CN109946516A - 一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法 - Google Patents

一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法 Download PDF

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本发明公开了一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法，涉及软件估算算法相关技术领域，为解决现有技术中的普遍频率测量的方法无法通过软件修改测量通道，成本较高，软件测频中实际频率偏移越大，测量误差越大的问题。包括以下步骤：S1、配置相关等相位差交流通道；S2、以工频50HZ配置额定采样周期；S3、第1个相关通道采样一个周波、第2个相关通道采样一个周波直至第n个相关通道采样一个周波；S4、对第1个相关通道、第2个相关通道直至第n个相关通道进行全周傅氏变换；S6、计算矢量移相合成后的绝对相位；S7、存储当前绝对相位；S8、计算半周波间隔的相对相位差；S9、根据相位差及额定采样频率计算实际频率。

Description

一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法
技术领域
本发明涉及软件估算算法相关技术领域，具体为一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法。
背景技术
在电网中频率是重要的电参数之一，对于继电保护行业，频率测量一直是重要的设计之一，电网实际频率也是继电保护测量其他电参量的基础。
现在普遍使用的频率测量是通过硬件整形电路对电压波形整形为方波，检测电压过零点，由定时器计时，此种方法需要高精度运放进行整形，且需要高精度定时器配合中断测量，由于是硬件测频，所以设计初期就只能固定测量某个交流通道，无法通过软件修改测量通道，成本也较高，精度主要取决于运放的精度，整形电路的设计精度，定时器的精度；其次被使用的频率测量方法为软件测频，其中测量误差较小的主要为矢量相位差测频，只需要采样电压信号的两个周波，并对其进行全周傅氏变换获得其矢量绝对相位，对两绝对相位差计算，可得出实际频率与额定采样频率的差值，即可获得实际频率，此种方法设计简单，也可以测得任意交流采样通道频率，但受限于实际应用中，当实际频率偏移额定采样频率时，对电压信号的全周傅氏变换会造成较大积分泄露，而且实际频率偏移越大，测量误差越大；因此市场急需研制一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法来帮助人们解决现有的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法，以解决上述背景技术中提出的普遍频率测量的方法无法通过软件修改测量通道，成本较高，软件测频中实际频率偏移越大，测量误差越大的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法，包括以下步骤：
S1、配置相关等相位差交流通道；
S2、以工频50HZ配置额定采样周期；
S3、第1个相关通道采样一个周波、第2个相关通道采样一个周波直至第n个相关通道采样一个周波；
S4、对第1个相关通道、第2个相关通道直至第n个相关通道进行全周傅氏变换；
S5、对第1个相关通道、第2个相关通道直至第n个相关通道对应的变换矢量结果移相；
S6、计算矢量移相合成后的绝对相位；
S7、存储当前绝对相位；
S8、计算半周波间隔的相对相位差；
S9、根据相位差及额定采样频率计算实际频率。
优选的，所述S1中，交流通道信号频率一致，相对相位差一致，所有信号通道分布在0到2π相位内，指定A相为0相位通道，根据相位关系依次指定B相、C相，
则：
A相实际信号的函数可表示为：=A；
B相实际信号的函数可表示为：=A；
C相实际信号的函数可表示为：=A；
其中A为信号的幅值，f1为信号的频率，为信号的初相角，α为相位差。
优选的，所述S3中,假设***标定的被采集信号的额定频率为f0，***以N倍的额定采样频率N*f0对三相正弦信号进行等间隔采样，获得信号的离散化函数表达式：
A相信号的函数可表示为：=A；
B相信号的函数可表示为：=A；
C相信号的函数可表示为：=A；
其中N为一个周期采样点数。采样获得m（m>）个原始采样数据x(k),y(k),z(k)。
优选的，所述S4中，假设信号的实际频率f1与***标定的额定频率f0不相等，即信号实际频率偏离***标定的额定频率时分别对三相信号的前N个单周期数据窗的采样数据进行全周傅氏滤波，获得三相信号的矢量表达式，假设，
；
其中Xa、Xb、Xc分别为A、B、C三相信号的DFT表达式（即矢量函数），a=，b=，=，=，=。
优选的，所述S5中，以此三相信号的DFT函数为基础，构造了一个DFT函数，令=，将Xa、Xb、Xc代入上述公式中，得出X1表达式：
，
由：=0；得：
。
优选的，所述S5中，分别对三相信号的前-个采样数据进行全周傅氏滤波，重复S3-S4；获得另一个DFT表达式，由于与上一个全周滤波数据间隔，所以=。
