專利名稱：一種頻率無關(guān)的正弦信號相量計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字信號處理和電力自動化領(lǐng)域，用來計算正弦信號的相量。本發(fā)明適用于對計算精度和實時性要求較高，但信號頻率有隨機變化的場合。
背景技術(shù)：
信號的幅值、相角和頻率這三個特征量是反映電力系統(tǒng)運行特性的重要參數(shù)。及時、準確地測量系統(tǒng)頻率及相量可以預(yù)測系統(tǒng)是否穩(wěn)定運行，從而觸發(fā)繼電保護動作來保證系統(tǒng)的安全運行。而通過對信號的時域采樣，用DFT對信號進行譜分析就可以獲得信號的各次諧波的相量參數(shù)。當電網(wǎng)處于工頻時，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，測量結(jié)果十分精確，但當電網(wǎng)頻率偏離50hz時，由于非同步采樣帶來頻域泄漏導(dǎo)致傳統(tǒng)測量算法難以同時滿足計算量小、跟蹤速度快和計算精度高等要求。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)時可能會出現(xiàn)一些舍入誤差，計算量比較大外，還因為使用多個信號周期的數(shù)據(jù)導(dǎo)致算法實時性下降，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，有效地簡化以往頻域插值的運算，利用兩次DFT結(jié)果進行線性內(nèi)插，快速獲得信號的各次諧波的相量參數(shù)，能夠同時滿足計算量小、跟蹤速度快和計算精度高等要求。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)插方法來減小泄漏誤差[5][6][7][8]在非同步采樣情況下，對時域信號加窗截斷，將會導(dǎo)致頻譜泄漏。為了提高計算精度，可以通過選擇不同的窗函數(shù)對采樣數(shù)據(jù)進行加權(quán)，使信號能量盡可能落在主瓣內(nèi)從而減少譜泄漏，再對加窗后的序列進行FFT運算并進行雙譜線插值可得到精度較高的時頻參數(shù)。2.非同步采樣點的同步化M基于雙速率的軟件同步采樣或在已知信號基頻的情況下通過對原始采樣信號進行拉格朗日插值，得到近似的同步化序列，然后應(yīng)用DFT算法計算得到該信號各項時頻參
量3.動態(tài)調(diào)整采樣率實現(xiàn)同步采樣采用鎖相環(huán)技術(shù)實現(xiàn)硬件同步采樣或根據(jù)當前頻率實時調(diào)整對信號的采樣間隔， 然后應(yīng)用DFT算法計算得到該信號各項時頻參量，可以大大地減小由非同步采樣所導(dǎo)致的截斷誤差和周期誤差。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信號周期的數(shù)據(jù)，不但運算量大而且算法的實時性和動態(tài)響應(yīng)性能不好2.非同步采樣點的同步化這類方法需要在時域?qū)Σ蓸有蛄羞M行同步化插值，由于頻率的隨機變化，導(dǎo)致時變插值器的運算量比較大在當信號頻率偏差過大時會發(fā)生插值點的跑位，插值公式這時會產(chǎn)生很大誤差。而且算法以信號過零點作為理想采樣的起點，當信號諧波過大出現(xiàn)多個過零點時將出現(xiàn)插值錯誤。3.由于系統(tǒng)頻率在一定范圍內(nèi)隨機變化，采用等角度的策略需要動態(tài)調(diào)整采樣間隔，這對牽涉到多個設(shè)備的同步采樣系統(tǒng)來說會引發(fā)連鎖反應(yīng)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，傳統(tǒng)的數(shù)字濾波器也無法適用。而實際情況中，A/D采樣的速度無法如此準確地滿足同步采樣，尤其是在信號受到干擾發(fā)生頻率波動的時候。參考文獻1.劉建林，陳兵一種高精度單頻信號頻率估計算法無線電工程第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量算法研究電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報2010年4月3.吳峻吳崇昊基于Kaiser窗的改進傅氏測頻算法江蘇電機工程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算法中國電機工程學(xué)報2005年8月6.