CN105044460B - 对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的方法和系统。本发明通过一系列操作获得正向序列和反褶序列，将所述正向序列和反褶序列相加，在电力信号序列初相位较大变化范围内，将电力信号序列调制为零初相位或初相位在零附近的余弦函数调制序列。本发明得到的所述余弦函数调制序列避开了信号序列初相位变化较大问题的影响，同时所述余弦函数调制序列携带了数值较大的信号序列全相位差信息，可显著的提高正弦参数测量的准确度、提高抗谐波和噪声干扰性。

Description

对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制方法和系统

技术领域

本发明涉及电力技术领域，特别是涉及一种对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的方法、对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的系统。

背景技术

电力系统的正弦参数的测量包括频率测量、相位测量、幅值测量等。傅里叶变换是实现正弦参数测量的基本方法，在电力系统中有广泛的应用。但随着正弦参数测量技术的发展，傅里叶变换存在的问题也越显突出，其难以进一步满足电力系统对正弦参数高准确度计算的要求。

在电力系统正弦参数测量方面，还有一些改进的参数测量方法，如零交法、基于滤波的测量法、基于小波变换法、基于神经网络的测量法、基于DFT(Discrete FourierTransform，离散傅里叶变换)变换的测量法等。电网运行额定工频在50Hz (赫兹)附近，属于频率较低的正弦频率。由于实际信号处理技术的局限性和信号构成的复杂性，如信号离散采样产生的数据量化背景噪声影响，信号序列截断引起的频谱泄漏问题客观上难以避免，信号任意初相位问题的影响，信号中的直流和分次谐波及次谐波问题的影响等，这些算法的测量精度也较低，且抗谐波和噪声干扰性差。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的方法和系统，能够提高正弦参数计算的准确度、提高抗谐波和噪声干扰性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的方法，包括步骤：

根据电力信号频率范围的下限、预设采样频率和预设整数信号周期数，得到初步采样序列长度；

根据所述初步采样序列长度对所述电力信号进行初步采样，获取所述电力信号的初步采样序列；

对所述初步采样序列进行频率初测，获取所述电力信号的初步频率，根据所述初步频率确定参考频率；

根据所述预设采样频率和所述参考频率，得到所述电力信号的单位周期序列长度；

根据所述预设整数信号周期数和所述单位周期序列长度，得到预设序列长度；

根据所述预设序列长度，从所述初步采样序列中获取正向序列；

将所述正向序列反向输出，获取所述正向序列的反褶序列；

将所述正向序列和所述反褶序列相加，得到零初相位余弦函数调制序列。

一种对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的系统，包括：

初步采样序列长度确定模块，用于根据电力信号频率范围的下限、预设采样频率和预设整数信号周期数，得到初步采样序列长度；

初步采样序列获取模块，用于根据所述初步采样序列长度对所述电力信号进行初步采样，获取所述电力信号的初步采样序列；

参考频率确定模块，用于对所述初步采样序列进行频率初测，获取所述电力信号的初步频率，根据所述初步频率确定参考频率；

单位周期序列长度确定模块，用于根据所述预设采样频率和所述参考频率，得到所述电力信号的单位周期序列长度；

预设序列长度确定模块，用于根据所述预设整数信号周期数和所述单位周期序列长度，得到预设序列长度；

正向序列获取模块，用于根据所述预设序列长度，从所述初步采样序列中获取正向序列；

反褶序列获取模块，用于将所述正向序列反向输出，获取所述正向序列的反褶序列；

余弦函数调制序列确定模块，用于将所述正向序列和所述反褶序列相加，得到零初相位余弦函数调制序列。

本发明对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的方法和系统，通过一系列操作获得正向序列和反褶序列，将所述正向序列和反褶序列相加，在电力信号序列初相位较大变化范围内，将电力信号序列调制为零初相位或初相位在零附近的余弦函数调制序列。本发明得到的所述余弦函数调制序列避开了信号序列初相位变化较大问题的影响，同时所述余弦函数调制序列携带了数值较大的信号序列全相位差信息，可显著的提高正弦参数测量的准确度、提高抗谐波和噪声干扰性。

