样点数对应频率f(Hz)
周期采样点数目(点) 对应频率f(Hz)
N1＝202 49.504950
N2＝201 49.751244
N3＝200 50.000000
N4＝199 50.251256
N5＝198 50.505051
。
进一步，所述基于幅值的电网频率实时测量方法进一步包括：
1)在10kHz采样频率下，N1＝202,N2＝201,N3＝200,N4＝199,N5＝198。计算N＝N1、N2、N3、N4、N5的傅立叶变换系数
Figure BDA0001944479000000041
一次算好，用数组保存，计算过程中不再改变。
2)计算各个计算频率f下的幅值UN,n分布。
3)确定各个计算频率下的幅值UN,max，UN,min，并计算出ΔU＝UN,max-UN,min。
4)若计算频率与电网实际频率相等，则ΔU＝0。否则ΔU＞0。
5)找出五个频率下ΔU最小值ΔUbottom和ΔU次最小值ΔUtop及其对应的频率ftop、fbottom；
6)利用插值公式计算电网实际频率
Figure BDA0001944479000000042
本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于幅值的电网频率实时测量方法的基于电压幅值的电网频率实时测量控制系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本发明使用软硬件结合处理方式，计算速度快；
相比周期移相法，频率测量精度可提高1个数量级；
计算过程中不存在三角函数运算，计算速度快；
采样频率不高，对硬件要求低；
频率计算范围宽，测量范围宽49.5～50.5。
利用电压幅值，抗干扰性好；
便于数字化；
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于幅值的电网频率实时测量方法流程图。
图2是本发明实施例提供的高精度电阻分压取样原理图。
图3是本发明实施例提供的运放后电压峰值输出原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在频率测量过程中，存在电压波形畸变、非周期电压分量及噪声干扰等问题；
基于三点值法的频率计算方法简单，反应速度快，但抗干扰性太差；
对含有高次谐波的电压信号，基于数字脉冲计数法的频率测量方法，测试结果离散性太大，失去测试意义；
随着采样频率的增加，锁相倍频法中锁相倍频环路的倍频系数值变大，环路稳定性变差，测量的可靠性大大降低；
CTZ算法计算精度一般，提升计算精度的难度系数比较大；
周期移相法虽然计算量不大，但精度有限，抗干扰性一般。提高采样频率可提高精度，但计算量大大增加，对硬件要求高。
为解决上述问题，下面结合具体方案对本发明做详细的说明。
图1所示，本发明实施例提供的基于幅值的电网频率实时测量方法包括：电压取样：利用高精度100:5隔离变压器，将PT输出电压降低至5V，然后利用电阻分压取样，如图2所示。
调理电路：利用射极跟随调理电路，取样电路功率趋于0。在120％PT输入电压下，电压峰输出值小于5V，如图3所示。
AD取样：利用16位AD完成采样，采样频率10kHz，为提高计算精度，可以进一步提高采样速率。
频率计算法：设电网实际频率为f0，考虑各次谐波，则电压u
Figure BDA0001944479000000051
其中a0,a1,a2......am依次是直流、基波、2次到m次谐波的幅值。φ1,φ2......φm依次是基波、2次到m次谐波的相位。
对于基频，利用DFT变换，基频的实部R1(n)、虚部V1(n)为
Figure BDA0001944479000000061
n＝0,1,2,3…N-1
R1(n)是利用n,n+1,n+2，…，n+N-1共N个点计算出的基频实部。
V1(n)是利用n,n+1,n+2，…，n+N-1共N个点计算出的基频虚部。
其中N是基准频率对应的整周期取样点数。则基波幅值
Figure BDA0001944479000000062
若采样频率fs不等于真实电网频率f0整数倍，U1n将在一定的范围内波动(非整周期采样)。
在真实频率f0附近，U1n的波动范围ΔU(U1n最大值与最小值之差)和计算频率f＝fs/N与真实频率f0差Δf绝对值成正比。
若f＝f0，基波幅值U1n(n＝0,1,2……)为一定值,不随n变化，记为U1。基波幅值U1与实际幅值a1满足如下关系：
Figure BDA0001944479000000063
该式称为匹配频率下的幅值归一。
采样频率取Fs＝104Hz，即一个工频周期内取200个点，在目前单片机硬件条件下，这个AD采样速度还是比较容易实现的。
