CN113447700A - 一种用于不同频率下对电气量测量的方法及装置 - Google Patents

一种用于不同频率下对电气量测量的方法及装置 Download PDF

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CN113447700A
CN113447700A CN202110713835.1A CN202110713835A CN113447700A CN 113447700 A CN113447700 A CN 113447700A CN 202110713835 A CN202110713835 A CN 202110713835A CN 113447700 A CN113447700 A CN 113447700A
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肖遥
刘家严
夏国庆
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Nanjing Fengdao Electric Power Automation Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种用于不同频率下对电气量测量的方法及装置，所述方法包括：确定软硬件的采样频率fs；获取预设采样频率范围下所需要采样数量的范围；获取所有的采样数量对应的傅里叶系数并存储备用；根据软硬件的采样频率，获取每个采样数量对应的频率边界；根据输入频率选择所需要的采样数量；实时存储当前时刻前推2*Nmax个采样点的数据，Nmax表示最大采样数量；根据当前输入频率所选择的采样数量，调用其对应的傅里叶系数，同时取出当前输入频率所选择的采样数量对应的采样点数据进行电气量计算；本发明的优点在于：电气量测量的计算误差小，软硬件要求低以及准确度高。

Description

一种用于不同频率下对电气量测量的方法及装置
技术领域
本发明涉及电气量测量领域，更具体涉及一种用于不同频率下对电气量测量的方法及装置。
背景技术
当下电能作为清洁能源被越来越广泛地应用到日常生活中，电能质量也越来越被重视，变电站和发电厂内监控电气量的测控装置性能也需要逐渐提高。现在对于电气量的采集很多设备都是使用傅里叶算法转化成数字量，对于全波傅氏来说，需要一个周波内的采样点个数与傅里叶系数个数相同，数据才会精准，但是需要采样频率固定，当频率不同的时候，每个周波的采样点个数会不同，就会导致计算出现较大误差，要缩小误差可以提高采样精度，但是对于硬件的要求就会提高；或者使用变频采样，但是无法保证在出现故障时录波的准确度，因此采样频率不同时，现有技术电气量测量方法计算误差较大，硬件要求高，准确度较低。
中国专利申请号201310229000.4，公开了一种宽范围变化的电气参数测量方法及系统，适用于中小容量风力发电机组接入的微电网，该方法包括：对瞬时电压信号进行离散采样获得离散电压信号，结合锁相负反馈相位角信号对离散电压信号进行滑窗迭代离散傅里叶变换，获得相位差信号；对所述相位差信号进行比例积分调节，获得零相位差信号的基波角频率；由所述基波角频率得到输出频率，同时对所述输出频率进行离散积分并与所述基波角频率相加得到相位角，并将所述相位角锁相负反馈；根据所述输出频率计算得电压及电流有效值。通过该专利申请解决了频率宽变化范围电压的数字锁相问题，为中小容量风电机组的快速功率控制提供输入参数测量方法。但是该专利申请只适用于输出频率固定的情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术电气量测量方法在采样频率不同时，存在计算误差较大，硬件要求高及准确度较低的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种用于不同频率下对电气量测量的方法，所述方法包括：
步骤一：确定软硬件的采样频率fs；
步骤二：获取预设采样频率范围下所需要采样数量的范围；
步骤三：获取所有的采样数量对应的傅里叶系数并存储备用；
步骤四：根据软硬件的采样频率，获取每个采样数量对应的频率边界；
步骤五：根据输入频率选择所需要的采样数量；
步骤六：实时存储当前时刻前推2*Nmax个采样点的数据，Nmax表示最大采样数量；
步骤七：根据当前输入频率所选择的采样数量，调用其对应的傅里叶系数，同时取出当前输入频率所选择的采样数量对应的采样点数据进行电气量计算。
本发明在采样频率不同时，不需要改变软硬件的采样频率，对软硬件要求降低，针对预设采样频率范围计算出不同频率下每个周波所需要的采样数量，分别准备好各个采样数量对应的傅里叶系数，当频率改变时分别调用对应频率下的傅里叶系数进行计算，计算结果准确，计算误差小，算法容易实现，可靠性高，能够提高电气量采集的准确性。
