本发明实施例涉及电力系统检测技术领域，更具体地，涉及一种电网电压频率的检测方法、装置和设备。
背景技术：
分布式发电系统与电网电压并网时，同步技术至关重要。而频率是同步技术中最重要的参数之一，因此频率的检测有重要的意义。
然而在实际电压信号中常常有含有谐波，这是电力电子设备、电弧炉等非线性负载的使用导致的。谐波的干扰为传统频率检测方法带来了巨大的挑战。因此，需要提出一种在谐波干扰下仍能保持快速、精确的频率检测方法。
目前已有的频率检测方法：dft、pll、fll、最小二乘法、kalman滤波器法、prony法、解调法、泰勒法等等。然而这些方法在实际应用时都有一些问题，如：dft需要较大计算量且响应速度慢，并且需要增加滤除谐波环节以提升精度，但这并不能完全消除谐波，还带来时间延迟使频率检测的速度变慢；pll设计比较复杂且很难达到较快速度等等。以上方法均需要通过三角函数计算，导致计算量大，检测速度慢，难以硬件实现。
技术实现要素：
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明实施例提供一种电网电压频率的检测方法、装置和设备。
本发明实施例提供一种电网电压频率的检测方法，包括：对电压信号按预设采样频率进行采样，获取电压采样信号序列；基于电压采样信号序列获取第一信号序列和第二信号序列，第一信号序列包括每一采样点处的第一信号值，第二信号序列包括每一采样点处的第二信号值；其中，对于任一采样点，第一信号值为第一时间窗口内电压采样信号序列中所有采样点处的电压信号值之和，第二信号值为第一时间窗口内电压采样信号序列中首尾两个采样点处的电压信号值之和；根据预设采样频率、第一时间窗口的窗口时长、第一信号序列和第二信号序列确定电压信号的频率。
本发明实施例提供一种电网电压频率的检测装置，包括：采样模块、信号序列处理模块和频率计算模块；其中：采样模块，用于对电压信号按预设采样频率进行采样，获取电压采样信号序列；信号序列处理模块，用于基于电压采样信号序列获取第一信号序列和第二信号序列，第一信号序列包括每一采样点处的第一信号值，第二信号序列包括每一采样点处的第二信号值；其中，对于任一采样点，第一信号值为第一时间窗口内电压采样信号序列中所有采样点处的电压信号值之和，第二信号值为第一时间窗口内电压采样信号序列中首尾两个采样点处的电压信号值之和；频率计算模块，用于根据预设采样频率、第一时间窗口的窗口时长、第一信号序列和第二信号序列确定电压信号的频率。
本发明实施例提供一种电网电压频率的检测设备，包括：至少一个处理器、至少一个存储器和通信总线；其中：处理器与存储器通过通信总线完成相互间的通信；存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令以执行上述方法。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机程序，该计算机程序使计算机执行上述的方法。
本发明实施例提供的一种电网电压频率的检测方法、装置和设备，通过对电压信号按预设采样频率采样，获取电压采样信号序列；基于电压采样信号序列获取第一信号序列和第二信号序列，第一信号序列和第二信号序列分别包括每一采样点处的第一信号值和第二信号值，其中，第一信号值和第二信号值均是基于电压采样信号序列中的电压信号值分别按预设的计算规则进行求和运算获得；再根据预设采样频率、预设的计算规则中使用的第一时间窗口的窗口时长、第一信号序列和第二信号序列确定电压信号的频率。在对电压信号的频率的检测过程中，仅需利用对电压信号进行采样后的电压信号的采样值进行求和运算，无需复杂的三角函数运算，就能获得电压信号的频率，从而计算量小，检测速度快，易于硬件实现。
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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明实施例的电网电压频率的检测方法的流程图；
图2为根据本发明实施例的电网电压频率的检测装置的示意图；
图3为根据本发明又一实施例的电网电压频率的检测装置的示意图；
