专利名称：一种基波频率的测量方法
技术领域：
本发明属于混合信号处理领域，特别涉及一种基波频率测量方法。
技术背景在电力系统中，对电网基波频率的测量是最基本的测量量之一。目前采用比较广 泛的是等精度测频法(多周期同步测量法)，这种方法具有测量精度高、测量精度不 随被测信号的变化而变化的特点。但这种方法需要的硬件开销大，且同步电路结构复 杂，易造成误触发，可靠性不高。在频率测量领域，相位信息法因其能较好的跟踪动态变化频率，能贴切反映频率 变化规律，所以也被很多人所采用。求取相位信息主要有两类方法反余弦法和反正 切法。反余弦法受值域限制，条件苛刻，对噪声非常敏感，故往往通过反正切法来求 取信号的相位信息，而此方法需要构造正交信号。构造正交信号的方法有多种， 一个比较直接的方法是庞浩等人2003年发表在《电网技术》上的"基于Hilbert移项滤 波的全数字锁相环"，其原理为它将输入信号x0t)经过两个夹角为90的Fl和F2两 个移项滤波器，输出的时域信号乂(W和hOt)就是所要的两个关于输入的正交信号。 但该算法对谐波和噪声比较敏感，在恶劣条件下无法得到精度高的频率测量结果。发明内容本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基波频率的测量方法。该 方法基于相位信息法，在某一个采样频率下对信号采样，并且由数字电路构造与输入 信号相关的两个正交信号，通过反正切及其他相关处理求得基波频率，并且利用基波 频率测量结果调整信号的釆样频率，增加了基波频率测量的稳定性和可靠性。本发明提出的一种基波频率的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤i)在y;的采样频率下对信号采样，得到第k时刻的数字输入信号v("如式(i)所示v(A) = Z4 cos(2x;rx"x, x — + 0")..................... (1) =i X式中A=0、 1、 2…，々.为正整数；4表示第"次谐波的幅度；"是圆周率；"表 示信号中所包含谐波的次数；Z表示输入信号的基波频率；乂表示采样频率；么表示 第w次谐波的初相位；设/e为基波频率,的初始值，设采样频率/,为/。的AM咅且与采样频率乂的关系如式(2)所示，其中iV为一个正整数，艮卩根据式(2),构造两个频率为输入信号基波频率初始值乂的正交信号；■ssin(A;) = sin(2x;rx/0x，).......................................... (3)its咖W"os(2x"/oX7)(4)2)利用(3)、 (4)的两个正交的信号与式(1)的输入信号v(yt)相乘得到式(5) 和(6):v("x、(》2;丄x4x[sin(2x;rxAzZ^A由A) + cos(2mAl^iA由A)]...<formula>formula see original document page 5</formula>5)K" X U W = 4 X [COS(2環AZ^lAx * + + — x " x A±￡!lAx & +...............(6)3) 对步骤2)所得式(5)、 (6)的信号做低通滤波处理，滤除其中的高频成分， 得到与输入信号相关的正交信号，如式(7)和式(8)所示会x4xsin(2x;rx,乂 xA: + ^)........................... (7)1 /" — /"^x4xcos(2x;rx"70, xA: + ^)........................... (8)4) 对步骤3)得到的与输入相关的正交信号(7)、 (8)进行反正切计算，得到第 k时刻与输入信号相关的相位信息，如公式(9)所示2x;rx(/。-y;)x， + ^.................................... (9)对式(9)的相位信息求差分可得<formula>formula see original document page 5</formula>10)对式(10)做变换可得信号的基波频率<formula>formula see original document page 5</formula>此外，为了避免测频结果受到信号瞬变的影响，式(11)可以用式(12)实现，它可以稳定基波测频的输出yiw-^w+pJ^x""..............................