CN104215833B - 电力***频率测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种电力***频率测量方法及装置，包括步骤：测量输入信号的频率，得到基准频率；对输入信号分别进行比例运算和积分运算，得到比例运算输出信号和积分运算输出信号；对比例运算输出信号进行幅值检波，得到第一幅值检波信号，对积分运算输出信号进行幅值检波，得到第二幅值检波信号；确定第一幅值检波信号和第二幅值检波信号的比值，根据确定的比值与基准频率的乘积，得到输入信号的频率测量值。本发明在低频频率测量上具有较高的频率测量精度和良好的抗噪声干扰性，在电力科学研究、电力***频率的测量、电力仪器的校准和研制上具有重要的用途和参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及频率测量技术领域，特别是涉及一种电力***频率测量方法及装置。
背景技术
现代电力工程实践中，形式各样的策略与算法不断产生。具体到电力***频率测量方面，产生了形式各异的频率测量算法，如零交法、基于滤波的算法、基于小波变换算法、基于神经网络的算法等。现代电力科学研究、高精度电力仪器的发展、大量新技术的应用，对频率、特别是低频率测量精度提出了越来越高的要求。
电网运行额定工频为50Hz(赫兹)，属于较低的频率。从控制的角度看，10mHz(毫赫兹)的频率测量精度也许是足够的。但在一些新技术的应用上，需要有高精度的频率参考，则10mHz的频率测量精度远远不够。并且很多高精度的频率测量技术是针对高频信号的，并不适合较低频率的测量。
测量低频信号频率的通常方法是一种零交法(zero-crossing algorithm)。该方法通过检测信号波形的过零点，利用1个或数个周期过零点的时间间隔来推算出此段波形的频率。然而，研究结果表明，在有噪声干扰情况下，该方法测量出的频率值不是很精确。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种测量精度高且抗噪声干扰强的电力***频率测量方法及装置。
一种电力***频率测量方法，包括步骤：
测量输入信号的频率，得到基准频率；
对输入信号分别进行比例运算和积分运算，得到比例运算输出信号和积分运算输出信号；
对所述比例运算输出信号进行幅值检波，得到第一幅值检波信号，对所述积分运算输出信号进行幅值检波，得到第二幅值检波信号；
确定所述第一幅值检波信号和所述第二幅值检波信号的比值，根据确定的比值与所述基准频率的乘积，得到输入信号的频率测量值。
一种电力***频率测量装置，包括：
频率测量模块，用于测量输入信号的频率，得到基准频率；
比例运算模块，用于对输入信号进行比例运算，得到比例运算输出信号；
积分运算模块，用于对输入信号进行积分运算，得到积分运算输出信号；
幅值检波模块，用于对所述比例运算输出信号进行幅值检波，得到第一幅值检波信号，对所述积分运算输出信号进行幅值检波，得到第二幅值检波信号；
频率测量值生成模块，用于确定所述第一幅值检波信号和所述第二幅值检波信号的比值，根据确定的比值与所述基准频率的乘积，得到输入信号的频率测量值。
本发明电力***频率测量方法及装置，对输入信号进行比例运算和幅值检波，对输入信号进行积分运算和幅值检波，然后将两幅值检波后的结果相除，相除的结果与基准频率的乘积即为输入信号的频率测量值。本发明在低频频率测量上具有较高的频率测量精度和良好的抗噪声干扰性，数学计算、仿真试验和物理实验结果均表明了本发明的正确性和有效性，在电力科学研究、电力***频率的测量、电力仪器的校准和研制上具有重要的用途和参考价值。
附图说明
图1为本发明方法实施例的流程示意图；
图2为布莱克曼窗特性的示意图；
图3为本发明频率相对误差仿真实验结果示意图；
图4为本发明频率相对误差物理实验结果示意图；
图5为本发明装置实施例的结构示意图；
图6为本发明幅值检波模块实施例一的示意图；
图7为本发明幅值检波模块实施例二的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明电力***频率测量方法的具体实施方式做详细描述。
如图1所示，一种电力***频率测量方法，包括步骤：
S110、测量输入信号的频率，得到基准频率；
S120、对输入信号分别进行比例运算和积分运算，得到比例运算输出信号和积分运算输出信号；
S130、对所述比例运算输出信号进行幅值检波，得到第一幅值检波信号，对所述积分运算输出信号进行幅值检波，得到第二幅值检波信号；
S140、确定所述第一幅值检波信号和所述第二幅值检波信号的比值，根据确定的比值与所述基准频率的乘积，得到输入信号的频率测量值。
步骤S110中输入信号频率的测量相对误差要求不严格，相对误差在10-3量级是可以接受的。可以采用零交法等频率测量方法测量输入信号的频率，以给定基准频率。步骤S120中比例运算的比例系数可以为所述基准频率的倒数。