图4为根据本发明实施例的电网电压频率的检测设备的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例该提供一种电网电压频率的检测方法，参考图1，包括：s11，对电压信号按预设采样频率进行采样，获取电压采样信号序列；s12，基于电压采样信号序列获取第一信号序列和第二信号序列，第一信号序列包括每一采样点处的第一信号值，第二信号序列包括每一采样点处的第二信号值；其中，对于任一采样点，第一信号值为第一时间窗口内电压采样信号序列中所有采样点处的电压信号值之和，第二信号值为第一时间窗口内电压采样信号序列中首尾两个采样点处的电压信号值之和s13，根据预设采样频率、第一时间窗口的窗口时长、第一信号序列和第二信号序列确定电压信号的频率。
具体地，电力系统中输入的电压信号经预设采样频率采样后获得的电压采样信号序列可以表示为：
其中，
根据电压采样信号序列获得第一信号序列，其中，对于第一信号序列中任一采样点处的第一信号值，该值为电压采样信号序列中在第一时间窗口内所有采样点处的电压信号值之和，第一时间窗口为以所述任一采样点所处的时刻作为终止时刻的时间窗口。以上获得第一信号序列的过程可通过移动平均滤波器(movingaveragefilter，maf)来实现，移动平均滤波器的窗口(即相当于上述的第一时间窗口)随着采样时间移动，且窗口的长度恒定不变，以保证在窗口内有恒定数量的采样点；该移动平均滤波器等价于一个有限脉冲响应滤波器(fir)，其脉冲响应参数(窗口参数)为h1(m)＝[1,1,...,1]，m＝0,1,...,n-1，其中n为窗口内采样点的数量。
通过上述过程获得的第一信号序列可表示为：
其中，n为窗口内采样点的数量，x(i)为电压采样信号序列中第i个电压信号值，h1(i)为脉冲响应参数。
同样的，可根据电压采样信号序列获得第二信号序列，其中，对于第二信号序列中任一采样点处的第二信号值，该值为电压采样信号序列中在第一时间窗口内首尾采样点处的电压信号值之和。以上获得第一信号序列的过程可通过信号延迟对消(delaysignalcancellation，dsc)的方法来实现；该信号延迟对消的方法等价于一个有限脉冲响应滤波器(fir)，其脉冲响应参数(窗口参数)为h2(m)＝[1,0,...0,1]，m＝0,1,...,n-1，其中n为窗口内采样点的数量。
通过上述过程获得的第二信号序列可表示为：
其中，n为窗口内采样点的数量，x(i)为电压采样信号序列中第i个电压信号值，h2(i)为脉冲响应参数。
基于电压采样信号序列x(i)，可推出第一信号序列的频率响应为：
其中，fs是采样频率，ts是采样周期，tw是第一时间窗口的窗口时长，fw是tw的倒数。
还可推出第二信号序列的频率响应为：
h2(f)＝2cos[πf(ts-tw)]∠πf(ts-tw)；
其中，ts是采样周期，tw是第一时间窗口的窗口时长。
由此，第一信号序列和第二信号序列分别可表示为：
其中，
由上两式可以看出，第一信号序列可以看作是对第一周期信号的采样，第二信号序列可以看作是对第二周期信号的采样，且第一周期信号与第二周期信号具有相同的相角，但是具有不同的幅值。
由上两式还可以看出，第一周期信号与第二周期信号的幅值之间的比值是一个与电压信号的频率f1相关的参数，因此，本实施例可通过该比值来求解电压信号的频率f1，而该比值可通过第一信号序列中的第一信号值和第二信号序列中的第二信号值来直接求取，无需求解复杂的三角函数运算，从而减小了计算量。同时，由上两式还可以看出，电压信号的频率f1还与采样频率以及第一时间窗口的窗口时长相关，本实施例中，可根据采样频率、第一时间窗口的窗口时长、第一信号序列和第二信号序列确定电压信号的频率。
本实施例通过对电压信号按预设采样频率采样，获取电压采样信号序列；基于电压采样信号序列获取第一信号序列和第二信号序列，第一信号序列和第二信号序列分别包括每一采样点处的第一信号值和第二信号值，其中，第一信号值和第二信号值均是基于电压采样信号序列中的电压信号值分别按预设的计算规则进行求和运算获得；再根据预设采样频率、预设的计算规则中使用的第一时间窗口的窗口时长、第一信号序列和第二信号序列确定电压信号的频率。在对电压信号的频率的检测过程中，仅需利用对电压信号进行采样后的电压信号的采样值进行求和运算，无需复杂的三角函数运算，就能获得电压信号的频率，从而计算量小，检测速度快，易于硬件实现。
