一種基于正交子帶的電網(wǎng)瞬時(shí)頻率測(cè)量與跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種基于正交子帶的電 網(wǎng)瞬時(shí)頻率測(cè)量與跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 頻率是電力系統(tǒng)的主要物理參數(shù)之一，也是反映電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù)， 對(duì)電力系統(tǒng)頻率進(jìn)行測(cè)量與跟蹤，是保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行、控制與調(diào)節(jié)的前提。
[0003] 電網(wǎng)電力信號(hào)在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中常因電磁暫態(tài)、諧波負(fù)載、高低頻電磁干擾、非線 性設(shè)備等因素的影響，頻率隨時(shí)間發(fā)生變化，屬于非平穩(wěn)信號(hào)，采用傳統(tǒng)意義的周期頻率加 以描述具有一定的局限性。而瞬時(shí)頻率可描述電力系統(tǒng)的頻率特性，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量與跟蹤 實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估、控制。
[0004] 目前對(duì)電力系統(tǒng)頻率的測(cè)量方法主要分為軟件測(cè)頻和硬件測(cè)頻法；對(duì)電力系統(tǒng)頻 率的測(cè)量跟蹤主要有電壓過(guò)零點(diǎn)周期法、離散傅里葉變換求解法、基于插值的方法、最小二 乘法、遞推最小二乘法、卡爾曼濾波法、小波分析、自適應(yīng)陷波器法、牛頓迭代分析法等。
[0005] 上述現(xiàn)存方法大多計(jì)算量偏大，測(cè)量精度受諧波分量影響較大，在準(zhǔn)確度、跟蹤速 度、實(shí)現(xiàn)難易程度、抗干擾性能上各有優(yōu)缺點(diǎn)。洪慧娜等在文獻(xiàn)《電力系統(tǒng)基波交流采樣頻 率修正的"三點(diǎn)"算法》中說(shuō)明了基于"三點(diǎn)"算法的誤差隨著頻率波動(dòng)和采樣頻率與波動(dòng) 情況不一致等，會(huì)有較大誤差；李軍等在專利《電力系統(tǒng)中正弦波信號(hào)的頻率測(cè)量方法及系 統(tǒng)》中提出的電壓過(guò)零點(diǎn)法，容易受測(cè)量設(shè)備及諧波干擾，對(duì)采樣設(shè)備要求較高；路文喜等 在專利《改進(jìn)雙正交濾波器組的電網(wǎng)頻率跟蹤算法》中提出的基于雙正交濾波器電網(wǎng)頻率 測(cè)量改進(jìn)算法，李軍等在專利《電力系統(tǒng)頻率測(cè)量方法及裝置》中提出的基于比例積分的頻 率測(cè)量方法，葉松等在專利《一種電力系統(tǒng)頻率測(cè)量的方法》中提出的基于積分求頻率的方 法，以及其他基于相位差分法、積分法等方法，都存在著對(duì)幅值變化敏感，即當(dāng)周期內(nèi)輸入 流信號(hào)的幅值發(fā)生改變時(shí)，周期內(nèi)積分為零的規(guī)則將不再成立，導(dǎo)致整個(gè)周期的瞬時(shí)頻率 測(cè)量出現(xiàn)較大誤差的問(wèn)題。此外，部分基于積分的測(cè)量方法，其參照起點(diǎn)的選取非常關(guān)鍵， 而隨著電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，往往導(dǎo)致其選擇的起點(diǎn)并不是全局適用的，因而導(dǎo)致較大誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于正交子帶的電網(wǎng)瞬時(shí)頻率 測(cè)量與跟蹤方法，通過(guò)線性最優(yōu)融合方式有效解決傳統(tǒng)瞬時(shí)頻率測(cè)量方法在部分采樣區(qū)間 誤差較大的問(wèn)題；同時(shí)僅利用三個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵頻率的計(jì)算，有效減少了計(jì)算量，實(shí) 時(shí)性大大提高；還具有抗干擾性能好，受諧波分量影響小，并不受同步采樣問(wèn)題限制，準(zhǔn)確 度和實(shí)用性大大提高。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明基于正交子帶的電網(wǎng)瞬時(shí)頻率測(cè)量與跟蹤方法，其 特征在于，包括以下步驟：
[0008] (1)、對(duì)輸入的模擬信號(hào)x(t)進(jìn)行離散化采樣，得到離散的采樣信號(hào)p(k)= X(kTs)，其中，k = 1，2, 3...為采樣時(shí)刻，Ts為采樣間隔時(shí)間；
[0009] (2)、基于電網(wǎng)基頻f。和采樣間隔時(shí)間T s，構(gòu)造正弦和余弦數(shù)字濾波器濾波器，其 單位脈沖響應(yīng)分別為：
[0010] Ii1 (n) = sin [2 π (n+1)/N]
