一种基于预测的微电网频率实时测量方法及装置与流程

本发明涉及微电网频率测量技术领域，尤其涉及一种基于预测的微电网频率实时测量方法及装置。

背景技术：

在电力系统中，微电网是一种包含一种或多种分布式电源及负荷的小型供配电系统，可以实现孤岛或并网运行，并网模式下接入配电网络运行，旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。由于微电网中包含的新能源发电设备较多，因此其频率的稳定性备受关注；同时，有别于传统配电网，微电网的频率需要更为快速的实时测量。现有的关于电力系统频率测量的方法主要包括零交法、解析法、离散傅立叶算法和正交调制法等。以上方法及相应的改进方法能够实现频率的测量，但普遍存在算法复杂度较高、测量周期较长的问题，导致频率测量的实时性较差，难以适应频率快速变化的微电网应用需求。

技术实现要素：

本发明提供了一种基于预测的微电网频率实时测量方法及装置，解决了现有的电力系统频率测量方法复杂度较高、测量周期较长的问题，导致频率测量的实时性较差，难以适应频率快速变化的微电网应用需求的技术问题。

本发明提供的一种基于预测的微电网频率实时测量方法，包括：

获取待测量的信号，并对所述待测量的信号进行等间隔采样，获得时域离散的采样信号；

通过计数器对所述采样信号进行半波频率测量，获取相邻的两个半波周期的频率，并分别记为第一半波周期的频率和第二半波周期的频率；

对所述第一半波周期的频率和所述第二半波周期的频率进行线性拟合，并通过线性拟合所获得的线性拟合公式预测所述第二半波周期的下一个半波周期的频率。

优选地，所述通过计数器对所述采样信号进行半波频率测量包括：

通过采样率为fs的计数器对采样信号进行半波频率测量，记录计数器在一个半波周期内的计数值，并根据频率求取公式和所述计数值求取所述一个半波周期内的频率，所述一个半波周期具体为两个相邻的采样值符号跳变的时刻之间的周期，所述频率求取公式具体为：

f＝fs/2(N-1)；

其中，f为半波周期内的频率，fs为计数器的采样率，N为计数器的计数值。

优选地，所述对所述第一半波周期的频率和所述第二半波周期的频率进行线性拟合，并通过线性拟合所获得的线性拟合公式预测下一个半波周期的频率包括：

通过将所述第一半波周期的时间和对应的频率以及所述第二半波周期的时间和对应的频率代入参数待确定的线性拟合公式中进行线性拟合，得到参数确定的线性拟合公式，并通过所述参数确定的线性拟合公式预测下一个半波周期的频率，所述参数待确定的线性拟合公式为：

y(t)＝at+b；

其中，y(t)为频率，a和b分别为待确定的参数，t为时间。

优选地，所述获取待测量的信号，并对所述待测量的信号进行等间隔采样，获得时域离散的采样信号之前还包括：

采集待测量的电信号，并对所述待测量的电信号进行信号衰减处理后使用低通滤波电路进行信号处理。

优选地，所述对所述第一半波周期的频率和所述第二半波周期的频率进行线性拟合，并通过线性拟合所获得的线性拟合公式预测所述第二半波周期的下一个半波周期的频率之后还包括：

对所述第二半波周期的频率和测量得到的第三半波周期的频率进行线性拟合，并通过线性拟合所获得的线性拟合公式预测所述第三半波周期的下一个半波周期的频率，依次类推，进行后续的半波周期的频率的预测，其中，所述第三半波周期为所述第二半波周期的下一个周期。