基于以上实施例，根据预设采样频率、第一时间窗口的窗口时长、第一信号序列和第二信号序列确定电压信号的频率，包括：获取第一和值和第二和值之间的比值，第一和值为第二时间窗口内第一信号序列中所有采样点处的第一信号值的绝对值之和，第二和值为第二时间窗口内第二信号序列中所有采样点处的第二信号值的绝对值之和；根据第二时间窗口内所有采样点处的第一信号值和第二信号值确定比值的取值符号；根据预设采样频率和确定了取值符号的比值确定频率偏差值，频率偏差值为电压信号的频率与第一时间窗口的窗口时长的倒数之间的偏差值；根据第一时间窗口的窗口时长和频率偏差值确定电压信号的频率。
其中，根据第二时间窗口内所有采样点处的第一信号值和第二信号值确定比值的取值符号，包括：获取第三和值，第三和值为第二时间窗口内每一采样点处的第一信号值和第二信号值之积进行求和获取的和值；若第三和值为正值，则确定比值的取值符号为正号，否则，确定比值的取值符号为负号。
具体地，基于第一信号序列和第二信号序列的表达式，可知，相同采样点处的第一信号值和第二信号值的比值的表达式如下：
其中，f1是电压信号的频率，fs是采样频率，ts是采样周期，tw是第一时间窗口的窗口时长，fw是tw的倒数。
由相同采样点处的第一信号值和第二信号值的比值的表达式可知，该比值在任一采样点处的值在理论上都是相同的，但是在实际的数据采集中可能出现误差，本实施例采用多个数值求和的方式来增加精确度，具体的做法是在第一信号序列中选取第二窗口中包含的采样点处的第一信号值，将这些采样点处的第一信号值求和，同样的在第二信号序列中选取第二窗口中包含的采样点处的第二信号值，将这些采样点处的第二信号值求和，其中，第二时间窗口为以当前时刻作为终止时刻的时间窗口。
然而，如果直接将第二时间窗口内的数据求和，第一信号序列可以看作是对第一周期信号的采样，第二信号序列可以看作是对第二周期信号的采样，第一信号值有正值也有负值，第二信号值有正值也有负值，可能出现各自和值为0的情况，或者是各自的和值非常小的情况。如果各自的和值为0，则无法求解比值；如果各自的和值为非常小，则计算过程易受到噪声干扰，导致求解不精确。本实施例将第一信号序列中第二时间窗口内所有采样点处的第一信号值的绝对值之和，第二信号序列中第二时间窗口内所有采样点处的第二信号值的绝对值之和，分别获得第一和值和第二和值，通过第一和值和第二和值求和比值，则可以避免上述情况。
由于以上方法中对第一信号值和第二信号值均取了绝对值，由以上方法求解的比值只能是一个大于0的值，该比值的取值符号应根据实际情况确定，可根据第二时间窗口内所有采样点处的第一信号值和第二信号值确定该比值的取值符号。该比值的取值符号的具体确定方法为：获取第三和值，第三和值为第二时间窗口内每一采样点处的第一信号值和第二信号值之积进行求和获取的和值；若第三和值为正值，则确定比值的取值符号为正号，否则，确定比值的取值符号为负号。即通过下式求取第三和值：
其中，n1是第二时间窗口内包括的采样点的数量，x1(i)为第一信号序列中第i个第一信号值，x2(i)为第二信号序列第i个第二信号值。
最后可以根据预设采样频率和确定了取值符号的比值确定频率偏差值，频率偏差值为电压信号的频率与第一时间窗口的窗口时长的倒数之间的偏差值；根据第一时间窗口的窗口时长和频率偏差值确定电压信号的频率。
基于以上实施例，获取第一和值和第二和值之前，还包括：设置第二时间窗口的窗口长度，以使第二时间窗口内采样点的数量为预设采样频率与电压信号的额定频率的比值的四分之一。
具体地，第二时间窗口的窗口长度决定了计算过程中的时间延迟和计算精度。如果窗口长度越长，则窗口长度中包含的采样点的数量越多，计算精度越高；同时，窗口长度越长，也会造成时间延迟越长。本实施例综合考虑计算的精确度和时间延迟，合理设置第二时间窗口的窗口长度，使第二时间窗口内采样点的数量为预设采样频率与电压信号的额定频率的比值的四分之一，这样，既能保证计算的精确度，又能保证较短的时间延迟。
基于以上实施例，根据预设采样频率和确定了取值符号的比值确定频率偏差值，包括：通过如下计算式确定频率偏差值：
其中，n为第一时间窗口内采样点的总数量，r为确定了取值符号的比值，fw为第一时间窗口的窗口时长的倒数。
具体地，由于，采样频率很大，采样周期很小，可看作接近于0，同时，在设置第一时间窗口的窗口时长时，应使该窗口时长尽量接近于电压信号的周期，设置的方法将在后面的实施例中介绍，因此δf＝f1-fw＜＜fw；由此可对上述作近似处理，获得的比值的表达式为：
