專利名稱：一種頻率無(wú)關(guān)的正弦信號(hào)相量計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字信號(hào)處理和電力自動(dòng)化領(lǐng)域，用來(lái)計(jì)算正弦信號(hào)的相量。本發(fā)明適用于對(duì)計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性要求較高，但信號(hào)頻率有隨機(jī)變化的場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
信號(hào)的幅值、相角和頻率這三個(gè)特征量是反映電力系統(tǒng)運(yùn)行特性的重要參數(shù)。及時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量系統(tǒng)頻率及相量可以預(yù)測(cè)系統(tǒng)是否穩(wěn)定運(yùn)行，從而觸發(fā)繼電保護(hù)動(dòng)作來(lái)保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。而通過(guò)對(duì)信號(hào)的時(shí)域采樣，用DFT對(duì)信號(hào)進(jìn)行譜分析就可以獲得信號(hào)的各次諧波的相量參數(shù)。當(dāng)電網(wǎng)處于工頻時(shí)，基于定間隔采樣技術(shù)的DFT算法具有良好的諧波濾波特性，測(cè)量結(jié)果十分精確，但當(dāng)電網(wǎng)頻率偏離50hz時(shí)，由于非同步采樣帶來(lái)頻域泄漏導(dǎo)致傳統(tǒng)測(cè)量算法難以同時(shí)滿足計(jì)算量小、跟蹤速度快和計(jì)算精度高等要求。為提高傳統(tǒng)DFT算法精度，目前已提出了多種改進(jìn)方法，修正傳統(tǒng)的DFT算法，減少頻譜泄漏的影響。這些算法除去在中間的步驟推導(dǎo)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)一些舍入誤差，計(jì)算量比較大外，還因?yàn)槭褂枚鄠€(gè)信號(hào)周期的數(shù)據(jù)導(dǎo)致算法實(shí)時(shí)性下降，限制了其應(yīng)用。本發(fā)明提出了一種基于頻率的跟蹤算法，有效地簡(jiǎn)化以往頻域插值的運(yùn)算，利用兩次DFT結(jié)果進(jìn)行線性內(nèi)插，快速獲得信號(hào)的各次諧波的相量參數(shù)，能夠同時(shí)滿足計(jì)算量小、跟蹤速度快和計(jì)算精度高等要求。目前研究較多的方法主要包括以下幾類1.使用加窗函數(shù)和內(nèi)插方法來(lái)減小泄漏誤差[5][6][7][8]在非同步采樣情況下，對(duì)時(shí)域信號(hào)加窗截?cái)啵瑢?huì)導(dǎo)致頻譜泄漏。為了提高計(jì)算精度，可以通過(guò)選擇不同的窗函數(shù)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，使信號(hào)能量盡可能落在主瓣內(nèi)從而減少譜泄漏，再對(duì)加窗后的序列進(jìn)行FFT運(yùn)算并進(jìn)行雙譜線插值可得到精度較高的時(shí)頻參數(shù)。2.非同步采樣點(diǎn)的同步化M基于雙速率的軟件同步采樣或在已知信號(hào)基頻的情況下通過(guò)對(duì)原始采樣信號(hào)進(jìn)行拉格朗日插值，得到近似的同步化序列，然后應(yīng)用DFT算法計(jì)算得到該信號(hào)各項(xiàng)時(shí)頻參
量3.動(dòng)態(tài)調(diào)整采樣率實(shí)現(xiàn)同步采樣采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)硬件同步采樣或根據(jù)當(dāng)前頻率實(shí)時(shí)調(diào)整對(duì)信號(hào)的采樣間隔， 然后應(yīng)用DFT算法計(jì)算得到該信號(hào)各項(xiàng)時(shí)頻參量，可以大大地減小由非同步采樣所導(dǎo)致的截?cái)嗾`差和周期誤差。以上提到的幾種方法都可以在一定程度上減小頻譜泄漏但都有不足之處1.加窗內(nèi)插法為保證精度需要用到多個(gè)信號(hào)周期的數(shù)據(jù)，不但運(yùn)算量大而且算法的實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能不好2.