CN110873822A - 一种馈线终端交流采样中频率计算的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种馈线终端交流采样中的频率计算方法，包括以下步骤，步骤一，交流采样数据滤波处理提取基波信号；步骤二，通过交流采样确定过零点所在相对准确位置；步骤三，在每个周波正过零处均进行步骤二计算，并累积过采样的计数；步骤四，在单片机的AD中断中进行交流采样及信号处理、基波提取、频率校正，当采集的数据量累积到一定数量时，程序前端会根据累积的缓存数据进行计算电网频率的任务。本发明根据交流采样数据过零线性差值逐次逼近的算法，实现高精度的电网频率软件计算。
Description
技术领域
本发明涉及配电网自动化系统领域，涉及一种馈线终端交流采样中的频率计算方法。
背景技术
随着科学技术的发展，伴随着配电网自动化技术的不断革新，不论是从硬件设计还是从算法创新，多种多样的配电终端设备都处在不断地更新换代中。近几年，随着国家电网智能化水平的不断提升，人们对配电设备的要求越来越高，除了硬件上的不断完善，配电设备在数据采集及控制算法上的创新与优化也越来越受到人们的重视。在配电终端领域，馈线终端(Feeder Terminal Unit，FTU)作为一种集采集、监测和控制于一体的配电自动化设备，被广泛地应用于配电网自动化系统的升级和改造中来。数据监测作为FTU的一项基本功能，电网频率的计算精度是其非常重要的一项指标。
目前，针对馈电线路上三相交流电的数据采集，一般的做法是利用交流采样技术将电网二次侧的电压和电流经高精度的PT或CT变换成小电流，再通过FTU中的采样调理电路，然后通过MCU进行AD采样数字化处理。频率计算通常的做法是通过锁频电路来实现，但是使用锁频电路的方法需要硬件具备滤除谐波以及直流偏置的功能，这无疑增加了硬件成本，如果能通过采样数据使用软件算法计算电网频率，既可以节省成本还可以通过算法提高精度。在配电网自动化应用中，FTU在进行数据采集时，第一步是采集经过PT或CT转换而来的小电流信号，经采样调理电路进入单片机进行AD采样处理。常规硬件频率计算方法受成本限制以及谐波干扰影响，并且，信号通过锁频电路之后进行滤波在实施上也非常困难，所以发展一种稳定且低成本的频率计算方法很有必要。
发明内容
本发明针对上述问题，克服现有技术的不足，提出一种馈线终端交流采样中的频率计算方法，通过FTU单片机内置的基波提取算法，对采样电压信号进行滤波处理，通过线性插值逐次逼近的方法确定基波信号相对准确的过零点，使得配电网频率参数计算具有更高的精度，抗干扰能力大大增强，同时减少硬件设备的投资，充分发挥计算机在算法方面的优点。本发明方法通过FTU单片机内置的基波提取算法，对单片机采集到的已量化的线路电压瞬时值滤波得到线路电压基波信号，通过在基波的正过零点进行线性插值处理，得到相对更准确的过零点，从而计算得到精度比较高的电网频率。该方法在一组正负过零点之间进行线性插值逐次逼近法为基础，得到相对准确的过零点，然后通过一秒的累计过采样点累计，计算得到比较准确的电网频率。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一种馈线终端交流采样中频率计算的方法，包括以下步骤，
步骤一，线路的电压交流采样数据滤波处理提取基波信号；
步骤二，通过基波信号在正负两个采样点之间确定过零点，在过零点之间进行软件过采样处理，假设两个连续的未受到噪声污染的采样点间的值呈线性变化，首先取过零点两侧离过零点最近的两个未受到噪声污染的采样点的中间位置，看该位置对应的过采样值与0的关系，如大于0，则过零点位于负值采样点与中间位置间，否则过零点位于正值采样点与中间位置间。确定过零点位于哪半个区间后，按照刚才的方法继续对这半个区间二等分，判断过零点在这半个区间的哪一半，如此类推，经过8次等分操作，最终确定过零点所在相对准确的位置；
步骤三，在每个周波正过零处均进行步骤二计算，确定本周波的相对准确的过零点和下一周波初始过采样点，并累积一个计算周期内的过采样的计数；
步骤四，在单片机的AD中断中进行交流采样及信号处理、提取基波信号、频率校正，当采集的数据量累积到一个计算周期的时候，程序前端会根据累积的缓存数据计算电网频率。
步骤一中首先对线路电压采样信号进行滤波处理，得到基波信号，因为频率的计算受到谐波以及直流分量的影响，所以滤波之后得到正负对称的基波分量，这一步也是步骤二的方法得以实现的基础，但这里不限制步骤一使用的方法。
步骤二中过零点的校正算法为，
一般来说，受AD采样能力的制约，信号的采样间距不可能无限小，受采样的起始点位置的影响，准确的过零点很难正好采样点上或者说两个采样点的正中间位置，因此大部分情况下信号的过零点位于两个连续采样点之间不确定的位置。为了确定过零点相对准确的位置，这里使用逐次逼近线性插值的方法来校正信号的过零点位置，即每次等分相当于把两个点进行一次等分，经过8次等分，相当于把两个采样点之间等分为256份，从中找到相对准确的过零点位于这256个点中的哪一个点上。