本发明提供的一种基于预测的微电网频率实时测量装置，包括：

获取模块，用于获取待测量的信号，并对所述待测量的信号进行等间隔采样，获得时域离散的采样信号；

测量模块，用于通过计数器对所述采样信号进行半波频率测量，获取相邻的两个半波周期的频率，并分别记为第一半波周期的频率和第二半波周期的频率；

拟合模块，用于对所述第一半波周期的频率和所述第二半波周期的频率进行线性拟合，并通过线性拟合所获得的线性拟合公式预测所述第二半波周期的下一个半波周期的频率。

优选地，所述测量模块包括：

测量子模块，用于通过采样率为fs的计数器对采样信号进行半波频率测量，记录计数器在一个半波周期内的计数值，并根据频率求取公式和所述计数值求取所述一个半波周期内的频率，所述一个半波周期具体为两个相邻的采样值符号跳变的时刻之间的周期，所述频率求取公式具体为：

f＝fs/2(N-1)；

其中，f为半波周期内的频率，fs为计数器的采样率，N为计数器的计数值。

优选地，所述拟合模块包括：

拟合子模块，用于通过将所述第一半波周期的时间和对应的频率以及所述第二半波周期的时间和对应的频率代入参数待确定的线性拟合公式中进行线性拟合，得到参数确定的线性拟合公式，并通过所述参数确定的线性拟合公式预测下一个半波周期的频率，所述参数待确定的线性拟合公式为：

y(t)＝at+b；

其中，y(t)为频率，a和b分别为待确定的参数，t为时间。

优选地，还包括：

采集模块，用于采集待测量的电信号，并对所述待测量的电信号进行信号衰减处理后使用低通滤波电路进行信号处理。

优选地，所述拟合模块还用于对所述第二半波周期的频率和测量得到的第三半波周期的频率进行线性拟合，并通过线性拟合所获得的线性拟合公式预测所述第三半波周期的下一个半波周期的频率，依次类推，进行后续的半波周期的频率的预测，其中，所述第三半波周期为所述第二半波周期的下一个周期。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明基于微电网中的频率具有一定的惯性，在较短时间内不会发生无规则的突变的特性，通过计数器对两个相邻的半波周期内的频率进行了测量，并基于这两个相邻的半波周期的频率，通过线性拟合的预测方法，求取出下一个半波周期的预测频率，由于微电网频率在较短时间内不会发生无规则的突变，因此使用线性拟合的方法基于已测量得到的两个半波周期的频率去预测下一个半波周期的未知的频率较为合理，准确度相应的也较高，此外，由于仅仅采用了较为简单的线性拟合的计算方法，其复杂程度不高，易于实现实时计算，能够满足实时性测量的需求；并且由于本发明中所获得的结果是对半波周期的频率的预测结果，相较于采集并经过复杂的算法进行处理测量后所获得的频率更具有实时性，更能够反映当前的微电网的频率，解决了现有的电力系统频率测量方法复杂度较高、测量周期较长的问题，导致频率测量的实时性较差，难以适应频率快速变化的微电网应用需求的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于预测的微电网频率实时测量方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种进行采样信号过零点判断的示意图；

图3为本发明实施例提供的对半波周期的频率进行线性拟合的过程示意图；

图4为本发明实施例提供的一个传统方法与本发明所提供的方法进行频率测量的结果对比示意图；

图5为本发明实施例提供的一种基于预测的微电网频率实时测量装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种基于预测的微电网频率实时测量方法，用于解决现有的电力系统频率测量方法复杂度较高、测量周期较长的问题，导致频率测量的实时性较差，难以适应频率快速变化的微电网应用需求的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种基于预测的微电网频率实时测量方法的流程示意图。

本发明提供的一种基于预测的微电网频率实时测量方法，包括：

S101、获取待测量的信号，并对待测量的信号进行等间隔采样，获得时域离散的采样信号；

在微电网中，要对微电网内的设备(如新能源发电设备、分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控装置和保护装置等)的频率进行实时测量时，可以先采集设备的待测量的电信号。具体的，采集设备的电信号的方法可以是电压直接采集。采集得到待测量的电信号之后，对电信号进行信号衰减处理，使得电信号的比例缩小到满足AD采样(数模采样)的范围。然后，对进行信号衰减处理后的电信号使用一阶低通RC滤波电路进行信号处理，尽量滤除电信号中的不必要的干扰，从而获得能够直接用于采样的待测量的信号。

