CN112557781A

CN112557781A - 一种适用于校准器的宽频域信号测量方法

Info

Publication number: CN112557781A
Application number: CN202011132074.2A
Authority: CN
Inventors: 阚骁骢; 危国恩; 蔡燕春; 林杰; 刘灏; 毕天姝
Original assignee: North China Electric Power University; Guangzhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Current assignee: North China Electric Power University; Guangzhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2021-03-26

Abstract

本发明公开了一种适用于校准器的宽频域信号测量方法，首先对待测的电力信号提取时间窗长为T的数据；利用基于谱线拟合的谐波间谐波测量方法对提取数据进行计算，得到信号中各成分的幅值、相角、频率；再对前后1s谐波间谐波测量结果进行比较，对宽频信号进行静动态识别；若识别结果为静态，则提取更长时间窗T'的数据，再利用基于谱线拟合的谐波间谐波测量方法进行计算；若步骤三的识别结果为动态，则利用基于复序列带通滤波器的相量测量方法对所提数据进行重新计算，得到信号中各成分的幅值、相角、频率。利用该方法可以实现在含有多频率分量的复杂电力信号情况下，得到高精度的宽频测量结果，从而具有为宽频测量装置提供基准值的条件。

Description

一种适用于校准器的宽频域信号测量方法

技术领域

本发明涉及电力系统宽频信号测量技术领域，尤其涉及一种适用于校准器的宽频域信号测量方法。

背景技术

可再生能源大规模利用给电网注入了大量电力电子装备，使得电网中出现了大量的间谐波和高次谐波等宽频信号，这给应用于电网中的测量装置提出了监测范围要更迫切的需求。比相量测量单元(PMU)功能更全面的宽频测量装置亟需得以现场安装。同PMU装置需要通过PMU静动态测试系统进行严格的功能检测，为了保证宽频测量装置在投运后能够满足宽频信号的量测指标需求，有必要研发宽频装置测试系统，并针对宽频装置的量测精度进行全面和严格的测试。

现有的测试系统可以分为两类，一种是基于高精度信号源的测试系统，另一种是基于高精度校准器的测试系统。基于高精度信号源的测试系统对信号源的精度要求很高，而实际信号源存在功放延迟、硬件老化等问题。相比之下，基于高精度校准器的测试系统摆脱了对信号源的依赖性，校准器和待测装置会同时对发出的信号进行测量，因此这种测试系统的关键在于校准器的精度。为了实现对宽频测量装置实现测试校准，校准器需要具有一套高精度的宽频测量算法。

目前已有不少学者对谐波/间谐波测量方法进行了研究，现有算法在测量方法都存在一定的缺陷，没有一种能对静动态宽频信号进行高精度测量的方法。

发明目的

本发明的目的是提供一种适用于校准器的宽频域信号测量方法，利用该方法可以实现复杂的宽频域信号测量，计算出高精度的精准值，为宽频测量装置的测试校准提供基础。

发明内容

本发明提供了一种适用于校准器的宽频域信号测量方法，包括以下步骤：

步骤一、对待测的电力信号提取时间窗长为T的数据；

步骤二、利用基于谱线拟合的谐波间谐波测量方法对步骤一所提取的数据进行计算，得到电力信号中各成分的幅值、相角、频率；

步骤三、对前后1s谐波间谐波测量结果进行比较，对宽频信号进行静动态识别；

步骤四、若步骤三的识别结果为静态，则提取更长时间窗T'的数据，再利用基于谱线拟合的谐波间谐波测量方法进行计算；

步骤五、若步骤三的识别结果为动态，则利用基于复序列带通滤波器的相量测量方法对所提数据进行重新计算，得到信号中各成分的幅值、相角、频率。

进一步地，步骤一中所述时间窗长为T的数据指对于原始信号x(t)进行采样后，提取出窗长为T的采样序列，表示为：

式中，X(t_k)为窗长T内电力信号采样数据组成的序列，t_k为时间窗窗中时刻， f_s为采样率，N为窗长T/2对应的数据长度，x(t_k)为当前时刻的采样值。

再进一步地，步骤二中所述基于谱线拟合的谐波间谐波测量方法具体为：

对采样序列进行快速傅里叶变换得到对应频谱图中的离散谱线，谱线之间的间隔Δf与数据窗长T的关系如下所示：

通过对离散谱线进行曲线拟合，在确定频谱中的峰值位置后，用峰值结果来表示谐波间谐波的结果，谱线的曲线拟合表达式如下：

式中，X_n'表示第n条谱线对应的幅值，[p₀,p₁,…,p_k]^T为多项式系数，在已知谱线幅值的基础上，通过最小二乘法求解出多项式系数，即可得到谱线幅值与频率的多项式表达式，通过求出多项式在整个频谱范围内的所有极大值点位置，即可得到信号中每个成分的幅值A和频率f。

