CN104181389B - 电力***中相量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电力***中相量测量方法，方法包括：采用用于抑制负频率的复合窗对采样信号进行处理；对所述复合窗处理后的采样信号进行傅里叶变换，得到相量值；其中，所述复合窗处理后的采样信号中‑48至‑52HZ频率对应的旁瓣的幅值小于预设值。上述方法可解决现有技术中矩形窗和傅里叶变换中较多的高频干扰和频谱能量泄漏的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电力技术，尤其涉及一种电力***中相量测量方法。
背景技术
在光伏并网发电***中，相量值是一个重要的观测量，光伏并网发电***安全自动装置需要实时测量其值，并根据其值的变化作出相应的控制措施。
现有技术中，电力***中低频振荡条件下应用最广泛的相量测量方法主要是基于离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)获得相量值。
现有的傅里叶变换是研究整个时间域和频率域的关系。实际应用中不可能对无限长的信号进行测量和运算，而是取其有限的时间片段进行分析；由此，从采样信号中截取一个信号时间片段，然后用截取的信号时间片段进行周期延拓处理，得到虚拟的无限长的信号，对无限长信号进行傅里叶变换获得相量值。
然而，实际的无限长的信号被截断以后，其频谱发生了畸变，原来集中在f(0)处的能量被分散到整个频带中去了，这种现象称之为频谱能量泄漏。
为解决现有技术中频谱能量泄漏的问题，现有技术中在对采用信号的傅里叶变换之前，对采样信号进行窗函数的处理，如采用矩形窗函数进行处理，进而将处理后的信号再进行傅里叶变换，得到相量值。
然而，该矩形窗出后的旁瓣较高，导致后续傅里叶变换中有较多的高频干扰，和频谱能量泄漏。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种电力***中相量测量方 法，用于解决现有技术中矩形窗和傅里叶变换中较多的高频干扰和频谱能量泄漏的问题。
本发明提供一种电力***中相量测量方法，包括：
采用用于抑制负频率的复合窗对采样信号进行处理；
对所述复合窗处理后的采样信号进行傅里叶变换，得到相量值；
其中，所述复合窗处理后的采样信号中-48至-52HZ频率对应的旁瓣的幅值小于预设值。
可选地，所述采用用于抑制负频率的复合窗对采样信号进行处理，具体为：采用下述公式对采样信号进行处理；
w(n)＝w0(n)sinc(n/N)
n＝-2N,.........,2N-1
其中，w0(n)＝0.51327588+0.48672412cos(2πn/4N)，N为一个周期内的采样点数。
可选地，所述复合窗处理后的采样信号中-48至-52HZ频率对应的旁瓣的幅值的衰减值大于125dB。
可选地，N＝64时，所述复合窗处理后的采样信号中-48至-52HZ频率对应的旁瓣的幅值的衰减值在160至250dB；
N＝128或32时，所述复合窗处理后的采样信号中-48至-52HZ频率对应的旁瓣的幅值的衰减值在130至150dB。
可选地，所述复合窗处理后的采样信号中-50HZ频率对应的旁瓣的幅值小于预设值。
由上述技术方案可知，本发明的电力***中相量测量方法，采用用于抑制负频率的复合窗对采样信号进行处理；且复合窗处理后的采样信号中-48至-52HZ频率对应的旁瓣的幅值小于预设值，由此，对所述复合窗处理后的采样信号进行傅里叶变换，得到相量值，可解决现有技术中矩形窗和傅里叶变换中较多的高频干扰和频谱能量泄漏的问题。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的电力***中相量测量方法的流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的电力***中CSW法、RCW法和传统DFT估算的相量幅值的示意图；
图3为图2的部分放大示意图；
图4为图2中CSW法、RCW法和传统DFT估算的相量幅值测量误差示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
