CN109581056A - 一种基于基波频率预测的时变信号谐波分析方法及系统 - Google Patents

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何昊
黄杨琪
曾伟
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Nanchang Ke Chen Electric Power Test Research Co Ltd
State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co Ltd
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Nanchang Ke Chen Electric Power Test Research Co Ltd
State Grid Corp of China SGCC
Electric Power Research Institute of State Grid Jiangxi Electric Power Co Ltd
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
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Abstract

一种基于基波频率预测的时变信号谐波分析方法和系统，所述系统由输入滤波器、插值器、滤波器级联、余弦滚降窗模块、快速FFT变换模块、频率控制器组成。所述方法将采样信号先通过输入滤波器滤除测量设备中所夹杂的噪声，然后再通过线性插值器保证一个周期内信号的样本数是固定的2的整数次幂，再通过滤波器的级联和余弦滚降窗来防止能量分散到旁瓣。通过PID控制器来估计频率并且反馈到线性插值器模块来调整插值的时间间隔以确保输出的信号采样值是严格的2的整数次幂。最后对得到电压和电流的原始数据可以对其进行FFT变换，进行进一步的电流、电压、阻抗分析。

Description

一种基于基波频率预测的时变信号谐波分析方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于基波频率预测的时变信号谐波分析方法及系统，属电力系统测试技术领域。
背景技术
如何精准的对谐波进行测量是对电网电能质量问题进行分析的基础，目前大量使用的是FFT变换。但是FFT变换要求对信号进行同步采样，即采样频率与信号周期之间保持整数倍关系，由于实际电网频率是不断变化的，这样就造成采样的不同步问题，如果出现采样不同步将造成频谱泄漏及频谱混叠，给谐波测量造成误差。
硬件锁相环实现的同步采样，需要实时调整采样频率，频率的锁定需要时间，受限于滤波器及相关器件，很难做到很宽的频域，也很难保证频谱特别丰富时的准确性，当基波频率较高时，由于滤波器限制了所支持的基本频率上限，同步采样的设计难度加大。
发明内容
本发明的目的是，针对非同步信号的谐波测量问题，本发明提出了一种基于基波频率预测的时变信号谐波分析方法及系统。
本发明实现的技术方案为，一种基于基波频率预测的时变信号谐波分析方法，步骤如下：
(1)模拟信号通过ADC模数转换器转换为数字信号；
(2)数字信号通过输入滤波器滤除噪声；
(3)无噪声的数字信号进入插值器，以保证每个周期内的固定插值数；
(4)经过插值器的信号进入半带FIR滤波器级联；
(5)信号输入升余弦滚降窗以防止信号能量分散到旁瓣；
(6)输出的离散信号一路进入PID控制器进行频率估计；另一路作为原始数据进行傅里叶变换；
(7)进入频率控制器的离散信号经由直流偏置补偿后进行正交调制，转化为直流频率信号，经过滑动平均滤波器后由PID控制输出控制信号，该控制信号用以控制步骤(3)插值器的间隔，保证一个基波周期的固定插值数，形成闭环控制；
(8)在频率控制器中为减少波纹信号的影响，在滑动平均滤波器后增加使用半带低通FIR滤波器的级联以减少比例控制器对于纹波控制信号的敏感性；
(9)进入傅里叶变换的离散信号经过傅里叶变换后输出所需要的结果。
一种基于基波频率预测的时变信号谐波分析系统，包括输入滤波器、插值器、滤波器级联、余弦滚降窗模块、快速FFT变换模块和频率控制器；所述频率控制器包括PID控制器和滑动平均滤波器。
模拟信号通过ADC模数转换器转换为数字信号，数字信号通过输入滤波器滤除噪声；无噪声的数字信号进入插值器；经过插值器的信号进入滤波器级联；信号输入余弦滚降窗模块；余弦滚降窗模块输出的离散信号一路进入PID控制器进行频率估计，另一路作为原始数据进行FFT变换；进入频率控制器的离散信号经由直流偏置补偿后进行正交调制，转化为直流频率信号，经过滑动平均滤波器后由PID控制器输出控制信号，形成闭环控制；进入FFT变换模块的离散信号经过傅里叶变换后输出所需要的结果。
所述输入滤波器采用IIR切比雪夫一型低通滤波器。
所述插值器采用线性插值；所述插值器保证一个周期内信号的样本数是固定的2的整数次幂，插值器的设计根据下面几个表达式：
Tin≤Tout≤2Tin
k＝0,1,2,…,u
其中，Tin为两个输入值之间的间隔；Tout为插值器输出的两个数之间的间隔；i[n]为输入信号；k为插值器输出值的顺序；o[k]为输出信号。
所述滤波器级联采用2个FIR半带滤波器级联；FIR半带滤波器级联用于降低采样率。
所述余弦滚降窗模块用于防止信号能量分散到旁瓣；采用以下公式计算：
其中，blocknew为经过余弦滚降窗后的块；blockold为旧的样本块。
所述频率控制器中采用半带低通FIR滤波器的级联来对进入PID控制器前的信号进行处理，以减少比例控制器对于纹波控制信号的敏感性；滑动平均滤波器将基波频率估计信号分别给FIR滤波器的级联和PID控制器。
本发明的有益效果是，本发明使用PID控制，并考虑纹波信号对系统的影响，解决了当信号低频带出现间谐波时可能存在的PI控制器震荡或者无法得到预测值的问题。
附图说明
图1为本发明方法实施的流程图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如图1所示。
本实施例系统包括输入滤波器、插值器、滤波器级联、余弦滚降窗模块、快速FFT变换模块和频率控制器。
现以10M采样率为例对本发明方法进行进一步说明：
将模拟信号通过ADC模数转换器转换为数字信号，假设信号采样频率为10M，此时每秒有10M个样本数据。
数字信号通过输入滤波器IIR滤波器滤除噪声，通过IIR滤波器后样本数每秒依然为10M个。
IIR滤波器输出无噪声的数字信号进入插值器，插值器的作用为在一个周期内插入数量不变的输入值，以保证快速傅里叶变换所需要的同步离散信号。本实施例采用的是线性插值器。由于电网频率一般在50Hz左右波动，故限值频率范围为45Hz-55Hz，因此经过线性插值器后，一个基波周期的样本数在2的17次方也就是131072个样本数。
经过插值器后的信号进入滤波器级联，因为目标分析的频带在输入信号的采样率之下，所以用半带FIR滤波器的级联来降低采样率，每个滤波器将采样率减少一半，使用2个滤波器级联，及此时样本数在2的15次方也就是32768个样本数。
插值器输出的信号输入升余弦滚降窗模块，窗函数的作用是防止信号能量分散到旁瓣。
输出的离散信号一路进入频率控制器进行频率估计；另一路作为原始数据进入FFT变换模块进行傅里叶变换。
进入频率控制器的离散信号经由直流偏置补偿后进行正交调制，转化为直流频率信号，经过滑动平均滤波器后由PID控制输出控制信号，该控制信号用以控制插值器的插值间隔，保证一个基波周期的固定插值数，形成闭环控制。
在频率控制器中为减少波纹信号的影响，在滑动平均滤波器后增加使用半带低通FIR滤波器的级联以减少比例控制器对于纹波控制信号的敏感性。
本实施例的频率控制器采用比例积分控制器PI。利用阶跃响应的方法来确定控制器的参数。放大系数设置成0.25，复位时间设置成200ms。
因为执行FFT变换模块的基本周期的长度要根据电网的当前频率，所以要有一个频率控制器去跟踪并且调整FFT的长度。频率控制器主要是调整插值器运行的基本周期长度。
进入FFT变换模块的离散信号经过傅里叶变换后，在以10M为采样频率的条件下，可以得到10000次谐波的结果。

