CN113447713B - 一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量方法及装置，所述方法包括：设定输入信号u(t)，所述输入信号u(t)是频率为fx的正弦波电压信号；以输入信号的中心频率为中心设置M个采样率，周波采样N次；使用M个采样率同时对输入信号u(t)进行采样，采样数据进行缓存；对输入信号u(t)进行采样过程中，每间隔一个周波计算一次频率；使用中心频率下的采样数据，计算得出中间频率f1；从M个采样率中选取与中间频率f1最接近的采样率对应的采样数据组；利用傅式测频算法计算最终的频率f；本发明的优点在于：实现了计算精度和计算速度之间较好的统一，满足一次调频的要求。

Description

一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量方法及装置
技术领域
本发明涉及电力系统频率测量技术领域，更具体涉及一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量方法及装置。
背景技术
电力系统频率是重要的电能质量指标之一。频率是反映电力系统运行特性的重要参数，通过及时准确地测量频率，可以预测电力系统是否将失去稳定，进行一调频、切机、切负荷控制来保证系统的安全运行。电力系统测频需要从扰动信号中提取频率，测频精度需要达到0.003hz，测频时间需要控制在100ms以内，以便实现一次调频功能。但是现有技术电力系统频率测量方法计算精度和计算速度之间不能较好的统一，不能同时保证频率测量的计算精度和计算速度，导致难以满足一次调频的要求。
2005年1月中国电机工程学报第26卷第2期，公开了一种基于傅氏算法的高精度测频方法，该文献仔细研究了正弦信号经傅氏算法变换后的结果，发现随着数据窗的推移，傅氏算法得到的相量实部和虚部满足一个恒等式，由此得到一种新的测频方法，为了提高谐波情况下测频的精度，以前一次频率测量值为基础进行迭代，在对采样数据插值的基础上，使得迭代很快的收敛，结果表明，算法在各种情况下都具有很高的计算精度。但是其虽然保证了计算精度，对于计算速度没有进行深入研究，不能同时保证频率测量的计算精度和计算速度，计算精度和计算速度之间不能较好的统一，难以满足一次调频的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术测频方法存在计算精度和计算速度之间不能较好的统一，难以满足一次调频的要求的问题。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量方法，所述方法包括：
步骤A：设定输入信号u(t)，所述输入信号u(t)是频率为fx的正弦波电压信号，输入信号u(t)包含电力系统中的谐波分量；
步骤B：以输入信号的中心频率为中心设置M个采样率，周波采样N次，其中M和N均为大于1的正整数；
步骤C：使用M个采样率同时对输入信号u(t)进行采样，采样数据进行缓存；
步骤D：对输入信号u(t)进行采样过程中，每间隔一个周波计算一次频率；
步骤E：当频率变化时，使用中心频率下的采样数据，按照傅式测频算法计算得出中间频率f1；
步骤F：从M个采样率中选取与中间频率f1最接近的采样率对应的采样数据组；
步骤G：根据M个采样率中与中间频率f1最接近的采样率对应的采样数据组，利用傅式测频算法计算最终的频率f。
本发明使用多个采样率，对同一个输入信号进行同步采样，选取中心频率下采样数据进行傅式测频计算，得出中间频率f1，再根据中间频率f1，选取合适采样率数据进行傅式计算得到最终结果频率f，通过先计算中间频率再根据中间频率计算最终的频率的方式提高整体计算精度，计算过程简单，算法不需要迭代寻优，计算速度大大提高，因此本发明实现了计算精度和计算速度之间较好的统一，满足一次调频的要求。
进一步地，所述步骤A中谐波含量包括3×f0和5×f0，f0＝50hz，f0为输入信号u(t)的中心频率。
更进一步地，所述步骤B包括：
按照额定输入频率fs＝{44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55}设置12个采样率，周波采样256次。
更进一步地，所述步骤E包括：
使用50hz采用率对输入信号u(t)进行采样过程中，当频率变化时，根据两个相邻数据窗间的相角差利用公式fb＝ΔQ/2πΔt求出变化后的频率，其中，ΔQ表示两个相邻数据窗间的相角差，Δt表示两个相邻数据窗间的时间间隔；
每个采样点计算一次角度差，依次利用上述求取变化后的频率的公式计算得到一组临时频率fbuf，对该组临时频率fbuf，进行周期抽取后平均，得到中间频率f1。
更进一步地，所述数据窗的长度为一个采样周期。
本发明还提供一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量装置，所述装置包括：
输入信号设定模块，用于设定输入信号u(t)，所述输入信号u(t)是频率为fx的正弦波电压信号，输入信号u(t)包含电力系统中的谐波分量；
采样率设置模块，用于以输入信号的中心频率为中心设置M个采样率，周波采样N次，其中M和N均为大于1的正整数；
采样模块，用于使用M个采样率同时对输入信号u(t)进行采样，采样数据进行缓存；
频率计算模块，用于对输入信号u(t)进行采样过程中，每间隔一个周波计算一次频率；
中间频率获取模块，用于当频率变化时，使用中心频率下的采样数据，按照傅式测频算法计算得出中间频率f1；