附图说明

图1为本发明对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的方法实施例的流程示意图；

图2为本发明正向序列和反褶序列的示意图；

图3为本发明对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的系统实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明要解决的技术问题、采取的技术方案以及达到的技术效果，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细描述。

如图1所示，一种对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的方法，包括步骤：

S101、根据电力信号频率范围的下限、预设采样频率和预设整数信号周期数，得到初步采样序列长度；

S102、根据所述初步采样序列长度对所述电力信号进行初步采样，获取所述电力信号的初步采样序列；

S103、对所述初步采样序列进行频率初测，获取所述电力信号的初步频率，根据所述初步频率确定参考频率；

S104、根据所述预设采样频率和所述参考频率，得到所述电力信号的单位周期序列长度；

S105、根据所述预设整数信号周期数和所述单位周期序列长度，得到预设序列长度；

S106、根据所述预设序列长度，从所述初步采样序列中获取正向序列；

S107、将所述正向序列反向输出，获取所述正向序列的反褶序列；

S108、将所述正向序列和所述反褶序列相加，得到零初相位余弦函数调制序列。

电力信号是一种基波成分为主的正弦信号。正弦信号广指正弦函数信号和余弦函数信号。电力信号频率范围一般为45Hz(赫兹)～55Hz。所以电力信号频率范围的下限f_min可以取为45Hz。预设整数信号周期数C_2π可以根据实际需要进行设置，例如，可以将预设整数信号周期数C_2π设置为偶数，假设为12等。在一个实施例中，可以根据式(1)确定初步采样序列长度N_start：

其中，(int)表示取整；f_n为预设采样频率，单位为Hz；N_start的单位无量纲， C_2π的单位无量纲，f_min的单位为Hz。

得到初步采样序列长度后，根据初步采样序列长度对电力信号进行初步采样。例如，所述电力信号为单基波频率的余弦函数信号，根据初步采样序列长度对单基波频率的余弦函数信号进行初步采样，获得的电力信号的初步采样序列X_start(n)为式(2)：

n＝0,1,2,3,.....,N_start-1

其中，A为信号幅值，单位可以为v；ω为信号频率，单位为rad/s；T_n为采样间隔，单位为s；f_n为预设采样频率，单位为Hz；n为序列离散数，单位无量纲；为信号初相位，单位为rad；N_start为初步采样序列长度，单位无量纲。

得到初步采样序列后，可以通过零交法、基于滤波的算法、基于小波变换算法、基于神经网络的算法、基于DFT变换的频率算法或基于相位差的频率算法等对初步采样序列进行频率初测，获取初步频率ω_o，初步频率ω_o的单位为 rad/s。在一个实施例中，可以将该初步频率作为参考频率，即参考频率ω_s＝ω_o，参考频率ω_s的单位为rad/s。

得到参考频率后，在一个实施例中，可以根据式(3)确定单位周期序列长度N_2π：

其中，(int)为取整数；f_n为预设采样频率，单位为Hz；f_s为Hz单位的参考频率，ω_s为rad/s单位的参考频率；N_2π的单位无量纲。单位周期序列长度整数化存在1个采样间隔内的误差。

得到单位周期序列长度后，在一个实施例中，根据式(4)确定预设序列长度N：

N＝(int)(C_2πN_2π) (4)

其中，(int)为取整数；N的单位无量纲。从式(4)可以看出，预设序列长度N与整数信号周期数C_2π对应。预设序列长度N可以为单位周期序列长度N_2π的12倍。预设序列长度所包含的信号周期整数可能存在误差。

得到预设系列长度N后，根据预设序列长度，从所述初步采样序列中获取正向序列。在一个实施例中，基于式(2)得到的初步采样序列，本发明获取的正向序列X_i(n)为式(5)：

n＝0,1,2,3,.....,N-1

(5)