步骤四中AD中断计算的处理过程为，当采集的数据量累积到一个计算周期的时候，该数量一般为1秒对应的数据量，频率计算如下
f＝fa*256/cycle_countcycle_count为一个周期内两个准确正过零点之间的采样点数。
其中，fs为单片机程序设定的采样率。
本发明的有益效果是：本发明一种馈线终端交流采样中频率计算的方法，能够通过软件算法结合有效的滤波算法，提供一种抗干扰能力强，能准确的计算电网频率的方法，精度能确保到0.01HZ，减少硬件设备的投资、省略实际的锁频电路以及滤波电路，充分发挥计算机算法快速准确的优点。
附图说明
图1为本发明方法过零点线性插值的原理图示。
图2是本发明方法的实施流程图解。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，以具体阐述本发明的技术方案。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种馈线终端交流采样中频率计算的方法，包括以下步骤，
步骤一，在本次采样结束后进行交流采样数据滤波处理提取基波信号。
步骤二，判断是否是受到噪声污染的采样点，如果本次采样落在正过零处，在正负过零点之间进行软件过采样处理，假设两个连续的无噪声干扰的采样点间的值呈线性变化，首先取过零点两侧离过零点最近的两个无噪声污染的正过零点的中间位置，这两个采样点一个为正，一个为负，如图1中采样点1和采样点2所示，图1中采样点n就是受到噪声干扰的采样点，不能参与频率的计算，看该位置对应的采样值与0的关系，如大于0，则过零点位于负值采样点与中间位置之间，否则过零点位于正值采样点与中间位置之间。确定过零点位于哪半个区间后，按照刚才的方法继续对这半个区间二等分，判断过零点在这半个区间的哪一半，如此类推，经过8次等分操作，最终确定过零点所在相对准确位置，参见附图2的实施流程。
步骤三，在每个周波正过零处均进行步骤二计算，确定本周波的相对准确的过零点和下一周波初始过采样点，并累积一个计算周期内的过采样的计数；
步骤四，在单片机的AD中断中进行交流采样及信号处理、提取基波、频率校正，当采集的数据量累积到一定数量时，程序前端会根据累积的缓存数据进行计算电网频率的任务。
综上所述，本发明通过FTU内置单片机的滤波算法根据采集到的交流信号，提取基波信号，使用过零点线性差值计算法计算电网频率，同时减少硬件设备的投资、省略实际的锁频电路，充分发挥计算机算法具有的快速高精度的优点。
以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。
Claims (4)
1.一种馈线终端交流采样中的频率计算方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤一，交流采样数据滤波处理提取基波信号；
步骤二，通过交流采样确定过零点，在过零点之间进行软件过采样处理，即线性插值逐次逼近，假设两个连续的未受到噪声污染的采样点间的值呈线性变化，首先取过零点两侧离过零点最近的两个未受到噪声污染的采样点，这两个采样点一个为正，一个为负，取它们的中间位置，看该位置对应的采样值与0的关系，如大于0，则过零点位于负值采样点与中间位置间，否则过零点位于正值采样点与中间位置间。确定过零点位于哪半个区间后，按照刚才的方法继续对这半个区间二等分，判断过零点在这半个区间的哪一半，如此类推，经过8次等分操作，最终确定过零点所在相对准确位置；
步骤三，在每个周波正过零处均进行步骤二计算，并累积过采样点的计数；
步骤四，在单片机的AD中断中进行交流采样及信号处理、基波提取、频率校正，当采集的数据量累积到一定数量时，程序前端会根据累积的缓存数据执行计算电网频率的任务。
2.根据权利要求1所述的一种馈线终端交流采样中的频率计算方法，其特征在于：步骤一交流采样数据滤波处理提取基波形，采样数据中直流分量的含量以及谐波的含量越少对于过零点的确定越有利，所以采样数据除了硬件滤波之外还要使用软件提取基波。
3.根据权利要求1所述的一种馈线终端交流采样中的频率计算方法，其特征在于：步骤二相对准确过零点的确定，通过两个采样之间变化率检查确定过零两侧两个无噪声污染的采样点，使用逐次逼近线性插值来校正信号的过零点位置。
4.根据权利要求1所述的一种馈线终端交流采样中的频率计算方法，其特征在于：步骤四中AD中断处理过程为，读取采样值，对采样信号进行基波提取，在两个未受到噪声污染的正过零点之间进行线性插值逐次逼近法确定相对准确的过零点位置，累积过采样点计数，采集的数据量累积到一定数量，该数量一般为1秒对应的数据量，频率可按照下面公式计算得到：
f＝fs/cycle_count cycle_count为一个周期内两个准确正过零点之间的采样点数。
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