再进一步地，电力信号中各成分的相角通过频率关系进行计算，如下所示：

式中，f_r和f_l为分别为极大值右侧最近谱线和左侧最近谱线对应的频率，

和

为谱线对应的相角，

的确定方法如下：

更进一步地，步骤三中所述对信号进行静动态识别的具体方法为：对比前后1s的谱线拟合计算结果，如果前后1s的谐波间谐波幅值相差超过0.2％或者频率相差超过0.1Hz，则认为此刻时间窗T内的信号为动态信号，否则为静态信号。

再更进一步地，步骤五中所述基于复序列带通滤波器的相量测量方法具体为：

取实序列低通数字滤波器系数为h_l(k)，将其频域平移f Hz，得到复序列带通数字滤波器系数h(k)为：

h(k)＝h_l(k)e^-j2πfT(k)0≤k≤2N，

式中，T(k)为时标打在窗中的时间相量，T(k)表达式为：

利用复序列带通滤波器系数对采样序列X(t_k)进行滤波，得到电力信号中频率为f的正频分量，如下所示：

式中，

表示频率为f的正频分量；

在

的基础上获得相角相量如下所示：

在求解出相角的基础上，通过最小二乘法求解出频率，具体为：

将步骤二中基于谱线拟合的谐波间谐波测量方法求解出的谐波间谐波频率作为初值，得到复序列带通滤波器系数后，滤波修正后的结果即相量，从而得到动态信号中各成分的幅值、相角、频率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供一种适用于校准器的宽频域信号测量方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的宽频信号静动态识别方法示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面对本发明所提供的一种适用于校准器的宽频域信号测量方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

如图1所示，一种适用于校准器的宽频域信号测量方法，可以包括以下步骤：

步骤一、对待测的电力信号提取时间窗长为T的数据；

步骤二、利用基于谱线拟合的谐波间谐波测量方法对提取数据进行计算，得到信号中各成分的幅值、相角、频率；

具体地，该适用于校准器的宽频域信号测量方法包括以下实施方案：

(1)步骤一中所述时间窗长为T的数据，具体来说：

对于原始信号x(t)，对信号进行采样后，提取出窗长为T的采样序列可以表示如下

式中，X(t_k)为窗长T内电力信号采样数据组成的序列，t_k为时间窗窗中时刻， f_s为采样率，N为窗长T/2对应的数据长度，x(t_k)为当前时刻的采样值。因此X(t_k) 表示时标打在窗中的采样序列，在后续步骤中测量前后不会出现信号的相移。

(2)步骤二中所述基于谱线拟合的谐波间谐波测量方法，具体来说：

对采样序列进行快速傅里叶变换可以得到对应频谱图中的离散谱线，然而谱线之间的间隔Δf受到数据窗长T的影响，关系式如下

因此，当间谐波的频率不是Δf的整数倍时，直接用快速傅里叶变换的计算结果误差较大。为了提高测量精度，可以通过对谱线进行曲线拟合，在确定频谱中的峰值位置后，可以用峰值结果来表示谐波间谐波的结果。谱线的曲线拟合表达式如下：

式中，X_n'表示第n条谱线对应的幅值，[p₀,p₁,…,p_k]^T为多项式系数。在已知谱线幅值的基础上，可以通过最小二乘法求解出多项式系数。

在求解出多项式系数后，即可得到谱线幅值与频率的多项式表达式。通过求出多项式在整个频谱范围内的所有极大值点位置，即可得到信号中每个成分的幅值A和频率f。

信号中各成分的相角可以通过频率关系进行计算如下

和

为谱线对应的相角，

的确定方法如下

因此，通过谱线拟合的方法，可以求出信号中谐波间谐波的幅频、相角、频率。

(3)步骤三中所述对信号进行静动态识别，具体来说：

静动态识别的具体方法为对比前后1s的谱线拟合计算结果，如果前后1s的谐波间谐波幅值相差超过0.2％或者频率相差超过0.1Hz，则认为此刻时间窗T内的信号为动态信号，否则为静态信号。静动态识别的具体步骤可见图2。

