CN112162144A - 一种基于卷积增益的电网频率快速测量方法及装置 - Google Patents

一种基于卷积增益的电网频率快速测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于卷积增益的电网频率快速测量方法及装置，用采样频率fs对电网信号进行采样，得到长度为N的离散采样序列x(n)；用带通滤波器对x(n)进行滤波后得到新序列s(n)；构造p阶I型线性相位滤波器hp(n)，求出s(n)与hp(n)的卷积序列并截取与s(n)等长的序列y(n)；若是s(n)含有零值，用理想平均滤波器hRA(n)分别对s(n)和y(n)校正得到As(n)和Ay(n)；若是s(n)不含有零值，则令As(n)和Ay(n)分别等于s(n)和y(n)；用Ay(n)与As(n)的比值求出p阶I型线性相位滤波器hp(n)增益值G(ω)，从而利用G(ω)的反函数计算出电网频率。本发明可在保证频率测量高精度的前提下减少算法的计算量，本发明可在单周期内实现频率测量，具有实现简单、实时性好、精度高的特点。

Description

一种基于卷积增益的电网频率快速测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种基于卷积增益的电网频率快速测量方法及装置，属电网技术领域。
背景技术
频率是电力系统和电气设备的重要运行参数，我国电力系统的额定工作频率为50Hz，“电力工业技术管理法规”中规定的频率偏差范围为±0.2—±0.5Hz，其目的是为了保证电力系统的稳定运行。由于电能不能存储，而负荷又是随时变化的，负荷的变化会引起电力系统频率的变化，系统动态频率直接影响电能质量和电网运行的安全性与稳定性。频率测量是电力系统和电气设备运行、监测、控制以及继电保护的基础。
随着我国电力系统不断发展，煤电、水电基地以及核电基地的建设，远距离、大规模输电网络使输电线路趋于重载，输电线路因事故断开对受端系统频率稳定性的威胁增大；以核原料、煤炭等为燃料的电源刚性化增加，对负荷变化的响应性能变差；大型机组对频率偏移的要求更加苛刻，频率过高或过低都可能引起保护装置动作，容易引起频率大幅偏移导致的连锁事故；互联同步电网地域广阔，分布式电源大量并网，电网系统频率动态变化，这都要求电力系统频率测量算法具有很高的实时性，以确保系统的安全稳定运行。然而，目前的频率测量方法经常采用整周期采样点进行计算，这些方法在采样周期较少时的测量精度非常差，而使用采样周期比较长的时候，这些方法的实时性又会很差，最终会导致所测量的频率有很大误差，难以满足电网频率快速测量的需求。
公开号CN105629060A公开了一种基于最优基带滤波的电网频率测量方法和装置，在首次获取三个连续时刻的采样数据序列后，采用N个基带滤波器对当前时刻的采样数据序列进行滤波，从N个滤波值中挑选滤波值最大的滤波器作为最优基带滤波器；该发明通过搜索最优滤波器，使得滤波后的电网采样信号始终具有较高的幅值。在实际测量中,该方法需要使用N个基带滤波器对当前时刻的采样序列进行滤波计算,然后才能搜索到最优滤波器,多次滤波计算会增加频率测量时间,降低测量方法的实时性,难以满足电网频率快速测量的要求。
发明内容
本发明的目的是，为了克服了传统频率测量方法运算量大和实时性差的缺点，提出一种基于卷积增益的电网频率快速测量方法及装置。
为实现上述目的，本发明实施方式的一方面提供一种基于卷积增益的电网频率快速测量方法，所述方法用采样频率fs对电网信号进行采样，得到长度为N的离散采样序列x(n)；用带通滤波器对x(n)进行滤波后得到新序列s(n)；构造p阶I型线性相位滤波器hp(n)，求出s(n)与hp(n)的卷积序列并截取与s(n)等长的序列y(n)；若是s(n)含有零值，用理想平均滤波器hRA(n)分别对s(n)和y(n)校正得到As(n)和Ay(n)；若是s(n)不含有零值，则令As(n)和Ay(n)分别等于s(n)和y(n)；用Ay(n)与As(n)的比值求出p阶I型线性相位滤波器hp(n)增益值G(ω)，从而利用G(ω)的反函数计算出电网频率。
进一步的，基于I型线性相位滤波器h1(n)＝[0.25,0.5,0.25]，构造长度可选的p阶I型线性相位滤波器hp(n)，其数学表达式为：
Figure BDA0002639323970000021
其中*表示卷积运算，Np为滤波器hp(n)的长度；计算s(n)与hp(n)的卷积，并取出卷积结果序列中心的N点序列为y(n)；得到hp(n)的频率响应为：