其中，δf＝f1-fw，f1是电压信号的频率，fs是采样频率，fw是tw的倒数，tw是第一时间窗口的窗口时长。
由此可得到：
其中，n为第一时间窗口内采样点的数量，r为确定了取值符号的比值，fw为第一时间窗口的窗口时长的倒数。
本实施例通过近似处理，使运算方法更加简单有效。
基于以上实施例，对电压信号按预设采样频率采样之前，还包括：将电压信号进行信号延迟对消处理，以消除电压信号中的直流分量。
具体地，电压信号中的直流分量会影响频率检测的精度。本实施例可以对电压信号采样之前对电压信号进行信号延迟对消处理，以消除电压信号中的直流分量，例如将当前的电压信号与一个延迟预设时间的电压信号进行对消来消除该直流干扰：
y(k)＝x(k)-x(k-n2)；
其中，n2是预设常数，x(i)为电压采样信号序列中第i个采样点的电压信号值。
本实施例中，优选的，n2＝n0/4，其中，n0＝fs/f0，fs是采样频率，f0是额定频率。
基于以上实施例，基于电压采样信号序列获取第一信号序列和第二信号序列之前，还包括：根据预设采样频率和电压信号的额定频率并基于递归算法确定第一时间窗口的窗口时长。
具体地，第一时间窗口的窗口时长与实际的电压信号的周期越接近，最终的计算结果越精确。在正常工作状态下，电网频率不会与标称额定频率偏离太多，因此第一时间窗口的窗口时长可以设置为比电压信号的额定电周期稍大的值，即第一时间窗口内包括的采样点的数量为n＝||fs/f0||+1，其中f0是额定频率，||fs/f0||是最接近fs/f0的整数。
如果在非正常工作状态下存在较大的频率偏移，n的值可以按下述步骤向||fs/f1||+1进行递归运算：首先，根据n＝||fs/f0||+1仅基于上述实施例的方法得出一个频率偏差值δf1，由δf1求得f1(1)＝f0+δf1；再根据n＝||fs/f1(1)||+1更新n值；再根据n＝||fs/f1(1)||+1得出另一个频率偏差值δf2，由δf1求得f1(2)＝f0+δf2，再根据n＝||fs/f1(2)||+1再次更新n值，重复上述过程预设次数后，以最后更新后获得n值来求解电压信号的频率，以提高检测的精确度。
基于上述实施例，本发明实施例的上述方法能有效的防止电压信号中谐波对检测的干扰，表明本发明实施例的上述方法在存在谐波的环境中也具有较高的检测精度。
假定电力系统中受到n次谐波的干扰，则电压信号可以表示为：
x(k)＝a1cos[φ1(k)]+ancos[φn(k)]；
根据上述方法获得的第二信号序列x1(i)和第二信号序列x2(i)可以分别表示为：
其中，
如果第一时间窗口内采样点的数量为||fs/f1||+1，则有：
其中，δf＝f1-fw，f1是电压信号的频率，fs是采样频率，fw是tw的倒数，tw是第一时间窗口的窗口时长
由上两式可以看出谐波干扰对于比值没有产生影响，即对电压信号的频率的检测没有影响。
本发明实施例还提供一种电网电压频率的检测装置，参考图2，包括：采样模块21、信号序列处理模块22和频率计算模块23；其中：
采样模块21，用于对电压信号按预设采样频率进行采样，获取电压采样信号序列；
信号序列处理模块22，用于基于电压采样信号序列获取第一信号序列和第二信号序列，第一信号序列包括每一采样点处的第一信号值，第二信号序列包括每一采样点处的第二信号值；其中，对于任一采样点，第一信号值为第一时间窗口内电压采样信号序列中所有采样点处的电压信号值之和，第二信号值为第一时间窗口内电压采样信号序列中首尾两个采样点处的电压信号值之和；
频率计算模块23，用于根据预设采样频率、第一时间窗口的窗口时长、第一信号序列和第二信号序列确定电压信号的频率。
本发明实施例的装置，可用于执行图1所示的电网电压频率的检测方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果类似，此处不再赘述。