假设输入信号为Yi(t)，t为时间，则比例运算输出信号为：
1/ωo为比例系数，ωo为基准频率。
积分运算输出信号为：
T为对输入信号进行积分运算的时间，即在0-T时间内对输入信号进行积分运算。
设输入信号为A幅值的余弦波信号，则相应的比例运算输出信号和积分运算输出信号为：
对比例运算输出信号进行幅值检波，对积分运算输出信号进行幅值检波，获得比例运算输出信号的幅值检波信号和积分运算输出信号的幅值检波信号。现详细介绍对两输出信号进行幅值检波的具体过程：
步骤S130中对比例运算输出信号进行幅值检波，得到第一幅值检波信号包括：
对所述比例运算输出信号进行加窗处理，得到第一加窗信号；
将所述第一加窗信号分解为在所述基准频率的第一余弦分量和第一正弦分量，分别对第一余弦分量和第一正弦分量进行积分，得到第一余弦分量值和第一正弦分量值；
根据所述第一余弦分量值和所述第一正弦分量值得到第一幅值检波信号。
步骤S130中对积分运算输出信号进行幅值检波，得到第二幅值检波信号包括：
对所述积分运算输出信号进行加窗处理，得到第二加窗信号；
将所述第二加窗信号分解为在所述基准频率的第二余弦分量和第二正弦分量，分别对第二余弦分量和第二正弦分量进行积分，得到第二余弦分量值和第二正弦分量值；
根据所述第二余弦分量值和所述第二正弦分量值得到第二幅值检波信号。
对信号进行加窗处理的窗函数可以采用布莱克曼窗，布莱克曼窗函数的公式为：
t为加窗长度,W表示Windows窗口，Ωw为窗长度Tw对应的频率，Ωw与Tw的关系为：
如图2所示，布莱克曼窗函数在频域的主波瓣频率宽度为6Ωw。式(6)和图2说明，窗长度越长，主波瓣频率宽度越窄，即带通滤波的效果越好。
对信号进行加窗处理，利用窗函数的特性对信号进行带通滤波处理，得到加窗信号。将加窗信号分解为在基准频率ωo的余弦分量和正弦分量，然后分别对余弦分量和正弦分量进行积分，如下式(7)所示：
式(7)中的Yi(t)为进行加窗处理的输入信号，即本发明中的比例运算输出信号或积分运算输出信号。式(7)的幅值为式(8)：
将式(7)式(8)用于比例运算输出信号的幅值检波，即得到第一幅值检波信号；将式(7)式(8)用于积分运算输出信号的幅值检波，得到第二幅值检波信号。例如将式(7)式(8)用于式(3)式(4)，得到比例运算输出信号的幅值检波信号为式(9)，积分运算输出信号的幅值检波信号为式(10)：
K为幅值检波信号的比例系数，具体比例系数是幅值检波决定的，用式(9)除以式(10)得到式(11)：
式(11)乘以基准频率ωo即得到输入信号的频率测量值，为式(12)：
f＝Kfωo＝ω (12)
上述幅值检波得到的是信号在基准频率上的幅值，但是信号频率不一定等于基准频率，用信号在基准频率上的幅值代替信号在信号频率上的幅值存在误差。但对于相同的两个频率的信号来说，其误差也相同，通过除法运算又消除了这种误差。因此实现了较高的频率测量精度。
对本发明进行仿真实验，在频率范围45Hz-55Hz，在测量时间0.2s(秒)得到的相对误差小于±5×10-8，相对误差较小，低频频率测量精度较高。在信号中加入白噪声，取信号频率为50Hz，在测量时间0.2s得到的相对误差随信噪比变化的实验结果如图3所示。从图3可以看出，随着信噪比的降低，相对误差升高，在信噪比为20dB左右，相对误差约为4×10-5，在干扰环境下具有较高的频率测量精度，抗噪声干扰能力较强。
对本发明进行物理实验，在频率范围45Hz-55Hz，在测量时间0.2s得到的相对误差小于±1.8×10-7。取信号频率为50Hz，在测量时间0.2s得到的相对误差的物理实验结果如图4所示。从图4可以看出相对误差在±1.8×10-7内，相对误差较小，即频率测量精度较高。
基于同一发明构思，本发明还提供一种电力***频率测量装置，下面结合附图对本发明装置的具体实施方式做详细描述。
如图5所示，一种电力***频率测量装置，包括：
频率测量模块510，用于测量输入信号的频率，得到基准频率；
比例运算模块520，用于对输入信号进行比例运算，得到比例运算输出信号；
积分运算模块530，用于对输入信号进行积分运算，得到积分运算输出信号；
幅值检波模块540，用于对所述比例运算输出信号进行幅值检波，得到第一幅值检波信号，对所述积分运算输出信号进行幅值检波，得到第二幅值检波信号；
频率测量值生成模块550，用于确定所述第一幅值检波信号和所述第二幅值检波信号的比值，根据确定的比值与所述基准频率的乘积，得到输入信号的频率测量值。
基准频率的相对误差要求不严格，相对误差在10-3量级是可以接受的。频率测量模块510可以采用零交法等频率测量方法测量输入信号的频率，以给定基准频率。比例运算模块520对输入信号进行比例运算时，比例运算的比例系数可以取基准频率的倒数。
幅值检波模块540对比例运算输出信号和积分运算输出信号分别进行幅值检波，得到相应的幅值检波信号，如图6和图7所示，具体可以包含：
第一加窗处理单元5411，用于对所述比例运算输出信号进行加窗处理，得到第一加窗信号；