非同步采樣點(diǎn)的同步化這類方法需要在時(shí)域?qū)Σ蓸有蛄羞M(jìn)行同步化插值，由于頻率的隨機(jī)變化，導(dǎo)致時(shí)變插值器的運(yùn)算量比較大在當(dāng)信號(hào)頻率偏差過(guò)大時(shí)會(huì)發(fā)生插值點(diǎn)的跑位，插值公式這時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大誤差。而且算法以信號(hào)過(guò)零點(diǎn)作為理想采樣的起點(diǎn)，當(dāng)信號(hào)諧波過(guò)大出現(xiàn)多個(gè)過(guò)零點(diǎn)時(shí)將出現(xiàn)插值錯(cuò)誤。3.由于系統(tǒng)頻率在一定范圍內(nèi)隨機(jī)變化，采用等角度的策略需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整采樣間隔，這對(duì)牽涉到多個(gè)設(shè)備的同步采樣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)會(huì)引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器也無(wú)法適用。而實(shí)際情況中，A/D采樣的速度無(wú)法如此準(zhǔn)確地滿足同步采樣，尤其是在信號(hào)受到干擾發(fā)生頻率波動(dòng)的時(shí)候。參考文獻(xiàn)1.劉建林，陳兵一種高精度單頻信號(hào)頻率估計(jì)算法無(wú)線電工程第2011卷第4期2.閔勇丁仁杰韓英鐸等自適應(yīng)調(diào)整采樣率的相量在線測(cè)量算法研究電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)2010年4月3.吳峻吳崇昊基于Kaiser窗的改進(jìn)傅氏測(cè)頻算法江蘇電機(jī)工程2008年7月4.曾澤昊余有靈許維勝基于插值同步算法的頻譜泄漏分析與仿真系統(tǒng)仿真技術(shù)2005年10月5.黃純，江亞群諧波分析的加窗插值改進(jìn)算法中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)2005年8月6.李新福劉教民崔玉龍電器檢測(cè)的諧波分析算法河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2003年 10月7.龐浩，李東霞，俎云霄，等應(yīng)用FFT進(jìn)行電力系統(tǒng)諧波分析的改進(jìn)算法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)2003，238.梁志國(guó)，孫宇.信號(hào)周期的一種數(shù)字化測(cè)量方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2003， 24 (4，增干丨J ) :195-1989.高云鵬滕召勝卿柏元基于Kaiser窗雙譜線插值FFT的諧波分析方法電子學(xué)報(bào)2000年12月10.楊洪耕惠錦侯鵬電力系統(tǒng)諧波和間諧波檢測(cè)方法綜述電力系統(tǒng)自動(dòng)化 1998年10月

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種不受頻率影響的電力系統(tǒng)正弦信號(hào)的實(shí)時(shí)相量計(jì)算方法。本發(fā)明提出了一種基于頻率的跟蹤算法，有效地簡(jiǎn)化以往頻域插值的運(yùn)算，利用兩次 DFT結(jié)果進(jìn)行線性內(nèi)插，快速獲得信號(hào)的各次諧波的相量參數(shù)，能夠同時(shí)滿足計(jì)算量小、跟蹤速度快和計(jì)算精度高等要求。本發(fā)明是通過(guò)這樣的方案實(shí)現(xiàn)的一種頻率無(wú)關(guān)的電力系統(tǒng)正弦信號(hào)的相量計(jì)算方法，1).綜合信號(hào)頻率和計(jì)算精度確定采樣頻率fs，并以固定采樣間隔Ts= l/fs獲取信號(hào)的樣本數(shù)據(jù)；2).計(jì)算信號(hào)基波頻率fx(或周期)，可采用過(guò)零檢測(cè)法或傅氏測(cè)頻法[3]等方法[1]. 3).根據(jù)信號(hào)頻率(或周期)計(jì)算出信號(hào)的一個(gè)基頻周期所需的最大采樣點(diǎn)數(shù)N ；N= floor (fs/fx)fs-采樣率fx-信號(hào)頻率floor-將小數(shù)向下取整的函數(shù)4).分別選取信號(hào)N點(diǎn)和N+1點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算信號(hào)N點(diǎn)DFT和N+1點(diǎn)DFT ；