进一步地，所述步骤二包括：所述预设采样频率范围为45Hz到55Hz，45Hz到55Hz之间所需要的采样数量N的范围为：
最小数量Nmin＝(fs/55)向下取整；
最大数量Nmax＝(fs/45)向上取整。
进一步地，所述步骤三包括：
通过公式
Figure BDA0003133994880000031
获取所有的采样数量对应的第k个实部傅里叶系数；
通过公式
Figure BDA0003133994880000032
获取所有的采样数量对应的第k个虚部傅里叶系数；
其中，k为傅里叶系数的编号，取值范围从1到N，N为预设采样频率范围下所需要采样数量；n大于等于2时表示谐波次数，n等于1表示基波。
更进一步地，所述步骤四包括：预设采样频率范围45Hz到55Hz从小到大划分为45Hz、f1、f2、f3、、、、、、fmax-1、fmax、55Hz，其中，f1、f2、f3、、、、、、fmax-1、fmax从左到右进行频率边界划分时，以f1为初始值，分子不变，分母逐个减一，从右到左进行频率边界划分时，以fmax为初始值，分子不变，分母逐个加一，当从左到右进行频率边界划分与从右到左进行频率边界划分过程中出现相等频率边界时停止划分。
更进一步地，所述步骤四中
Figure BDA0003133994880000033
Figure BDA0003133994880000034
更进一步地，所述步骤五包括：
当45≤f<f1时：N＝Nmax；
当f1≤f<f2时：N＝Nmax-1；
当f2≤f<f3时：N＝Nmax-2；
当fmax-1≤f<fmax时：N＝Nmin+1；
当fmax≤f≤55时：N＝Nmin；
f为当前的输入频率。
更进一步地，所述步骤七包括：
所述电气量为电压和相位，通过公式
Figure BDA0003133994880000041
获取电压的有效值，其中，
Figure BDA0003133994880000042
ik表示一个周波内第k个采样点的数据；
通过公式
Figure BDA0003133994880000043
获取相位。
本发明还提供一种用于不同频率下对电气量测量的装置，所述装置包括：
硬件采样频率获取模块，用于确定软硬件的采样频率fs；
采样数量范围获取模块，用于获取预设采样频率范围下所需要采样数量的范围；
傅里叶系数获取模块，用于获取所有的采样数量对应的傅里叶系数并存储备用；
频率边界获取模块，用于根据软硬件的采样频率，获取每个采样数量对应的频率边界；
采样数量选择模块，用于根据输入频率选择所需要的采样数量；
存储模块，用于实时存储当前时刻前推2*Nmax个采样点的数据，Nmax表示最大采样数量；
电气量计算模块，用于根据当前输入频率所选择的采样数量，调用其对应的傅里叶系数，同时取出当前输入频率所选择的采样数量对应的采样点数据进行电气量计算。
进一步地，所述采样数量范围获取模块还用于：所述预设采样频率范围为45Hz到55Hz，45Hz到55Hz之间所需要的采样数量N的范围为：
最小数量Nmin＝(fs/55)向下取整；
最大数量Nmax＝(fs/45)向上取整。
进一步地，所述傅里叶系数获取模块还用于：
通过公式
Figure BDA0003133994880000051
获取所有的采样数量对应的第k个实部傅里叶系数；
通过公式
Figure BDA0003133994880000052
获取所有的采样数量对应的第k个虚部傅里叶系数；
其中，k为傅里叶系数的编号，取值范围从1到N，N为预设采样频率范围下所需要采样数量；n大于等于2时表示谐波次数，n等于1表示基波。
更进一步地，所述频率边界获取模块还用于：预设采样频率范围45Hz到55Hz从小到大划分为45Hz、f1、f2、f3、、、、、、fmax-1、fmax、55Hz，其中，f1、f2、f3、、、、、、fmax-1、fmax从左到右进行频率边界划分时，以f1为初始值，分子不变，分母逐个减一，从右到左进行频率边界划分时，以fmax为初始值，分子不变，分母逐个加一，当从左到右进行频率边界划分与从右到左进行频率边界划分过程中出现相等频率边界时停止划分。
更进一步地，所述频率边界获取模块中
Figure BDA0003133994880000061
Figure BDA0003133994880000062
更进一步地，所述采样数量选择模块还用于：
当45≤f<f1时：N＝Nmax；
当f1≤f<f2时：N＝Nmax-1；
当f2≤f<f3时：N＝Nmax-2；
当fmax-1≤f<fmax时：N＝Nmin+1；
当fmax≤f≤55时：N＝Nmin；
f为当前的输入频率。
更进一步地，所述电气量计算模块还用于：
所述电气量为电压和相位，通过公式
Figure BDA0003133994880000063
获取电压的有效值，其中，
Figure BDA0003133994880000064
ik表示一个周波内第k个采样点的数据；
通过公式
Figure BDA0003133994880000065
