一种高精度且抗噪声干扰的电网频率快速检测方法与流程

技术领域：

本发明属于电网频率检测技术领域，特别涉及一种高精度且抗噪声干扰的电网频率快速检测方法。

背景技术：
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频率是电能生产、消费必须具备的质量检验指标，也是衡量电力系统运行状态的重要参数，可再生能源大规模接入电网对电网频率检测的精度和实时性提出了更高的要求。现有的频率检测方法必须依赖锁相环，也称软锁相环(softwarephase-lockedloop，spll)。典型的spll主要有3种：单同步坐标系spll(singlesynchronousreferenceframespll，ssrf-spll)、基于对称分量法的ssrf-spll、基于双同步坐标系的解耦spll(decoupleddoublesrf-spll，ddsrf-spll)。其中，ssrf-spll能有效地应用于电网平衡时的幅值、频率与相位检测，其动态、稳态响应性能均较好。但是，当电网不平衡时，ssrf-spll输出的频率中存在谐波，因此稳态性能不好。改进ssrf-spll利用对称分量法来分离正序电压分量，并将其送入闭环调节器之后即可获得不平衡电网的频率。然而，该方法使用了固定参数的全通滤波器，当电网发生频率漂移时，频率检测的准确性较差。ddsrf-spll则采用了基于正、负序的双同步坐标系结构，实现了正负序的解耦，有效解决了三相不对称时的频率检测问题。然而，由于双同步坐标系结构的使用以及pi调节器与4个低通滤波器间的耦合作用，使得该方法的动态过程十分复杂，其较长的响应时间无法满足频率检测对快速性的要求。此外，spll的环路滤波器几乎都采用了pi调节器，因此其动态响应时间主要决定于调节器的特性。当电网环境较恶劣时，调节器参数很难进行优化设计，且调节器的动态过程耗时较长，现有的spll的响应时间几乎都大于1个工频周期，无法满足快速准确检测频率的要求。消除闭环调节过程则可显著提高频率检测速度，这也是开环检测的出发点，然而电网电压存在高频噪声信号时，对开环方法检测的相位进行微分运算会放大噪声信号，导致频率检测存在较大的误差。

上述的方法都存在一些明显的不足，理想的电网频率检测技术应同时满足准确性、快速性、抗噪声干扰性要求，此外检测方法还应当简单易行，以便于在嵌入式控制器中实现。

技术实现要素：
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针对现有的电网频率检测必须依靠锁相环来实现，弱电网环境下锁相环存在的固有的负阻尼特性会导致局域电力系统发生低频振荡，无法准确获得电网频率信息，本发明公开了一种高精度且抗噪声干扰的电网频率快速检测方法，该方法基于开环检测到的准确实时相位信息，通过提取其中的差频相位，并经差频闭环检测环节即可获得准确电网的频率信息。

本发明所采用的技术方案是：一种高精度且抗噪声干扰的电网频率的快速检测方法，包括电网同步相位快速开环检测环节、差频相位计算环节和频率闭环检测环节，将电网电压信号ua、ub、uc经电网同步相位快速开环检测环节以后即可获得电网的同步相位，通过差频信号计算环节即可提取出电网同步相位信号中的差频相位，将此差频相位信号输入至频率闭环检测环节之后即可获得电网的实时频率f。

以下内容将对电网同步相位快速开环检测方法的基本原理进行详细说明：

三相电网电压可用如下表达式描述：

(1)

电网电压经旋转坐标变换后得ud、uq如下：

假设初始相位θ∈(0,2π)，根据附加角θex选取规则可得电网的同步相位如下：

(3)

其中，arctan(uq/ud)+θex即为差频相位。

频率捕获方法如下：

（1）通过电压传感器采集电网电压信号ua、ub、uc；

（2）将采集到的电网电压信号通过同步旋转坐标变换模块进行同步旋转坐标变换，得到两相旋转坐标系下的电压信号ud、uq；

（3）若采集到的电网电压信号中存在高频噪声或者谐波成分，则需要在同步旋转坐标变换模块之后增加滤波器模块，对步骤（2）中的输出信号进行滤波，以消除噪声、谐波的影响；

（4）根据步骤（3）得到的ud、uq，由判断条件选择正确的θex，判断条件如下：若ud>0且uq>0，则θex=0；若ud<0，则θex=π；若ud>0且uq<0，则θex=2π；

（5）根据步骤（3）、（4）得到的参数ud、uq、θex，结合本发明公开的幅值、相位公式计算电网电压的实时幅值与相位；其中，幅值计算公式为：，相位计算公式为：；其中，ωst即为工频相位；arctan(uq/ud)+θex即为差频相位。