采样数据选取模块，用于从M个采样率中选取与中间频率f1最接近的采样率对应的采样数据组；
测频模块，用于根据M个采样率中与中间频率f1最接近的采样率对应的采样数据组，利用傅式测频算法计算最终的频率f。
进一步地，所述输入信号设定模块中谐波含量包括3×f0和5×f0，f0＝50hz，f0为输入信号u(t)的中心频率。
更进一步地，所述采样率设置模块还用于：
按照额定输入频率fs＝{44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55}设置12个采样率，周波采样256次。
更进一步地，所述中间频率获取模块还用于：
使用50hz采用率对输入信号u(t)进行采样过程中，当频率变化时，根据两个相邻数据窗间的相角差利用公式fb＝ΔQ/2πΔt求出变化后的频率，其中，ΔQ表示两个相邻数据窗间的相角差，Δt表示两个相邻数据窗间的时间间隔；
每个采样点计算一次角度差，依次利用上述求取变化后的频率的公式计算得到一组临时频率fbuf，对该组临时频率fbuf，进行周期抽取后平均，得到中间频率f1。
更进一步地，所述数据窗的长度为一个采样周期。
本发明的优点在于：本发明使用多个采样率，对同一个输入信号进行同步采样，选取中心频率下采样数据进行傅式测频计算，得出中间频率f1，再根据中间频率f1，选取合适采样率数据进行傅式计算得到最终结果频率f，通过先计算中间频率再根据中间频率计算最终的频率的方式提高整体计算精度，计算过程简单，算法不需要迭代寻优，计算速度大大提高，因此本发明实现了计算精度和计算速度之间较好的统一，满足一次调频的要求。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量方法的算法流程图。
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，一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量方法，所述方法包括：
步骤A：设定输入信号u(t)，所述输入信号u(t)是频率为fx的正弦波电压信号，输入信号u(t)包含电力系统中常见的谐波分量，谐波含量为3×f0，5×f0等，f0＝50hz，f0为输入信号u(t)的中心频率。
步骤B：以输入信号的中心频率为中心设置M个采样率，周波采样N次，其中M和N均为大于1的正整数；具体过程为：按照额定输入频率fs＝{44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55}设置12个采样率，周波采样256次。
步骤C：使用上述12个采样率同时对输入信号u(t)进行采样，采样数据进行缓存；
步骤D：对输入信号u(t)进行采样过程中，每间隔一个周波计算一次频率；具体过程为：每隔20ms计算一次频率，每次使用3个周波数据，整体频率响应时间在60-80ms之间。计算频率的方法可以采用现有技术的多种频率计算方法，其中一种方法为利用相角差进行计算，具体公式参考步骤E。
步骤E：当频率变化时，使用中心频率下的采样数据，按照傅式测频算法计算得出中间频率f1；具体过程为：使用50hz采用率对输入信号u(t)进行采样过程中，当频率变化(步骤D已经计算采样过程的频率，所以这里能够得到频率变化)时，根据两个相邻数据窗间的相角差利用公式fb＝ΔQ/2πΔt求出变化后的频率，其中，ΔQ表示两个相邻数据窗间的相角差，Δt表示两个相邻数据窗间的时间间隔；因此只要求出一段时间Δt内的角度变化量，就可以得到系统的频率值。
每个采样点(本发明周波采样256次，因此每个周期内采样点256个)计算一次角度差，依次利用上述求取变化后的频率的公式计算得到一组临时频率fbuf，对该组临时频率fbuf，进行周期抽取后平均，得到中间频率f1。
步骤F：从12个采样率中选取与中间频率f1最接近的采样率对应的采样数据组；
步骤G：根据12个采样率中与中间频率f1最接近的采样率对应的采样数据组，利用傅式测频算法也即上述求取变化后的频率的公式计算最终的频率f。所述数据窗的长度为一个采样周期。
通过以上技术方案，本发明使用多个采样率，对同一个输入信号进行同步采样，选取中心频率下采样数据进行傅式测频计算，得出中间频率f1，再根据中间频率f1，选取合适采样率数据进行傅式计算得到最终结果频率f，通过先计算中间频率再根据中间频率计算最终的频率的方式提高整体计算精度，计算过程简单，算法不需要迭代寻优，计算速度大大提高，因此本发明实现了计算精度和计算速度之间较好的统一，满足一次调频的要求。
实施例2
基于本发明实施例1，本发明实施例2还提供一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量装置，所述装置包括：
输入信号设定模块，用于设定输入信号u(t)，所述输入信号u(t)是频率为fx的正弦波电压信号，输入信号u(t)包含电力系统中的谐波分量；
采样率设置模块，用于以输入信号的中心频率为中心设置M个采样率，周波采样N次，其中M和N均为大于1的正整数；
采样模块，用于使用M个采样率同时对输入信号u(t)进行采样，采样数据进行缓存；
频率计算模块，用于对输入信号u(t)进行采样过程中，每间隔一个周波计算一次频率；
中间频率获取模块，用于当频率变化时，使用中心频率下的采样数据，按照傅式测频算法计算得出中间频率f1；
采样数据选取模块，用于从M个采样率中选取与中间频率f1最接近的采样率对应的采样数据组；
测频模块，用于根据M个采样率中与中间频率f1最接近的采样率对应的采样数据组，利用傅式测频算法计算最终的频率f。
