CN102135567A - 一种电力***交流采样实时频率跟踪及谐波测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力***交流采样实时频率跟踪及谐波测量方法，其特征为：取交流采样输入进入固定采样率模数转换器，固定采样率模数转换器分别输出第一段N点长度的数字信号、第二段N点长度数字信号进入第一快速傅里叶模块；第一快速傅里叶模块输出第一段N点长度的数字信号、第二段N点长度数字信号的最高频率分量相角先后送入鉴相器，鉴相器输出校正频率送入数字信号重构滤波器，数字信号重构滤波器根据校正后频率对固定采样率模数转换器的第一段N点长度的数字输出信号进行数字重构采样，将得到的N点重构采样信号送入第二快速傅里叶模块；第二快速傅里叶模块的最高频率分量相角输出送入鉴相器，模数转换器的第三段N点长度的数字信号进入第一快速傅里叶模块，鉴相器根据精度要求判断后输出校正频率送入数字信号重构滤波器。上述过程达到预定迭代次数M后，第二快速傅里叶模块输出即为交流采样信号的各次谐波分量值，鉴相器输出频率即为交流采样信号的频率。采用本发明方法可以实时跟踪测量电网频率波动，实现对电力***交流工频信号的高精度测量。

Description

一种电力***交流采样实时频率跟踪及谐波测量方法

技术领域

本发明属于交流采样测量应用技术领域，更具体地涉及电力***工频交流采样测量实时频率跟踪及谐波测量技术。

背景技术

随着电力***的快速发展，电力网容量不断增大，结构日趋复杂，电力***中实时监控、调度的自动化就显得十分重要，而数字采集又是实现自动化的重要环节，尤其是如何准确、快速地采集***中的各个模拟电量，一直是电力工作者关注的热点。根据采样信号的不同，可分为直流采样和交流采样2大类。直流采样是把交流电压、电流信号转化为0～5V的直流电压，这种方法的主要优点是算法简单，便于滤波，但投资较大，维护复杂，无法实现实时信号采集，因而在电力***中的应用受到限制。交流采样是把交流量转化为±5V(或0～5V)的交流电压进行采集，主要优点是实时性好，相位失真小，投资少、便于维护；其缺点是算法复杂，精度难以提高，对A/D转换速度要求较高。随着微机技术的发展，交流采样以其优异的性能价格比，有逐步取代直流采样的趋势。

发明内容

本发明的目的是为了克服电力工频信号交流电量的数据采集对A/D转换速度要求较高，精度难以提高等传统交流采样技术的缺点，提供一种快速实时的频率跟踪和高精度交流电量测量方法。

本发明的一种电力***交流采样实时频率跟踪及谐波测量方法是通过如下技术方案实现的，所述的实时同步交流采样方法，包括步骤如下：

1、取交流采样输入1进入固定采样率模数转换器2。

2、固定采样率模数转换器2分别输出第一段N点长度的数字信号、第二段N点长度数字信号进入第一快速傅里叶模块(FFT)3，第一快速傅里叶模块(FFT)3输出第一段N点长度的数字信号、第二段N点长度数字信号的最高频率分量相角8先后送入鉴相器4，鉴相器4输出校正频率10送入数字信号重构滤波器5。

3、数字信号重构滤波器5根据校正后频率10对固定采样率模数转换器2的第一段N点长度的数字输出信号12进行数字重构采样，将得到的N点重构采样信号送入第二快速傅里叶模块6。

4、第二快速傅里叶模块6的最高频率分量相角输出9送入鉴相器4，模数转换器2第三段N点长度的数字信号进入第一快速傅里叶模块3，鉴相器4根据精度要求判断后输出校正频率10送入数字信号重构滤波器5。

5、重复步骤2、3和4，达到预定迭代次数M后，第二快速傅里叶模块6输出7即为交流采样信号的各次谐波分量值，鉴相器4输出频率10即为交流采样信号的频率。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明的一个含谐波噪声交流采样输入信号的测量实例。

具体实施方式

图1是本发明方法结构示意图。稳态电网的交流采样输入1表示为x(t)，其工频频率表示为f₀。由于谐波干扰和其他因素干扰所造成的频率偏差使得电网信号的频率出现波动，模数转换器1以固定采样率f₀的N倍速率对信号x(t)的一个周期信号进行采样，数字长度是N点。采样信号表示为x_i(nT_s)，其中n＝0，1，2，L N-1为整数，T_s为采样时间间隔。

对模拟电网信号x(t)进行采样，在时间轴上分别取两段长度都为N点的数字得到x_m(n)和x_n(n)，n＝0，1，2，L N-1。然后将x_m(n)和x_n(n)送入第一快速傅里叶变换(FFT)模块3，分别输出为X_m(k)和X_n(k)，k＝0，1，2，L，N-1

m时刻最高频率分量表示为X_m(k)，k表示为输入信号的频率分量。从快速傅里叶变换模块(FFT)输出中得到m时刻N点输入信号的高频率分量的初始相位为：

${\mathrm{\θ}}_m\left(k\right)={\tan }^{-1}\left\{\frac{\mathrm{Im}\left[X_m\left(k\right)\right]}{\mathrm{Re}\left[X_m\left(k\right)\right]}\right\}---(1-1)$