获取相位。
本发明的优点在于：本发明在采样频率不同时，不需要改变软硬件的采样频率，对软硬件要求降低，针对预设采样频率范围计算出不同频率下每个周波所需要的采样数量，分别准备好各个采样数量对应的傅里叶系数，当频率改变时分别调用对应频率下的傅里叶系数进行计算，计算结果准确，计算误差小，算法容易实现，可靠性高，能够提高电气量采集的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的一种用于不同频率下对电气量测量的方法的算法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种用于不同频率下对电气量测量的方法，所述方法包括：
步骤一：确定软硬件的采样频率fs；
步骤二：获取预设采样频率范围下所需要采样数量的范围；具体过程为：所述预设采样频率范围为45Hz到55Hz，45Hz到55Hz之间所需要的采样数量N的范围为：
最小数量Nmin＝(fs/55)向下取整；
最大数量Nmax＝(fs/45)向上取整。
步骤三：获取所有的采样数量对应的傅里叶系数并存储备用；具体过程为：通过公式
Figure BDA0003133994880000071
获取所有的采样数量对应的第k个实部傅里叶系数；
通过公式
Figure BDA0003133994880000081
获取所有的采样数量对应的第k个虚部傅里叶系数；
其中，k为傅里叶系数的编号，取值范围从1到N，N为预设采样频率范围下所需要采样数量；n大于等于2时表示谐波次数，n等于1表示基波。
步骤四：根据软硬件的采样频率，获取每个采样数量对应的频率边界；具体过程为：预设采样频率范围45Hz到55Hz从小到大划分为45Hz、f1、f2、f3、、、、、、fmax-1、fmax、55Hz，其中，f1、f2、f3、、、、、、fmax-1、fmax从左到右进行频率边界划分时，以f1为初始值，分子不变，分母逐个减一，从右到左进行频率边界划分时，以fmax为初始值，分子不变，分母逐个加一，当从左到右进行频率边界划分与从右到左进行频率边界划分过程中出现相等频率边界时停止划分。本实施例中各个频率边界参见表1。
表1频率边界划分
Figure BDA0003133994880000082
例如，Nmin＝9，Nmax＝11时，
Figure BDA0003133994880000083
f1、f2、f3、、、、、、fmax-1、fmax从左到右进行频率边界划分时，以
Figure BDA0003133994880000084
为初始值，分子不变，分母逐个减一，也即
Figure BDA0003133994880000085
从右到左进行频率边界划分时，以
Figure BDA0003133994880000086
为初始值，分子不变，分母逐个加一，也即
Figure BDA0003133994880000087
Figure BDA0003133994880000088
当从左到右进行频率边界划分与从右到左进行频率边界划分过程中出现相等频率边界时停止划分，从中可以看出，
Figure BDA0003133994880000091
与
Figure BDA0003133994880000092
相等，
Figure BDA0003133994880000093
与
Figure BDA0003133994880000094
相等，所以在从左到右划分到f2，从右到左划分到fmax的时候就停止划分，或者在从左到右划分到f1，从右到左划分到fmax-1的时候就停止划分。
还例如，Nmin＝37，Nmax＝44时(Nmin和Nmax为随机取值举例，实际应用中按照Nmin和Nmax的计算公式进行计算取值)，
Figure BDA0003133994880000095
f1、f2、f3、、、、、、fmax-1、fmax从左到右进行频率边界划分时，以
Figure BDA0003133994880000096
为初始值，分子不变，分母逐个减一，也即
Figure BDA0003133994880000097
Figure BDA0003133994880000098
从右到左进行频率边界划分时，以
Figure BDA0003133994880000099
为初始值，分子不变，分母逐个加一，也即
Figure BDA00031339948800000910
Figure BDA00031339948800000911
当从左到右进行频率边界划分与从右到左进行频率边界划分过程中出现相等频率边界时停止划分，从中可以看出，
Figure BDA00031339948800000912
与
Figure BDA00031339948800000913
相等，
Figure BDA00031339948800000914
与
Figure BDA00031339948800000915