（6）提取电网同步相位中的差频相位记为x，将其延迟一个采样周期记为y，将周期计数器n的初值设置为0，该部分的相位信息经差频相位计算环节调整后输出，记为phase，其中phase=x+2*π*n；

（7）将步骤（6）的输出延迟一个采样周期后记为θ，作为闭环调节的输入，闭环调节的输出经积分后作为反馈信号θfeedback，两者的差值经pi调节后作为闭环调节的输出，将其除以2π得到差频δf。

（8）将差频δf与工频(中国为50hz)叠加即可得到电网的真实频率f。

此外，通过搭建高精度且抗噪声干扰的电网频率快速检测方法的仿真模型，对这种频率检测方法进行仿真验证，仿真结果也同时证实了该方案的正确性和有效性。

通过上述技术方案，本发明的有益效果为：与现有的频率检测方法相比，本发明公开的电网频率检测方法是基于准确的实时相位信息，实时相位信息可以准确获取，不存在闭环测相系统固有的稳定性问题；基于实时准确相位信息的闭环测频方法避免了对相位信息进行差分运算，因此抗噪声干扰能力强，可以获取高精度的电网频率信息。

附图说明：

图1是本发明中电网同步相位快速开环检测环节的原理图；

图2是本发明中差频相位计算环节的原理图；

图3是本发明中频率闭环检测环节的原理图；

图4是含噪声的三相电网电压波形；

图5有高频噪声时电网频率突变前后的仿真波形对比图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

图1-3为本发明频率捕获原理图，包括：三相电网电压信号ua、ub、uc，电网同步相位快速开环检测环节、差频相位计算环节、频率闭环检测环节。

图4为含噪声的三相电网电压波形，电压初始幅值为1p.u，2.5s时变为1.5p.u.。

图5是在有高频噪声的情况下，电网频率突变前后仿真波形对比图，电网电压初始频率为60hz，在2.5s时，频率突变为50hz。

如图1-3所示，一种高精度且抗噪声干扰的电网频率的快速检测方法，包括电网同步相位快速开环检测环节、差频相位计算环节和频率闭环检测环节，如图1所示将电网电压信号ua、ub、uc经电网同步相位快速开环检测环节以后即可获得电网的同步相位，通过差频信号计算环节即可提取出电网同步相位信号中的差频相位，将此差频相位信号输入至频率闭环检测环节之后即可获得电网的实时频率f。

以下内容将对电网同步相位快速开环检测方法的基本原理进行详细说明：

三相电网电压可用如下表达式描述：

(1)

电网电压经旋转坐标变换后得ud、uq如下：

假设初始相位θ∈(0,2π)，根据附加角θex选取规则可得电网的同步相位如下：

(3)

其中，arctan(uq/ud)+θex即为差频相位。

频率捕获方法如下：

（1）通过电压传感器采集电网电压信号ua、ub、uc；

（2）将采集到的电网电压信号通过同步旋转坐标变换模块进行同步旋转坐标变换，得到两相旋转坐标系下的电压信号ud、uq；

（3）若采集到的电网电压信号中存在高频噪声或者谐波成分，则需要在同步旋转坐标变换模块之后增加滤波器模块，对步骤（2）中的输出信号进行滤波，以消除噪声、谐波的影响；

（4）根据步骤（3）得到的ud、uq，由判断条件选择正确的θex，判断条件如下：若ud>0且uq>0，则θex=0；若ud<0，则θex=π；若ud>0且uq<0，则θex=2π；

（5）根据步骤（3）、（4）得到的参数ud、uq、θex，结合本发明公开的幅值、相位公式计算电网电压的实时幅值与相位；其中，幅值计算公式为：，相位计算公式为：；其中，ωst即为工频相位；arctan(uq/ud)+θex即为差频相位；

（6）提取电网同步相位中的差频相位记为x，将其延迟一个采样周期记为y，将周期计数器n的初值设置为0，比较x与y的大小，若(y-x)大于阈值m（m的理论值为2π，考虑到离散采样过程导致的误差，m的取值应取略小于2π，采样周期越大，阈值应越小），则周期计数器n自增1，否则不对n进行累加，该部分的相位信息经差频相位计算环节调整后输出，记为phase，其中phase=x+2*π*n；

（7）将步骤（6）的输出延迟一个采样周期后记为θ，作为闭环调节的输入，闭环调节的输出经积分后作为反馈信号θfeedback，两者的差值经pi调节后作为闭环调节的输出，将其除以2π得到差频δf。

（8）将差频δf与工频(中国为50hz)叠加即可得到电网的真实频率f。

此外，通过搭建高精度且抗噪声干扰的电网频率快速检测方法的仿真模型，对这种频率检测方法进行仿真验证，仿真结果也同时证实了该方案的正确性和有效性。

以上内容是结合具体的案例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。