CN112710899A - 一种改进增益有限脉冲响应滤波的电网信号频率检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种改进增益有限脉冲响应滤波的电网信号频率检测方法，将被检测的信号x[n]分别输入改进增益有限脉冲响应滤波器S和自适应延时相位偏移校正单元D，设改进增益有限脉冲响应滤波器S的输出为y[n]，自适应延时相位偏移校正单元D的输出为xD[n]，分别将y[n]和xD[n]输入至长度为N的低通平均滤波器，分别得到输出Ay[n]和Ax[n]，计算Ay[n]和Ax[n]的比值后，运用滤波器频率响应增益推算式实现信号频率的快速检测。本发明一方面可以确保频率检测结果的稳定性；另一方面可以确保频率检测结果的高精度。

Description

一种改进增益有限脉冲响应滤波的电网信号频率检测方法
技术领域
本发明涉及电网信号滤波和频率检测领域，具体是一种改进增益有限脉冲响应滤波的电网信号频率检测方法。
背景技术
频率反映发电和负荷之间的动态平衡，是电力系统最基本的参数之一，准确快速的频率测量对电力系统运行、监测和控制具有重要的意义。电网频率测量的本质是正弦信号模型的参数估计，即利用系统的信号为输入，如电压或电流，通过信号处理和数值分析方法估计信号的频率。
频率测量虽然在算法设计和实现中占据主导地位，但辅助算法在很大程度上决定了其能否预期执行和装置的可靠性。选择合适的辅助算法主要决定于信号模型、后续控制或分析所需的频率特征、主算法的计算能力、响应时间、精度要求和软硬件约束条件等。随着人们对电力系统动态行为认识的深入，频率测量已从早期的过零检测发展到现在的基于数字信号处理和人工智能的方法。这些算法在抗噪声干扰、抑制谐波、稳动态测量精度、响应时间和计算复杂度等方面各有优缺点，其范围覆盖时域分析、频域分析和时频联合分析，实现策略包括非线性问题线性化、数学优化、自适应和算法组合集成等。一些硬件技术，如锁相环、数字倍频器和现场可编程门阵列等也用于频率实时测量之中。实践表明，获得一个时滞小、去噪声能力强，同时又能为后续控制分析提供高精度频率特征的辅助算法并不容易。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种改进增益有限脉冲响应滤波的电网信号频率检测方法，本发明所解决的技术问题是如何不对信号进行复杂的频谱分析，减少傅里叶变换或小波变换等运算，通过滤波器及膨胀特性进行频率快速检测。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：将被检测的信号x[n]分别输入改进增益有限脉冲响应滤波器S和自适应延时相位偏移校正单元D，其中n为信号离散序列的标号，设改进增益有限脉冲响应滤波器S的输出为y[n]，自适应延时相位偏移校正单元D的输出为xD[n]，分别将y[n]和xD[n]输入至长度为N的低通平均滤波器RA，分别得到输出Ay[n]和Ax[n]，计算Ay[n]和Ax[n]的比值后，运用滤波器频率响应增益推算式，即可实现信号频率的快速检测。
进一步的，改进增益有限脉冲响应滤波器S，通过以下步骤构建：
步骤1，计算长度为N=2M+1的I型有限脉冲响应滤波器h[n]，满足h[n]=h[-n]，-M≤n≤M，其中M为正整数，其频率响应函数为
Figure 148535DEST_PATH_IMAGE001
其中，角频率ω=2πf；
步骤2，对h[n]进行p+1次自卷积运算，p为正整数，得到p阶卷积滤波器hp[n]：
Figure 282845DEST_PATH_IMAGE002
步骤3，对hp[n]进行时域膨胀以扩展其脉冲响应，即通过在滤波器样本之间插入零：
Figure 912540DEST_PATH_IMAGE003
其中，扩展因子L的取值范围为正整数，当L=1时为不插入零的特殊情况，插入零的时域膨胀后得到序列
Figure 649552DEST_PATH_IMAGE004
，该序列即为改进增益有限脉冲响应滤波器S。
进一步的，自适应延时相位偏移校正单元D，工作步骤包括：
步骤1，对被检测信号x[n]进行快速傅里叶变换，在离散幅度谱X中找到峰值谱线，根据离散峰值谱线序号在离散相位谱P的对应位置，根据傅里叶频谱理论式，得到被检测的信号x[n]的初相位粗略估计ϕ s1；
步骤2，设置延时系数为r，r为整数且取值小于被检测信号x[n]长度N的二分之一，对信号x[n]进行延时操作，得到延时后信号x r [n]；
步骤3，对经过延时后的信号x r [n]进行快速傅里叶变换，得到延时后信号x r [n]的初相位粗略估计ϕ s2；
步骤4，计算延时相位偏移校正系数u：
Figure 782724DEST_PATH_IMAGE005
步骤5，设被检测信号x[n]的采样频率为f s ，采用延时相位偏移校正系数u对被检测信号x[n]的离散相位谱P进行修正得到校正后的离散相位谱P D ：
Figure 212569DEST_PATH_IMAGE006
用离散幅度谱X和校正后的离散相位谱P D 进行离散傅里叶逆变换，其输出即为自适应延时相位偏移校正单元D的输出xD[n]。
进一步的，滤波器频率响应增益推算式为
Figure 595140DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 870263DEST_PATH_IMAGE008
。
进一步的，hp[n]对应的频率响应函数为
Figure 389100DEST_PATH_IMAGE009
。
本发明的有益效果为：
本发明一方面以I型有限脉冲响应滤波器为基础构建改进增益有限脉冲响应滤波器，由于I型有限脉冲响应滤波器具有线性相位响应和零相位偏移，可以确保频率检测结果的稳定性；另一方面采用了时域膨胀以扩展滤波器的脉冲响应，进而通过低通平均滤波器进行增益推算，确保频率检测结果的高精度。
附图说明
图1为本发明所述改进增益有限脉冲响应滤波的电网信号频率检测方法的原理图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
为验证本发明所述改进增益有限脉冲响应滤波的电网信号频率检测方法。根据图1所示的改进增益有限脉冲响应滤波的电网信号频率检测方法的原理图，本实施例选择包含3个参数的I型有限脉冲响应滤波器h[n]=[1/4, 1/2, 1/4]，其对应的频率响应分别为H(ej0)=1和H(ejπ)=0，其对应的1阶卷积滤波器为h 1[n]=[1/16, 1/4, 3/8, 1/4, 1/16]，取扩展因子L =2，得到改进增益有限脉冲响应滤波器S为h 2 1[n]=[1/16, 0,1/4, 0, 3/8, 0,1/4, 0, 1/16]。设置自适应延时相位偏移校正单元D的延时常数为4。
运用数据采集卡DAQ-USB 6002以2000Hz的采样频率采集安捷伦信号发生器33120a所产生的幅度为1V的频率为50.5Hz、相位为0的正弦信号，得到序列x[n]，经过还原和归一化后的其中一段数据为表1。
表1
Figure 334054DEST_PATH_IMAGE010
将x[n]送入改进增益有限脉冲响应滤波器S，计算得到滤波器输出y[n]为表2。
表2
Figure 62975DEST_PATH_IMAGE011
将信号x[n]送入自适应延时相位偏移校正单元D，计算得到滤波器输出xD[n]，分别将y[n]和xD[n]输入至长度为N的低通平均滤波器RA，分别得到输出Ay[n]和Ax[n]，计算Ay[n]和Ax[n]的比值
Figure 282735DEST_PATH_IMAGE012
，运用滤波器频率响应增益推算式
Figure 780713DEST_PATH_IMAGE013
，计算得到信号频率的部分检测结果如表3所示。表4为电网信号频率部分检测误差对比情况，从表4可以看出，本发明提供的方法比常用的汉宁窗插值傅里叶变换的误差至少小一个数量级，本发明提供的方法具有更高的精度。
表3
Figure 162146DEST_PATH_IMAGE014
表4
Figure 112785DEST_PATH_IMAGE015
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 (5)