可以理解的是，在对待测量的信号进行采样时，为等间隔采样，即每两次采样之间的时间间距相等，通过等间隔采样，从而获得时域离散的采样信号。

S102、通过计数器对采样信号进行半波频率测量，获取相邻的两个半波周期的频率，并分别记为第一半波周期的频率和第二半波周期的频率；

通过计数器对采样信号进行半波频率测量的具体过程是：先对采样信号进行过零点判断，即对每次采样的值与0进行判断，当符号出现跳变时(如由正数经0变为负数，或由负数经0变为正数)，说明过零点。如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种进行采样信号过零点判断的示意图。

获取相邻的两个半波周期的频率的具体过程为：记录计数器在一个半波周期内的计数值，并根据频率求取公式和计数值求取一个半波周期内的频率，以此类推，进行下一个半波周期的频率的求取。其中，一个半波周期具体为两个相邻的采样值符号跳变的时刻之间的周期。频率求取公式具体为：

f＝fs/2(N-1)；

其中，f为半波周期内的频率，fs为计数器的采样率，N为计数器的计数值。

为了便于理解，以下将针对具体的采样测量过程进行描述：在判断得采样信号首次过零点时，计数器开始计数，计数器开始计数为1的时刻为出现符号跳变后的时刻，下次过零点出现时，计数器计数终止，计数器终止的时刻为出现符号跳变后的时刻。记计数器的计数值为N，计数器的采样率为fs，即计数器的两次计数的采样率的设计值为fs，则两次采样的时间间隔Ts＝1/fs。故而可以计算出此半周的时间间隔th＝(N-1)/fs，则测得该半周期范围内频率f＝fs/2(N-1)。因此，可以通过单半波频率测量方法获得半波周期，再折算为频率，以此类推，可以求取出采样信号中各个半波周期的频率。

S103、对第一半波周期的频率和第二半波周期的频率进行线性拟合，并通过线性拟合所获得的线性拟合公式预测下一个半波周期的频率。

进行线性拟合的具体过程为：通过将第一半波周期的时间和对应的频率以及第二半波周期的时间和对应的频率代入参数待确定的线性拟合公式中进行线性拟合，得到参数确定的线性拟合公式，并通过参数确定的线性拟合公式预测下一个半波周期的频率，参数待确定的线性拟合公式为：y(t)＝at+b；其中，y(t)为频率，a和b分别为待确定的参数，t为时间。

具体的，如图3所示，图3为本发明实施例提供的对半波周期的频率进行线性拟合的过程示意图。记测得的第一个半周波频率为f1，并以此频率作为第一个半周波范围内任意时刻的频率，即认定第一个半周波频率恒为f1；记第二个半周波频率为f2，并以此频率作为第二个半周波范围内任意时刻的频率，即认定第二个半周波频率恒为f2；考虑到频率变化是有趋势的，因此使用线性拟合公式对其进行拟合，公式为y(t)＝at+b，t1为第一个半周波的时间，t2为第二个半周波的时间，分别代入两个点(t1,f1)，(t1+t2,f2)，求得a＝(f2-f1)/t2，b＝(2*t2*f1-t1*f2)/t2，则公式变为y(t)＝(f2-f1)/t2*t+(2*t2*f1-t1*f2)/t2，时间t的实时取值为t1+t2+fs/(n-1)，其中n为第二个半波计数终止后第三个半波开始计数后的计数器实时计数值。

需要说明的是，在新一个半波结束后(如第二半波之后的第三半波)，更新所测得的频率并刷新测量。在第三个半波周期没有结束前，第三个半波周期的测量结果是通过使用线性拟合公式进行拟合预测所得的，而在第三半波出现过零点结束后，使用实际测量的值作为该时刻的频率测量值，即利用实际测量得到的频率值取代之前预测得到的结果值。在下一时刻来临前，将前述的第二个半波为下一计算周期的第一个半波，第三个半波为下一计算周期的第二个半波，更新线性拟合公式，并继续按照更新后的线性拟合公式计算下一个半波的实时频率，以此类推，可以进行半波周期的预测。

