一種電力系統(tǒng)交流采樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種工頻交流采樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)，屬于電力系統(tǒng)交流采樣測(cè)量技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 電力系統(tǒng)中電壓、電流信號(hào)的采集分析處理目前多數(shù)都采用交流采樣，即對(duì)信號(hào) 的瞬時(shí)值按照一定的規(guī)律進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行均方根有效值計(jì)算或者通過(guò)離散傅里葉變 換進(jìn)行諧波分析，無(wú)論是均方根計(jì)算還是離散傅里葉變換都需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行整周期等分采 樣，才能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，而電網(wǎng)的頻率并不是固定的50Hz，因而需要對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行實(shí) 時(shí)跟蹤。
[0003] 目前多數(shù)的手段是通過(guò)硬件方式，通過(guò)硬件鎖相環(huán)電路產(chǎn)生同步于被測(cè)交流信號(hào) 的采樣脈沖。這種方式硬件復(fù)雜，而且當(dāng)信號(hào)諧波成分較多及含量較大時(shí)，需要更復(fù)雜的濾 波等電路才能達(dá)到理想的跟蹤效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，并提供一種整體可靠性高，跟蹤效果好 的電力系統(tǒng)交流米樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤方法。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的所采用的技術(shù)方案為，一種電力系統(tǒng)交流采樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤方 法，包括如下步驟：
[0006] (1)將被測(cè)交流信號(hào)同時(shí)輸入到第1模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 并輸出離散采樣序列，其中第1模數(shù)轉(zhuǎn)換器為固定采樣率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采樣率為fs，第2 模數(shù)轉(zhuǎn)換器為可變采樣率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采樣率為fc;
[0007] (2)取N點(diǎn)長(zhǎng)度的第1模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的離散采樣序列，經(jīng)過(guò)加窗并進(jìn)行FFT變 換，得到幅值譜序列{y。，yi，……，yn}，其中n=N-1 ;
[0008] (3)遍歷幅值譜序列，獲取幅值譜序列中的幅值最大值yk及其對(duì)應(yīng)的譜線號(hào)k，以 及相鄰譜線號(hào)k+1對(duì)應(yīng)的幅值yk+1;
[0009] (4)根據(jù)k、yk+1對(duì)被測(cè)交流信號(hào)的頻率進(jìn)行校正，得到校正頻率f，校正公式 為f= [k-(v_2)/(v+l)]*fs/N，其中v為校正系數(shù)，計(jì)算公式為v=yk/yk+1;
[0010] (5)調(diào)整第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率fc，調(diào)整公式為fc=f*M，其中M為第2模數(shù)轉(zhuǎn) 換器每周期所需采樣點(diǎn)數(shù)，第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)電力系統(tǒng)交流信號(hào)進(jìn)行整周期等分同步采樣 分析。
[0011] N和M均為2的整次方。
[0012] 步驟⑵中加窗使用的窗函數(shù)為Hanning窗。
[0013] 由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的電力系統(tǒng)交流采樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤方法，通過(guò) 兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)交流信號(hào)的頻率跟蹤整周期等分同步采樣，其中第1模數(shù)轉(zhuǎn) 換器的采樣率為固定采樣率fs，用于對(duì)電力系統(tǒng)交流信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量校正，可得到接近 電力系統(tǒng)交流信號(hào)真實(shí)頻率的校正頻率f;第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率為可變采樣率fc，根據(jù) 每周期信號(hào)所需采樣點(diǎn)數(shù)M，調(diào)整采樣率fc=f*M，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的 采樣序列即為電力系統(tǒng)交流信號(hào)的整周期等分采樣序列。
[0014] 采用Hanning窗函數(shù)對(duì)電力系統(tǒng)交流信號(hào)進(jìn)行截?cái)?，可達(dá)到很高的頻率校正精 度。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的方法通過(guò)對(duì)第1模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣系列進(jìn)行頻率校 正，得到接近電力系統(tǒng)交流信號(hào)真實(shí)頻率的校正頻率，校正頻率直接乘以第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器 每周期的采樣點(diǎn)數(shù)，即是第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率，滿(mǎn)足了第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器整周期等分采樣 的要求，因此不需增加額外的硬件鎖相電路。該方法利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，降低了現(xiàn)有 硬件電路的復(fù)雜度，節(jié)省了硬件設(shè)計(jì)成本，能夠高效可靠地解決電力數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)中的頻率跟 蹤問(wèn)題；由于無(wú)需額外頻率跟蹤鎖相硬件電路，硬件的簡(jiǎn)化避免了硬件頻率跟蹤電路的長(zhǎng) 期穩(wěn)定性差、故障隱患多等問(wèn)題，提高了可靠性，非常適用于以高性能MCU為核心的測(cè)量設(shè) 備。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)具體說(shuō)明，本發(fā)明的內(nèi)容不局限于以下實(shí) 施例；為便于對(duì)本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明，實(shí)施例設(shè)定一個(gè)硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)中的硬件包括 一個(gè)獨(dú)立外部16bit高精度頻率可調(diào)整模數(shù)轉(zhuǎn)換器（即第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采樣率為fc) 與一個(gè)片上自帶12bit固定頻率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（即第1模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采樣率為fs)的高性 能MCU〇