李新福劉教民崔玉龍電器檢測的諧波分析算法河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報2003年 10月7.龐浩，李東霞，俎云霄，等應(yīng)用FFT進行電力系統(tǒng)諧波分析的改進算法[J].中國電機工程學(xué)報2003，238.梁志國，孫宇.信號周期的一種數(shù)字化測量方法[J].儀器儀表學(xué)報，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)諧波和間諧波檢測方法綜述電力系統(tǒng)自動化 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)正弦信號的實時相量計算方法。本發(fā)明提出了一種基于頻率的跟蹤算法，有效地簡化以往頻域插值的運算，利用兩次 DFT結(jié)果進行線性內(nèi)插，快速獲得信號的各次諧波的相量參數(shù)，能夠同時滿足計算量小、跟蹤速度快和計算精度高等要求。本發(fā)明是通過這樣的方案實現(xiàn)的一種頻率無關(guān)的電力系統(tǒng)正弦信號的相量計算方法，1).綜合信號頻率和計算精度確定采樣頻率fs，并以固定采樣間隔Ts= l/fs獲取信號的樣本數(shù)據(jù)；2).計算信號基波頻率fx(或周期)，可采用過零檢測法或傅氏測頻法[3]等方法[1]. 3).根據(jù)信號頻率(或周期)計算出信號的一個基頻周期所需的最大采樣點數(shù)N ；N= floor (fs/fx)fs-采樣率fx-信號頻率floor-將小數(shù)向下取整的函數(shù)4).分別選取信號N點和N+1點采樣數(shù)據(jù)，計算信號N點DFT和N+1點DFT ；
5).利用兩次DFT計算結(jié)果按下面兩種表達式計算信號真實頻點fx處的實部和虛部；
權(quán)利要求
1.一種頻率無關(guān)的正弦信號相量計算方法，其特征是步驟如下1).綜合信號頻率和計算精度確定采樣頻率fs，并以固定采樣間隔Ts= 1/4獲取信號的樣本數(shù)據(jù)；2).計算信號基波頻率fx(或周期)，可采用過零檢測法或傅氏測頻法[3]等方法[1][8]；3).根據(jù)信號頻率(或周期)計算出信號的一個基頻周期所需的最大采樣點數(shù)N; N = floor (fs/fx)fs-采樣率fx_信號頻率floor-將小數(shù)向下取整的函數(shù)；4).分別選取信號N點和N+1點采樣數(shù)據(jù)，計算信號N點DFT和N+1點DFT；5).利用兩次DFT計算結(jié)果按下面兩種表達式計算信號真實頻點fx處的實部和虛部；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻率無關(guān)的正弦信號相量計算方法，其特征是信號每周期的最大整數(shù)采樣點個數(shù)N按下面方法計算N= floor (fs/fx)fs-采樣率fx_信號頻率floor-將小數(shù)向下取整的函數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的頻率無關(guān)的正弦信號相量計算方法，其特征是分別計算信號N點和N+1點的DFT，并將其結(jié)果按下面兩種表達式計算信號真實頻點fx處的實部和虛部，再根據(jù)實部和虛部在利用傳統(tǒng)方法獲得信號的幅值和相角；
全文摘要
一種頻率無關(guān)的正弦信號相量計算方法，1)綜合信號頻率和計算精度確定采樣頻率fs，并以固定采樣間隔Ts＝1/fs獲取信號的樣本數(shù)據(jù)；2)計算信號基波頻率fx(或周期)，采用過零檢測法或傅氏測頻法方法；3)根據(jù)信號頻率(或周期)計算出信號的一個基頻周期所需的最大采樣點數(shù)N；N＝floor(fs/fx)，fs-采樣率，fx-信號頻率，floor-將小數(shù)向下取整的函數(shù)；4)分別選取信號N點和N+1點采樣數(shù)據(jù)，計算信號N點DFT和N+1點DFT；5)利用兩次DFT計算結(jié)果按下面兩種表達式計算信號真實頻點fx處的實部和虛部；最后計算出信號各次諧波的幅值和瞬時相位。本發(fā)明適用于計算精度和實時性要求較高場合，但信號頻率隨機變化的場合。
文檔編號G01R19/175GK102435844SQ201110340680
公開日2012年5月2日 申請日期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 申請人:南京磐能電力科技股份有限公司