相等，所以在从左到右划分到f3，从右到左划分到fmax-4的时候就停止划分，或者在从左到右划分到f4，从右到左划分到fmax-3的时候就停止划分，还有其他数据也会相等，例如，
Figure BDA00031339948800000916
与
Figure BDA00031339948800000917
相等，同理，不再赘述，只要找到一个相等的频率划分点进行划分即可，频率划分点很多的时候采取其中一种划分方式即可。
步骤五：根据输入频率选择所需要的采样数量；具体过程为：
当45≤f<f1时：N＝Nmax；
当f1≤f<f2时：N＝Nmax-1；
当f2≤f<f3时：N＝Nmax-2；
、、、、、、、
当fmax-1≤f<fmax时：N＝Nmin+1；
当fmax≤f≤55时：N＝Nmin；
f为当前的输入频率。
步骤六：实时存储当前时刻前推2*Nmax个采样点的数据，Nmax表示最大采样数量；
步骤七：根据当前输入频率所选择的采样数量，调用其对应的傅里叶系数，同时取出当前输入频率所选择的采样数量对应的采样点数据进行电气量计算。具体过程为：
所述电气量为电压和相位，通过公式
Figure BDA0003133994880000101
获取电压的有效值，其中，
Figure BDA0003133994880000102
ik表示一个周波内第k个采样点的数据；
通过公式
Figure BDA0003133994880000103
获取相位。
通过以上技术方案，本发明在采样频率不同时，不需要改变软硬件的采样频率，对软硬件要求降低，针对预设采样频率范围计算出不同频率下每个周波所需要的采样数量，分别准备好各个采样数量对应的傅里叶系数，当频率改变时分别调用对应频率下的傅里叶系数进行计算，计算结果准确，计算误差小，算法容易实现，可靠性高，能够提高电气量采集的准确性。
实施例2
基于本发明实施例1，本发明实施例2还提供一种用于不同频率下对电气量测量的装置，所述装置包括：
硬件采样频率获取模块，用于确定软硬件的采样频率fs；
采样数量范围获取模块，用于获取预设采样频率范围下所需要采样数量的范围；
傅里叶系数获取模块，用于获取所有的采样数量对应的傅里叶系数并存储备用；
频率边界获取模块，用于根据软硬件的采样频率，获取每个采样数量对应的频率边界；
采样数量选择模块，用于根据输入频率选择所需要的采样数量；
存储模块，用于实时存储当前时刻前推2*Nmax个采样点的数据，Nmax表示最大采样数量；
电气量计算模块，用于根据当前输入频率所选择的采样数量，调用其对应的傅里叶系数，同时取出当前输入频率所选择的采样数量对应的采样点数据进行电气量计算。
具体的，所述采样数量范围获取模块还用于：所述预设采样频率范围为45Hz到55Hz，45Hz到55Hz之间所需要的采样数量N的范围为：
最小数量Nmin＝(fs/55)向下取整；
最大数量Nmax＝(fs/45)向上取整。
具体的，所述傅里叶系数获取模块还用于：
通过公式
Figure BDA0003133994880000121
获取所有的采样数量对应的第k个实部傅里叶系数；
通过公式
Figure BDA0003133994880000122
获取所有的采样数量对应的第k个虚部傅里叶系数；
其中，k为傅里叶系数的编号，取值范围从1到N，N为预设采样频率范围下所需要采样数量；n大于等于2时表示谐波次数，n等于1表示基波。
更具体的，所述频率边界获取模块还用于：预设采样频率范围45Hz到55Hz从小到大划分为45Hz、f1、f2、f3、、、、、、fmax-1、fmax、55Hz，其中，f1、f2、f3、、、、、、fmax-1、fmax从左到右进行频率边界划分时，以f1为初始值，分子不变，分母逐个减一，从右到左进行频率边界划分时，以fmax为初始值，分子不变，分母逐个加一，当从左到右进行频率边界划分与从右到左进行频率边界划分过程中出现相等频率边界时停止划分。
更具体的，所述频率边界获取模块中
Figure BDA0003133994880000123
Figure BDA0003133994880000124
更具体的，所述采样数量选择模块还用于：
当45≤f<f1时：N＝Nmax；
当f1≤f<f2时：N＝Nmax-1；
当f2≤f<f3时：N＝Nmax-2；
当fmax-1≤f<fmax时：N＝Nmin+1；
当fmax≤f≤55时：N＝Nmin；
f为当前的输入频率。
更具体的，所述电气量计算模块还用于：
所述电气量为电压和相位，通过公式
Figure BDA0003133994880000131
获取电压的有效值，其中，
Figure BDA0003133994880000132
ik表示一个周波内第k个采样点的数据；
通过公式
Figure BDA0003133994880000133