更具体的，本发明实施例可采用如图3所示的检测装置，电压信号经过第一信号延迟对消器(dsc1)后分两路分别输入到移动平均滤波器(maf1)和第二信号延迟对消器(dsc2)，其中，第一信号延迟对消器可包括一个信号延迟器和一个减法器，第一信号延迟对消器中的信号延迟器将电压信号延迟预设周期(例如半个额定周期)，再通过减法器将电压信号与延迟预设周期后电压信号相减，即可以消除直流干扰信号；由maf1输出第一信号序列，由dsc2输出第二信号序列；其中，第二信号延迟对消器则可以由一个信号延迟器和一个加法器组成，将输入电压延迟预设周期后再与输入电压相加，以输出第二信号序列；第一信号序列和第二信号序列分别输入到两个数值计算器，分别得到比值和第三和值，将比值和第三和值输入到取值符号判断器后输入到频率偏差计算器中得到频率偏差值。上述检测过程相对应带来的延迟为(n+n1+n2+1)ts。假定n＝n0+1，n1＝n0/4，n2＝n0/4，本发明实施例带来的响应延迟为1.5t0+2ts；其中，n0＝fs/f0，fs是采样频率，ts是采样周期，f0是额定频率，t0是额定周期。本发明实施例可在1.5个额定周期内实现对电压频率的检测，而目前频率检测速度最快约为2个额定周期。
本发明实施例还提供一种电网电压频率的检测设备，参考图4，包括：至少一个处理器41、至少一个存储器42和通信总线43；其中：处理器41与存储器42通过通信总线43完成相互间的通信；存储器42存储有可被处理器41执行的程序指令，处理器41调用程序指令以执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：对电压信号按预设采样频率进行采样，获取电压采样信号序列；基于电压采样信号序列获取第一信号序列和第二信号序列，第一信号序列包括每一采样点处的第一信号值，第二信号序列包括每一采样点处的第二信号值；其中，对于任一采样点，第一信号值为第一时间窗口内电压采样信号序列中所有采样点处的电压信号值之和，第二信号值为第一时间窗口内电压采样信号序列中首尾两个采样点处的电压信号值之和；根据预设采样频率、第一时间窗口的窗口时长、第一信号序列和第二信号序列确定电压信号的频率。
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，该计算机程序包括程序指令，当程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：对电压信号按预设采样频率进行采样，获取电压采样信号序列；基于电压采样信号序列获取第一信号序列和第二信号序列，第一信号序列包括每一采样点处的第一信号值，第二信号序列包括每一采样点处的第二信号值；其中，对于任一采样点，第一信号值为第一时间窗口内电压采样信号序列中所有采样点处的电压信号值之和，第二信号值为第一时间窗口内电压采样信号序列中首尾两个采样点处的电压信号值之和；根据预设采样频率、第一时间窗口的窗口时长、第一信号序列和第二信号序列确定电压信号的频率。
本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机程序，该计算机程序使该计算机执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：对电压信号按预设采样频率进行采样，获取电压采样信号序列；基于电压采样信号序列获取第一信号序列和第二信号序列，第一信号序列包括每一采样点处的第一信号值，第二信号序列包括每一采样点处的第二信号值；其中，对于任一采样点，第一信号值为第一时间窗口内电压采样信号序列中所有采样点处的电压信号值之和，第二信号值为第一时间窗口内电压采样信号序列中首尾两个采样点处的电压信号值之和；根据预设采样频率、第一时间窗口的窗口时长、第一信号序列和第二信号序列确定电压信号的频率。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，前述的计算机程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：rom、ram、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，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)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后说明的是：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。