N≤N_start

其中，X_start(n)为初步采样序列；A为信号幅值，单位可以为v；ω为信号频率，单位为rad/s；T_n为采样间隔，单位为s；n为序列离散数，单位无量纲；为信号初相位，单位为rad；N为正向序列长度，也即是预设序列长度，单位无量纲。

基于式(5)得到的正向序列，本发明的反褶序列X_-i(-n)为式(6)：

X_-i(-n)＝X_i(N-n)＝Acos(-ωT_nn+β)

n＝0,1,2,3,.....,N-1 (6)

其中，β为反褶序列初相位，反褶序列初相位是正向序列的截止相位，即所述电力信号的截止相位，单位为rad；N为反褶序列长度，如图2所示，反褶序列长度与正向序列长度相同，单位无量纲。

基于式(5)的正向序列和式(6)得到的反褶序列，本发明得到零初相位或初相位在零附近的余弦函数调制序列X_cos(n)为式(7)：

n＝0,1,2,3,.....,N-1

其中，为余弦函数调制序列幅值，单位可以为v；为余弦函数调制序列初相位，单位为rad。正向序列初相位和反褶序列初相位β的变化范围可以在0～±0.375πrad。

由于预设序列长度对应预设整数信号周期数存在误差，原因之一是参考频率误差引起的误差，原因之二是预设序列长度的整数化误差。如果所述的误差为零，则余弦函数调制序列初相位为零，反之余弦函数调制序列初相位在零附近。所述初相位与零值比较的误差与所述预设整数信号周期数的误差之间为正比关系。

本发明得到的所述余弦函数调制序列避开了信号序列初相位变化较大问题的影响，同时所述余弦函数调制序列携带了数值较大的信号序列全相位差信息，可显著的提高正弦参数测量的准确度、提高抗谐波和噪声干扰性。

基于同一发明构思，本发明还提供一种对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的系统，下面结合附图对本发明系统的具体实施方式做详细描述。

如图3所示，一种对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的系统，包括：

初步采样序列长度确定模块101，用于根据电力信号频率范围的下限、预设采样频率和预设整数信号周期数，得到初步采样序列长度；

初步采样序列获取模块102，用于根据所述初步采样序列长度对所述电力信号进行初步采样，获取所述电力信号的初步采样序列；

参考频率确定模块103，用于对所述初步采样序列进行频率初测，获取所述电力信号的初步频率，根据所述初步频率确定参考频率；

单位周期序列长度确定模块104，用于根据所述预设采样频率和所述参考频率，得到所述电力信号的单位周期序列长度；

预设序列长度确定模块105，用于根据所述预设整数信号周期数和所述单位周期序列长度，得到预设序列长度；

正向序列获取模块106，用于根据所述预设序列长度，从所述初步采样序列中获取正向序列；

反褶序列获取模块107，用于将所述正向序列反向输出，获取所述正向序列的反褶序列；

余弦函数调制序列确定模块108，用于将所述正向序列和所述反褶序列相加，得到零初相位余弦函数调制序列。

电力信号是一种基波成分为主的正弦信号。正弦信号广指正弦函数信号和余弦函数信号。电力信号频率范围一般为45Hz～55Hz。所以电力信号频率范围的下限f_min可以取为45Hz。预设整数信号周期数C_2π可以根据实际需要进行设置，例如，可以将预设整数信号周期数C_2π设置为偶数。在一个实施例中，所述初步采样序列长度确定模块101可以根据确定初步采样序列长度 N_start，其中(int)表示取整，f_n为预设采样频率。

所述初步采样序列长度确定模块101得到初步采样序列长度后，初步采样序列获取模块102根据初步采样序列长度对电力信号进行初步采样。例如，所述电力信号为单基波频率的余弦函数信号，初步采样序列获取模块102根据初步采样序列长度对单基波频率的余弦函数信号进行初步采样，获得的电力信号的初步采样序列X_start(n)为：其中，A为信号幅值；ω为信号频率；为采样间隔；f_n为预设采样频率； n＝0,1,2,3,.....,N_start-1，为序列离散数；为信号初相位；N_start为初步采样序列长度。

