ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ПО ПЕРЕХОДАМ СИГНАЛА ЧЕРЕЗ НУЛЬ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЧАСТОТЫ СИГНАЛОВ РЕАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
Authors: Иваненко К.А. , Серов А.Н. 
Published: May 2021

В современных задачах электроэнергетики при измерении частоты сигнала самым распространенным является метод, который основан на определении переходов данного сигнала через нуль. Достоинством метода является простота анализа и реализации алгоритмов измерения, что позволяет предъявлять более низкие требования к элементной базе, используемой при реализации. Недостатком данного метода является значительное влияние гармоник и шумов на погрешность измерения частоты. В настоящей статье предложен новый вариант модификации данного метода измерения частоты сигнала. Проведенный в статье анализ показывает, что предлагаемая модификация позволяет снизить зависимость метрологических характеристик метода от неосновных спектральных составляющих измеряемого сигнала и шумов. Суть модификации состоит в использовании вместо нулевого уровня иного значения («оптимального уровня»), для которого применения метода по переходам сигнала через нуль будет более эффективно. Определение «оптимального уровня» сигнала происходит путем вычисления момента, который будет соответствовать максимальной производной измеряемого сигнала, т.е. его максимальному углу наклона. Определение значения производной сигнала происходит с помощью цифрового дифференциатора первого порядка. В работе рассмотрены варианты построения цифровых дифференциаторов и их влияние на погрешность измерения частоты. Уточнение моментов перехода сигнала через «оптимальный уровень», происходит с помощью кусочно-линейной аппроксимации сигнала в окрестностях перехода. В ходе работы было произведено имитационное компьютерное моделирование метода по переходам через нуль и его модификации с помощью программного пакета Simulink, а также получены аналитические выражения, характеризующие погрешность измерения частоты. В результате проведенного моделирования было произведено сравнение метрологических характеристик “классического” метода по переходам через нуль и предлагаемой модификации.
In solving modern problems of the electric power industry, when measuring the signal frequency, the most common method is based on determining the zero crossings of a given signal. The advantage of the method is the simplicity of the analysis and implementation of measurement algorithms, which makes it possible to impose lower requirements on the element base used in the implementation. The disadvantage of this method is the significant influence of harmonics and noise on the frequency measurement error. In this article, a new version of the modification of this method for measuring the signal frequency is proposed. The analysis carried out in the article shows that the proposed modification to reduce the dependence of the metrological characteristics of the method on the minor spectral components of the measured signal and noise. The essence of the modification consists in the additional use of another value instead of the zero level, for which the application of the method for signal zero crossings will be more effective. The signal level is determined by calculating the torque that will correspond to the maximum derivative of the measured signal, i.e. its maximum tilt angle. The derivative value of the signal is determined using a first-order digital differentiator. The paper considers options for constructing digital differentiators and their influence on the frequency measurement error. The moments of signal transition through the level corresponding to the maximum derivative are refined using piecewise linear approximation of the signal in the vicinity of the transition. In the course of the work, a computer simulation of the zero-crossing method and its modifications was carried out using the Simulink software package, and analytical expressions were obtained that characterize the frequency measurement error. As a result of the simulation, a comparison was made between the metro-logical characteristics of the “classical” zero-crossing method and the proposed modification.