[0011] h2 (η) = cos [2 π (n+1)/N];
[0012] 其中，!！ =。，！，···，^^=!"!^);
[0013] (3)、利用上述數(shù)字濾波器分別對(duì)離散采樣信號(hào)進(jìn)行濾波處理，得到兩個(gè)相
[0014] 位相差90°的正弦子帶信號(hào)，即P1GO和P2GO ;
[0017] (4)、設(shè)置步長(zhǎng)為3的滑動(dòng)窗口，再將滑動(dòng)窗口的初始位置分別置于兩子帶信號(hào)的 首端，并依次滑動(dòng)，滑動(dòng)計(jì)算各采樣時(shí)刻規(guī)范化的瞬時(shí)角頻率的余弦值；
[0018]
[0019]
[0020]其中，[的取值為 A =3,4,5...:
[0021] (5)、對(duì)步驟（4)中，各個(gè)采樣時(shí)刻計(jì)算得到的余弦值進(jìn)行融合；
[0022]
[0023] 通過(guò)反余弦計(jì)算可得到瞬時(shí)角頻率#/〇,進(jìn)而得到優(yōu)化后的電網(wǎng)瞬時(shí)頻率的測(cè) 量值
[0024]
[0025] (6)、對(duì)電網(wǎng)瞬時(shí)頻率的測(cè)量值./_:(々）進(jìn)行卡爾曼濾波，得到精確的瞬時(shí)頻率估計(jì) 值./_:(/〇'，再利用尤(1>實(shí)時(shí)跟蹤電網(wǎng)的瞬時(shí)頻率。
[0026] 本發(fā)明的發(fā)明目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0027] 本發(fā)明基于正交子帶的電網(wǎng)瞬時(shí)頻率測(cè)量與跟蹤方法，先對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行離 散化采樣，再通過(guò)構(gòu)造的正交濾波器組對(duì)離散采樣后的信號(hào)進(jìn)行濾波，將其分解成兩個(gè)相 位相差為90°的正弦子帶信號(hào)，在正弦子帶信號(hào)上利用任意連續(xù)三個(gè)采樣點(diǎn)間的數(shù)學(xué)關(guān) 系，分別計(jì)算各子帶的瞬時(shí)角頻率，對(duì)兩個(gè)子帶上的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行基于高斯噪聲模型的線 性最優(yōu)化融合，獲得誤差方差更小的瞬時(shí)角頻率測(cè)量值，最后對(duì)測(cè)量值進(jìn)行卡爾曼濾波估 計(jì)，跟蹤電網(wǎng)的瞬時(shí)頻率。本發(fā)明方法的測(cè)量和跟蹤精度，不受非周期性噪聲信號(hào)、電網(wǎng)電 壓/電流幅值變化及諧波信號(hào)的影響，數(shù)據(jù)窗口短，算法計(jì)算簡(jiǎn)單，可實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量并跟蹤 電網(wǎng)基波的瞬時(shí)頻率。
[0028] 同時(shí)，本發(fā)明基于正交子帶的電網(wǎng)瞬時(shí)頻率測(cè)量與跟蹤方法還具有以下有益效 果：
[0029] (1)、本發(fā)明克服了傳統(tǒng)三點(diǎn)頻率計(jì)算方法在過(guò)零點(diǎn)附近出現(xiàn)較大誤差的缺點(diǎn)，利 用基于噪聲估計(jì)的最優(yōu)線性融合，減少了計(jì)算量且測(cè)量誤差小；
[0030] (2)、本發(fā)明測(cè)量精度不受周期噪聲信號(hào)及諧波信號(hào)的影響，具有數(shù)據(jù)窗口窄，運(yùn) 算量小，算法時(shí)間復(fù)雜度和空間復(fù)雜度小，且能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量電網(wǎng)母線電流/電壓瞬時(shí) 頻率等特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1是本發(fā)明基于正交子帶的電網(wǎng)瞬時(shí)頻率測(cè)量與跟蹤方法流程圖；
[0032] 圖2是經(jīng)離散采樣后的電網(wǎng)信號(hào)波形圖；
[0033] 圖3是子帶信號(hào)波形圖；
[0034] 圖4是子帶信號(hào)的角頻率余弦值波形圖；
[0035] 圖5是子帶信號(hào)融合后的角頻率余弦值波形圖；
[0036] 圖6是卡爾曼濾波后的電網(wǎng)瞬時(shí)頻率波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地 理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許 會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。
[0038] 實(shí)施例
[0039] 本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是采用噪聲估計(jì)的方法對(duì)子帶信號(hào)進(jìn)行線性最優(yōu)化融合處理，從而 獲取電網(wǎng)頻率。在能夠?qū)崿F(xiàn)的條件下，采樣頻率可以盡量取大，這樣測(cè)算的結(jié)果將越精確；