优选的，所述S6中，通过软件分别算出和，就可以获知，令，则，其中f1为信号的实际频率，f0为***的额定采样频率，为经过对信号处理后求出的相位差。
优选的，所述S3中，全波傅氏变换的具体实现方法如下：
以A相为例
；
B相、C相同A相。
优选的，所述S4中，DFT构造函数的具体实现是由矢量的代数计算形式得出，表达式如下：
；
由于、、、，
。
优选的，所述S6中，具体实现方法为：
；
则：
，由，得；
由于滞后数据个数据点，所以，所以调整，
由，得。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、该发明可以在简单的采样电路设计上采集任意交流通道，可精确测得同频相关交流通道的实际频率，理论上在实际频率偏移额定采样频率时，此算法的频率测量误差为0，而且硬件成本几乎不增加；
2、该发明中任意相数的同频等相位差信号的频率测量，只要对0到2π相位内的所有相关信号进行全波傅氏变换并对其移相变换，就可以消除由于实际频率偏移额定采样频率时造成的全波傅氏变换的余项即绝对相位测量误差来源，以此减小频率测量误差；
3、该发明计算简单、计算资源消耗少，可在强实时性的***内快速高精度测得同频等相位信号的实际频率。
附图说明
图1为本发明的一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法的估算流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
请参阅图1，本发明提供的一种实施例：一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法，包括以下步骤：
S1、配置相关等相位差交流通道；
S2、以工频50HZ配置额定采样周期；
S3、第1个相关通道采样一个周波、第2个相关通道采样一个周波直至第n个相关通道采样一个周波；
S4、对第1个相关通道、第2个相关通道直至第n个相关通道进行全周傅氏变换；
S5、对第1个相关通道、第2个相关通道直至第n个相关通道对应的变换矢量结果移相；
S6、计算矢量移相合成后的绝对相位；
S7、存储当前绝对相位；
S8、计算半周波间隔的相对相位差；
S9、根据相位差及额定采样频率计算实际频率。
进一步，交流通道信号频率一致，相对相位差一致，所有信号通道分布在0到2π相位内，指定A相为0相位通道，根据相位关系依次指定B相、C相，
则：
A相实际信号的函数可表示为：=A；
B相实际信号的函数可表示为：=A；
C相实际信号的函数可表示为：=A；
其中A为信号的幅值，f1为信号的频率，为信号的初相角，α为相位差，电力三相***中为），因实际信号中含有的直流分量和谐波分量将会被傅氏滤波完全滤除，故本发明方案只讨论无直流分量和谐波分量的信号。
进一步，假设***标定的被采集信号的额定频率为f0，***以N倍的额定采样频率N*f0对三相正弦信号进行等间隔采样，获得信号的离散化函数表达式：
A相信号的函数可表示为：=A；
B相信号的函数可表示为：=A；
C相信号的函数可表示为：=A；
其中N为一个周期采样点数。采样获得m（m>）个原始采样数据x(k),y(k),z(k)。
进一步，假设信号的实际频率f1与***标定的额定频率f0不相等，即信号实际频率偏离***标定的额定频率时分别对三相信号的前N个单周期数据窗的采样数据进行全周傅氏滤波，获得三相信号的矢量表达式，假设，
；
其中Xa、Xb、Xc分别为A、B、C三相信号的DFT表达式（即矢量函数），a=，b=，=，=，=，上述表达式中，在信号实际频率偏离***标定的额定频率时，由于采用单周期数据窗进行全周傅氏滤波，造成了一定的数据泄露，表达式的前后两项对比，对实际信号进行全周傅氏变换获得的DFT函数是由两个复变函数合成的，且旋转方向相反，若不对全周傅氏滤波后得到的数据进行处理，将无法得到准确的绝对相位。
进一步，以此三相信号的DFT函数为基础，构造了一个DFT函数，令=，将Xa、Xb、Xc代入上述公式中，得出X1表达式：
，
由：=0；得：
，对实际信号进行全周傅氏变换获得的DFT函数处理后，消除了原DFT函数中的另一个复变函数，只保留了一个相位与信号实际函数相位方向一致且旋转方向一致的复变函数，虽然幅值会随频率偏移额定频率的幅度变化，但相位准确，不影响本发明的频率测量。
进一步，分别对三相信号的前-个采样数据进行全周傅氏滤波，重复S3-S4；获得另一个DFT表达式，由于与上一个全周滤波数据间隔，所以=。
进一步，通过软件分别算出和，就可以获知，令，则，其中f1为信号的实际频率，f0为***的额定采样频率，为经过对信号处理后求出的相位差。
进一步，全波傅氏变换的具体实现方法如下：
以A相为例
；
B相、C相同A相。
进一步，DFT构造函数的具体实现是由矢量的代数计算形式得出，表达式如下：
；
由于、、、，
。
进一步，具体实现方法为：
；
则：
，由，得；
由于滞后数据个数据点，所以，所以调整，
由，得。
本发明为了降低计算误差，选用半周波间隔计算一次绝对相位，此算法频率测量范围为0<f0<2f0其中f0为额定采样频率。该算法频率精度只取决于数值计算长度造成的误差及信号采样间隔的一致性、实际信号频率与***标定信号频率的误差可通过标定减少误差。