以上为对本发明实施例提供的一种基于预测的微电网频率实时测量方法的详细描述，为了点名本发明所提出的方法的实用性，以下将对本发明与传统的测量方法进行对比分析。请参阅图4，图4为本发明实施例提供的一个传统方法与本发明所提供的方法进行频率测量的结果对比示意图。由图可以看出，采用了本发明所提供的方法的测量频率更能实时的体现出频率的变化。传统方法在每半个周期结束后测得此半周频率，因此其测得的结果是每半个周波更新一次，在半周波未结束前频率结果未知，也无法估测，并且由于实际上测量获得并进行显示的测量结果由于其中存在采样、计算处理和传输等一系列的延迟，因此最终显示获得的测量结果相对于微电网中实际上的的实时频率还有一定时间上的延迟。而本发明采用的方法通过对已测结果的线性拟合预测，能够在半个周波未结束前实现预测，实际效果优于各种采用零交法的传统方法。针对各种使用不同零交法的测量方法而言，本发明能够解决传统零交法存在的实时性不强的问题，通过线性拟合的方式在运算量几乎没有增加的前提下实现了微电网频率的实时测量。此外，本发明相比较于通过离散傅立叶变换算法实现的频率测量方法，算法的复杂度较低，易于实现在线的实时测量，实时性较好。

以上为对本发明实施例提供的一种基于预测的微电网频率实时测量方法的详细描述，以下将针对本发明实施例提供的一种基于预测的微电网频率实时测量装置进行详细的描述。

请参阅图5，图5为本发明实施例提供的一种基于预测的微电网频率实时测量装置的结构示意图。

本发明实施例提供的一种基于预测的微电网频率实时测量装置，包括：

采集模块201，用于采集待测量的电信号，并对待测量的电信号进行信号衰减处理后使用低通滤波电路进行信号处理；

获取模块202，用于获取待测量的信号，并对待测量的信号进行等间隔采样，获得时域离散的采样信号；

测量模块203，用于通过计数器对采样信号进行半波频率测量，获取相邻的两个半波周期的频率，并分别记为第一半波周期的频率和第二半波周期的频率；

拟合模块204，用于对第一半波周期的频率和第二半波周期的频率进行线性拟合，并通过线性拟合所获得的线性拟合公式预测第二半波周期的下一个半波周期的频率。

进一步地，测量模块203包括：

测量子模块2031，用于通过采样率为fs的计数器对采样信号进行半波频率测量，记录计数器在一个半波周期内的计数值，并根据频率求取公式和计数值求取一个半波周期内的频率，一个半波周期具体为两个相邻的采样值符号跳变的时刻之间的周期，频率求取公式具体为：

f＝fs/2(N-1)；

其中，f为半波周期内的频率，fs为计数器的采样率，N为计数器的计数值。

进一步地，拟合模块204包括：

拟合子模块2041，用于通过将第一半波周期的时间和对应的频率以及第二半波周期的时间和对应的频率代入参数待确定的线性拟合公式中进行线性拟合，得到参数确定的线性拟合公式，并通过参数确定的线性拟合公式预测下一个半波周期的频率，参数待确定的线性拟合公式为：

y(t)＝at+b；

其中，y(t)为频率，a和b分别为待确定的参数，t为时间。

进一步地，拟合模块204还用于对第二半波周期的频率和测量得到的第三半波周期的频率进行线性拟合，并通过线性拟合所获得的线性拟合公式预测第三半波周期的下一个半波周期的频率，依次类推，进行后续的半波周期的频率的预测，其中，第三半波周期为第二半波周期的下一个周期。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。