整周期采样点数N下对应计算频率f为：
Figure BDA0001944479000000064
各种整周期采样点数N对应的频率f见表1。
表1整周期采样点数对应频率f(Hz)
周期采样点数目(点) 对应频率f(Hz)
N1＝202 49.504950
N2＝201 49.751244
N3＝200 50.000000
N4＝199 50.251256
N5＝198 50.505051
。
本发明实施例中，需要404个采样点，大约两个工频周期，约合40.4ms。如果为提高计算速度，可最少采集25ms(约1.25个周期)。
下面以采集404个点为例。对计算速度进行进一步描述。
本发明实施例提供的基于幅值的电网频率实时测量方法计算步骤具体包括：
1)计算N＝N1、N2、N3、N4、N5的傅立叶变换系数
Figure BDA0001944479000000071
Figure BDA0001944479000000072
一次算好，用数组保存，计算过程中不再改变。
2)计算各个计算频率f下的幅值UN,n分布。
3)确定各个计算频率下的幅值UN,max，UN,min，并计算出ΔU＝UN,max-UN,min。
4)若计算频率与电网实际频率相等，则ΔU＝0。否则ΔU＞0。
5)找出五个频率下ΔU最小值ΔUbottom和ΔU次最小值ΔUtop及其对应的频率ftop、fbottom；
6)利用插值公式计算电网实际频率
Figure BDA0001944479000000073
本发明解决了现有技术存在的弊端，实现了电网频率测量的新突破，对该技术领域有着很重要的意义。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于电压幅值的电网频率实时测量方法，其特征在于，所述基于电压幅值的电网频率实时测量方法包括：
电压取样：利用100:5隔离变压器，将高压PT输出电压降低至5V，然后利用精密无感电阻分压取样；
调理电路：利用射极跟随电路调理，电路功率趋于0；在120％PT输入电压下，电压输出峰值小于±5V；
AD取样：利用16位AD完成采样，采样频率为10kHz；
频率计算：整周期采样点数N下对应的计算频率f为：
Figure FDA0002748392370000011
频率计算的方法具体包括：
假设电网实际频率为f0，电压
Figure FDA0002748392370000012
其中a0,a1,a2......am依次是直流、基波、2次到m次电压谐波的幅值；φ1,φ2......φm依次是基波、2次到m次电压谐波的相位；
对于基频，利用DFT变换，基频的实部R1(n)、虚部V1(n)为
Figure FDA0002748392370000013
R1(n)是利用n,n+1,n+2，…，n+N-1共N个点计算出的基频实部；
V1(n)是利用n,n+1,n+2，…，n+N-1共N个点计算出的基频虚部；
则基频幅值
Figure FDA0002748392370000014
若采样频率fs不等于真实电网频率f0的整数倍，U1n将在一定的范围内波动；
在真实频率f0附近，U1n的波动范围ΔU和Δf绝对值成正比；其中，ΔU为N个U1n中最大值与最小值之差，Δf为计算频率f＝fs/N与真实频率f0之差；
若f＝f0，基波幅值U1n为一定值,不随n变化，记为U1，n＝0,1,2……N-1；基波幅值U1与实际幅值a1满足如下关系：
Figure FDA0002748392370000021
2.如权利要求1所述的基于电压幅值的电网频率实时测量方法，其特征在于，所述基于幅值的电网频率实时测量方法进一步包括：
1)在10kHz采样频率下，N1＝202,N2＝201,N3＝200,N4＝199,N5＝198。计算N＝N1、N2、N3、N4、N5的傅立叶变换系数
Figure FDA0002748392370000022
共计需要2000个实数来存储这些系数；
2)计算各个计算频率f下的幅值UN,n分布；
3)确定各个计算频率下的幅值UN,max，UN,min，并计算出ΔU＝UN,max-UN,min；
4)若计算频率与电网实际频率相等，则ΔU＝0；否则ΔU＞0；
5)找出五个频率下ΔU最小值ΔUbottom和ΔU次最小值ΔUtop及其对应的频率ftop、fbottom；
6)利用插值公式计算电网实际频率
Figure FDA0002748392370000023
3.一种实施权利要求1所述基于幅值的电网频率实时测量方法的基于电压幅值的电网频率实时测量控制系统。
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