此发明虽然是基于电力***三相同频正弦等相位差信号的频率测量，但经过对其余项的研究，可适用于，任意相数的同频等相位差信号的频率测量，只要对0到2π相位内的所有相关信号进行全波傅氏变换并对其移相变换，就可以消除由于实际频率偏移额定采样频率时造成的全波傅氏变换的余项即绝对相位测量误差来源。
工作原理：配置相关等相位差交流通道，其中交流通道信号频率一致，相对相位差一致，所有信号通道分布在0到2π相位内，以工频50HZ配置额定采样周期，对第1个相关通道采样一个周波，并对通道进行全周傅氏变换，对变换矢量结果移相，第2个相关通道采样一个周波，并对通道进行全周傅氏变换，对变换矢量结果移相，第n个相关通道采样一个周波，并对通道进行全周傅氏变换，对变换矢量结果移相，计算n个变换矢量移相合成后的绝对相位，存储当前绝对相位，并根据当前绝对相位计算半周波间隔的相对相位差，根据相位差及额定采样频率计算实际频率，得。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、配置相关等相位差交流通道；
S2、以工频50HZ配置额定采样周期；
S3、第1个相关通道采样一个周波、第2个相关通道采样一个周波直至第n个相关通道采样一个周波；
S4、对第1个相关通道、第2个相关通道直至第n个相关通道进行全周傅氏变换；
S5、对第1个相关通道、第2个相关通道直至第n个相关通道对应的变换矢量结果移相；
S6、计算矢量移相合成后的绝对相位；
S7、存储当前绝对相位；
S8、计算半周波间隔的相对相位差；
S9、根据相位差及额定采样频率计算实际频率。
2.根据权利要求1所述的一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法，其特征在于：所述S1中，交流通道信号频率一致，相对相位差一致，所有信号通道分布在0到2π相位内，指定A相为0相位通道，根据相位关系依次指定B相、C相，
则：
A相实际信号的函数可表示为：=A；
B相实际信号的函数可表示为：=A；
C相实际信号的函数可表示为：=A；
其中A为信号的幅值，f1为信号的频率，为信号的初相角，α为相位差。
3.根据权利要求1所述的一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法，其特征在于：所述S3中,假设***标定的被采集信号的额定频率为f0，***以N倍的额定采样频率N*f0对三相正弦信号进行等间隔采样，获得信号的离散化函数表达式：
A相信号的函数可表示为：=A；
B相信号的函数可表示为：=A；
C相信号的函数可表示为：=A；
其中N为一个周期采样点数。采样获得m（m>）个原始采样数据x(k),y(k),z(k)。
4.根据权利要求1所述的一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法，其特征在于：所 述S4中，假设信号的实际频率f1与***标定的额定频率f0不相等，即信号实际频率偏离*** 标定的额定频率时分别对三相信号的前N个单周期数据窗的采样数据进行全周傅氏滤波， 获得三相信号的矢量表达式，假设，
；
其中Xa、Xb、Xc分别为A、B、C三相信号的DFT表达式（即矢量函数），a=，b=，=，=，=。
5.根据权利要求1所述的一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法，其特征在于：所 述S5中，以此三相信号的DFT函数为基础，构造了一个DFT函数，令=， 将Xa、Xb、Xc代入上述公式中，得出X1表达式：
，
由：=0；得：
。
6.根据权利要求1所述的一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法，其特征在于：所 述S5中，分别对三相信号的前-个采样数据进行全周傅氏滤波，重复S3-S4；获得另一 个DFT表达式，由于与上一个全周滤波数据间隔，所以=。
7.根据权利要求1所述的一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法，其特征在于：所 述S6中，通过软件分别算出和，就可以获知，令，则，其中f1为信号的实际频率，f0为***的额定采样频率，为经过对信号处理后求出 的相位差。
8.根据权利要求1所述的一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法，其特征在于：所述S3中，全波傅氏变换的具体实现方法如下：
以A相为例
；
B相、C相同A相。
9.根据权利要求1所述的一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法，其特征在于：所述S4中，DFT构造函数的具体实现是由矢量的代数计算形式得出，表达式如下：
；
由于、、、，
。
10.根据权利要求1所述的一种等相位差正弦信号频率的软件估算算法，其特征在于：所述S6中，具体实现方法为：
；
则：
，由，得；
由于滞后数据个数据点，所以，所以调整，
由，得。
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