电力系统频率测量方法与实践

电力系统频率测量方法与实践

发表时间：2018-09-10T15:28:44.000Z 来源：《基层建设》2018年第22期作者：杨泽会

[导读] 摘要：在电力系统中，频率属于关键的一项特征，所以在电力系统测量内频率是重要的内容，怎样正确的测量电力系统频率，已经是相关单位需要不断探索的问题。

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摘要：在电力系统中，频率属于关键的一项特征，所以在电力系统测量内频率是重要的内容，怎样正确的测量电力系统频率，已经是相关单位需要不断探索的问题。本文对于当前常用的电力系统频率测量方法进行阐述，并提出一种实用性较高的测量方案。

关键词：电力系统；频率测量；方法；实践

下面从电力系统频率测量基本的要求着手，分析几种常见的电力系统频率测量算法，并以实际案例的方式，探究一种具有较高实用性的电力系统频率测量方法。

一、电力系统频率测量基本的要求

首先，能够对于电力系统的物理真实性进行反映，并体现出实施控制有效性，同时基于实时频率估计的控制作用必须要具备较高的可靠度；其次，最大限度的降低误差问题，具有较高的精度要求标准。这一要求的影响因素诸多，同观测模型同真实信号符合程度等方面的因素具有紧密的关联性；接下来，具有一定的快速要求，发挥出较高的追踪功能，而且是实时的跟踪，这样就避免了滞后性的弊端问题；最后，具有较高的经济优越性，不会产生高成本。通过最小的代价得到最高的性能价格比。

二、电力系统频率测量算法

在频率测量中，主要的内容之一就是测频算法设计，也是发挥作用最为显著的环节。首先，作为辅助算法，信号预处理以及结果的再处理内容就是提供给频率测量相关内容，合理的调整好测量性能之后获得实际应用效果。尽管频率测量具有主导的地位，但是辅助算法能够在很大程度上对于预期执行以及装置可靠性情况产生影响，所以必须要加以重视。大量的实践工作表明，若想使得辅助算法具有较强的去噪能力以及时滞较小，并提供给后续控制分析较高的精度频率的效果，具有较高的难度。辅助算法若想获得到较高的计算质量水平，就需要充分的考虑到多方面因素，包括软硬件实现约束；主算法数值行为情况；给定应用时间响应以及精度的标准。

三、频率策略的常用计算方法

第一种为周期法。原始周期法进行测量频率期间，主要是对于信号波形相继过零点间时间宽度情况进行测量，之后展开频率的测量操作。此种举措具有相对清晰的物理概念，同时实现也具有便捷性，但是弊端就是受到噪声以及非周期分量影响，并且精度有限，所以不会采取单一原始周期算法。对其实施改进以后，主要的目标即为将测量实时性以及精确度进行提升。例如，高次修正函数法以及最小二乘多项式曲线拟合法等。均是应用计算量和复杂度作为渠道，将算法响应速度以及精确度提升，但也将原有零交算法简明性具有丢失。

第二种为解析法。这种测频的主要特征即为，具有相对繁杂性的数学推导，为了实现分析以及计算的简化，采取简单的信号观测模型，减少了对于谐波以及非周期分量等影响因素的考虑。同时具有较小的计算量，其适用的范围是不对于速度以及精确度具有较高要求标准、可忽略信号的非特征分量场合中。

第三种为误差最小化原理类算法。其中包括最小二乘算法以及牛顿类算法方式。最小二乘算法就是建立于最小方差意义基础上，实现理想的拟合样本数据内容，建立在极小化误差向量加权二次范数min[J（X）=V TθV]以及量测矩阵方程Z=H（X）+V前提下，实施求解待测量，应用的指标就是观测值，单位矩阵就是加权矩阵θ。牛顿类算法就是把牛顿类迭代算法结合最小二乘原理，对于超定非线性方程组实施合理的求解。其优势就是可以对系统谐波进行良好测量，在实时频率测量或者控制中、离线谐波分析中具有较强的适用性。

四、一种实用的电力系统频率实时测量方法案例

（一）测量的基本原理

构建起单一频率交流被测信号，其中包括A（幅值）和ϕ（初始相位）、f（频率）几项指标，所得公式是：y（t）=A sin（2πft+ϕ）。此信号经频率fs的ADC进行采样之后获得离散序列，即y（n）=A sin（2πfn∆t+ϕ）。如下图1所示，为两个采样周波工频信号状态图。

图1 被测信号与采样序列图

结果显示，具有越高的采样频率情况下，就会得到越小的采样点相位差。如果不将采样频率进行提升，则测量中应用连续测量多个周期取平均的方式，也是可以将测量精确度进行增强的。

（二）设计滤波器

常实施的数字滤波器涉及到两种，一种为FIR滤波器，另一种是IIR滤波器。其中，具备极强稳定性以及严格的线性相位的，同时误差较小和具有非递归结构的就是FIR滤波器，所以其应用的范围更加广泛。以 Matlab 软件内 FDAtools工具箱，采取“Bartlett-Hanning”窗函数设计法，得到最终的滤波器差分方程式。

（三）软件测频方式

对于电力系统中的待测信号来说，进行测量频率需要展开标准的步骤，首先是隔离耦合，即经PT的途径实现，之后把直流成分有效的清除干净，然后经FIR带通滤波处理，按照标准的采样值序列的过零点相位插值公式，科学合理的计算出待测信号的基频频率结果。总结设计软件测频总体流程涉及到五点内容，即按先后顺序分别是：等时间间隔AD采样、FIR带通数字滤波、检测过零点、过零点插值以及输出测频结果。

（四）算法仿真和分析

为对于以上测频方式测量效果进行检验，分别采取本测频算法和DFT测频算法展开仿真，比较计算的结果。设输入的信号为 y=220

sin（2πf0t+ϕ0），取值为f0为45-55Hz，变化步长以及初始相位ϕ0分别是0.1Hz和30°。测量的结果如下表1所示。结过充分的显示出了此算法结果更临近于真实测量值，远超出DFT测频算法精度。

表1 待测信号中不含谐波时的测频仿真结果

另外，在信号中含有2到16次谐波时的仿真测频结果中，本文所应用FIR带通滤波器对A/D 采样值滤波发挥出的作用更加显著，将各次谐波分量影响情况进行消除的同时，方便提取基波信号。

结语：

在数字信号处理技术以及嵌入式微机系统普遍的应用到电力系统内的情况下，电力行业对测量电力系统频率精确度方面，提出的要求标准更高，不仅要做到实时的测量电力系统频率，而且需要拥有良好的精确度。文中提出的软件测频方法应用效果理想，能够将测量精准度提升，应用意义巨大。

参考文献：

[1]李军，王越超.一种基于幅值调制的新型电力系统正弦频率测量方法[J].电工技术学报，2015（07）：144-150.

[2]孟卓，温和.基于复化梯形的准同步采样频率测量算法[J].中国电机工程学报，2015（10）：2445-2453.

[3]赵庆生，谢运华，郭贺宏，张学军.过零检测和曲线拟合的电力系统频率算法[J].电力系统及其自动化学报，2017（02）：21-26.