式中，Im和Re分别表示复数的实部和虚部。在m时刻之后的n时刻，N点数字的快速傅里叶变换模块(FFT分量)最高频率分量表示为X_n(k)，其初始相角为：

${\mathrm{\θ}}_n\left(k\right)={\tan }^{-1}\left\{\frac{\mathrm{Im}\left[X_n\left(k\right)\right]}{\mathrm{Re}\left[X_n\left(k\right)\right]}\right\}---(1-2)$

利用这两个相位角可得到跟踪频率偏差

$f_{\mathrm{\Δ}}=\frac{{\mathrm{\θ}}_n\left(k\right)-{\mathrm{\θ}}_m\left(k\right)}{2\mathrm{\π}(n-m)}---(1-3)$

由(1-3)式得到的最小频率偏差即频率分辨率远高于传统快速傅里叶变换FFT得到的频率分辨率精度，同时具有快速的收敛速度。固定采样频率f₀与精细频率f_Δ相加得到电网信号的新的频率：

f_new＝f₀+f_Δ                       (1-4)

这样就可以得到一个相对逼近电网工频信号频率的估算频率值，对电网信号x(t)随后两个周期信号按新采样率f_s采样，其中

f_s＝f_new·N                     (1-5)

从重构滤波器5的输出信号13中取两段连续N点数字信号，送入模块6重新做快速傅里叶变换FFT，利用(1-1)至(1-5)过程得到校正后的新的采样速率，重复迭代上述过程就可以得到无限逼近真实电网信号的频率，从而实现交流采样输入信号1的高精度实时频率跟踪和测量。

鉴相器2估算得到新的采样率f_new后，对进入模数转换器2之前的交流采样输入1按新采样率f_new进行重新采样，该过程是通过重构滤波器5实现的。重构滤波器5是一种数字信号重构滤波器，对模数转换器2的输出采样信号12进行数字恢复重构。

图2是采用本发明方法的一个含谐波噪声交流采样输入信号的测量实例。稳态电网的交流采样输入1为：

$x\left(t\right)=\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)+\frac{1}{3}\sin (3\×2\mathrm{\π}{f}_{0}t)+\frac{1}{5}\sin (5\×2\mathrm{\π}{f}_{0}t)+\frac{1}{7}\sin (7\×2\mathrm{\π}{f}_{0}t)$

其中f₀取52，N取128，按照本发明方法实施如下步骤：

1、取交流采样输入1进入固定采样率模数转换器2。

2、固定采样率模数转换器2分别输出第一段N点长度的数字信号、第二段N点长度数字信号进入第一快速傅里叶模块(FFT)3，第一快速傅里叶模块(FFT)3输出第一段N点长度的数字信号、第二段N点长度数字信号的最高频率分量相角8先后送入鉴相器4，鉴相器4输出校正频率10送入数字信号重构滤波器5。

3、数字信号重构滤波器5根据校正后频率10对固定采样率模数转换器2的第一段N点长度的数字输出信号12进行数字重构采样，将得到的N点重构采样信号送入第二快速傅里叶模块6。

4、第二快速傅里叶模块6的最高频率分量相角输出9送入鉴相器4，模数转换器2第三段N点长度的数字信号进入第一快速傅里叶模块3，鉴相器4根据精度要求判断后输出校正频率10送入数字信号重构滤波器5。

5、重复步骤2、3和4，经过3次迭代后频率跟踪和测量误差达到2.7e-12，各次谐波测量最大误差1e-15。

Claims (4)

1.一种电力***交流采样实时频率跟踪及谐波测量方法，其特征在于：该方法包括步骤如下：

(1)取交流采样输入1进入固定采样率模数转换器2。

(2)固定采样率模数转换器2分别输出第一段N点长度的数字信号、第二段N点长度数字信号进入第一快速傅里叶模块(FFT)3，第一快速傅里叶模块(FFT)3输出第一段N点长度的数字信号、第二段N点长度数字信号的最高频率分量相角8先后送入鉴相器4，鉴相器4输出校正频率10送入数字信号重构滤波器5。

(3)数字信号重构滤波器5根据校正后频率10对固定采样率模数转换器2的第一段N点长度的数字输出信号12进行数字重构采样，将得到的N点重构采样信号送入第二快速傅里叶模块6。

(4)第二快速傅里叶模块6的最高频率分量相角输出9送入鉴相器4，模数转换器2第三段N点长度的数字信号进入第一快速傅里叶模块3，鉴相器4根据精度要求判断后输出校正频率10送入数字信号重构滤波器5。

(5)重复步骤2、3和4，达到预定迭代次数M后，第二快速傅里叶模块6输出7即为交流采样信号的各次谐波分量值，鉴相器4输出频率10即为交流采样信号的频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：预定迭代次数M为正整数，一般取M值为3至6比较合适。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第一快速傅里叶模块(FFT)3和第二快速傅里叶模块6的最高频率分量相角送入鉴相器4，利用二者的相角之差获得跟踪频率偏差。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：数字信号重构滤波器5以校正频率10为采样速率，对固定采样率模数转换器2输出的数字信号进行变速率采样。

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