CN113075452B - 一种高精度快速频率检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种高精度快速频率检测系统和方法，所述方法包括以下步骤：首先采集频率计算信号，并通过低通滤波器进行高频分量滤除，再采用prony算法进行多频率分解计算以获取分解信号，并获取分解信号的幅值、频率、衰减因子及相位信息，最后通过对分解信号的幅值和频率进行筛选得到基波频率。所述系统包括信号采集模块、信号处理模块、频率计算模块和频率告警及保护模块，信号采集模块和信号处理模块连接，信号处理模块和频率告警及保护模块均与频率计算模块连接。本发明可以在任意时刻对信号进行采样，且通过矩阵束算法以及简单的筛选即可获取所需频率数据，即保证了频率计算结果精度又有效地提高了频率跟踪及保护速度。

Description

一种高精度快速频率检测系统和方法

技术领域

本发明涉及电力系统信号处理领域，尤其是指一种高精度快速频率检测系统和方法。

背景技术

在对电力系统的信号处理中，在进行电压信号和电流信号的计算量如有效值、保护值等的计算时，频率检测及跟踪是保证其计算精度的基础。且在对电力系统进行防孤岛保护时，快速的频率检测是采取保护措施的基础。

传统的频率检测大多基于信号过零检测，主要通过计算一段采样时间内的过零点数据的数量来计算频率。因一个周波中信号只有两个过零点，为了在检测过程中提高抗干扰能力和检测精度，需要统计多个周波的过零点数量。且在信号频率波动过程中，AD采样频率的跟踪与信号实际频率存在较长的不同步延时，所以在根据频率检测结果采取保护措施时无法做到快速实时响应。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的缺点，提供一种高精度快速频率检测系统和方法。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：

一种高精度快速频率检测方法，包括以下步骤：

步骤一，采集频率计算信号，并通过低通滤波器对频率计算信号进行高频分量滤除；

步骤二，采用prony算法对滤除高频分量的频率计算信号进行多频率分解计算以获取分解信号，并获取分解信号的幅值、频率、衰减因子及相位信息；

步骤三，对分解信号的幅值和频率进行筛选，选取出幅值最大以及频率与50Hz最接近的分解信号，将选取的分解信号作为频率计算信号的基波频率。

相较于传统的频率检测，可以在任意时间内进行信号采集，且不需要通过计算一段采样时间内的过零点数量来计算频率，直接采用prony算法对采集的信号进行分解以获取采样信号的基波频率，在获取精准的基波频率后，对基波频率进行频率跟踪，能够从基波频率的变化来判断电力系统的运行状况，所以在出现问题时能够及时采取保护措施，也就有效地提高了频率跟踪及保护的速度。

进一步的，所述频率计算信号为线电压信号，所述线电压信号内包括基波、谐波、直流分量和高频分量。

与相电压相比，线电压更加稳定，所以采用线电压信号作为频率计算信号，且线电压信号内存在基波分量，在计算基波频率时，只需要找出符合线电压内基波分量特征的分解信号，即可将其视为频率跟踪和保护所需的基波频率。

进一步的，一中所述低通滤波器为2阶巴特沃斯低通滤波器，所述低通滤波器的截止频率为60Hz。

利用低通滤波器可以有效滤除高频谐波及噪声分量，进一步消除线电压信号内的高频分量及噪声对prony算法的干扰，减少后续进行基波频率筛选的计算量。且中国电网的标准频率为50Hz，所以将截止频率设置为60Hz，能够有效地滤除线电压信号内除基波频率以外的高频分量。

进一步的，还包括步骤四，以得到的基波频率为基础进行频率跟踪，并在基波频率偏离50Hz的值超过国家或行业标准时，依照标准要求进行频率告警及保护。

由于不同场合所对应的标准不同，所以根据实际所需进行标准配置，使得该频率检测方法可以适应更多的应用场景。

进一步的，步骤三中对分解信号进行的筛选过程具体为：获取所有分解信号的幅值，并将分解信号的幅值进行从大到小排列，同时获取所有分解信号的频率，并计算出所有分解信号的频率与50Hz的差值，再将所有分解信号对应的差值进行从小到大排列，根据分解信号的幅值排列顺序以及对应差值的排列顺序对分解信号进行评分，并对分解信号的幅值和对应差值进行权重划分，根据划分的权重计算出所有分解信号的最终得分，选出最终评分最高的分解信号，并将评分最高的分解信号的频率作为基波频率。

由于线电压的基波分量在线电压的各分量中幅值最大且频率保持在50Hz附近，在筛选时根据分解信号的幅值进行排序，且同时根据分解信号的频率与50Hz的差值进行排序，并采取权重评分的方式来获取最符合基波分量特点的分解信号，以保证后续获取的基波频率的准确性。

