一種適用于電力系統(tǒng)高速采樣計算的插值方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種適用于電力系統(tǒng)高速采樣計算的插值方法。高速采樣計算中，采樣頻率根據(jù)電力系統(tǒng)的自有頻率的變化而變換，從而滿足計算精度要求。在硬件采樣頻率固定的情況下，通常采用軟件鎖相來完成上述要求，但軟件鎖相計算時間過長，因而未能得到廣泛應(yīng)用。本發(fā)明提出離線計算采樣插值所需參數(shù)的固化表格、軟件在線判斷查表計算的方式解決上述問題。所提方法減輕了數(shù)字信號處理器的運行負(fù)擔(dān)，使其能高效的進(jìn)行信號處理；亦不需要增加硬件開銷，更改硬件設(shè)計；同時，所提方法可普遍應(yīng)用于其他電力系統(tǒng)場合。
【專利說明】一種適用于電力系統(tǒng)高速采樣計算的插值方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域，涉及對電力系統(tǒng)電量信號(電壓、電流)的高速固定采樣速率下的采樣插值技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]電力系統(tǒng)中電量(電壓、電流)信號高速采樣在容量計算、電能質(zhì)量等方面應(yīng)用越來越廣泛。對高速采樣計算中涉及到的采樣頻率需要根據(jù)電力系統(tǒng)的自有頻率的變化而變換，從而達(dá)到滿足要求的計算精度。目前，有兩種方式來處理該問題，一種是利用硬件鎖相環(huán)進(jìn)行硬件鎖相，在根據(jù)實際需求動態(tài)改變采樣頻率，從而獲得正確的采樣數(shù)據(jù)；但其要求專門的硬件資源，同時在鎖相前需要配合專門的硬件測頻回路，濾波回路保證其正確性。另一種利用軟件方式實現(xiàn)鎖相，但數(shù)字信號處理器承載了大部分計算與控制工作，針對高速計算的情況由于其計算時間過長而得不到應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種適用于電力系統(tǒng)高速采樣計算的插值方法。 [0004]該方法采用以下方案實現(xiàn):一種適用于電力系統(tǒng)高速采樣計算的插值方法，其特征在于包括以下步驟:
[0005](I)設(shè)定固定的頻率范圍及頻率精度，設(shè)定采樣計數(shù)為SAM_CNT ;硬件固定時刻的采樣值為Stl到Sn，判斷計算后的插值數(shù)據(jù)為Dtl到Dn ;令所有數(shù)據(jù)初始值為O ;離線計算出程序執(zhí)行中所需的插值參數(shù)表，軟件在執(zhí)行過程中根據(jù)在線判斷結(jié)果調(diào)用離線固化的插值參數(shù)表；
[0006](2)讀取采樣值數(shù)據(jù)S。到Sn ；
[0007](3)讀取當(dāng)前的系統(tǒng)頻率值F。，當(dāng)F。= Fs,進(jìn)入步驟(6)；
[0008](4)當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前頻率FL〈45Hz或Fe>FH時，進(jìn)入步驟(6);其中Fl指設(shè)定的最小頻率，F(xiàn)h指設(shè)定的最大頻率，F(xiàn)c指當(dāng)前的電力系統(tǒng)頻率；
[0009](5)當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前頻率F?！蹻h時，根據(jù)F。的值調(diào)用離線固化的插值參數(shù)表，采用以下插值算法 Dtl = S0 = (1- a ) X S1+ α X S2 ；D2 = (1-2 α ) X S2+2 α X S3,依次計算出N個插值數(shù)據(jù)，進(jìn)入步驟(7)；
[0010](6) D0 = S0 !D1 = S1 ；D2 = S2 ；......Dn = Sn ;進(jìn)入步驟(7)；
[0011](7)采樣計數(shù)SAM_CNT加I ;返回步驟⑴。
[0012]進(jìn)一步地，所述離線計算出程序執(zhí)行中所需的插值參數(shù)表，軟件在執(zhí)行過程中根據(jù)在線判斷結(jié)果調(diào)用離線固化的插值參數(shù)表的具體過程包括以下步驟:
[0013](31)初始設(shè)定:設(shè)定每個周波采樣點數(shù)為N，設(shè)電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)頻率為Fs，其對應(yīng)的采樣周期為Ts，有Ts = 1/FS/N ;設(shè)定當(dāng)前的電力系統(tǒng)頻率為F。，其對應(yīng)的采樣周期為T。，有Tc= 1/h/N;采樣周期與系統(tǒng)周期的差值為AT= Tc-Ts ；