初步采样序列获取模块102得到初步采样序列后，参考频率确定模块103 可以通过零交法、基于滤波的算法、基于小波变换算法、基于神经网络的算法、基于DFT变换的频率算法或基于相位差的频率算法等对初步采样序列进行频率初测，获取初步频率ω_o。在一个实施例中，参考频率确定模块103可以将该初步频率作为参考频率，即参考频率ω_s＝ω_o。

参考频率确定模块103得到参考频率后，在一个实施例中，单位周期序列长度确定模块104可以根据确定单位周期序列长度N_2π。其中(int) 为取整数，f_n为预设采样频率，f_s为Hz单位的参考频率，ω_s为rad/s 单位的参考频率。单位周期序列长度整数化存在1个采样间隔内的误差。

单位周期序列长度确定模块104得到单位周期序列长度后，在一个实施例中，预设序列长度确定模块105根据N＝(int)(C_2πN_2π)确定预设序列长度N。其中(int)为取整数，C_2π为预设整数信号周期数，N_2π为单位周期序列长度。从该式可以看出，预设序列长度N与整数信号周期数C_2π对应。预设序列长度N可以为单位周期序列长度N_2π的12倍。预设序列长度所包含的信号周期整数可能存在误差。

预设序列长度确定模块105得到预设系列长度N后，正向序列获取模块106 根据预设序列长度，从所述初步采样序列中获取正向序列。在一个实施例中，基于上述初步采样序列获取模块102得到的初步采样序列，正向序列获取模块 106获取的正向序列X_i(n)为：其中，X_start (n)为初步采样序列；A为信号幅值；ω为信号频率；T_n为采样间隔； n＝0,1,2,3,.....,N-1，为序列离散数；N≤N_start；为信号初相位；N为正向序列长度，也即是预设序列长度。

基于上述正向序列获取模块106获取的正向序列，反褶序列获取模块107 得到的反褶序列X_-i(-n)为：X_-i(-n) ＝ X_i(N-n) ＝ Acos(- ω T_nn+ β ) 其中 n＝0,1,2,3,.....,N-1；β为反褶序列初相位，反褶序列初相位是正向序列的截止相位，即所述电力信号的截止相位；N为反褶序列长度，如图2所示，反褶序列长度与正向序列长度相同。

基于上述正向序列获取模块106获取的正向序列和反褶序列获取模块107 得到的反褶序列，余弦函数调制序列确定模块108得到的零初相位或初相位在零附近的余弦函数调制序列X_cos(n)为：

n＝0,1,2,3,.....,N-1

其中，为余弦函数调制序列幅值；为余弦函数调制序列初相位。正向序列初相位和反褶序列初相位β的变化范围可以在0～± 0.375πrad。

由于预设序列长度对应预设整数信号周期数存在误差，原因之一是参考频率误差引起的误差，原因之二是预设序列长度的整数化误差。如果所述的误差为零，则余弦函数调制序列初相位为零，反之余弦函数调制序列初相位在零附近。所述初相位与零值比较的误差与所述预设整数信号周期数的误差之间为正比关系。

本发明得到的所述余弦函数调制序列避开了信号序列初相位变化较大问题的影响，同时所述余弦函数调制序列携带了数值较大的信号序列全相位差信息，可显著的提高正弦参数测量的准确度、提高抗谐波和噪声干扰性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的方法，其特征在于，包括步骤：

根据电力信号频率范围的下限、预设采样频率和预设整数信号周期数，得到初步采样序列长度；

根据所述初步采样序列长度对所述电力信号进行初步采样，获取所述电力信号的初步采样序列；

对所述初步采样序列进行频率初测，获取所述电力信号的初步频率，根据所述初步频率确定参考频率；

根据所述预设采样频率和所述参考频率，得到所述电力信号的单位周期序列长度；

根据所述预设整数信号周期数和所述单位周期序列长度，得到预设序列长度；

根据所述预设序列长度，从所述初步采样序列中获取正向序列；

将所述正向序列反向输出，获取所述正向序列的反褶序列；

将所述正向序列和所述反褶序列相加，得到零初相位余弦函数调制序列。

2.根据权利要求1所述的对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的方法，其特征在于，根据确定初步采样序列长度N_start，其中(int)表示向下取整，C_2π为预设整数信号周期数，f_n为预设采样频率，f_min为电力信号频率范围的下限。

