CN104569581B - 一种电网频率测量的多水平集单周期估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电网频率测量的多水平集单周期估计方法：首先对输入的信号进行低通滤波处理，再进行采样；然后设置2个及以上的阈值与正弦周期信号水平相交，并确定每个阈值与正弦曲线2个切线斜率相同的相邻交点和临近这2个交点的信号采样点，若某个阈值的2个交点均与信号采样点重合，则直接计算其基波频率，否则将上述交点附近的信号采样点分别代入Lagrange插值公式，计算该阈值相应的基波频率估计值；最后根据每个阈值与正弦信号交点切线斜率绝对值的大小确定由各阈值获得的多水平集基波频率估计值的权值，利用加权平均法得到最终基波频率估计值。本发明运用多个阈值实现多水平集单周期估计频率，具有实时性好、精度高的优点。
Description
技术领域
本发明属于电力领域，具体涉及一种电网频率测量方法。
背景技术
现有的基波频率测量方法中，常采用整周期采样点计数法，该方法首先确定基波的周期，在确定基波周期后,再根据基波周期内采样点之间的时间间隔确定基波的频率。该方法在采样周期较少时，所测量的频率精度很差，而在采样周期较长时，又不能满足实时性的要求，此外，该方法在测量频率时没有滤除高频谐波信号，当谐波干扰严重时，会影响整个基波周期的确定，最终导致所测量的频率不准确。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述电网频率测量方法的不足，提出一种电网频率测量的多水平集单周期估计方法，此方法可以有效解决现有的频率测量方法在测量电网频率时精度较差及实时性较差的问题。
本发明提出了一种电网频率测量的多水平集单周期估计方法，所述方法包括下述步骤：
步骤一：对输入信号用低通滤波器进行低通滤波处理；消除高频谐波的干扰；
步骤二：选择合适的采样频率fs和采样长度N，对信号进行等间隔采样，采样频率fs应不低于信号所含最高谐波成分的频率的2倍，得到信号离散采样序列x(tn)，n＝0,1,2,…,N-1；
步骤三：找出离散采样序列x(tn)中最大值MAX和最小值MIN，然后设置m个阈值Yi，m为大于等于2的整数，i＝1,2,…，m；
步骤四：确定每个阈值与正弦曲线的2个切线斜率相同的相邻交点和临近这2个交点的信号采样点，2个切线斜率相同的相邻交点的时间间隔即为信号的1个基波周期；如果某个阈值的2个交点均与信号采样点重合，则直接计算基波频率估计值fi；如果某个阈值的2个交点不与信号采样点重合，则将该阈值与正弦信号上述交点附近的信号采样点代入Lagrange插值公式，计算该阈值Yi相应的基波频率估计值；所有阈值计算完毕后，获得的m个基波频率估计值即为多水平集基波频率估计值fi；
步骤五：对在步骤四中得到多水平集基波频率估计值fi进行加权平均，计算最终基波频率估计值f，其中权值qi根据每个阈值与正弦曲线的交点的正弦曲线切线的斜率绝对值|Ki|确定，斜率绝对值越大，权值越小，最终基波频率估计值f＝q1f1+q2f2+…+qmfm。
所述的方法，步骤三中，所述的阈值Yi应当小于离散采样序列x(tn)中的最大值且大于离散采样序列x(tn)中的最小值，且为保证所设阈值在合理的范围内，消除其它不确定因素引起的干扰，使其满足：0.9MIN+0.1MAX<Yi<0.9MAX+0.1MIN；
所述的方法，步骤四中，如果某个阈值的2个交点不与信号采样点重合，则将该阈值与正弦信号上述交点附近的信号采样点代入Lagrange插值公式，计算该阈值Yi相应的基波频率估计值，为简化运算，将该阈值与正弦信号交点附近的采样信号离散数据(t,x(t))代入4次Lagrange插值公式，经过计算得到阈值Yi所对应的基波频率估计值fi。
所述的方法，步骤五中，权值qi根据每个阈值与正弦曲线的交点的正弦曲线切线的斜率绝对值|Ki|确定，fi所对应的权值为：
有益效果：本发明采用多水平集实现电网频率测量，克服了以往单阈值方法易被噪声干扰的缺陷，且本发明可在单周期内实现频率测量，具有精度高、实时性好的特点。
附图说明
图1是本发明处理流程的原理框图；
图2是本发明单阈值频率估计原理图；
图3是本发明交点与采样点重合的频率估计原理图；
图4是本发明交点与采样点不重合的频率估计原理图；
图5是本发明多阈值频率估计原理图。
具体实施方式
本发明提出了一种电网频率测量的多水平集单周期估计方法。对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
1.本发明实施例对输入的信号先用低通滤波器进行低通滤波处理，再以采样频率fs＝1000Hz对信号进行等间隔取样，找出最大值MAX和最小值MIN；
基波正弦周期信号的模型为:
x(t)＝A sin(2πft+θ)+B (1)
式中A表示正弦周期信号的幅值，f表示正弦周期信号的频率，θ表示正弦周期信号的初相位，B表示正弦周期信号的直流分量。如图2所示，该正弦周期信号x(t)与某阈值b相交且正弦曲线切线斜率相同的相邻的2个交点的时间间隔即为信号的1个基波周期。因此，通过这2个交点，就能得到信号的一个基波频率估计值。
