專(zhuān)利名稱(chēng)：一種頻率無(wú)關(guān)的正弦信號(hào)相量半波計(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)。目前，大多數(shù)繼電保護(hù)的原理是基于故障后的穩(wěn)態(tài)基頻分量，如何從故障暫態(tài)信號(hào)中快速、準(zhǔn)確的對(duì)基頻電流、電壓進(jìn)行估計(jì)是微機(jī)保護(hù)算法面臨的主要問(wèn)題。通常，計(jì)算的延時(shí)取決于數(shù)據(jù)窗的長(zhǎng)短，數(shù)據(jù)窗越短算法響應(yīng)時(shí)間越快。雖然全波傅氏算法能濾除所有整次諧波分量，且穩(wěn)定性好，但其數(shù)據(jù)窗至少需要I個(gè)周期，所以響應(yīng)速度較慢；而半波傅氏算法只用半個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)，響應(yīng)快，廣泛應(yīng)用與變壓器差動(dòng)速斷、變壓器勵(lì)磁涌流的波形識(shí)別[1°]等需要快速動(dòng)作的電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)算法中。另外一方面，當(dāng)電網(wǎng)處于工頻時(shí)，通過(guò)對(duì)信號(hào)的時(shí)域等間隔采樣，傳統(tǒng)的半波DFT算法可以快速獲得信號(hào)的的相量參數(shù)，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(mǎn)足計(jì)算量小、跟蹤速度快和計(jì)算精度高等要求。目前半波算法精度的研究重點(diǎn)在于消除偶次諧波和非周期分量的影響，對(duì)需要改善因非同步采樣所帶來(lái)的頻域泄漏誤差的場(chǎng)合，主要采用全波傅立葉變換算法。現(xiàn)在已有多種改進(jìn)方法，用來(lái)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，而且這些算法不適用半波算法。本發(fā)明提出了一種基于頻率的跟蹤算法，利用兩次半波DFT結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性?xún)?nèi)插，快速獲得信號(hào)的相量參數(shù)，能夠同時(shí)滿(mǎn)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(lèi):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)?，將?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(xiàn)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[4]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。
4.改進(jìn)半波傅立葉算法[n_[13]對(duì)傳統(tǒng)半波算法進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)差分低通或采用狹窄帶通濾波與半波傅立葉相結(jié)合的快速濾波算法，抑制低頻分量及高次諧波的影響，提高半波算法精度。以上提到的幾種方法各有不足，且都沒(méi)有具體分析頻率變化對(duì)半波算法的影響。方法I都是針對(duì)信號(hào)的多個(gè)周期，都可以在一定程度上減小頻譜泄漏但都有不足之處，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，方法2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。方法3采用等角度的策略需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整采樣間隔，雖可解決半波算法遇到的泄露問(wèn)題，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(mǎn)足同步采樣。方法4主要解決低頻分量對(duì)半波算法的影響，而沒(méi)有關(guān)注頻域泄漏，且沒(méi)有考慮頻率波動(dòng)范圍超過(guò)濾波器的帶寬時(shí)的場(chǎng)景。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(xiàn)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(xiàn)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，增刊):195-1989.高云鵬滕召勝卿柏元基于Kaiser窗雙譜線(xiàn)插值FFT的諧波分析方法電子學(xué)報(bào)2000年12月10.韓正慶高仕斌李群湛基于半波傅立葉算法的勵(lì)磁涌流識(shí)別方法電力系統(tǒng)自動(dòng)化2005年7月11.李斌，李永麗，賀家李改進(jìn)的半波傅立葉濾波算法電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)第二i 屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集12.丁書(shū)文張承學(xué)龔慶武肖迎元半波傅氏算法的改進(jìn)電力系統(tǒng)自動(dòng)化1999年3月13.鄒智慧，李嘯驄，羅曉芬，范垂正有效濾除偶次諧波的改進(jìn)半波傅立葉算法電力系統(tǒng)保護(hù)與控制2009年10月16日

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正弦信號(hào)的實(shí)時(shí)相量半波計(jì)算方法。本發(fā)明提出了一種基于頻率的跟蹤算法，利用兩次半波DFT結(jié)果進(jìn)行線(xiàn)性?xún)?nèi)插，快速獲得信號(hào)的相量參數(shù)，能夠同時(shí)滿(mǎn)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)的正弦信號(hào)的相量半波計(jì)算方法I).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)頻率fx(或周期Tx)，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)的半個(gè)周期所需的最大采樣點(diǎn)數(shù)N ;N= floor (fs/2fx) 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)，按半波DFT算法計(jì)算N點(diǎn)DFT和N+1點(diǎn) DFT ；5).利用兩次半波DFT計(jì)算結(jié)果按下面表達(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).確定采樣頻率fs，以間隔Ts= l/fs獲取信號(hào)的樣本數(shù)據(jù)； 2).計(jì)算正弦信號(hào)頻率fx或周期Tx； 3).根據(jù)正弦信號(hào)頻率或周期計(jì)算出信號(hào)的半個(gè)周期所需的最大采樣點(diǎn)數(shù)N；4).分別取正弦信號(hào)N點(diǎn)和N+1點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算N點(diǎn)半波DFT和N+1點(diǎn)半波DFT； 5).利用兩次半波DFT計(jì)算結(jié)果通過(guò)插值計(jì)算信號(hào)真實(shí)頻點(diǎn)fx處的實(shí)部和虛部； 6).根據(jù)實(shí)部和虛部計(jì)算信號(hào)的幅值和瞬時(shí)相位。
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:正弦信號(hào)每半周期的最大整數(shù)采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)N按下面方法計(jì)算: N = floor (fs/2fx) = floor (TX/2TS)其中:fs-采樣率，fx_信號(hào)頻率，Tx信號(hào)實(shí)際周期，Ts-采樣間隔，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)相量半波計(jì)算方法，其特征是:根據(jù)正弦信號(hào)N點(diǎn)和N+1點(diǎn)的半波DFT，利用下面表達(dá)式計(jì)算信號(hào)真實(shí)頻點(diǎn)fx處的實(shí)部和虛部:
全文摘要
一種頻率無(wú)關(guān)的正弦信號(hào)相量半波計(jì)算方法，屬于數(shù)字信號(hào)處理和電力自動(dòng)化領(lǐng)域，1)確定采樣頻率fs，以間隔Ts＝1/fs獲取信號(hào)的樣本數(shù)據(jù)；2)計(jì)算正弦信號(hào)頻率fx或周期Tx；3)根據(jù)正弦信號(hào)頻率或周期計(jì)算出信號(hào)的半個(gè)周期所需的最大采樣點(diǎn)數(shù)N；4)分別取正弦信號(hào)N點(diǎn)和N+1點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算N點(diǎn)半波DFT和N+1點(diǎn)半波DFT；5)利用兩次半波DFT計(jì)算結(jié)果通過(guò)插值計(jì)算信號(hào)真實(shí)頻點(diǎn)fx處的實(shí)部和虛部；6)根據(jù)實(shí)部和虛部計(jì)算信號(hào)的幅值和瞬時(shí)相位。
文檔編號(hào)G01R25/00GK103091545SQ20131005588
公開(kāi)日2013年5月8日 申請(qǐng)日期2013年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月21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