基于频谱极值点的电网基波频率检测方法 |
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| 申请号 | CN201710151725.4 | 申请日 | 2017-03-15 | 公开(公告)号 | CN106885941A | 公开(公告)日 | 2017-06-23 |
| 申请人 | 国网福建省电力有限公司; 国家电网公司; 国网福建省电力有限公司信息通信分公司; | 发明人 | 黄秋岑; 伍刚; 李宏发; 吴树霖; 陈震亦; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种基于 频谱 极值点的 电网 基波 频率 检测方法。以一预定的 采样 频率对电网的 电压 或 电流 进行时域采样，测得电压或电流离散时间序列，对离散时间序列进行滑动离散 傅立叶变换 或 快速傅立叶变换 ，得到电压或电流的频谱图。本发明方法以固定的 采样频率 对电网电压或电流 信号 进行数字化测量，对采集到离散电压或电流的时间序列进行离散傅里叶变换或快速傅里叶变换，得到电压或电流在49.5~50.5Hz 频率范围 内的频谱图，根据频谱的极值点检测出电网的基波频率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于频谱极值点的电网基波频率检测方法，其特征在于：以一预定的采样频率对电网的电压或电流进行时域采样，测得电压或电流离散时间序列，对离散时间序列进行滑动离散傅立叶变换或快速傅立叶变换，得到电压或电流的频谱图。 |
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| 说明书全文 | 基于频谱极值点的电网基波频率检测方法技术领域[0001] 本发明涉及一种基于频谱极值点的电网基波频率检测方法，以固定的采样频率对电网电压或电流信号进行数字化测量，对采集到离散电压或电流的时间序列进行离散傅里叶变换或快速傅里叶变换，得到电压或电流在49.5 50.5Hz频率范围内的频谱图，根据频谱~的极值点检测出电网的基波频率。 背景技术[0002] 电网频率是影响电力系统安全稳定运行的重要因素，是衡量电能指标的要素之一。为了快速准确地测量电网频率，已经提出了多种算法，离散傅立叶变换DFT和快速傅立叶变换FFT是较为常用的频率算法。在采样频率和数据窗选择合适的情况下，DFT和FFT能准确求出电网频率。但由于电网频率是待测值，不能实现同步采样，为了提高频率检测精度，提出了基于DFT或FFT的频率测量改进算法：一种方法是利用DFT或FFT，计算出相邻2个周期的相位，再用得到的频率偏差值进行迭代修正；另一种方法是通过频率自动跟踪技术，实现采样频率和信号频率的完全同步。 [0003] 本发明所涉及的基于频率谱极值点的电网基波频率检测方法是：采用数字化测量方法，按某一固定采样频率采集电网的电压或电流信号。然后，对采集到的电压或电流离散时间序列进行离散傅里叶变换或快速傅里叶变换，求出被测电压或电流信号的离散频域特性，频域区间为49.5 50.0Hz，频域分辨率需小于等于0.01Hz，根据电网电压或电流信号的~离散频域特性得到其频谱图，频谱图极值所在的频点就是被测信号的基波频率。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种基于频谱极值点的电网基波频率检测方法，该方法以固定的采样频率对电网电压或电流信号进行数字化测量，对采集到离散电压或电流的时间序列进行离散傅里叶变换或快速傅里叶变换，得到电压或电流在49.5 50.5Hz频率范围内~的频谱图，根据频谱的极值点检测出电网的基波频率。 [0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于频谱极值点的电网基波频率检测方法，以一预定的采样频率对电网的电压或电流进行时域采样，测得电压或电流离散时间序列，对离散时间序列进行滑动离散傅立叶变换或快速傅立叶变换，得到电压或电流的频谱图。 [0006] 在本发明一实施例中，该方法具体包括如下步骤，S1：以一预定的采样频率fs对电网电压或电流信号x(i)进行时域采样，测得电压或电流信号x(i)的离散采样值，离散采样值为{x(k), k=0, 1, 2,……N-1}； S2：采用下式，取不同的i对离散采样值{x(k), k=0, 1, 2,…, N-1}进行DFT变换或FFT变换，计算x(i)的离散频域特性； 其中，i的取值范围为[49.5Hz,50.0Hz]，分辨率为0.01Hz，通过计算得到电压或电流信号x(i)的频域特性，即得到电网电压或电流的频谱图。 [0007] 在本发明一实施例中，所述采样频率fs为x(i)信号中最高次谐波阶数的2倍。 [0008] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法以固定的采样频率对电网电压或电流信号进行数字化测量，对采集到离散电压或电流的时间序列进行离散傅里叶变换或快速傅里叶变换，得到电压或电流在49.5 50.5Hz频率范围内的频谱图，根据频谱的~极值点检测出电网的基波频率。 