(4)步骤五中所述基于复序列带通滤波器的相量测量方法，具体来说：

同步相量的计算可以通过先设计一组复序列带通滤波器，利用这种滤波器将电力信号中其他分量滤除，仅保留正频分量，这样可以实现相量的动态测量。可以看出基于复序列带通滤波器的相量测量方法能够对静动态信号进行有效测量，相比于基于谱线拟合的测量方法，有明显的优势，但计算量相对较大。

设计复序列带通数字滤波器可以通过对实序列低通数字滤波器在频域进行平移。取实序列低通数字滤波器系数为h_l(k)，为了滤出频率f的正频分量，需将滤波器在频域平移f Hz，得到的复序列带通数字滤波器系数h(k)为

h(k)＝h_l(k)e^-j2πfT(k)0≤k≤2N

式中，T(k)为时标打在窗中的时间相量，T(k)表达式为

利用复序列带通滤波器系数对采样序列X(t_k)进行滤波，就可以得到电力信号中频率为f的正频分量，如下所示

式中，

表示频率为f的正频分量。在

的基础上可以获得相量如下

在求解出相角的基础上，可以通过最小二乘法求解出频率。

将步骤二中基于谱线拟合的谐波间谐波测量方法求解出的谐波间谐波频率作为初值，得到复序列带通滤波器系数后，滤波修正后的结果就是相量，因此基于复序列带通滤波器的相量测量方法可以得到动态信号中各成分的幅值、相角、频率。

因此上述一种适用于校准器的宽频域信号测量方法可以实现高精度的相量测量，可以通过实际需求调整时间窗长和滤波器特性来保证测量结果的精度。

为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以仿真测试实例对本发明所提供的一种适用于校准器的宽频域信号测量方法进行详细描述。

仿真测试实例

下面以仿真测试对所提宽频域信号测量方法的有效性进行验证，包括稳态测试、动态测试，具体可以包括以下内容：

1、稳态测试

先定义稳态测试信号参数如表1。仿真测试时取f_s＝10kHz，时间窗长T＝1s，时间窗长T'＝5s，滤波器阶数为10000阶。

表1稳态测试信号参数

当信号如表1所示时，宽频信号的静动态识别结果为静态，因此会利用基于谱线拟合的谐波间谐波测量方法对窗长为5s宽频信号进行测量。测量误差如表2 所示

表2稳态信号测量误差

在表2中，现有的标准没有关于谐波间谐波的频率误差和相角误差要求。误差结果中，频率误差都在10^-6数量级以上，幅值误差都低于0.001％，相角误差都低于0.0002°，可见所提算法在静态测试的精度较好。

2、动态测试

在实际的复杂电力信号中，通常会出现动态变化的情况，因此有必要进行宽频信号的动态测试。参考基波相量的动态测试中需要考虑幅值调制、相角调制和频率斜坡测试，同样地，对宽频信号展开测试。

对表1中的每个信号加入动态变化过程，则宽频信号的静动态识别结果为动态，会利用基于复序列滤波器的相量测量方法对宽频信号进行测量。测量误差如表3所示。

表3动态信号测量误差

在表3中，取基波相量动态测试的误差标准作为谐波间谐波的误差标准。从误差结果可以看出，所提方法在动态信号的测量精度高出现有标准两个数量级。

综上所述，本发明提供的设计方法可以实现在含有多频率分量的复杂电力信号情况下，得到高精度的宽频测量结果，从而具有为宽频测量装置提供基准值的条件。利用本发明所述方法可以实现在含有多频率分量的复杂电力信号情况下，得到精度高于现有标准两个数量级以上的测量结果，从而具有为宽频测量装置提供基准值的条件。

本领域技术人员应该理解，以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种适用于校准器的宽频域信号测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对待测的电力信号提取时间窗长为T的数据；

2.根据权利要求1所述的适用于校准器的宽频域信号测量方法，其特征在于，步骤一中所述时间窗长为T的数据指对于原始信号x(t)进行采样后，提取出窗长为T的采样序列，表示为：

式中，X(t_k)为窗长T内电力信号采样数据组成的序列，t_k为时间窗窗中时刻，f_s为采样率，N为窗长T/2对应的数据长度，x(t_k)为当前时刻的采样值。

3.根据权利要求2所述的适用于校准器的宽频域信号测量方法，其特征在于，步骤二中所述基于谱线拟合的谐波间谐波测量方法具体为：

4.根据权利要求3所述的适用于校准器的宽频域信号测量方法，其特征在于，步骤三中所述对信号进行静动态识别的具体方法为：对比前后1s的谱线拟合计算结果，如果前后1s的谐波间谐波幅值相差超过0.2％或者频率相差超过0.1Hz，则认为此刻时间窗T内的信号为动态信号，否则为静态信号。