Hp(ejω)＝(H0(ejω))p+1＝(0.5+0.5cos(ω))p+1；式中，ω为角频率。
进一步的，所述理想平均滤波器hRA(n)的表达式为hRA[n]＝1,0≤n＜Np；若是s(n)含有零值，用hRA(n)分别校正s(n)与y(n)得到：
Ay(n)＝RA{y(n)}，As(n)＝RA{s(n)}
其中，RA代表使用滤波器hRA(n)对输入信号的滤波操作。
进一步的，所述电网频率计算如下：
用Ay(n)与As(n)求出p阶I型线性相位滤波器hp(n)增益值G(ω)＝Ay(n)/As(n)；增益值G(ω)为hp(n)的幅频响应，即有G(ω)＝|Hp(ejω)|＝|(0.5+0.5cos(ω))p+1|；计算角频率为
Figure BDA0002639323970000031
得到电网频率
Figure BDA0002639323970000032
为实现上述目的，本发明实施方式的另一方面还提供一种基于卷积增益的电网频率快速测量装置，包括：用采样频率fs对电网信号进行采样，得到长度为N的离散采样序列x(n)的信号采样模块，用带通滤波器对x(n)进行滤波后得到新序列s(n)的滤波模块，用于构造p阶I型线性相位滤波器hp(n)，求出s(n)与hp(n)的卷积序列并截取与s(n)等长的序列y(n)的y(n)截取模块，用于判断s(n)是否含有零值的零值判断模块，用于当s(n)含有零值时，用理想平均滤波器hRA(n)分别对s(n)和y(n)校正得到As(n)和Ay(n)，当s(n)不含有零值时，则令As(n)和Ay(n)分别等于s(n)和y(n)的As(n)和Ay(n)计算模块，用Ay(n)与As(n)的比值求出p阶I型线性相位滤波器hp(n)增益值G(ω)的增益值计算模块，用G(ω)的反函数计算出电网频率的电网频率计算模块。
进一步的，基于I型线性相位滤波器h1(n)＝[0.25,0.5,0.25]，构造长度可选的p阶I型线性相位滤波器hp(n)，其数学表达式为：
Figure BDA0002639323970000041
其中*表示卷积运算，Np为滤波器hp(n)的长度；计算s(n)与hp(n)的卷积，并取出卷积结果序列中心的N点序列为y(n)；得到hp(n)的频率响应为：
Hp(ejω)＝(H0(ejω))p+1＝(0.5+0.5cos(ω))p+1；式中，ω为角频率。
进一步的，所述理想平均滤波器hRA(n)的表达式为hRA[n]＝1,0≤n＜Np；当s(n)含有零值时，用hRA(n)分别校正s(n)与y(n)得到：
Ay(n)＝RA{y(n)}，As(n)＝RA{s(n)}
其中，RA代表使用滤波器hRA(n)对输入信号的滤波操作。
进一步的，所述增益值计算模块计算如下：
用Ay(n)与As(n)求出p阶I型线性相位滤波器hp(n)增益值G(ω)＝Ay(n)/As(n)；增益值G(ω)为hp(n)的幅频响应，即有G(ω)＝|Hp(ejω)|＝|(0.5+0.5cos(ω))p+1|；
所述电网频率计算模块计算如下：
计算角频率为
Figure BDA0002639323970000042
得到电网频率
Figure BDA0002639323970000043
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种基于卷积增益的电网频率快速测量方法及装置，构造p阶I型线性相位滤波器并计算卷积增益，利用滤波器增益值的反函数计算电网频率，克服了传统频率测量方法难以同时满足高精度和高实时性的缺点。本发明根据带通滤波后的信号特征选择是否采用理想平均滤波器对输入信号进行校正，可在保证频率测量高精度的前提下减少算法的计算量。本发明可在单周期内实现频率测量，具有实现简单、实时性好、精度高的特点。
附图说明
图1为本发明实现基于卷积增益的电网频率快速测量方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明技术方案，并不限于本发明。
图1所示为本发明实施例基于卷积增益的电网频率快速测量方法的流程图。
本实施例中，采用美国安捷伦公司的信号发生器Agilent 33120A提供输入的信号(频率设置为49.55Hz)并连接至数据采集卡。数据采集卡选用美国国家仪器公司的NI USB-6210，其采样频率设置为850Hz，数据转换位数为16位并包含16个信号输入通道，选择其中一个输入通道与输入信号相连，NI USB-6210与计算机通过USB数据线连接。