(12)2x;r式中p是调节系数；y;(fc)表示第k时刻经过调节的基波频率测量输出； 调节系数p越大，,Ot)收敛越快，对频率的变化反应越敏感，因此越容易受到信号波形突变的影响；反之，调节系数;7越小，/(A:)收敛越慢，对频率的变化反应越 迟钝，因此对信号波形突变有一定的抑制能力。在实际应用中p的取值在0到1.0之 间；最好设在O. 1到0.3之间。5)判断式(11)所得的信号基波频率是否使式(10)的结果为零，若是，得到 的/;(A:)就是最终的基波频率测量结果；否则利用式(12)所得的信号基波频率改变 采样频率，使得,(A:)-iVxy;(";并以这个采样频率对信号重新采样，重复2)、 3)、4), 5)。当式(io)的结果为零，即/。(w-y;(A:)，此时得到的y;ofc)就是最终的基波 频率测量结果。本发明提出的基波频率测量方法，它具有稳定性好、抗干扰能力强、测量精度高 的特点。
具体实施方式
下面结合本发明方法在电力系统中基波频率测量的应用详细介绍它的具体实施 方式。本方法的实施例包括以下的步骤1):在电力系统中，中国的国家标准是/。-50Hz，可将其设定为实际电网的基<formula>formula see original document page 6</formula>即实际电网的基波频率,-52.125Hz，幅度^=1.0，初相位^=;，并且含有3次谐波，3次谐波的幅度4=0.1,初相位-3=|。为了得到基波的实际频率值，必须得求出信号所包含的相位信息，而相位信息需 i通过反正切运算，所以构造可以进行反正切运算的正交信号是问题的关键。在采样频率/s = 64x50Hz下根据式(3)和式(4)产生频率为标准频率/。 = 50Hz 的一对正交信号(即和64):<formula>formula see original document page 7</formula>在硬件实现时'需要16点存储值；2):用式(14)、 (15)与式(13)输入信号vOt)分别相乘，此时得到的信号可以分别表达为<formula>formula see original document page 7</formula>3) :在式(16)和(17)中，对输入信号基波频率计算有用的信息包含在一2. 125Hz的频率成分中，其他的高频成分都是无用的信息。本实施例通过一个低通滤波器来滤除这些高频成分，因此经过低通滤波器之后的信号和x2(A)可以表达为<formula>formula see original document page 7</formula>它们就是一对关于输入信号的正交信号。4) :对正交信号(18)和(19)求反正切运算，得到第k时刻的瞬时相位，然后 对相位信息求差分，.取/ = 0.3，经过式(ll)， (12)操作之后即可测频输出值的测量 值yj =50+0: 3X2. 125 = 50. 6375Hz。5) :将4)中的测频输出值反馈给控制ADC釆样的年片机，使其给ADC的采样脉 冲颍率满足/, = iVx/ ，即,趋近于50. 6375X64ftz,此时/。(" =50. 6375Hz。重复2)、 3)、 4)、 5)，当判据式(10)小于1(T时，认为系统已稳定，最终可以得到系统基波 频率测量结果为52.1249978Hz。该算法测频的绝对误差小于0. 000003Hz,完全能满足电能计量中对测频的精度要凌。
权利要求
1、一种基波频率的测量方法，其特征在于，包括以下的信号处理1)在fs的采样频率下对信号采样，得到第k时刻的数字输入信号v(k)如式(1)所示
全文摘要
本发明涉及一种基波频率的测量方法，属于混合信号处理领域，该方法包括在采样频率f_s下对输入信号采样得到数字信号v(k)，并且设采样频率f_s为基波频率f₁设定的初始值f₀的N倍，构造两个频率为输入信号基波频率的理想值的正交信号；两个正交的信号与输入信号v(k)相乘得到信号做低通滤波处理，滤除其中的高频成分，得到关于与输入信号相关的正交信号，经过反正切计算，得到第k时刻关于与输入信号相关的相位信息，对相位信息求差分做变换可得信号的基波频率，再根据基波频率测量结果调整采样频率f_s，使得系统成为一个反馈闭环系统，系统稳定时的基波频率就是最终的输出结果。本发明具有稳定性好和测频精度高的特点。
文档编号G01R23/00GK101221201SQ200810056840
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月25日 优先权日2008年1月25日
发明者昆 杨, 王荣华, 谭年熊, 门长有 申请人:杭州万工科技有限公司;万高(杭州)科技有限公司;北京万工科技有限公司