[0014](32)表數(shù)計算:根據(jù)線性插值公式y(tǒng) (η) = (1-a ) y (n_l) + a y (η+1),其中y (η_1)為需要插值的數(shù)據(jù)前一個固定時刻采樣點，y(η+1)為需要插值的數(shù)據(jù)后一個固定時刻采樣點，α是一個插值計算參數(shù)，其隨不同的系統(tǒng)頻率及不同采樣時刻而不同，因此需要離線設(shè)計插值參數(shù)表T ;離線計算的插值參數(shù)表共計(Fh-匕)/ △ F張；
[0015](33)單表設(shè)計:設(shè)定硬件固定時刻的采樣值為Stl到Sn，判斷計算后的插值數(shù)據(jù)為D0到Dn ;其中O≤η〈Ν ;采樣周期與系統(tǒng)周期差值為ΔΤ, α = Δ T/Ts = | Fc-Fs | /Fs ;插值方法為=D0 = S0 A= (l-α) XS^a XS2 ；D2 = (l_2a)XS2+2a XS3，依次計算出 N個插值數(shù)據(jù)；由此，單表設(shè)計為T = {0，a，2a，3a，4a，……(N_l) a };以此，根據(jù)不同的電力系統(tǒng)頻率設(shè)計出(Fh-匕)/ Δ F張表為在線程序使用。
[0016]進(jìn)一步地，所述采樣點數(shù)N、系統(tǒng)頻率范圍^ < F。< Fh及頻率精度設(shè)定AF可根據(jù)實際應(yīng)用要求改變，程序執(zhí)行前首先根據(jù)設(shè)定值離線計算插值參數(shù)表T，程序執(zhí)行過程中根據(jù)F。判斷結(jié)果直接調(diào)用離線固化的插值參數(shù)表即可，從而快速得到所需的插值數(shù)據(jù)。
[0017]本發(fā)明的有益效果:
[0018]為滿足采樣頻率需要根據(jù)電力系統(tǒng)自有頻率的變化而變換，本發(fā)明提出了利用軟件插值方式解決上述問題。根據(jù)系統(tǒng)頻率范圍及精度設(shè)定，離線計算插值參數(shù)固化表，然后采用在線判斷查表的方式解決了軟件鎖相的復(fù)雜計算問題，使其在高速計算場合下得到真正應(yīng)用；同時克服了硬件鎖相需要增加的硬件開銷，亦不需更改硬件設(shè)計。所提插值方法及對應(yīng)軟硬件模塊可方便應(yīng)用于其他電力系統(tǒng)場合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明算法的插值算法流程圖。
[0020]圖2是本發(fā)明算法的插值參數(shù)固化表計算流程圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合流程圖對具體實施進(jìn)行詳細(xì)介紹。
[0022]如圖1所示，本實施例中，一種適用于電力系統(tǒng)高速采樣計算的插值方法，其特征在于包括以下步驟:
[0023](I)設(shè)定固定的頻率范圍及頻率精度，設(shè)定采樣計數(shù)為SAM_CNT ;硬件固定時刻的采樣值為Stl到Sn，判斷計算后的插值數(shù)據(jù)為Dtl到Dn ;令所有數(shù)據(jù)初始值為O ;離線計算出程序執(zhí)行中所需的插值參數(shù)表，軟件在執(zhí)行過程中根據(jù)在線判斷結(jié)果調(diào)用離線固化的插值參數(shù)表；
[0024](2)讀取采樣值數(shù)據(jù)S。到Sn ；
[0025](3)讀取當(dāng)前的系統(tǒng)頻率值F。,當(dāng)F。= Fs,進(jìn)入步驟(6)；
[0026](4)當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前頻率Fl〈45Hz或Fe>FH時，進(jìn)入步驟(6);其中Fl指設(shè)定的最小頻率，F(xiàn)h指設(shè)定的最大頻率，F(xiàn)c指當(dāng)前的電力系統(tǒng)頻率；
[0027](5)當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前頻率F?！蹻h時，根據(jù)F。的值調(diào)用離線固化的插值參數(shù)表，采用以下插值算法 Dtl = S0 = (1- a ) X S1+ a X S2 ；D2 = (1-2 a ) X S2+2 a X S3,依次計算出N個插值數(shù)據(jù)，進(jìn)入步驟(7)；
[0028](6) D0 = S0 !D1 = S1 ；D2 = S2 ；......Dn = Si ;進(jìn)入步驟(7)；
[0029](7)采樣計數(shù)SAM_CNT加I ;返回步驟⑴。[0030]請參見圖2，所述離線計算出程序執(zhí)行中所需的插值參數(shù)表，軟件在執(zhí)行過程中根據(jù)在線判斷結(jié)果調(diào)用離線固化的插值參數(shù)表的具體過程包括以下步驟:
[0031](31)初始設(shè)定:設(shè)定每個周波采樣點數(shù)為N，設(shè)電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)頻率為Fs，其對應(yīng)的采樣周期為Ts，有Ts = 1/FS/N ;設(shè)定當(dāng)前的電力系統(tǒng)頻率為F。，其對應(yīng)的采樣周期為T。，有Tc= 1/h/N;采樣周期與系統(tǒng)周期的差值為AT= Tc-Ts ；
[0032](32)表數(shù)計算:根據(jù)線性插值公式y(tǒng) (η) = (1_ a ) y (η-1) + ay (η+1),其中y (η-1)為需要插值的數(shù)據(jù)前一個固定時刻采樣點，y(η+1)為需要插值的數(shù)據(jù)后一個固定時刻采樣點，α是一個插值計算參數(shù)，其隨不同的系統(tǒng)頻率及不同采樣時刻而不同，可以根據(jù)歷史經(jīng)驗選取，因此需要離線設(shè)計插值參數(shù)表T ;離線計算的插值參數(shù)表共計(Fh-FJ/AF張；
[0033](33)單表設(shè)計:設(shè)定硬件固定時刻的采樣值為Stl到Sn，判斷計算后的插值數(shù)據(jù)為D0到Dn ;其中O≤n〈N ;采樣周期與系統(tǒng)周期差值為ΔΤ, a = Δ T/Ts = | Fc-Fs | /Fs ;插值方法為=D0 = S0 A= (1-Ci)XS1+a XS2 ；D2 = (l_2a)XS2+2a XS3，依次計算出 N個插值數(shù)據(jù)；由此，單表設(shè)計為T = {0，a，2a，3a，4a，……(N_l) a };以此，根據(jù)不同的電力系統(tǒng)頻率設(shè)計出(Fh-F1)/ Δ F張表為在線程序使用。
[0034]具體的，下面以固定電力系統(tǒng)頻率50Hz下的每周波固定采樣24點為例進(jìn)行說明:
[0035](一 )利用插值方法離線計算出程序執(zhí)行中所需插值參數(shù)表:
[0036]以固定電力系統(tǒng)頻率50Hz下的每周波固定采樣24點為例，其采樣頻率為1200Hz。采樣周期應(yīng)該為Ts = 1000000/(50*24);精度取0.01Hz，離線計算表格共計1000張。每張表格中的數(shù)據(jù)分別對應(yīng)的是當(dāng)前頻率差值倍數(shù)表。
[0037]例:當(dāng)系統(tǒng)頻率為F。= 48Hz時，該實際采樣周期應(yīng)該為T。= 1000000/(48*24)；
[0038]當(dāng)前頻率差值比即周期差值比為a = AT/TS= Tc-Ts | /Ts = Fc-Fs |/Fs = 0.04 ；
[0039]制作插值表格為T48 = {O, 0.04，0.08，0.12，0.16.0.20.0.24，.....0.72}；同樣制
作出其他表格。
[0040]( 二 )軟件在執(zhí)行過程中在線判斷，根據(jù)判斷結(jié)果調(diào)用離線固化的插值參數(shù)表，計算插值數(shù)據(jù):
[0041]例:設(shè)采樣數(shù)據(jù)為D0,D1......D23 ;判斷計算后的插值為S0,S1......S23 ；
[0042]當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前頻率F0= 50Hz時，不調(diào)用插值表程序，S。= D。，S1 = D1,......S23 =
D23 ;
[0043]當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前頻率45Hz ≤ Fc ≤ 55Hz時，調(diào)用插值表程序數(shù)據(jù)Dtl = S0 =(1- a ) X S1+ a XS2 ；D2 = (1-2 a ) X S2+2 a XS3 依次計算出所有 24 個插值。
[0044]當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前頻率Fe〈45Hz或Fe>55Hz時，不調(diào)用插值表程序，S0 = D0, S1 = D1,……S 23= D23;