计算机采用联想Thinkpad E470c笔记本电脑，安装美国国家仪器公司LabVIEW(2018版)软件，LabVIEW与NI USB-6210建立软件连接后，运行采集程序可以接收到长度为N＝17的离散采样序列x(n)，经过中心频率和带宽均为50Hz的带通滤波器后可得到新的离散序列s(n)。
根据最短I型线性相位滤波器h1(n)＝[0.25,0.5,0.25]，通过两次连续卷积构造长度可选的2阶I型线性相位滤波器h2(n)＝[0.0156,0.0938,0.2344,0.3125,0.2344,0.0938,0.0156]，求出滤波器h2(n)与于离散序列s(n)的卷积，取出中心的17点序列为y(n)。
生成理想平均滤波器hRA(n)为hRA[n]＝1,0≤n＜7，用hRA(n)分别校正s(n)与y(n)可得
Ay(n)＝RA{y(n)}，As(n)＝RA{s(n)}，
其中RA代表使用滤波器hRA(n)对输入信号的滤波操作。
用Ay(n)与As(n)求出2阶I型线性相位滤波器h2(n)增益值G(ω)＝Ay(n)/As(n)，然后可知电网角频率为
Figure BDA0002639323970000061
在本实施例中ω(n)＝[0.6442,0.6439,0.6250,0.5827,0.4321,0.3728,0.3668,0.3662,0.3660,0.3665,0.3656,0.3720,0.4271,0.5848,0.6425,0.6776,0.6816],因此可以得到电网频率为：
Figure BDA0002639323970000062
本发明实施方式的另一方面还提供一种基于卷积增益的电网频率快速测量装置，包括：用采样频率fs对电网信号进行采样，得到长度为N的离散采样序列x(n)的信号采样模块，用带通滤波器对x(n)进行滤波后得到新序列s(n)的滤波模块，用于构造p阶I型线性相位滤波器hp(n)，求出s(n)与hp(n)的卷积序列并截取与s(n)等长的序列y(n)的y(n)截取模块，用于判断s(n)是否含有零值的零值判断模块，用于当s(n)含有零值时，用理想平均滤波器hRA(n)分别对s(n)和y(n)校正得到As(n)和Ay(n)，当s(n)不含有零值时，则令As(n)和Ay(n)分别等于s(n)和y(n)的As(n)和Ay(n)计算模块，用Ay(n)与As(n)的比值求出p阶I型线性相位滤波器hp(n)增益值G(ω)的增益值计算模块，用G(ω)的反函数计算出电网频率的电网频率计算模块。
进一步的，基于I型线性相位滤波器h1(n)＝[0.25,0.5,0.25]，构造长度可选的p阶I型线性相位滤波器hp(n)，其数学表达式为：
Figure BDA0002639323970000071
其中*表示卷积运算，Np为滤波器hp(n)的长度；计算s(n)与hp(n)的卷积，并取出卷积结果序列中心的N点序列为y(n)；得到hp(n)的频率响应为：
Hp(ejω)＝(H0(ejω))p+1＝(0.5+0.5cos(ω))p+1；式中，ω为角频率。
进一步的，所述理想平均滤波器hRA(n)的表达式为hRA[n]＝1,0≤n＜Np；当s(n)含有零值时，用hRA(n)分别校正s(n)与y(n)得到：
Ay(n)＝RA{y(n)}，As(n)＝RA{s(n)}
其中，RA代表使用滤波器hRA(n)对输入信号的滤波操作。
进一步的，所述增益值计算模块计算如下：
用Ay(n)与As(n)求出p阶I型线性相位滤波器hp(n)增益值G(ω)＝Ay(n)/As(n)；增益值G(ω)为hp(n)的幅频响应，即有G(ω)＝|Hp(ejω)|＝|(0.5+0.5cos(ω))p+1|；
所述电网频率计算模块计算如下：
计算角频率为
Figure BDA0002639323970000072
得到电网频率
Figure BDA0002639323970000073
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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、改进及替代，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 (8)

1.一种基于卷积增益的电网频率快速测量方法，其特征在于，所述方法用采样频率fs对电网信号进行采样，得到长度为N的离散采样序列x(n)；用带通滤波器对x(n)进行滤波后得到新序列s(n)；构造p阶I型线性相位滤波器hp(n)，求出s(n)与hp(n)的卷积序列并截取与s(n)等长的序列y(n)；若是s(n)含有零值，用理想平均滤波器hRA(n)分别对s(n)和y(n)校正得到As(n)和Ay(n)；若是s(n)不含有零值，则令As(n)和Ay(n)分别等于s(n)和y(n)；用Ay(n)与As(n)的比值求出p阶I型线性相位滤波器hp(n)增益值G(ω)，从而利用G(ω)的反函数计算出电网频率。
