一種電力系統交流采樣頻率實時跟蹤方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種工頻交流采樣頻率實時跟蹤技術，屬于電力系統交流采樣測量技 術領域。
【背景技術】
[0002] 電力系統中電壓、電流信號的采集分析處理目前多數都采用交流采樣，即對信號 的瞬時值按照一定的規律進行采樣，然后進行均方根有效值計算或者通過離散傅里葉變 換進行諧波分析，無論是均方根計算還是離散傅里葉變換都需要對信號進行整周期等分采 樣，才能保證計算的準確性，而電網的頻率并不是固定的50Hz，因而需要對信號頻率進行實 時跟蹤。
[0003] 目前多數的手段是通過硬件方式，通過硬件鎖相環電路產生同步于被測交流信號 的采樣脈沖。這種方式硬件復雜，而且當信號諧波成分較多及含量較大時，需要更復雜的濾 波等電路才能達到理想的跟蹤效果。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，并提供一種整體可靠性高，跟蹤效果好 的電力系統交流米樣頻率實時跟蹤方法。
[0005] 實現本發明目的所采用的技術方案為，一種電力系統交流采樣頻率實時跟蹤方 法，包括如下步驟：
[0006] (1)將被測交流信號同時輸入到第1模數轉換器和第2模數轉換器進行模數轉換， 并輸出離散采樣序列，其中第1模數轉換器為固定采樣率模數轉換器，其采樣率為fs，第2 模數轉換器為可變采樣率模數轉換器，其采樣率為fc;
[0007] (2)取N點長度的第1模數轉換器輸出的離散采樣序列，經過加窗并進行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及其對應的譜線號k，以 及相鄰譜線號k+1對應的幅值yk+1;
[0009] (4)根據k、yk+1對被測交流信號的頻率進行校正，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，計算公式為v=yk/yk+1;
[0010] (5)調整第2模數轉換器的采樣率fc，調整公式為fc=f*M，其中M為第2模數轉 換器每周期所需采樣點數，第2模數轉換器對電力系統交流信號進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為Hanning窗。
[0013] 由上述技術方案可知，本發明提供的電力系統交流采樣頻率實時跟蹤方法，通過 兩個模數轉換器實現電力系統交流信號的頻率跟蹤整周期等分同步采樣，其中第1模數轉 換器的采樣率為固定采樣率fs，用于對電力系統交流信號進行頻率測量校正，可得到接近 電力系統交流信號真實頻率的校正頻率f;第2模數轉換器的采樣率為可變采樣率fc，根據 每周期信號所需采樣點數M，調整采樣率fc=f*M，實現頻率跟蹤，第2模數轉換器輸出的 采樣序列即為電力系統交流信號的整周期等分采樣序列。
[0014] 采用Hanning窗函數對電力系統交流信號進行截斷，可達到很高的頻率校正精 度。
[0015] 與現有技術相比，本發明提供的方法通過對第1模數轉換器采樣系列進行頻率校 正，得到接近電力系統交流信號真實頻率的校正頻率，校正頻率直接乘以第2模數轉換器 每周期的采樣點數，即是第2模數轉換器的采樣率，滿足了第2模數轉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。該方法利用數字信號處理技術，降低了現有 硬件電路的復雜度，節省了硬件設計成本，能夠高效可靠地解決電力數據監測中的頻率跟 蹤問題；由于無需額外頻率跟蹤鎖相硬件電路，硬件的簡化避免了硬件頻率跟蹤電路的長 期穩定性差、故障隱患多等問題，提高了可靠性，非常適用于以高性能MCU為核心的測量設 備。
【具體實施方式】
[0016] 下面結合具體實施例對本發明進行詳細具體說明，本發明的內容不局限于以下實 施例；為便于對本發明的技術特點進行說明，實施例設定一個硬件系統，系統中的硬件包括 一個獨立外部16bit高精度頻率可調整模數轉換器（即第2模數轉換器，其采樣率為fc) 與一個片上自帶12bit固定頻率模數轉換器（即第1模數轉換器，其采樣率為fs)的高性 能MCU〇
[0017] 本發明提供的電力系統交流采樣頻率實時跟蹤方法，包括如下步驟：