2.以采样频率fs对公式(1)所示的周期模拟信号进行等间距离散采样，一般情况下，实际过程中阈值b与正弦信号的交点一般很难与信号采样点重合，因此分两种情况：
①如图3所示，阈值b的上述交点与信号采样点重合，应该直接计算这个阈值相应的基波频率估计值：
式中fg是与阈值b相应的基波频率估计值；
②如图4所示，阈值b的交点与信号采样点不重合，通过采样获得交点(tb,b)附近的采样点[tk-2，x(tk-2)]、[tk-1，x(tk-1)]、[tk，x(tk)]、[tk+1，x(tk+1)]及[tk+2，x(tk+2)]。采用Lagrange插值法，可得4次插值多项式L4(t)为：
将(tb,b)代入(3)得：
L4(tb)＝b (4)
由式(4)解得tb，同理可得tb′，有：
式中fg是与阈值b相应的基波频率估计值；至此，完成了对与阈值b相应基波频率值的估计。
3.为叙述方便，下面仅对5个阈值与正弦周期信号相交的情况做出说明：
设置5个与正弦周期采样信号相交的阈值Yi，且使其在合理范围内，有0.9MIN+0.1MAX<Yi<0.9MAX+0.1MIN，其中i＝1,2,3,4,5。由上述原理可得与每个阈值相对应的基波频率估计值，可得与阈值Y1对应的基波频率估计值为f1；与阈值Y2对应的基波频率估计值为f2；与阈值Y3对应的基波频率估计值为f3；与阈值Y4对应的基波频率估计值为f4；与阈值Y5对应的基波频率估计值为f5。根据各阈值Yi与正弦周期采样信号交点所在正弦曲线处切线的斜率绝对值|Ki|的大小，其中Ki的值由Yi与正弦曲线上述交点的4次插值多项式L4(t)的导数求出，即：
给各阈值所对应的基波频率估计值fi加权，绝对值越大，权值越小，fi所对应的权值为i＝1,2,3,4,5；再利用加权平均法计算得到最终的频率估计值：
式中f是最终的基波频率估计值。
至此，完成了电网频率测量的多水平集单周期估计。此方法计算简单，通过阈值与采样信号正弦曲线的切线斜率相同的相邻交点便能测得电网基波频率，并且采用了4次Lagrange插值法和加权的方法，拥有非常好的实时性和准确性。
Claims (4)
1.一种电网频率测量的多水平集单周期估计方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
步骤一：对输入信号用低通滤波器进行低通滤波处理，消除高频谐波的干扰；
步骤二：选择合适的采样频率fs和采样长度N，对信号进行等间隔采样，采样频率fs应不低于信号所含最高谐波成分的频率的2倍，得到信号离散采样序列x(tn)，n＝0,1,2,…,N-1；
步骤三：找出离散采样序列x(tn)中最大值MAX和最小值MIN，然后设置m个阈值Yi，m为大于等于2的整数，i＝1,2,…，m；
步骤四：确定每个阈值与正弦曲线的2个切线斜率相同的相邻交点和临近这2个交点的信号采样点，2个切线斜率相同的相邻交点的时间间隔即为信号的1个基波周期，如果某个阈值的2个交点均与信号采样点重合，则直接计算基波频率估计值fi，如果某个阈值的2个交点不与信号采样点重合，则将该阈值与正弦信号上述交点附近的信号采样点代入Lagrange插值公式，计算该阈值Yi相应的基波频率估计值，所有阈值计算完毕后，获得的m个基波频率估计值即为多水平集基波频率估计值fi；
步骤五：对在步骤四中得到多水平集基波频率估计值fi进行加权平均，计算最终基波频率估计值f，其中权值qi根据每个阈值与正弦曲线的交点的正弦曲线切线的斜率绝对值|Ki|确定，斜率绝对值越大，权值越小，最终基波频率估计值f＝q1f1+q2f2+…+qmfm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤三中，所述的阈值Yi应当小于离散采样序列x(tn)中的最大值且大于离散采样序列x(tn)中的最小值，且为保证所设阈值在合理的范围内，消除其它不确定因素引起的干扰，使其满足0.9MIN+0.1MAX<Yi<0.9MAX+0.1MIN。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤四中，如果某个阈值的2个交点不与信号采样点重合，则将该阈值与正弦信号上述交点附近的信号采样点代入Lagrange插值公式，计算该阈值Yi相应的基波频率估计值，为简化运算，将该阈值与正弦信号交点附近的采样信号离散数据(t,x(t))代入4次Lagrange插值公式，经过计算得到阈值Yi所对应的基波频率估计值fi。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤五中，权值qi根据每个阈值与正弦曲线的交点的正弦曲线切线的斜率绝对值|Ki|确定，fi所对应的权值为：
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