CN109884388B - 一种基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电网设备及参数处理技术域，公开了一种基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置及方法，基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置包括：电压取样与调理电路模块，AD采集系统，频率计算模块，电压取样与调理电路模块包括：电压取样模块，利用100/3.53隔离变压器，将PT输出电压接到电压调理电路；在120％输入电压下，AD不饱和；调理电路：采用射极跟随电路。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快速准确实时测量，使用软硬件结合处理方式计算电网频率。相比整周期移相法，本测量技术仅需要1.5个工频周期。计算频率范围宽，测试范围在45～65Hz。计算速度快；便于数字化。

Description

一种基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置及方法

技术领域

本发明属于电网设备及参数处理技术域，尤其涉及一种基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置及方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

电网频率的大小对电力系统负荷的正常工作有很大的影响；电力系统某些负荷以及发电厂厂用电负荷对频率的要求非常严格。要保证用户和发电厂的正常工作就必须严格控制系统频率，使系统频率偏差控制在允许范围之内。随着电力系统FACS、并网供电、带电检测、在线监测等技术的发展，对电力系统基波频率测量提出了更高要求。

因此，开发快速、高精度的电网实时频率测量、计量装置是非常必要的，它是完成某些测量工作的前提条件。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)电压谐波、暂态过程中的非周期分量及噪声干扰等是造成电网频率测量精度不高的主要原因。

对于稳定的正弦交流信号，脉冲计数方法能完成一定精度的频率测量。但对于含有高次谐波的电压信号，必须增加复杂的硬件滤波电路，否则脉冲硬件计数法就失去了测试意义。

在对精度要求不高的场合，通过交流电压连续三点采样值的简单计算得出系统的频率，数据窗长只需三点，反映速度快，计算简单，能实时跟踪系统频率的变化。但要求波形是理想工频波形，抗干扰性太差。

(2)基于整周期的移相法计算精度较高，抗干扰性强。但需要采样时间长，需要两个完整的周期信号。

(3)基于幅值的电网频率实时测量技术，计算量大，对单片机的存储开销大。

解决上述技术问题的难度：

如何降低硬件成本、降低采样速率、降低采样时长、提高计算速度，如何使算法简单有效，提高计算精度是现有技术不能解决的难度。

解决上述技术问题的意义：

本发明抗干扰性好；采样时长短；计算精度较高；实时性好；频率计算范围45～65Hz。

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半周期移相法的电网频率计量、测量装置及方法。

本发明是这样实现的一种基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置，所述基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置包括：

电压取样与调理电路模块，用于电网电压采集与调理；

AD采集系统，用于完成电网频率信息的采样；

频率计算模块，用于电网频率计量、测量。

进一步，电压取样与调理电路模块包括：

电压取样模块，利用100/3.53隔离变压器，将PT输出电压接到电压调理电路；在120％输入电压下，AD不饱和；

调理电路：采用射极跟随电路，取样功率几乎为零。可降低对测量回路的影响。

进一步，AD采集系统利用16位AD完成采样，采样频率F_S＝100kHz，采样时长为33ms。采样频率越高，计算精度越高。抗干扰性越好。

本发明另一目的在于提供一种基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置的处理方法包括：

1)假设初始计算频率f＝50.0Hz；

2)利用公式(1)计算整周期采样点数N₁(整数)：

若N₁是偶数，令N＝N₁.

若N₁不是偶数，则按照公式(2)取整

N＝(N₁+1)/2ⅹ2 (2)；

3)利用DFT变换，计算采样电压离散序列(V₁,V₂,V₃……V_3N/2)基频的实部R₁、虚部V₁为

k＝0,1,2,3…N-1；

R₁是按照公式(3)计算出的基频实部；

V₁是按照公式(3)计算出的基频虚部；

根据R₁、V₁计算出相位角Φ₁；

4)利用DFT变换，计算采样电压离散序列(V_N/2,V₂,V₃……V_3N/2-1)基频的实部R₂、虚部V₂为

k＝0,1,2,3…N-1

R₂是按照公式(4)计算出的基频实部；

V₂是按照公式(4)计算出的基频虚部；

根据R₂、V₂计算出相位角Φ₂；

5)计算相位差(-π<ΔΦ<π)

ΔΦ＝Φ₂-Φ₁-π (5)；

得到电网频率差df

6)计算电网频率f_new

7)计算整周期点数N₂(整数)

f＝f_new (8)；

如果N₂≠N₁,令N₁＝N₂,转步骤2)；

否则计算终止，输出频率计算结果

f＝f_new (10)。

本发明的另一目的在于提供一种搭载权利要求所述的基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置的电力系统电网频率检测终端。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

在本发明中，电力系统频率为：根据电工学理论，正弦量在单位时间内交变的次数称为频率，用f表示，单位为Hz(赫兹)。交变(含正负半波的变化)一次所需要的时间称为周期，用T表示，单位为秒。频率和周期互为倒数，即f＝1/T。电力系统频率是电能质量的基本指标之一。

频率偏差为：电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差称为系统的频率偏差。

相位为：对于一个正弦波Asin(ωx+φ)，相位是一个描述信号波形变化的标量，通常以角度/弧度作为单位，也称作相角。当信号波形以周期形式变化时，波形循环一周即为360°或2π。

本发明基于半周期移相法测量频率，精度高，抗干扰性好。相对于其他方法，此方法效果好，精度高。这种方法仅需要1.5个周期信号。在同样采样频率下，测试时间比整周期移相法快。