进一步的，一种高精度快速频率检测系统，包括信号采集模块、信号处理模块、频率计算模块和频率告警及保护模块，所述信号采集模块和信号处理模块连接，所述信号采集模块用于采集频率计算信号；所述信号处理模块和频率告警及保护模块均与频率计算模块连接，所述信号处理模块用于对频率计算信号进行滤波处理和分解处理，所述信号处理模块还用于获取分解信号的幅值、频率、衰减因子及相位信息；所述频率计算模块用于获取频率计算信号的基波频率；所述频率告警及保护模块用于在频率偏移值超过标准时进行告警和保护。

进一步的，还包括检测模块，所述检测模块包括基波频率检测单元和分解信号检测单元，所述基波频率检测单元和分解信号检测单元均与频率计算模块连接，所述基波频率检测单元用于检测获取的基波频率与50Hz的偏离值，所述分解信号检测单元用于检测分解信号最终评分的评分差值。

通过检测模块对基波频率进行跟踪监测，在基波频率出现偏移，且偏移值超过限定值时，则对采样所处电力系统进行告警和保护。

本发明的有益效果是：

可以在任意时刻进行信号采样，并利用prony算法对采样信号进行分解处理，在对分解后的信号进行进一步的筛选，不要求计算一段采样时间内的过零点数据的数量，减小了计算量，也消除了采样时间对频率计算的限制。且通过低通滤波器消除高频信号及噪声对prony算法的干扰，保证后续prony算法的计算准确性。且在获取基波频率时，采用权重评分的方式对所有的分解信号进行评分，找出评分最高的分解信号，并将评分最高的分解信号的频率作为基波频率，评分系统保证了得到的基波频率的准确性。在获取基波频率后，还根据国家或行业标准对其进行检测，一旦偏离标准则发出警告并进行保护。且在不同的应用场景内可以对标准进行配置，可以适应更多的应用场景。

附图说明

图1是本发明的一种流程示意图；

图2是本发明实施例的一种频率计算信号示意图；

图3是本发明实施例的一种滤波信号示意图；

图4是本发明实施例的一种分解信号示意图；

图5是本发明的一种结构示意图；

其中：1、信号采集模块，2、信号处理模块，3、频率计算模块，4、频率告警及保护模块，5、检测模块，5-1、基波频率检测单元，5-2、分解信号检测单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。

实施例：

一种高精度快速频率检测方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤一，采集频率计算信号，采集到的频率计算信号如图2所示，并通过低通滤波器对频率计算信号进行高频分量滤除，滤除后得到的滤波信号如图3所示；在进行信号采样时，可以采集单采样周波滤波信号或者其他数量的采样数据作为频率计算信号，解决了传统频率检测方法对于多个周波的统计要求所带来的频率跟踪与实际频率存在较长的不同步延时问题；

步骤二，采用prony算法对滤除高频分量的频率计算信号进行多频率分解计算以获取分解信号，分解信号如图4所示，将一个周期内的频率计算信号分解为三段，并获取分解信号的幅值、频率、衰减因子及相位信息；

步骤三，对分解信号的幅值和频率进行筛选，选取出幅值最大以及频率与50Hz最接近的分解信号，将选取的分解信号作为频率计算信号的基波频率。

所述频率计算信号为线电压信号，所述线电压信号内包括基波、谐波、直流分量和高频分量。电力系统中的线电压的基波频率均处于50Hz附近且幅值是最大的，因此在后续进行筛选时，频率最接近50Hz且幅值最大的分解信号的频率即为基波频率。

步骤一中所述低通滤波器为2阶巴特沃斯低通滤波器，所述低通滤波器的截止频率为60Hz。

还包括步骤四，以得到的基波频率为基础进行频率跟踪，并在基波频率偏离50Hz的值超过国家或行业标准时，依照标准要求进行频率告警及保护。

步骤三中对分解信号进行的筛选过程具体为：获取所有分解信号的幅值，并将分解信号的幅值进行从大到小排列，同时获取所有分解信号的频率，并计算出所有分解信号的频率与50Hz的差值，再将所有分解信号对应的差值进行从小到大排列，根据分解信号的幅值排列顺序以及对应差值的排列顺序对分解信号进行评分，幅值最大的分解信号取100分，并按照排列顺序，幅值第二大的取95分，以此类推，对所有分解信号以幅值排序为依据进行幅值评分。同理，差值最小对应的分解信号取100分，差值第二小对应的分解信号取95分，以此类推，对所有分解信号以频率差值排序为依据进行频率评分。并对分解信号的幅值和对应差值进行权重划分，幅值占比权重50％，频率差值占比权重50％，根据幅值和频率差值的权重以及每个分解信号对应的幅值评分和频率评分计算出最终评分，并按照从大到小的顺序对分解信号的最终评分进行排序，选出最终评分最高的分解信号，并将评分最高的分解信号的频率作为基波频率。