[0045]上述實施例不以任何方式限制本發(fā)明，凡依本發(fā)明技術(shù)方案所作的改變，所產(chǎn)生的功能作用未超出本發(fā)明技術(shù)方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種適用于電力系統(tǒng)高速采樣計算的插值方法，其特征在于包括以下步驟: (1)設(shè)定固定的頻率范圍及頻率精度，設(shè)定采樣計數(shù)為SAM_CNT;硬件固定時刻的采樣值為Stl到Sn，判斷計算后的插值數(shù)據(jù)為Dtl到Dn ;令所有數(shù)據(jù)初始值為O ;離線計算出程序執(zhí)行中所需的插值參數(shù)表，軟件在執(zhí)行過程中根據(jù)在線判斷結(jié)果調(diào)用離線固化的插值參數(shù)表; (2)讀取采樣值數(shù)據(jù)S。到Sn； (3)讀取當(dāng)前的系統(tǒng)頻率值F。，當(dāng)F。=Fs，進(jìn)入步驟(6)； (4)當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前頻率Fl〈45Hz或Fe>FH時，進(jìn)入步驟(6);其中Fl指設(shè)定的最小頻率，F(xiàn)h指設(shè)定的最大頻率，F(xiàn)c指當(dāng)前的電力系統(tǒng)頻率； (5)當(dāng)系統(tǒng)當(dāng)前頻率^≤ Fc≤ Fh時，根據(jù)F。的值調(diào)用離線固化的插值參數(shù)表，采用以下插值算法 Dtl = S0 = (1- a ) X S1+ α X S2 ；D2 = (1-2 α ) X S2+2 α X S3,依次計算出 N 個插值數(shù)據(jù)，進(jìn)入步驟(7)；
(6)D0 = S0 !D1 = S1 ；D2 = S2 ；......Dn = Sn ;進(jìn)入步驟(7)； (7)采樣計數(shù)SAM_CNT加I;返回步驟⑴。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于電力系統(tǒng)高速采樣計算的插值方法，其特征在于:所述Fl = 45Hz ；Fh = 55Hz ;所述頻率精度范圍設(shè)定為Λ F，且AF<0.01Hz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于電力系統(tǒng)高速采樣計算的插值方法，其特征在于:所述離線計算出程序執(zhí)行中所需的插值參數(shù)表，軟件在執(zhí)行過程中根據(jù)在線判斷結(jié)果調(diào)用離線固化的插值參數(shù)表的具體過程包括以下步驟: (31)初始設(shè)定:設(shè)定每個周波采樣點數(shù)為N，設(shè)電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)頻率為Fs，其對應(yīng)的采樣周期為Ts，有Ts = 1/FS/N ;設(shè)定當(dāng)前的電力系統(tǒng)頻率為F。，其對應(yīng)的采樣周期為T。，有T。=IAVN ;采樣周期與系統(tǒng)周期的差值為AT= Tc-Ts ； (32)表數(shù)計算:根據(jù)線性插值公式y(tǒng)(η) = (1_ a ) y (n_l) + a y (η+1),其中y (η_1)為需要插值的數(shù)據(jù)前一個固定時刻采樣點，y(n+l)為需要插值的數(shù)據(jù)后一個固定時刻采樣點，α是一個插值計算參數(shù)，其隨不同的系統(tǒng)頻率及不同采樣時刻而不同，因此需要離線設(shè)計插值參數(shù)表T ;離線計算的插值參數(shù)表共計(Fh-匕)/ Λ F張； (33)單表設(shè)計:設(shè)定硬件固定時刻的采樣值為Stl到Sn，判斷計算后的插值數(shù)據(jù)為Dtl到Dn;其中OS η〈Ν;采樣周期與系統(tǒng)周期差值為AT，α = Δ T/Ts = I Fe-Fs |/Fs ;插值方法為:D0 = S0 A= (l-α) XS^a XS2 ；D2 = (l_2a)XS2+2a X S3，依次計算出 N 個插值數(shù)據(jù);由此，單表設(shè)計為T= {0，a ,2a ,3a ,4a ,……(N_l) a };以此，根據(jù)不同的電力系統(tǒng)頻率設(shè)計出(Fh-匕)/ Δ F張表為在線程序使用。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于電力系統(tǒng)高速采樣計算的插值方法，其特征在于，所述采樣點數(shù)N、系統(tǒng)頻率范圍FL ≤ Fc≤ Fh及頻率精度設(shè)定Λ F可根據(jù)實際應(yīng)用要求改變，程序執(zhí)行前首先根據(jù)設(shè)定值離線計算插值參數(shù)表Τ，程序執(zhí)行過程中根據(jù)F。判斷結(jié)果直接調(diào)用離線固化的插值參數(shù)表即可，從而快速得到所需的插值數(shù)據(jù)。
【文檔編號】G06F19/00GK104021314SQ201410295280
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】陳彬, 郭曉君, 湯奕, 魯針針 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)福建省電力有限公司, 國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學(xué)研究院