获取相位。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于不同频率下对电气量测量的方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤一：确定软硬件的采样频率fs；
步骤二：获取预设采样频率范围下所需要采样数量的范围；
步骤三：获取所有的采样数量对应的傅里叶系数并存储备用；
步骤四：根据软硬件的采样频率，获取每个采样数量对应的频率边界；
步骤五：根据输入频率选择所需要的采样数量；
步骤六：实时存储当前时刻前推2*Nmax个采样点的数据，Nmax表示最大采样数量；
步骤七：根据当前输入频率所选择的采样数量，调用其对应的傅里叶系数，同时取出当前输入频率所选择的采样数量对应的采样点数据进行电气量计算。
2.根据权利要求1所述的一种用于不同频率下对电气量测量的方法，其特征在于，所述步骤二包括：所述预设采样频率范围为45Hz到55Hz，45Hz到55Hz之间所需要的采样数量N的范围为：
最小数量Nmin＝(fs/55)向下取整；
最大数量Nmax＝(fs/45)向上取整。
3.根据权利要求1所述的一种用于不同频率下对电气量测量的方法，其特征在于，所述步骤三包括：
通过公式
Figure FDA0003133994870000011
获取所有的采样数量对应的第k个实部傅里叶系数；
通过公式
Figure FDA0003133994870000021
获取所有的采样数量对应的第k个虚部傅里叶系数；
其中，k为傅里叶系数的编号，取值范围从1到N，N为预设采样频率范围下所需要采样数量；n大于等于2时表示谐波次数，n等于1表示基波。
4.根据权利要求2所述的一种用于不同频率下对电气量测量的方法，其特征在于，所述步骤四包括：预设采样频率范围45Hz到55Hz从小到大划分为45Hz、f1、f2、f3、、、、、、fmax-1、fmax、55Hz，其中，f1、f2、f3、、、、、、fmax-1、fmax从左到右进行频率边界划分时，以f1为初始值，分子不变，分母逐个减一，从右到左进行频率边界划分时，以fmax为初始值，分子不变，分母逐个加一，当从左到右进行频率边界划分与从右到左进行频率边界划分过程中出现相等频率边界时停止划分。
5.根据权利要求4所述的一种用于不同频率下对电气量测量的方法，其特征在于，所述步骤四中
Figure FDA0003133994870000022
6.根据权利要求5所述的一种用于不同频率下对电气量测量的方法，其特征在于，所述步骤五包括：
当45≤f<f1时：N＝Nmax；
当f1≤f<f2时：N＝Nmax-1；
当f2≤f<f3时：N＝Nmax-2；
当fmax-1≤f<fmax时：N＝Nmin+1；
当fmax≤f≤55时：N＝Nmin；
f为当前的输入频率。
7.根据权利要求6所述的一种用于不同频率下对电气量测量的方法，其特征在于，所述步骤七包括：
所述电气量为电压和相位，通过公式
Figure FDA0003133994870000031
获取电压的有效值，其中，
Figure FDA0003133994870000032
ik表示一个周波内第k个采样点的数据；
通过公式
Figure FDA0003133994870000033
获取相位。
8.一种用于不同频率下对电气量测量的装置，其特征在于，所述装置包括：
硬件采样频率获取模块，用于确定软硬件的采样频率fs；
采样数量范围获取模块，用于获取预设采样频率范围下所需要采样数量的范围；
傅里叶系数获取模块，用于获取所有的采样数量对应的傅里叶系数并存储备用；
频率边界获取模块，用于根据软硬件的采样频率，获取每个采样数量对应的频率边界；
采样数量选择模块，用于根据输入频率选择所需要的采样数量；
存储模块，用于实时存储当前时刻前推2*Nmax个采样点的数据，Nmax表示最大采样数量；
电气量计算模块，用于根据当前输入频率所选择的采样数量，调用其对应的傅里叶系数，同时取出当前输入频率所选择的采样数量对应的采样点数据进行电气量计算。
9.根据权利要求8所述的一种用于不同频率下对电气量测量的装置，其特征在于，所述采样数量范围获取模块还用于：所述预设采样频率范围为45Hz到55Hz，45Hz到55Hz之间所需要的采样数量N的范围为：
最小数量Nmin＝(fs/55)向下取整；
最大数量Nmax＝(fs/45)向上取整。
10.根据权利要求8所述的一种用于不同频率下对电气量测量的装置，其特征在于，所述傅里叶系数获取模块还用于：
通过公式
Figure FDA0003133994870000041
获取所有的采样数量对应的第k个实部傅里叶系数；
通过公式
Figure FDA0003133994870000042
获取所有的采样数量对应的第k个虚部傅里叶系数；
其中，k为傅里叶系数的编号，取值范围从1到N，N为预设采样频率范围下所需要采样数量；n大于等于2时表示谐波次数，n等于1表示基波。
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