AN TECHNIQUE FOR INCREASING THE ACCURACY OF FREQUENCY MEASUREMENT WHEN USING A METHOD BASED ON PHASE INCREMENT ANALYSIS
Authors: Будкина Е.А. , Серов А.Н. 
Published: December 2023

Частота электрической сети относится к наиболее важным параметрам для оценки и измерения параметрам. Для измерения частоты в настоящее время распространены цифровые методы измерения, среди которых большой популярностью обладает метод, основанный на анализе приращения фазы. Данный метод обладает высокой точностью, позволяет выполнять измерение частоты как синусоидальных, так и полигармонических сигналов, обладает низкой чувствительностью к входным шумам и фликеру. Реализация метода основана на последовательной оценке значения фазы основной спектральной компоненты сигнала и путем определения скорости её измерения, оценке значения частоты. Для определения начальной фазы входного сигнала на практике применяют дискретное преобразование Фурье. Важно отметить, что в задачи метода входит оценка начальной фазы только основной спектральной компоненты, но данная оценка должна в идеальном случае выполняться для каждого временного отсчёта. В работе рассмотрены варианты реализации дискретного преобразования Фурье в связи с отмеченной выше спецификой выполнения задачи. Показано, что наиболее эффективными в рассматриваемой задаче является реализация дискретного преобразования Фурье в виде дискретного фильтра и преобразователь Герцеля. Предложена модификация преобразователя Герцеля, позволяющая его эффективно применять в решаемой задаче. Показано, что основной причиной возникновения методической погрешности является эффект «растекания спектра» возникающий при выполнении дискретного преобразования Фурье. Для обеспечения повышения точности измерения предложено выполнение фильтрации результатов измерения частоты с помощью фильтра скользящего среднего. При этом повышение характеристик фильтрации (подавления переменной во времени составляющей результатов измерения частоты, которая является помехой) достигается за счет адаптивной подстройки длины фильтра скользящего среднего под частоту подавляемой помехи. С помощью программного пакета Simulinkпостроена имитационная модель измерительного преобразователя частоты рассматриваемого принципа действия. Получены аналитические выражения, позволяющие оценить погрешность измерения частоты при применении предлагаемой модификации.

Electrical power network frequency is one of the most important parameters to evaluate and measure. To measure frequency, digital measurement methods are currently common, among which the method based on phase increment analysis is very popular. This method is highly accurate, allows you to measure the frequency of both sinusoidal and polyharmonic signals, and has low sensitivity to input noise and flicker. The implementation of the method is based on sequential estimation of the phase value of the main spectral component of the signal and. by determining the speed of its measurement, estimating the frequency value. To determine the initial phase of the input signal, the discrete Fourier transform is used in practice. It is important to note that the objectives of the method include estimating the initial phase of only the main spectral component, but this assessment should ideally be performed for each time sample. The paper discusses options for implementing the discrete Fourier transform in connection with the specifics of the task noted above. It is shown that the most effective in the problem under consideration is the implementation of the discrete Fourier transform in the form of a discrete filter and the Goertzel transducer. A modification of the Goertzel transducer is proposed, allowing it to be effectively used in the problem being solved. It is shown that the main reason for the occurrence of a methodological error is the effect of “spectrum leakage” that occurs when performing a discrete Fourier transform. To improve the measurement accuracy, it is proposed to filter the frequency measurement results using a moving average filter. In this case, an increase in filtering characteristics (suppression of the time-variable component of the frequency measurement results, which is interference) is achieved by adaptively adjusting the length of the moving average filter to the frequency of the suppressed interference. Using the Simulink software package, a simulation model of a measuring frequency converter of the operating principle under consideration was performed. Analytical expressions are obtained that allow one to estimate the frequency measurement error when using the proposed modification.