具体的，所述输入信号设定模块中谐波含量包括3×f0和5×f0，f0＝50hz，f0为输入信号u(t)的中心频率。
更具体的，所述采样率设置模块还用于：
按照额定输入频率fs＝{44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55}设置12个采样率，周波采样256次。
更具体的，所述中间频率获取模块还用于：
使用50hz采用率对输入信号u(t)进行采样过程中，当频率变化时，根据两个相邻数据窗间的相角差利用公式fb＝ΔQ/2πΔt求出变化后的频率，其中，ΔQ表示两个相邻数据窗间的相角差，Δt表示两个相邻数据窗间的时间间隔；
每个采样点计算一次角度差，依次利用上述求取变化后的频率的公式计算得到一组临时频率fbuf，对该组临时频率fbuf，进行周期抽取后平均，得到中间频率f1。
更具体的，所述数据窗的长度为一个采样周期。
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 (8)

1.一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤A：设定输入信号u(t)，所述输入信号u(t)是频率为fx的正弦波电压信号，输入信号u(t)包含电力系统中的谐波分量；
步骤B：以输入信号的中心频率为中心设置M个采样率，周波采样N次，其中M和N均为大于1的正整数；
步骤C：使用M个采样率同时对输入信号u(t)进行采样，采样数据进行缓存；
步骤D：对输入信号u(t)进行采样过程中，每间隔一个周波计算一次频率；
步骤E：使用50hz中心频率为中心设置M个采样率同时对输入信号u(t)进行采样过程中，当频率变化时，根据两个相邻数据窗间的相角差利用公式fb＝ΔQ/2πΔt求取变化后的频率，其中，ΔQ表示两个相邻数据窗间的相角差，Δt表示两个相邻数据窗间的时间间隔；
每个采样点计算一次角度差，依次利用上述求取变化后的频率的公式计算得到一组临时频率fbuf，对该组临时频率fbuf，进行周期抽取后平均，得到中间频率f1；
步骤F：从M个采样率中选取与中间频率f1对应的采样数据组最接近的采样率；
步骤G：根据M个采样率中与中间频率f1对应的采样数据组最接近的采样率，利用傅式测频算法计算最终的频率f。
2.根据权利要求1所述的一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量方法，其特征在于，所述步骤A中谐波含量包括3×f0和5×f0，f0＝50hz，f0为输入信号u(t)的中心频率。
3.根据权利要求2所述的一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量方法，其特征在于，所述步骤B包括：
按照额定输入频率fs＝{44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55}设置12个采样率，周波采样256次。
4.根据权利要求1所述的一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量方法，其特征在于，所述数据窗的长度为一个采样周期。
5.一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量装置，其特征在于，所述装置包括：
输入信号设定模块，用于设定输入信号u(t)，所述输入信号u(t)是频率为fx的正弦波电压信号，输入信号u(t)包含电力系统中的谐波分量；
采样率设置模块，用于以输入信号的中心频率为中心设置M个采样率，周波采样N次，其中M和N均为大于1的正整数；
采样模块，用于使用M个采样率同时对输入信号u(t)进行采样，采样数据进行缓存；
频率计算模块，用于对输入信号u(t)进行采样过程中，每间隔一个周波计算一次频率；
中间频率获取模块，用于使用50hz中心频率为中心设置M个采样率同时对输入信号u(t)进行采样过程中，当频率变化时，根据两个相邻数据窗间的相角差利用公式fb＝ΔQ/2πΔt求取变化后的频率，其中，ΔQ表示两个相邻数据窗间的相角差，Δt表示两个相邻数据窗间的时间间隔；
每个采样点计算一次角度差，依次利用上述求取变化后的频率的公式计算得到一组临时频率fbuf，对该组临时频率fbuf，进行周期抽取后平均，得到中间频率f1；
采样数据选取模块，用于从M个采样率中选取与中间频率f1对应的采样数据组最接近的采样率；
测频模块，用于根据M个采样率中与中间频率f1对应的采样数据组最接近的采样率，利用傅式测频算法计算最终的频率f。
6.根据权利要求5所述的一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量装置，其特征在于，所述输入信号设定模块中谐波含量包括3×f0和5×f0，f0＝50hz，f0为输入信号u(t)的中心频率。
7.根据权利要求6所述的一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量装置，其特征在于，所述采样率设置模块还用于：
按照额定输入频率fs＝{44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55}设置12个采样率，周波采样256次。
8.根据权利要求5所述的一种基于傅式快速高精度的电力系统频率测量装置，其特征在于，所述数据窗的长度为一个采样周期。
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