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快速准确实时测量，主要优点还有以下几点：使用软硬件结合处理方式计算电网频率。相比整周期移相法，本测量技术仅需要1.5个工频周期。计算频率范围宽，测试范围在45～65Hz。计算速度快；便于数字化。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置示意图。

图2是本发明实施例提供的电压取样图。

图3是本发明实施例提供的调理电路图。

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。

电压谐波、暂态过程中的非周期分量及噪声干扰等是造成电网频率测量精度不高的主要原因。对于稳定的正弦交流信号，脉冲计数方法能完成一定精度的频率测量。但对于含有高次谐波的电压信号，必须增加复杂的硬件滤波电路，否则脉冲硬件计数法就失去了测试意义，硬件成本变高了且难度增大。在对精度要求不高的场合，通过交流电压连续三点采样值的简单计算得出系统的频率，数据窗长只需三点，反映速度快，计算简单，能实时跟踪系统频率的变化。但要求波形是理想工频波形，抗干扰性太差。

基于幅值的电网频率实时测量技术，计算量大，对单片机的存储开销大。

为解决上述技术问题，下面结合具体方案对本发明作详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置包括：

电压取样与调理电路模块，用于电网电压采集与调理；

AD采集系统，用于完成电网频率信息的采样；

频率计算模块，用于电网频率计量、测量。

在本发明实施例中，电压取样与调理电路模块包括：

电压取样模块，利用高精度100/3.53隔离变压器，将PT输出电压接到电压调理电路。保证在120％输入电压下，AD不饱和。

调理电路：采用射极跟随电路，取样功率可以忽略。

在本发明实施例中，AD采集系统利用16位AD完成采样，采样频率F_S＝100kHz，采样时长为33ms。为提高计算精度，可以进一步提高采样速率。

在本发明实施例中，频率计算模块的频率计算方法包括：

1)假设初始计算频率f＝50.0Hz；

2)利用公式(1)计算整周期采样点数N₁(整数)

若N₁是偶数，令N＝N₁.

若N₁不是偶数，则按照公式(2)取整

N＝(N₁+1)/2ⅹ2 (2)；

3)利用DFT变换，计算采样电压离散序列(V₁,V₂,V₃……V_3N/2)基频的实部R₁、虚部V₁为

k＝0,1,2,3…N-1；

R₁是按照公式(3)计算出的基频实部；

V₁是按照公式(3)计算出的基频虚部；

根据R₁、V₁计算出相位角Φ₁；

4)利用DFT变换，计算采样电压离散序列(V_N/2,V₂,V₃……V_3N/2-1)基频的实部R₂、虚部V₂为

k＝0,1,2,3…N-1

R₂是按照公式(4)计算出的基频实部；

V₂是按照公式(4)计算出的基频虚部；

根据R₂、V₂计算出相位角Φ₂；

5)计算相位差(-π<ΔΦ<π)

ΔΦ＝Φ₂-Φ₁-π (5)；

得到电网频率差df

6)计算电网频率f_new

7)计算整周期点数N₂(整数)

f＝f_new (8)；

如果N₂≠N₁,令N₁＝N₂,转步骤2)；

否则计算终止，输出频率计算结果

f＝f_new (10)。

下面结合具体实验对本发明作进一步描述。

试验测试结果见表1

表1.试验测试结果

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)

1.一种基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置的处理方法，其特征在于，所述基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置的处理方法包括：

1)假设初始计算频率f＝50.0Hz；

2)利用公式(1)计算整周期采样点数整数N₁

其中，Fs是采样频率；

若N₁是偶数，令N＝N₁；

若N₁不是偶数，则按照公式(2)取整

N＝(N₁+1)/2ⅹ2 (2)；

3)利用DFT变换，计算采样电压离散序列(V₀,V₁,V₂,V₃……V_N-1)基频的实部R₁、虚部V₁为：

k＝0,1,2,3…N-1；

R₁是按照公式(3)计算出的基频实部；

V₁是按照公式(3)计算出的基频虚部；

根据R₁、V₁计算出相位角Φ₁；

4)利用DFT变换，计算采样电压离散序列(V_N/2,V₂,V₃……V_3N/2-1)基频的实部R₂、虚部V₂为

k＝0,1,2,3…N-1

R₂是按照公式(4)计算出的基频实部；

V₂是按照公式(4)计算出的基频虚部；

根据R₂、V₂计算出相位角Φ₂；

5)计算相位差(-π<ΔΦ<π)

ΔΦ＝Φ₂-Φ₁-π (5)；

得到电网频率差df

6)计算电网频率f_new

7)计算整周期点数N₂

f＝f_new (8)；

如果N₂≠N₁,令N₁＝N₂,转步骤2)；

否则计算终止，输出频率计算结果

f＝f_new (10)；

所述基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置包括：

电压取样与调理电路模块，用于电网电压采集与调理；

AD采集系统，用于完成电网频率信息的采样；

频率计算模块，用于电网频率计量、测量。

2.如权利要求1所述的基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置的处理方法，其特征在于，电压取样与调理电路模块包括：

电压取样模块，利用100/3.53隔离变压器，将PT输出电压接到电压调理电路；在120％输入电压下，AD不饱和；

调理电路：采用射极跟随电路。

3.如权利要求1所述的基于半周期移相法的电网频率计量、测量装置的处理方法，其特征在于，AD采集系统利用16位AD完成采样，采样频率F_S＝100kHz，采样时长为33ms。

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