第一复数积分单元5412，用于将所述第一加窗信号分解为在所述基准频率的第一余弦分量和第一正弦分量，分别对第一余弦分量和第一正弦分量进行积分，得到第一余弦分量值和第一正弦分量值；
第一幅值检波信号确定单元5413，用于根据所述第一余弦分量值和所述第一正弦分量值得到第一幅值检波信号。
第二加窗处理单元5421，用于对所述积分运算输出信号进行加窗处理，得到第二加窗信号；
第二复数积分单元5422，用于将所述第二加窗信号分解为在所述基准频率的第二余弦分量和第二正弦分量，分别对第二余弦分量和第二正弦分量进行积分，得到第二余弦分量值和第二正弦分量值；
第二幅值检波信号确定单元5423，用于根据所述第二余弦分量值和所述第二正弦分量值得到第二幅值检波信号。
幅值检波模块540可以采用布莱克曼窗对信号进行加窗处理，确定两幅值检波信号。然后频率测量值生成模块550确定两幅值检波信号的比值，将确定的比值乘以基准频率，即得到输入信号的高精确度频率测量值。
本装置其它技术特征与上述方法相同，在此不予赘述。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种电力***频率测量方法，其特征在于，包括步骤：
测量输入信号的频率，得到基准频率；
对输入信号分别进行比例运算和积分运算，得到比例运算输出信号和积分运算输出信号；
对所述比例运算输出信号进行幅值检波，得到第一幅值检波信号，对所述积分运算输出信号进行幅值检波，得到第二幅值检波信号；
确定所述第一幅值检波信号和所述第二幅值检波信号的比值，根据确定的比值与所述基准频率的乘积，得到输入信号的频率测量值。
2.根据权利要求1所述的电力***频率测量方法，其特征在于，对所述比例运算输出信号进行幅值检波，得到第一幅值检波信号的步骤包括：
对所述比例运算输出信号进行加窗处理，得到第一加窗信号；
将所述第一加窗信号分解为在所述基准频率的第一余弦分量和第一正弦分量，分别对第一余弦分量和第一正弦分量进行积分，得到第一余弦分量值和第一正弦分量值；
根据所述第一余弦分量值和所述第一正弦分量值得到第一幅值检波信号。
3.根据权利要求1所述的电力***频率测量方法，其特征在于，对所述积分运算输出信号进行幅值检波，得到第二幅值检波信号的步骤包括：
对所述积分运算输出信号进行加窗处理，得到第二加窗信号；
将所述第二加窗信号分解为在所述基准频率的第二余弦分量和第二正弦分量，分别对第二余弦分量和第二正弦分量进行积分，得到第二余弦分量值和第二正弦分量值；
根据所述第二余弦分量值和所述第二正弦分量值得到第二幅值检波信号。
4.根据权利要求1所述的电力***频率测量方法，其特征在于，所述比例运算的比例系数为所述基准频率的倒数。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的电力***频率测量方法，其特征在于，采用零交法测量所述输入信号的频率。
6.一种电力***频率测量装置，其特征在于，包括：
频率测量模块，用于测量输入信号的频率，得到基准频率；
比例运算模块，用于对输入信号进行比例运算，得到比例运算输出信号；
积分运算模块，用于对输入信号进行积分运算，得到积分运算输出信号；
幅值检波模块，用于对所述比例运算输出信号进行幅值检波，得到第一幅值检波信号，对所述积分运算输出信号进行幅值检波，得到第二幅值检波信号；
频率测量值生成模块，用于确定所述第一幅值检波信号和所述第二幅值检波信号的比值，根据确定的比值与所述基准频率的乘积，得到输入信号的频率测量值。
7.根据权利要求6所述的电力***频率测量装置，其特征在于，所述幅值检波模块包括：
第一加窗处理单元，用于对所述比例运算输出信号进行加窗处理，得到第一加窗信号；
第一复数积分单元，用于将所述第一加窗信号分解为在所述基准频率的第一余弦分量和第一正弦分量，分别对第一余弦分量和第一正弦分量进行积分，得到第一余弦分量值和第一正弦分量值；
第一幅值检波信号确定单元，用于根据所述第一余弦分量值和所述第一正弦分量值得到第一幅值检波信号。
8.根据权利要求6所述的电力***频率测量装置，其特征在于，所述幅值检波模块还包括：
第二加窗处理单元，用于对所述积分运算输出信号进行加窗处理，得到第二加窗信号；
第二复数积分单元，用于将所述第二加窗信号分解为在所述基准频率的第二余弦分量和第二正弦分量，分别对第二余弦分量和第二正弦分量进行积分，得到第二余弦分量值和第二正弦分量值；
第二幅值检波信号确定单元，用于根据所述第二余弦分量值和所述第二正弦分量值得到第二幅值检波信号。
9.根据权利要求6所述的电力***频率测量装置，其特征在于，所述比例运算的比例系数为所述基准频率的倒数。
10.根据权利要求6至9任意一项所述的电力***频率测量装置，其特征在于，所述频率测量模块采用零交法测量所述输入信号的频率。
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