[0017] 本發(fā)明提供的電力系統(tǒng)交流采樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤方法，包括如下步驟：
[0018] (1)將被測(cè)交流信號(hào)同時(shí)輸入到第1模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換， 其中MCU片上12bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用固定采樣頻率fs= 50*256Hz;
[0019] (2)獲得N= 256個(gè)MCU片上12bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣得到的采樣點(diǎn)，并加Hanning 窗進(jìn)行快速傅里葉變換，得到幅值譜序列{yyyp……，y255};
[0020] (3)對(duì)得到幅值譜序列進(jìn)行遍歷，獲取幅值譜序列中的幅值最大值yk及其對(duì)應(yīng)的 譜線號(hào)k，以及相鄰譜線號(hào)k+l對(duì)應(yīng)的幅值yk+1;
[0021] (4)MCU根據(jù)公式v=yk/yk+1計(jì)算校正系數(shù)v，隨后根據(jù)校正公式計(jì)算校正頻率f， 校正公式為f= [k-(v-2)/(v+l)]*fs/N;
[0022] (5)MCU根據(jù)調(diào)整公式fc=f*M調(diào)整第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率fc，M為第2模數(shù) 轉(zhuǎn)換器每周期所需采樣點(diǎn)數(shù)，取M= 512,第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)電力系統(tǒng)交流信號(hào)進(jìn)行整周期 等分同步采樣分析。
[0023] MCU內(nèi)部程序?qū)Κ?dú)立外部16bit高精度頻率可調(diào)整模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲得的頻率同步離 散采樣信號(hào)進(jìn)行有效值、諧波等需要信息的分析與計(jì)算，上述實(shí)施例獲得的頻率校正數(shù)據(jù) 如下表：
[0024]

[0025] 由上表可得，本發(fā)明提供的電力系統(tǒng)交流采樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤方法，其同步采樣頻 率誤差精度均在〇. 001Hz范圍內(nèi)，滿(mǎn)足了電力系統(tǒng)交流信號(hào)高精度采樣的需求。
[0026] 對(duì)于工頻電壓、電流信號(hào)的測(cè)量，精度要求較高時(shí)，一般都采用外部模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，通過(guò)FPGA、MCU等控制ADC的采樣率，而目前MCU的性能越來(lái)越高，成本越來(lái)越低，很 多MCU內(nèi)部還集成有10位以上的ADC。采用本發(fā)明方法可利用MCU內(nèi)部ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻 率測(cè)量校正，進(jìn)而根據(jù)真實(shí)頻率調(diào)整外部ADC的采樣率，實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤，均方根運(yùn)算和傅里 葉分析都采用外部ADC的采樣數(shù)據(jù)。利用本發(fā)明提供的方法，可在不增加額外硬件電路的 基礎(chǔ)上，僅通過(guò)軟件計(jì)算處理解決電網(wǎng)交流信號(hào)頻率的同步跟蹤問(wèn)題。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種電力系統(tǒng)交流采樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 將被測(cè)交流信號(hào)同時(shí)輸入到第1模數(shù)轉(zhuǎn)換器和第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸 出離散采樣序列，其中第1模數(shù)轉(zhuǎn)換器為固定采樣率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采樣率為fs，第2模數(shù) 轉(zhuǎn)換器為可變采樣率模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采樣率為fc ; (2) 取N點(diǎn)長(zhǎng)度的第1模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的離散采樣序列，經(jīng)過(guò)加窗并進(jìn)行FFT變換，得 到幅值譜序列{y。，Y1, ......，yj，其中n = N-I ; (3) 遍歷幅值譜序列，獲取幅值譜序列中的幅值最大值yk及其對(duì)應(yīng)的譜線號(hào)k，以及相 鄰譜線號(hào)k+1對(duì)應(yīng)的幅值y k+1; (4) 根據(jù)k、^和y k+1對(duì)被測(cè)交流信號(hào)的頻率進(jìn)行校正，得到校正頻率f，校正公式為f =[k-(v_2)/(v+l)]*fs/N，其中V為校正系數(shù)，計(jì)算公式為V = yk/yk+1; (5) 調(diào)整第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率fc，調(diào)整公式為fc = f*M，其中M為第2模數(shù)轉(zhuǎn)換 器每周期所需采樣點(diǎn)數(shù)，第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)電力系統(tǒng)交流信號(hào)進(jìn)行整周期等分同步采樣分 析。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)交流采樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤方法，其特征在于：N和M均 為2的整次方。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力系統(tǒng)交流采樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤方法，其特征在于：步驟（2) 中加窗使用的窗函數(shù)為Hanning窗。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)交流采樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤方法，將被測(cè)信號(hào)同時(shí)輸入到固定采樣率的第1模數(shù)轉(zhuǎn)換器和可變采樣率的第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；將離散采樣序列經(jīng)過(guò)加窗FFT變換，得到幅值譜序列；根據(jù)幅值譜序列中的幅值最大值yk及其對(duì)應(yīng)的譜線號(hào)k，以及相鄰譜線號(hào)k+1對(duì)應(yīng)的幅值yk+1對(duì)被測(cè)交流信號(hào)的頻率進(jìn)行校正，得到校正頻率f；根據(jù)第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器每周期所需采樣點(diǎn)數(shù)與校正頻率f對(duì)第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率進(jìn)行調(diào)整，第2模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)電力系統(tǒng)交流信號(hào)進(jìn)行整周期等分同步采樣分析；本發(fā)明提供的電力系統(tǒng)交流采樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤方法不需使用鎖相環(huán)，整體可靠性高，跟蹤效果好。
【IPC分類(lèi)】G01R19/25
【公開(kāi)號(hào)】CN105004913
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510429939
【發(fā)明人】黎文安, 張家華
【申請(qǐng)人】黎文安
【公開(kāi)日】2015年10月28日
【申請(qǐng)日】2015年7月21日