Claims (7)

1.一种基于基波频率预测的时变信号谐波分析方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
(1)模拟信号通过ADC模数转换器转换为数字信号；
(2)数字信号通过输入滤波器滤除噪声；
(3)无噪声的数字信号进入插值器，以保证每个周期内的固定插值数；
(4)经过插值器的信号进入半带FIR滤波器级联；
(5)信号输入余弦滚降窗以防止信号能量分散到旁瓣；
(6)输出的离散信号一路进入PID控制器进行频率估计；另一路作为原始数据进行傅里叶变换；
(7)进入频率控制器的离散信号经由直流偏置补偿后进行正交调制，转化为直流频率信号，经过滑动平均滤波器后由PID控制输出控制信号，该控制信号用以控制步骤(3)插值器的间隔，保证一个基波周期的固定插值数，形成闭环控制；
(8)在频率控制器中为减少波纹信号的影响，在滑动平均滤波器后增加使用半带低通FIR滤波器的级联以减少比例控制器对于纹波控制信号的敏感性；
(9)进入FFT变换模块的离散信号经过傅里叶变换后输出所需要的结果。
2.一种基于基波频率预测的时变信号谐波分析系统，其特征在于，所述系统包括输入滤波器、插值器、滤波器级联、余弦滚降窗模块、快速FFT变换模块和频率控制器；所述频率控制器包括PID控制器和滑动平均滤波器；
模拟信号通过ADC模数转换器转换为数字信号，数字信号通过输入滤波器滤除噪声；无噪声的数字信号进入插值器；经过插值器的信号进入滤波器级联；信号输入余弦滚降窗模块；余弦滚降窗模块输出的离散信号一路进入PID控制器进行频率估计，另一路作为原始数据进行FFT变换；进入频率控制器的离散信号经由直流偏置补偿后进行正交调制，转化为直流频率信号，经过滑动平均滤波器后由PID控制器输出控制信号，形成闭环控制；进入FFT变换模块的离散信号经过傅里叶变换后输出所需要的结果。
3.根据权利要求2所述的一种基于基波频率预测的时变信号谐波分析系统，其特征在于，所述输入滤波器采用IIR切比雪夫一型低通滤波器。
4.根据权利要求2所述的一种基于基波频率预测的时变信号谐波分析系统，其特征在于，所述插值器采用线性插值；所述插值器保证一个周期内信号的样本数是固定的2的整数次幂，插值器的设计根据以下表达式：
Tin≤Tout≤2Tin
k＝0,1,2,…,u
其中，Tin为两个输入值之间的间隔；Tout为插值器输出的两个数之间的间隔；i[n]为输入信号；k为插值器输出值的顺序；o[k]为输出信号。
5.根据权利要求2所述的一种基于基波频率预测的时变信号谐波分析系统，其特征在于，所述滤波器级联采用2个FIR半带滤波器级联，用于降低采样率。
6.根据权利要求2所述的一种基于基波频率预测的时变信号谐波分析系统，其特征在于，所述余弦滚降窗模块用于防止信号能量分散到旁瓣；采用以下公式计算：
其中，blocknew为经过余弦滚降窗后的块；blockold为旧的样本块。
7.根据权利要求2所述的一种基于基波频率预测的时变信号谐波分析系统，其特征在于，所述频率控制器中采用半带低通FIR滤波器的级联来对进入PID控制器前的信号进行处理，以减少比例控制器对于纹波控制信号的敏感性；滑动平均滤波器将基波频率估计信号分别给FIR滤波器的级联和PID控制器。
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