CN106802368A - 一种基于频域插值的广域电网相量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频域插值的广域电网相量测量方法，首先，对电网信号进行采样并利用三阶最大旁瓣衰减窗对采样信号进行加权，然后对加权后的信号做离散傅里叶变换得到频谱函数，通过三谱线插值算法实现频率偏移值的计算，最后得到电网信号的频率，幅值和相角，实现电网信号相量的测量。该方法可以确定采样频率、窗函数等对测量结果的影响，能有效提高电网信号检测精度，而且计算量小。

Description

一种基于频域插值的广域电网相量测量方法

技术领域

本发明涉及信号测量领域，具体是一种基于频域插值的广域电网相量测量方法。

背景技术

随着电力系统的快速发展，电力系统的规模越来越大，运行的环境也越来越复杂，维持电力网络的安全、健康、可持续发展成为一个亟待解决的问题。为解决复杂、庞大的电力网络日益突出的问题，电力系统需要运用创新的方法和技术手段来确保电网的运行和控制能力，保证电网能在一个安全稳定的环境中运行。电网相量测量实际上是对电网信号的频率、幅值和相角这三个特征量的测量。电网向量作为反映电力系统运行特性的重要参数，及时、准确地测量系统的相量参数，可以预测系统是否将失去稳定，并通过切机、切负荷控制等保证系统的安全运行，防止事故进一步的扩大，从而导致系统的崩溃。因此实现电网相量的快速准确测量是非常必需且意义深远的。

早期的相量测量方法是将交流信号的波形送到控制中心，进行表面的分析和比较，这种方法不严谨且存在时延，测量精度低。随着国内网学者对相量测量的深入研究，已提出了很多电压和电流的相量测量方法，如：过零检测法、基于泰勒展开模型的算法、基于神经网络的算法、最小二乘多项式曲线拟合法、解析法、FFT等。其中，FFT算法因其易于微机实现而被广泛运用。而本专利就是选择的FFT算法。然而当被测信号频率发生变化导致非同步采样或对信号进行非整数周期截断时，FFT存在栅栏效应和频谱泄露现象，使得相量测量的误差较大。为此，可以选择性能优良的窗函数及对计算结果进行插值修正可减小非同步采样或数据非整周期截断引起的误差。

发明内容

本发明的目的是为了针对现有技术存在的不足，提供了一种简单易懂、精度更高、计算速度更快的相量测量方法。

本发明提出的解决方案为：首先，对电网信号进行采样并用三阶最大旁瓣衰减窗对采样信号进行加权，然后对加权后的信号做离散傅里叶变换得到频谱函数，通过三谱线插值算法实现频率偏移值的计算，最后得到电网信号的频率，幅值和相角，实现电网信号相量的测量。

本发明提出的基于频域插值的广域电网相量测量方法包括以下步骤：用采样频率f_s对电网信号进行采样，得到长度为M的离散采样序列x(m)；利用三阶最大旁瓣衰减窗w(m)对离散化的电网信号进行加权得到加权序列x_w(m)＝x(m)w(m)，然后对加权序列做离散傅里叶变换得到频谱函数X_w(m)，通过三谱线插值算法计算信号频率偏移值δ，由频率偏移值计算电网信号的频率f₀，幅值A₀和相角实现电网相量的测量。

所述的方法，关于频率分量偏移值δ的求解，由频谱函数其中函数W(m)的计算表达式为通过搜索|X_w(m)|，其中||表示取模值，得到幅值最大的谱线的位置l及其左右两根谱线位置，即l-1和l+1，由插值表达式η：继而得到频率偏移量δ的计算式：

进而可计算电网信号的频率为

所述的方法，电网信号的幅值A₀的计算式为：

所述的方法，电网信号的相角的计算式为：

其中Phase{}是求相角运算。

本发明基于频域插值的广域电网相量测量方法，具有简单易懂、计算速度更快、精度更高等特点，采用加窗插值方法计算信号的频率，从而降低栅栏效应和频谱泄露对频率计算的影响，选用FFT算法使得计算更加快速，易于微机实现。

附图说明

图1是基于频域插值的广域电网相量测量方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于频域插值的广域电网相量测量方法。以下结合附图作详细说明：

本发明实现基于频域插值的广域电网相量测量方法的流程图如图1所示，其具体步骤包括：

第一步，设置固定采样频率f_s＝4000Hz，对输入信号进行离散采样，得到采样序列x(m)；

第二步，用长度M＝1024的三阶最大旁瓣衰减窗对离散序列进行加权，得到x_w(m)＝x(m)w(m)；

第三步，对加权信号x_w(m)进行快速傅里叶变换，得到频谱函数|X_w(m)|；

第四步，查找频谱函数|X_w(m)|，得到幅值最大的谱线的位置l＝14及其左右两根谱线位置，即13和15，相应的频谱幅值|X_w(l)|＝81.78，|X_w(l-1)|＝61.6和|X_w(l+1)|＝48.08，由插值表达式计算得到η＝-0.1657；

第五步，由频率分量偏移值计算得到δ＝-0.1488；

第六步，由频率，幅值，相角的计算公式

得到输入信号的频率f₀＝50.2Hz，幅值A₀＝220，相角

Claims (4)

1.一种基于频域插值的广域电网相量测量方法，其特征在于：用采样频率f_s对电网信号进行采样，得到长度为M的离散采样序列x(m)；利用三阶最大旁瓣衰减窗w(m)对离散化的电网信号进行加权得到加权序列x_w(m)＝x(m)w(m)，然后对加权序列做离散傅里叶变换得到频谱函数X_w(m)，通过三谱线插值算法计算信号频率偏移值δ，由频率偏移值计算电网信号的频率f₀，幅值A₀和相角实现电网相量的测量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述频率分量偏移值δ的求解，由频谱函数其中函数W(m)的计算表达式为通过搜索|X_w(m)|，其中||表示取模值，得到幅值最大的谱线的位置l及其左右两根谱线位置，即l-1和l+1，由插值表达式：继而获得到频率偏移量δ的计算式：

$\mathrm{\δ}=\frac{-5+\sqrt{25+9{\mathrm{\η}}^2}}{\mathrm{\η}}$

进而可计算电网信号的频率为

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电网信号的幅值A₀的计算式为：

$A_0=\frac{4\mathrm{\π}\mathrm{\δ}\left|X_w\left(l\right)\right|}{3M\sin \left(\mathrm{\π}\mathrm{\δ}\right)}(1-{\mathrm{\δ}}^2)(4-{\mathrm{\δ}}^2)$

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电网信号的相角的的计算式为：

其中Phase{}是求相角运算。