附图说明 [0009] 图1为本发明给出对频率为49.8Hz的信号用100s的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0010] 图2为本发明给出对频率为49.8Hz的信号用100s的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0011] 图3为本发明给出对频率为49.8Hz的信号用100s的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0012] 图4为本发明给出对频率为49.8Hz的信号用200ms的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0013] 图5为本发明给出对频率为50.0Hz的信号用200ms的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0014] 图6为本发明给出对频率为50.2Hz的信号用200ms的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0015] 图7为本发明给出对频率为49.8Hz的信号用1s的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0016] 图8为本发明给出对频率为50.0Hz的信号用1s的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0017] 图9为本发明给出对频率为50.2Hz的信号用1s的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0018] 图10为本发明给出对频率为49.8Hz的信号用3s的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0019] 图11为本发明给出对频率为50.0Hz的信号用3s的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0020] 图12为本发明给出对频率为50.2Hz的信号用3s的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0021] 图13为本发明给出对频率为49.8Hz的信号用10s的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0022] 图14为本发明给出对频率为50.0Hz的信号用10s的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0023] 图15为本发明给出对频率为50.2Hz的信号用10s的采样数据进行离散傅立叶变换或快速傅立叶变换所得到的频谱图。 [0024] 图16为本发明给出根据电网电压或电流的频谱图测量电网频率的示意图。 具体实施方式[0025] 下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。 [0026] 本发明的一种基于频谱极值点的电网基波频率检测方法，以一预定的采样频率对电网的电压或电流进行时域采样，测得电压或电流离散时间序列，对离散时间序列进行滑动离散傅立叶变换或快速傅立叶变换，得到电压或电流的频谱图；该方法具体包括如下步骤，S1：以一预定的采样频率fs对电网电压或电流信号x(i)进行时域采样，测得电压或电流信号x(i)的离散采样值，离散采样值为{x(k), k=0, 1, 2,……N-1}；为避免频率混叠，需要满足采样定理，采样频率fs至少是原信号中最高次谐波阶数的2倍。如果电网的最高次谐波的阶次为h，采样频率fs应等于n*2*h*50，n是正整数，n=1, 2,……。 [0027] S2：采用下式，取不同的i对离散采样值{x(k), k=0, 1, 2,…, N-1}进行DFT变换或FFT变换，计算x(i)的离散频域特性；其中，i的取值范围为[49.5Hz,50.0Hz]，分辨率为0.01Hz，通过计算得到电压或电流信号x(i)的频域特性，即得到电网电压或电流的频谱图。 [0028] 以下为本发明的具体实施例。 [0029] 本发明的基于频谱极值点的电网基波频率检测方法，用数值化测量电路对电网电压或电流信号进行测量，为了保证频率测量精度，模转换换器ADC的有效位大于等于10位，测量电路的信噪比大于等于20dB。 [0030] 以一定的采样频率fs对电压或电流信号进行采样，采样频率fs等于n*2*h*50，n是正整数， n=1, 2,……。采样时间t至少为1s，通过测量得到t时间内连续N个离散时间序列信号{x(k), k=0, 1, 2,……N-1}。 [0031] 按照下式，取不同的i对{x(k), k=0, 1, 2,…, N-1}进行DFT变换或FFT变换，计算x(i)的离散频域特性i的取值范围为49.5 50.0Hz，分辨率为0.01Hz，通过计算得到被测电压或电流信号的~ 频谱图，如图16所示。 [0032] 在图16所示的频谱图上，找出极值点，极值点的值就是电网的被测频率。 [0033] 具体实施时，极值点可以通过穷举或寻优加以求解。如果通过穷举求解频谱的极值点，步骤如下：(1) 设Xmax=0,fEP=49.5Hz； (2) 通过DFT或FFT变换求X(f)，判断X(f)是否大于Xmax，如果X(f)大于Xmax，则Xmax= X(f)，fEP=f； (3) 如果f小于50.5Hz，则令f=f+df，重复步骤(2)；如果f大于等于50.5Hz，转入步骤(4)； (4) 被测频率= fEP。 [0034] 也可以通过优化方法，在49.5 50.5Hz范围内求极值点，具体方法有多种，可任意~选取。 [0035] 图1所示为对频率为49.8Hz的信号用100秒长的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图；图2所示为对频率为50.0Hz的信号用100秒长的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图；图3所示为对频率为50.2Hz的信号用100秒长的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图。 [0036] 频谱图反映信号能量与频率的关系，也就是说：如果信号中含有某一特定频率的成分，则在频谱图上，与该频率对应的频点上的信号会有一定的能量；如果信号中没有某一特定的频率成分，则在频谱图上，与该频率对应的频点上的信号能量为0。图1是对频率为49.8Hz的信号进行DFT或FFT所得到的频谱图，极值点正好位于49.8Hz处；图2是对频率为 50.0Hz的信号进行DFT或FFT所得到的频谱图，极值点正好位于50.0Hz处；图3是对频率为 50.2Hz的信号进行DFT或FFT所得到的频谱图，极值点正好位于50.2Hz处。因此，根据电网电压或电流信号的频谱图，可以测量出电网信号的实际基波频率。 [0037] 图1、图2和图3的频谱图几乎没有频谱泄露，但需要用100s长的离散时间序列进行DFT或FFT，响应时间不能满足电网频率测量时间的要求。 [0038] 电网电压或电流信号的频谱图上，在频率i等于50Hz的频点上，采样频率是电网基波频率的整数倍，如果N个时间序列是信号周期的整数倍，由于能实现同步采样，这N个时间序列可以完整准确地代表电网的电压或电流信号，因此没有频谱泄露；在频率i不等于50的频点上，采样频率不是电网基波频率的整数倍，不能实现同步采样，虽然N个时间序列是信号周期的整数倍，但如果N比较小，N个时间序列不能完整准确地代表电网的电压或电流信号，对这N个离散时间序列进行DFT或FFT得到的频谱图的能量不集中，出现了频谱泄露。 [0039] 图4是对频率为49.8Hz的信号时用200ms的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图；图5是对频率为50.0Hz的信号时用200ms的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图；图6是对频率为50.2Hz的信号时用200ms的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图。 [0040] 从图4、图5和图6可以看出，由于采样时间长度不够，频谱泄露严重，频谱图的极值点已经不等于原信号的频率了，且偏差较大，满足不了国家标准规定的0.01Hz的精度要求。 [0041] 图7是对频率为49.8Hz的信号时用1s的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图；图8是对频率为50.0Hz的信号时用1s的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图；图9是对频率为50.2Hz的信号时用1s的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图。从图7、图8和图9可以看出，采样时间长度达到1s时，虽然也有频率泄露，但频谱图的极值点与原信号的频率相等，可以精确地测量出电网的基波频率，精度能够达到0.01Hz。 [0042] 图10是对频率为49.8Hz的信号时用3s的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图；图11是对频率为50.0Hz的信号时用3s的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图；图12是对频率为50.2Hz的信号时用3s的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图。从图10、图11和图12可以看出，采样时间长度达到3s时，频率泄露比采样时间为1s时有所减少，频谱图的极值点与原信号的频率相等，可以精确地测量出电网的基波频率，精度能够达到0.01Hz。 [0043] 图13是对频率为49.8Hz的信号时用10s的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图；图14是对频率为50.0Hz的信号时用10s的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图；图15是对频率为50.2Hz的信号时用10s的离散采样数据进行DFT或FFT变换得到的频谱图。从图13、图14和图15可以看出，采样时间长度达到10s时，频率泄露比采样时间为3s时又有所减少，频谱图的极值点与原信号的频率相等，可以精确地测量出电网的基波频率，精度能够达到0.01Hz。 [0044] 从以上分析可以看出：在1s 10s的采样时间范围内，虽然也有频谱泄露，使信号的~能量不集中，但并未影响峰值所在的频点。因此，只要采样时间大于等于1s，就可以根据频谱图的极值点测量出电网的基波频率。 [0045] 以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。 |
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