[0018] (1)將被測交流信號同時輸入到第1模數轉換器和第2模數轉換器進行模數轉換， 其中MCU片上12bit模數轉換器采用固定采樣頻率fs= 50*256Hz;
[0019] (2)獲得N= 256個MCU片上12bit模數轉換器采樣得到的采樣點，并加Hanning 窗進行快速傅里葉變換，得到幅值譜序列{yyyp……，y255};
[0020] (3)對得到幅值譜序列進行遍歷，獲取幅值譜序列中的幅值最大值yk及其對應的 譜線號k，以及相鄰譜線號k+l對應的幅值yk+1;
[0021] (4)MCU根據公式v=yk/yk+1計算校正系數v，隨后根據校正公式計算校正頻率f， 校正公式為f= [k-(v-2)/(v+l)]*fs/N;
[0022] (5)MCU根據調整公式fc=f*M調整第2模數轉換器的采樣率fc，M為第2模數 轉換器每周期所需采樣點數，取M= 512,第2模數轉換器對電力系統交流信號進行整周期 等分同步采樣分析。
[0023] MCU內部程序對獨立外部16bit高精度頻率可調整模數轉換器獲得的頻率同步離 散采樣信號進行有效值、諧波等需要信息的分析與計算，上述實施例獲得的頻率校正數據 如下表：
[0024]
[0025] 由上表可得，本發明提供的電力系統交流采樣頻率實時跟蹤方法，其同步采樣頻 率誤差精度均在〇. 001Hz范圍內，滿足了電力系統交流信號高精度采樣的需求。
[0026] 對于工頻電壓、電流信號的測量，精度要求較高時，一般都采用外部模數轉換器 (ADC)，通過FPGA、MCU等控制ADC的采樣率，而目前MCU的性能越來越高，成本越來越低，很 多MCU內部還集成有10位以上的ADC。采用本發明方法可利用MCU內部ADC對信號進行頻 率測量校正，進而根據真實頻率調整外部ADC的采樣率，實現頻率跟蹤，均方根運算和傅里 葉分析都采用外部ADC的采樣數據。利用本發明提供的方法，可在不增加額外硬件電路的 基礎上，僅通過軟件計算處理解決電網交流信號頻率的同步跟蹤問題。
【主權項】
1. 一種電力系統交流采樣頻率實時跟蹤方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 將被測交流信號同時輸入到第1模數轉換器和第2模數轉換器進行模數轉換，并輸 出離散采樣序列，其中第1模數轉換器為固定采樣率模數轉換器，其采樣率為fs，第2模數 轉換器為可變采樣率模數轉換器，其采樣率為fc ; (2) 取N點長度的第1模數轉換器輸出的離散采樣序列，經過加窗并進行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及其對應的譜線號k，以及相 鄰譜線號k+1對應的幅值y k+1; (4) 根據k、^和y k+1對被測交流信號的頻率進行校正，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，計算公式為V = yk/yk+1; (5) 調整第2模數轉換器的采樣率fc，調整公式為fc = f*M，其中M為第2模數轉換 器每周期所需采樣點數，第2模數轉換器對電力系統交流信號進行整周期等分同步采樣分 析。2. 根據權利要求1所述的電力系統交流采樣頻率實時跟蹤方法，其特征在于：N和M均 為2的整次方。3. 根據權利要求1所述的電力系統交流采樣頻率實時跟蹤方法，其特征在于：步驟（2) 中加窗使用的窗函數為Hanning窗。
【專利摘要】本發明涉及一種電力系統交流采樣頻率實時跟蹤方法，將被測信號同時輸入到固定采樣率的第1模數轉換器和可變采樣率的第2模數轉換器進行模數轉換；將離散采樣序列經過加窗FFT變換，得到幅值譜序列；根據幅值譜序列中的幅值最大值yk及其對應的譜線號k，以及相鄰譜線號k+1對應的幅值yk+1對被測交流信號的頻率進行校正，得到校正頻率f；根據第2模數轉換器每周期所需采樣點數與校正頻率f對第2模數轉換器的采樣率進行調整，第2模數轉換器對電力系統交流信號進行整周期等分同步采樣分析；本發明提供的電力系統交流采樣頻率實時跟蹤方法不需使用鎖相環，整體可靠性高，跟蹤效果好。
【IPC分類】G01R19/25
【公開號】CN105004913
【申請號】CN201510429939
【發明人】黎文安, 張家華
【申請人】黎文安
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年7月21日