一种高精度快速频率检测系统，如图5所示，包括信号采集模块1、信号处理模块2、频率计算模块3和频率告警及保护模块4，所述信号采集模块1和信号处理模块2连接，所述信号采集模块1用于采集频率计算信号；所述信号处理模块2和频率告警及保护模块4均与频率计算模块3连接，所述信号处理模块2用于对频率计算信号进行滤波处理和分解处理，所述信号处理模块2还用于获取分解信号的幅值、频率、衰减因子及相位信息；所述频率计算模块3用于获取频率计算信号的基波频率；所述频率告警及保护模块4用于在频率偏移值超过标准时进行告警和保护。

还包括检测模块5，所述检测模块5包括基波频率检测单元5-1和分解信号检测单元5-2，所述基波频率检测单元5-1和分解信号检测单元5-2均与频率计算模块3连接，所述基波频率检测单元5-1用于检测获取的基波频率与50Hz的偏离值，所述分解信号检测单元5-2用于检测分解信号最终评分的评分差值。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (6)

1.一种高精度快速频率检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，采集频率计算信号，并通过低通滤波器对频率计算信号进行高频分量滤除；

步骤二，采用prony算法对滤除高频分量的频率计算信号进行多频率分解计算以获取分解信号，并获取分解信号的幅值、频率、衰减因子及相位信息；

步骤三，对分解信号的幅值和频率进行筛选，选取出幅值最大以及频率与50Hz最接近的分解信号，将选取的分解信号作为频率计算信号的基波频率；

步骤三中对分解信号进行的筛选过程具体为：获取所有分解信号的幅值，并将分解信号的幅值进行从大到小排列，同时获取所有分解信号的频率，并计算出所有分解信号的频率与50Hz的差值，再将所有分解信号对应的差值进行从小到大排列，根据分解信号的幅值排列顺序以及对应差值的排列顺序对分解信号进行评分，并对分解信号的幅值和对应差值进行权重划分，根据划分的权重计算出所有分解信号的最终得分，选出最终评分最高的分解信号，并将评分最高的分解信号的频率作为基波频率。

2.根据权利要求1所述的一种高精度快速频率检测方法，其特征在于，所述频率计算信号为线电压信号，所述线电压信号内包括基波、谐波、直流分量和高频分量。

3.根据权利要求1所述的一种高精度快速频率检测方法，其特征在于，步骤一中所述低通滤波器为2阶巴特沃斯低通滤波器，所述低通滤波器的截止频率为60Hz。

4.根据权利要求1所述的一种高精度快速频率检测方法，其特征在于，还包括步骤四，以得到的基波频率为基础进行频率跟踪，并在基波频率偏离50Hz的值超过国家或行业标准时，依照标准要求进行频率告警及保护。

5.一种高精度快速频率检测系统，其特征在于，包括信号采集模块(1)、信号处理模块(2)、频率计算模块(3)和频率告警及保护模块(4)，所述信号采集模块(1)和信号处理模块(2)连接，所述信号采集模块(1)用于采集频率计算信号；所述信号处理模块(2)和频率告警及保护模块(4)均与频率计算模块(3)连接，所述信号处理模块(2)用于对频率计算信号进行滤波处理和分解处理，所述信号处理模块(2)还用于获取分解信号的幅值、频率、衰减因子及相位信息；所述频率计算模块(3)用于获取频率计算信号的基波频率；所述频率告警及保护模块(4)用于在频率偏移值超过标准时进行告警和保护；

所述频率计算模块对分解信号进行筛选获取基波频率的具体过程为：获取所有分解信号的幅值，并将分解信号的幅值进行从大到小排列，同时获取所有分解信号的频率，并计算出所有分解信号的频率与50Hz的差值，再将所有分解信号对应的差值进行从小到大排列，根据分解信号的幅值排列顺序以及对应差值的排列顺序对分解信号进行评分，并对分解信号的幅值和对应差值进行权重划分，根据划分的权重计算出所有分解信号的最终得分，选出最终评分最高的分解信号，并将评分最高的分解信号的频率作为基波频率。

6.根据权利要求5所述的一种高精度快速频率检测系统，其特征在于，还包括检测模块(5)，所述检测模块(5)包括基波频率检测单元(5-1)和分解信号检测单元(5-2)，所述基波频率检测单元(5-1)和分解信号检测单元(5-2)均与频率计算模块(3)连接，所述基波频率检测单元(5-1)用于检测获取的基波频率与50Hz的偏离值，所述分解信号检测单元(5-2)用于检测分解信号最终评分的评分差值。

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