5).利用兩次DFT計(jì)算結(jié)果按下面兩種表達(dá)式計(jì)算信號(hào)真實(shí)頻點(diǎn)fx處的實(shí)部和虛部；
權(quán)利要求
1.一種頻率無(wú)關(guān)的正弦信號(hào)相量計(jì)算方法，其特征是步驟如下1).綜合信號(hào)頻率和計(jì)算精度確定采樣頻率fs，并以固定采樣間隔Ts= 1/4獲取信號(hào)的樣本數(shù)據(jù)；2).計(jì)算信號(hào)基波頻率fx(或周期)，可采用過(guò)零檢測(cè)法或傅氏測(cè)頻法[3]等方法[1][8]；3).根據(jù)信號(hào)頻率(或周期)計(jì)算出信號(hào)的一個(gè)基頻周期所需的最大采樣點(diǎn)數(shù)N; N = floor (fs/fx)fs-采樣率fx_信號(hào)頻率floor-將小數(shù)向下取整的函數(shù)；4).分別選取信號(hào)N點(diǎn)和N+1點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算信號(hào)N點(diǎn)DFT和N+1點(diǎn)DFT；5).利用兩次DFT計(jì)算結(jié)果按下面兩種表達(dá)式計(jì)算信號(hào)真實(shí)頻點(diǎn)fx處的實(shí)部和虛部；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻率無(wú)關(guān)的正弦信號(hào)相量計(jì)算方法，其特征是信號(hào)每周期的最大整數(shù)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)N按下面方法計(jì)算N= floor (fs/fx)fs-采樣率fx_信號(hào)頻率floor-將小數(shù)向下取整的函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻率無(wú)關(guān)的正弦信號(hào)相量計(jì)算方法，其特征是分別計(jì)算信號(hào)N點(diǎn)和N+1點(diǎn)的DFT，并將其結(jié)果按下面兩種表達(dá)式計(jì)算信號(hào)真實(shí)頻點(diǎn)fx處的實(shí)部和虛部，再根據(jù)實(shí)部和虛部在利用傳統(tǒng)方法獲得信號(hào)的幅值和相角；
全文摘要
一種頻率無(wú)關(guān)的正弦信號(hào)相量計(jì)算方法，1)綜合信號(hào)頻率和計(jì)算精度確定采樣頻率fs，并以固定采樣間隔Ts＝1/fs獲取信號(hào)的樣本數(shù)據(jù)；2)計(jì)算信號(hào)基波頻率fx(或周期)，采用過(guò)零檢測(cè)法或傅氏測(cè)頻法方法；3)根據(jù)信號(hào)頻率(或周期)計(jì)算出信號(hào)的一個(gè)基頻周期所需的最大采樣點(diǎn)數(shù)N；N＝floor(fs/fx)，fs-采樣率，fx-信號(hào)頻率，floor-將小數(shù)向下取整的函數(shù)；4)分別選取信號(hào)N點(diǎn)和N+1點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算信號(hào)N點(diǎn)DFT和N+1點(diǎn)DFT；5)利用兩次DFT計(jì)算結(jié)果按下面兩種表達(dá)式計(jì)算信號(hào)真實(shí)頻點(diǎn)fx處的實(shí)部和虛部；最后計(jì)算出信號(hào)各次諧波的幅值和瞬時(shí)相位。本發(fā)明適用于計(jì)算精度和實(shí)時(shí)性要求較高場(chǎng)合，但信號(hào)頻率隨機(jī)變化的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)G01R19/175GK102435844SQ201110340680
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月1日
發(fā)明者龐吉耀 申請(qǐng)人:南京磐能電力科技股份有限公司