2.根据权利要求1所述的一种基于卷积增益的电网频率快速测量方法，其特征在于，基于I型线性相位滤波器h1(n)＝[0.25,0.5,0.25]，构造长度可选的p阶I型线性相位滤波器hp(n)，其数学表达式为：
Figure FDA0002639323960000011
其中*表示卷积运算，Np为滤波器hp(n)的长度；计算s(n)与hp(n)的卷积，并取出卷积结果序列中心的N点序列为y(n)；得到hp(n)的频率响应为：
Hp(ejω)＝(H0(ejω))p+1＝(0.5+0.5cos(ω))p+1；式中，ω为角频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于卷积增益的电网频率快速测量方法，其特征在于，所述理想平均滤波器hRA(n)的表达式为hRA[n]＝1,0≤n＜Np；若是s(n)含有零值，用hRA(n)分别校正s(n)与y(n)得到：
Ay(n)＝RA{y(n)}，As(n)＝RA{s(n)}
其中，RA代表使用滤波器hRA(n)对输入信号的滤波操作。
4.根据权利要求1所述的一种基于卷积增益的电网频率快速测量方法，其特征在于，所述电网频率计算如下：
用Ay(n)与As(n)求出p阶I型线性相位滤波器hp(n)增益值G(ω)＝Ay(n)/As(n)；增益值G(ω)为hp(n)的幅频响应，即有G(ω)＝|Hp(ejω)|＝|(0.5+0.5cos(ω))p+1|；计算角频率为
Figure FDA0002639323960000021
得到电网频率
Figure FDA0002639323960000022
5.一种基于卷积增益的电网频率快速测量装置，其特征在于，包括：用采样频率fs对电网信号进行采样，得到长度为N的离散采样序列x(n)的信号采样模块，用带通滤波器对x(n)进行滤波后得到新序列s(n)的滤波模块，用于构造p阶I型线性相位滤波器hp(n)，求出s(n)与hp(n)的卷积序列并截取与s(n)等长的序列y(n)的y(n)截取模块，用于判断s(n)是否含有零值的零值判断模块，用于当s(n)含有零值时，用理想平均滤波器hRA(n)分别对s(n)和y(n)校正得到As(n)和Ay(n)，当s(n)不含有零值时，则令As(n)和Ay(n)分别等于s(n)和y(n)的As(n)和Ay(n)计算模块，用Ay(n)与As(n)的比值求出p阶I型线性相位滤波器hp(n)增益值G(ω)的增益值计算模块，用G(ω)的反函数计算出电网频率的电网频率计算模块。
6.根据权利要求5所述的一种基于卷积增益的电网频率快速测量装置，其特征在于，基于I型线性相位滤波器h1(n)＝[0.25,0.5,0.25]，构造长度可选的p阶I型线性相位滤波器hp(n)，其数学表达式为：
Figure FDA0002639323960000023
其中*表示卷积运算，Np为滤波器hp(n)的长度；计算s(n)与hp(n)的卷积，并取出卷积结果序列中心的N点序列为y(n)；得到hp(n)的频率响应为：
Hp(ejω)＝(H0(ejω))p+1＝(0.5+0.5cos(ω))p+1；式中，ω为角频率。
7.根据权利要求5所述的一种基于卷积增益的电网频率快速测量装置，其特征在于，所述理想平均滤波器hRA(n)的表达式为hRA[n]＝1,0≤n＜Np；当s(n)含有零值时，用hRA(n)分别校正s(n)与y(n)得到：
Ay(n)＝RA{y(n)}，As(n)＝RA{s(n)}
其中，RA代表使用滤波器hRA(n)对输入信号的滤波操作。
8.根据权利要求5所述的一种基于卷积增益的电网频率快速测量装置，其特征在于，所述增益值计算模块计算如下：
用Ay(n)与As(n)求出p阶I型线性相位滤波器hp(n)增益值G(ω)＝Ay(n)/As(n)；增益值G(ω)为hp(n)的幅频响应，即有G(ω)＝|Hp(ejω)|＝|(0.5+0.5cos(ω))p+1|；
所述电网频率计算模块计算如下：
计算角频率为
Figure FDA0002639323960000031
得到电网频率
Figure FDA0002639323960000032
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