一种基于过零时域特性的电力信号频率计算方法

摘要

本发明提供一种基于过零时域特性的电力信号频率计算方法，包括：数据预处理的步骤；寻找实际过零点的步骤；寻找理论过零点的步骤；计算电力信号频率的步骤。本发明基于电力信号频率的稳态特性和过零时域特性，能够提高含高次谐波的电力信号频率的计算精度，满足了供配电系统的故障诊断和用户端的电能平衡测试及节电方案设计等对频率精度的要求。

说明书

技术领域

本发明涉及电力信号频率计算技术领域，具体是一种基于过零时域 特性的电力信号频率计算方法。

背景技术

电力信号的频率稳态特性指的是电力信号稳态频率变化持续时间 需要4～10s(参见文献《现代电网频率控制应用技术》，高翔等编写， 2010年，中国电力出版社，P30与P141)，也即可以认为在4～10s这段 时间内电力信号频率是恒定的。

电力信号的过零时域特性指的是(1)不含谐波的电力信号的实际 过零点只有一个(从波峰到相邻的波谷或者从波谷到相邻的波峰这个过 程)，或者由正到负，或者由负到正，理论过零点与实际过零点个数相 同，如图1所示；(2)不含谐波的电力信号在两个理论过零点之间，不 会再出现实际过零点，如图2所示；(3)含高次谐波的电力信号的实际 过零点不止一个(从波峰到相邻的波谷或者从波谷到相邻的波峰这个过 程)，但不管有多少个，其个数一定是奇数，理论过零点只有一个，如 图3所示；含高次谐波的电力信号在两个理论过零点之间，可能会因谐 波含量过大而出现实际过零点，其个数一定是偶数，如图4所示。

现有的电力信号综合分析软件、电能质量测试分析系统在分析含高 次谐波的电力信号时，频率计算误差较大，不能满足用户的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于过零时域特性的电力信号频率计 算方法，提高含高次谐波的电力信号频率的计算精度。

本发明的技术方案为：

一种基于过零时域特性的电力信号频率计算方法，包括以下步骤：

(1)在采样时间q*T内对待测电力信号数据进行均匀采样，获得 q*N个采样点x_i，其中，q表示小于200的自然数，T＝0.02s，N表示每 个T内的采样点数，x_i表示位置编号为i的采样点的电力信号值，i＝0、 1、2、…、q*N-1；

(2)依次对两相邻采样点的电力信号值进行比较，若两者的数值 符号相反，则将两者中的绝对值较小者作为实际过零点，并依次提取所 有实际过零点的位置编号，构成实际过零点集合；

(3)基于电力信号的过零时域特性，从实际过零点中寻找理论过 零点，并依次提取所有理论过零点的位置编号，构成理论过零点集合；

(4)采用以下公式计算待测电力信号的频率：

$f=\frac{M-1}{2(n_M-n_1){\mathrm{\Delta t}}_s}$

其中，f表示待测电力信号的频率，M≥2，表示理论过零点的个数，n₁表示理论过零点集合中的第一个元素，即第一个理论过零点的位置编 号，n_M表示理论过零点集合中的最后一个元素，即最后一个理论过零点 的位置编号，△t_s＝T/N，表示采样间隔。

所述的基于过零时域特性的电力信号频率计算方法，所述步骤(1) 中，q＝55，N＝256。

所述的基于过零时域特性的电力信号频率计算方法，所述步骤(3) 中，所述基于电力信号的过零时域特性，从实际过零点中寻找理论过零 点，具体包括：

a、在实际过零点集合中，依次判断两相邻实际过零点的位置编号之 间的绝对差值是否大于间隔限值，若是，则说明相应的两相邻实际过零 点属于不同的理论过零点，若否，则说明相应的两相邻实际过零点属于 同一理论过零点；

b、属于同一理论过零点的所有实际过零点构成一个组，依次判断 每组实际过零点的个数是偶数还是奇数，若是偶数，则说明该组实际过 零点处不存在理论过零点，若是奇数，则说明该组实际过零点处存在理 论过零点，将该组实际过零点的位置编号的平均值取整数，作为相应理 论过零点的位置编号。