3.根据权利要求1所述的对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的方法，其特征在于，根据确定单位周期序列长度N_2π，其中(int)为向下取整数，f_n为预设采样频率，ω_s为参考频率。

4.根据权利要求1所述的对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的方法，其特征在于，根据N＝(int)(C_2πN_2π)获得所述预设序列长度N，其中(int)表示向下取整数，C_2π为所述预设整数信号周期数，N_2π为所述单位周期序列长度。

5.根据权利要求1所述的对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的方法，其特征在于，所述电力信号为单基波频率的余弦函数信号，所述初步采样序列其中A为信号幅值，ω为信号频率，T_n为采样间隔，f_n为预设采样频率，n＝0,1,2,3,.....,N_start-1，N_start为初步采样序列长度，为信号初相位；

所述正向序列其中，n＝0,1,2,3,.....,N-1，N≤N_start，N为预设序列长度；

所述反褶序列X_-i(-n)＝X_i(N-n)＝Acos(-ωT_nn+β)，其中β为所述电力信号的截止相位。

6.一种对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的系统，其特征在于，包括：

初步采样序列长度确定模块，用于根据电力信号频率范围的下限、预设采样频率和预设整数信号周期数，得到初步采样序列长度；

初步采样序列获取模块，用于根据所述初步采样序列长度对所述电力信号进行初步采样，获取所述电力信号的初步采样序列；

参考频率确定模块，用于对所述初步采样序列进行频率初测，获取所述电力信号的初步频率，根据所述初步频率确定参考频率；

单位周期序列长度确定模块，用于根据所述预设采样频率和所述参考频率，得到所述电力信号的单位周期序列长度；

预设序列长度确定模块，用于根据所述预设整数信号周期数和所述单位周期序列长度，得到预设序列长度；

正向序列获取模块，用于根据所述预设序列长度，从所述初步采样序列中获取正向序列；

反褶序列获取模块，用于将所述正向序列反向输出，获取所述正向序列的反褶序列；

余弦函数调制序列确定模块，用于将所述正向序列和所述反褶序列相加，得到零初相位余弦函数调制序列。

7.根据权利要求6所述的对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的系统，其特征在于，所述初步采样序列长度确定模块根据确定初步采样序列长度N_start，其中(int)表示向下取整，C_2π为预设整数信号周期数，f_n为预设采样频率，f_min为电力信号频率范围的下限。

8.根据权利要求6所述的对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的系统，其特征在于，所述单位周期序列长度确定模块根据确定单位周期序列长度N_2π，其中(int)为向下取整数，f_n为预设采样频率，ω_s为参考频率。

9.根据权利要求6所述的对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的系统，其特征在于，所述预设序列长度确定模块根据N＝(int)(C_2πN_2π)获得所述预设序列长度N，其中(int)表示向下取整数，C_2π为所述预设整数信号周期数，N_2π为所述单位周期序列长度。

10.根据权利要求6所述的对电力信号序列进行零初相位余弦函数调制的系统，其特征在于，所述电力信号为单基波频率的余弦函数信号，所述初步采样序列其中A为信号幅值，ω为信号频率，T_n为采样间隔，f_n为所述预设采样频率，n＝0,1,2,3,.....,N_start-1，N_start为初步采样序列长度，为信号初相位；

所述正向序列其中，n＝0,1,2,3,.....,N-1，N≤N_start，N为预设序列长度；

所述反褶序列X_-i(-n)＝X_i(N-n)＝Acos(-ωT_nn+β)，其中β为所述电力信号的截止相位。