1.一种改进增益有限脉冲响应滤波的电网信号频率检测方法，其特征在于：将被检测的信号x[n]分别送至改进增益有限脉冲响应滤波器S和自适应延时相位偏移校正单元D，其中n为信号离散序列的标号，设改进增益有限脉冲响应滤波器S的输出为y[n]，自适应延时相位偏移校正单元D的输出为xD[n]，分别将y[n]和xD[n]输入至长度为N的低通平均滤波器RA，分别得到输出Ay[n]和Ax[n]，计算Ay[n]和Ax[n]的比值后，运用滤波器频率响应增益推算式，即可实现信号频率的快速检测。
2.根据权利要求1所述的一种改进增益有限脉冲响应滤波的电网信号频率检测方法，其特征在于：所述改进增益有限脉冲响应滤波器S，通过以下步骤构建：
步骤2.1，计算长度为N=2M+1的I型有限脉冲响应滤波器h[n]，满足h[n]=h[-n]，-M≤n≤M，其中M为正整数，其频率响应函数为
Figure 76260DEST_PATH_IMAGE001
其中，角频率ω=2πf；
步骤2.2，对h[n]进行p+1次自卷积运算，p为正整数，得到p阶卷积滤波器hp[n]；
步骤2.3，对hp[n]进行时域膨胀以扩展其脉冲响应，即通过在滤波器样本之间插入零：
Figure 993400DEST_PATH_IMAGE002
其中，扩展因子L的取值范围为正整数，当L=1时为不插入零的特殊情况，插入零的时域膨胀后得到序列
Figure 851766DEST_PATH_IMAGE003
，该序列即为改进增益有限脉冲响应滤波器S。
3.根据权利要求1所述的一种改进增益有限脉冲响应滤波的电网信号频率检测方法，其特征在于：所述自适应延时相位偏移校正单元D，工作步骤包括：
步骤3.1，对被检测信号x[n]进行快速傅里叶变换，在离散幅度谱X中找到峰值谱线，根据离散峰值谱线序号在离散相位谱P的对应位置，根据傅里叶频谱理论式，得到被检测的信号x[n]的初相位粗略估计ϕ s1；
步骤3.2，设置延时系数为r，r为整数且取值小于被检测信号x[n]长度N的二分之一，对信号x[n]进行延时操作，得到延时后信号x r [n]；
步骤3.3，对经过延时后的信号x r [n]进行快速傅里叶变换，得到延时后信号x r [n]的初相位粗略估计ϕ s2；
步骤3.4，计算延时相位偏移校正系数u：
Figure 246975DEST_PATH_IMAGE004
步骤3.5，设被检测信号x[n]的采样频率为f s ，采用延时相位偏移校正系数u对被检测信号x[n]的离散相位谱P进行修正得到校正后的离散相位谱P D ：
Figure 733451DEST_PATH_IMAGE005
用离散幅度谱X和校正后的离散相位谱P D 进行离散傅里叶逆变换，其输出即为自适应延时相位偏移校正单元D的输出xD[n]。
4.根据权利要求2所述的一种改进增益有限脉冲响应滤波的电网信号频率检测方法，其特征在于：所述滤波器频率响应增益推算式为
Figure 555914DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 698313DEST_PATH_IMAGE007
。
5.根据权利要求2所述的一种改进增益有限脉冲响应滤波的电网信号频率检测方法，其特征在于：所述hp[n]对应的频率响应函数为
Figure 897213DEST_PATH_IMAGE008
。
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