所述的基于过零时域特性的电力信号频率计算方法，所述步骤a中， 所述间隔限值由以下公式给出：

$L=\left\{\sqrt{N}\right\}$

其中，L表示两相邻实际过零点之间的间隔限值，N表示每个T内的采 样点数，{}表示取整数。

由上述技术方案可知，本发明基于电力信号频率的稳态特性和过零 时域特性，能够提高含高次谐波的电力信号频率的计算精度，满足了供 配电系统的故障诊断和用户端的电能平衡测试及节电方案设计等对频 率精度的要求。

附图说明

图1是标准正弦电力信号实际过零点与理论过零点，实线圆圈中存 在一个理论过零点；从波峰到相邻的波谷或者从波谷到相邻的波峰，标 准正弦电力信号只存在一个实际过零点，并且与理论过零点重合；

图2是标准正弦电力信号两个理论过零点之间无实际过零点，实线 圆圈中存在一个理论过零点；虚线圆圈中，即两个理论过零点之间，无 实际过零点；

图3是含高次谐波的电力信号的实际过零点与理论过零点，实线圆 圈中存在一个理论过零点；从波峰到相邻的波谷或者从波谷到相邻的波 峰，存在奇数个实际过零点；

图4是含高次谐波的电力信号两个理论过零点之间有偶数个实际过 零点，实线圆圈中存在一个理论过零点；虚线圆圈中，即两个理论过零 点之间，存在偶数个实际过零点；

图5是本发明的方法流程图；

图6是本发明具体实施例的程序实现流程图。

具体实施方式

如图5所示，一种基于过零时域特性的电力信号频率计算方法，包 括以下步骤：

S1、数据预处理：

标准正弦电力信号的周期T＝0.02s，根据电力信号的频率稳态特性， 通常取1s左右的数据进行分析，本实施例中，将采样时间取为1.1s，即 55*T。设每个T内的采样点数为N，则在采样时间55*T内对待测电力 信号数据进行均匀采样，可以获得55*N个采样点，记为x_i，i＝0、1、2、…、 55*N-1，表示位置编号为i的采样点的电力信号值，N通常取值为256。

S2、寻找实际过零点：

依次对两相邻采样点的电力信号值进行比较，若某两相邻采样点的 数值符号相反，即一个为正，一个为负，则说明该两相邻采样点处存在 实际过零点，将该两相邻采样点中的绝对值较小者作为实际过零点，依 次将所有实际过零点的位置编号存放在实际过零点集合中。

注：实际过零点集合中存放的是位置编号，也即步骤S1中的i的取 值，如若经过判断发现x₆₄、x₆₇、x₆₉为实际过零点，则依次将64、67、 69存放在实际过零点集合中。

S3、寻找理论过零点：

在实际过零点集合中，依次判断两相邻实际过零点的位置编号之间 的绝对差值l是否大于间隔限值L，若是，则说明相应的两相邻实际过 零点属于不同的理论过零点，若否，则说明相应的两相邻实际过零点属 于同一理论过零点。

两相邻实际过零点之间的间隔限值L由以下公式给出：

$L=\left\{\sqrt{N}\right\}$

其中，N表示每个T内的采样点数，{}表示取整数。

属于同一理论过零点的所有实际过零点构成一个组，依次判断每组 实际过零点的个数是偶数还是奇数，若是偶数，则说明该组实际过零点 处不存在理论过零点，若是奇数，则说明该组实际过零点处存在理论过 零点，将该组实际过零点的位置编号的平均值取整数，作为相应理论过 零点的位置编号。然后，依次将所有理论过零点的位置编号存放在理论 过零点集合中。

S4、计算电力信号频率：

通过以上步骤S1～S3，在55*N个采样点中，若找到的理论过零点 个数为M(M≥2)，则可以采用以下公式计算待测电力信号的频率f：

$f=\frac{M-1}{2(n_M-n_1){\mathrm{\Delta t}}_s}$

其中，n₁表示理论过零点集合中的第一个元素，即第一个理论过零点的 位置编号，n_M表示理论过零点集合中的最后一个元素，即最后一个理论 过零点的位置编号，△t_s＝0.02/N，表示采样间隔。

本发明具体实施例的程序实现，如图6所示。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非 对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域 普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本 发明的权利要求书确定的保护范围内。