Способы снижения погрешности для быстродействующих методов измерения частоты электрических сетей
Authors: Евтехова Д.С. , Павлович А.В. , Орлов А.С. , Серов А.Н. 
Published: January 2025

Скорость выполнения измерения является одним из ключевых характеризующих его параметров. Большинство существующих и популярных цифровых методов измерения частоты, таких как метод по переходам сигнала через нуль, метод анализа амплитудного спектра, метод по приращению фазы и метод квадратурной демодуляции обладают значительным временем выполнения измерения и существенной сложностью реализации. Это является существенным недостатком перечисленных методов измерения, что ограничивает их использование в ряде задач электроэнергетики. Данная статья посвящена быстродействующим методам измерения частоты, к которым относится метод по второй производной входного сигнала и метод по трём отсчётам. В отличие от перечисленных выше более популярных и менее быстродействующих методов, быстродействующие подходы обладают значительной погрешностью измерения в условиях присутствия во входном сигнале шумов и неосновных гармоник. Для снижения возникающей вследствие этого, погрешности в настоящей статье рассмотрены следующие подходы: отброс заведомо ложных результатов, пост-фильтрация и применение метода наименьших квадратов. Для метода по второй производной рассмотрены варианты построения дифференциатора второго порядка и их влияние на погрешность измерения частоты для случая синусоидальных и полигармонических сигналов. Для отброса заведомо ложных результатов предложены варианты критерия отброса и рассмотрено влияние порога отброса на конечную погрешность измерения. Проанализировано влияние частотных характеристик фильтров на конечную погрешность. Были рассмотрены фильтр скользящего среднего и фильтр Баттерворта. В работе построены имитационные модели в пакетах Matlab и Simulink, позволяющие оценить результирующую методическую погрешность.

The speed of performing measurements is one of the most important characteristics of its parameters. Most of the existing and popular digital frequency measurement methods, such as the zero-crossing technique, amplitude spectrum analysis method, the phase increment method, and the quadrature demodulation method, provide the measurement method execution time and good implementation complexity. This is a significant drawback of the listed measurement methods, which limits their use in a number of electric power engineering problems. This paper is devoted to a high-speed frequency measurement method, which includes the second derivative input signal method and the three-sample method. Unlike more popular and less high-speed methods, high-speed approaches provide measurement error in the presence of noise and non-fundamental harmonics in the input signal. To reduce the resulting cause of this error, the following approaches are considered in this article: rejection of wittingly unreliable results, postfiltrationing, and application of the least squares method. For the second derivative method, options for constructing a second-order differentiator and their effect on the frequency change error for the case of sinusoidal and polyharmonic signals are considered. For the method of rejecting wittingly unreliable results, variants of rejection criteria and observations of the influence of the rejection threshold on the final measurement error are proposed. The filter of the moving average size and the Butterworth filter were considered. In the work, the simulation models built in the Matlab and Simulink packages can be estimated the resulting methodical error.