当前，采样信号中频谱的泄漏与窗函数频谱的两侧旁瓣有关，如果旁瓣高度越低，主瓣越集中，则频谱泄漏的越少，越接近于真实的频谱。
现有技术中，最常用的窗函数为矩形窗、汉宁(Hanning)窗、汉明(Hamming)窗、布莱克曼(Blackman)窗、升余弦窗(raised cosine window，简称RCW)等。
矩形窗的优点是主瓣比较集中，缺点是旁瓣较高，导致傅里叶变换中带进了高频干扰和泄漏。
当前，余弦窗表达式为下述的公式(1)：
公式(1)中，K代表余弦窗的项数，ak表现了余弦窗的时频特征，举例来说，对于一个四周期两项余弦窗(P＝4，K＝2)，当a0＝0.5，a1＝0.5，则上述公式(1)对应的窗为汉宁窗；当a0＝0.54，a1＝0.46，上述公式 (1)对应的窗为汉明窗。
对于一个四周期三项余弦窗(P＝4，K＝3)，当a0＝0.42，a1＝0.5，a2＝0.08时，上述公式(1)对应的窗为布莱克曼窗。
应说明的是，项数K是余弦窗的一个参数，指余弦表达式中不同余弦项的个数。项数越多，余弦窗的主瓣越宽，可达到的旁瓣衰减也越大。
现有技术中，汉明窗与汉宁窗都属于余弦窗，只是加权系数不同。汉宁窗加权的系数能使旁瓣达到更小；布莱克曼窗为二阶升余弦窗，主瓣宽，旁瓣比较低，但主瓣比汉宁窗要大一些，旁瓣却小一些。
RCW对应的计算公式如下：
w[n]＝sinc(n/N)*(sinc(0.7*n/N+0.5)+sinc(0.7*n/N-0.5))
n＝-2N,......,2N-1 (2)
RCW与余弦窗相比主瓣较集中，旁瓣较高。
上述窗函数在100Hz的频率附近的旁瓣的振幅值还是比较高，无法满足傅里叶变换的需求。
本发明的核心是提供一种复合窗(Cosine-sinc窗，CSW)函数，该复合窗与余弦窗相比有更为集中的主瓣和更低的旁瓣，与RCW相比有相似的主瓣，然而在频谱中，特别是在100Hz的频率附近有更低的旁瓣，由此，本发明的方法处理采样信号能够具有较好的负频率抑制能力。
理论上，用信号a(t)对基本功率信号cos(2πf0t+θ)进行振幅调制，那么信号模型为：
s(t)＝a(t)cos(2πf0t+θ) 公式(3)
在公式(3)中，a(t)是振幅调制信号，f0是基频，θ是相角。
直接对信号模型进行傅里叶变换为：
公式(4)
在公式(4)中，W(f)为基频的频谱窗口w(t)的变换，A(f)是a(t)的频谱包络函数，且Aw＝W(0)。另外，在公式(4)中的第一项对应于所需的傅里叶滤波的输出，第二项是不需要的负频率渗透。
在实际应用中负频率渗透是不需要的内容，为较好的抑制负频率，需要窗函数可在100Hz的频率附近有特别低旁瓣。
在本发明中，如图1所示，本实施例的电力***中相量测量方法如下所述。
101、采用用于抑制负频率的复合窗对采样信号进行处理；
102、对所述复合窗处理后的采样信号进行傅里叶变换，得到相量值；
其中，所述复合窗处理后的采样信号中-48至-52HZ频率对应的旁瓣的幅值小于预设值。
优选地，所述复合窗处理后的采样信号中-50HZ频率对应的旁瓣的幅值小于预设值。
可理解的是，本实施例中复合窗处理后的采样信号中-48至-52HZ频率对应的旁瓣的幅值的衰减值大于125dB，而目前常用窗的衰减都小于120dB。
举例来说，上述复合窗处理后的采样信号中-48至-52HZ频率对应的旁瓣的幅值的衰减值比常用的窗(如Hanning,Hamming,Blackamn,RCW窗)大，例如：N＝64时(也就是说，每基波周期采样点为64个采样点时)，所述复合窗处理后的采样信号中-48至-52HZ频率对应的旁瓣的幅值的衰减值在160至250dB；
N＝128或32时，所述复合窗处理后的采样信号中-48至-52HZ频 率对应的旁瓣的幅值的衰减值在130至150dB。
由此，汉明窗、汉宁窗、Blackman窗、RCW窗在100Hz(对应处理后的采样信号在50Hz)的频率附近旁瓣的幅值衰减小于120dB，本申请中提出的复合窗在100Hz的频率附近旁瓣的幅值衰减大于125dB左右。
本实施例的电力***中相量测量方法，采用用于抑制负频率的复合窗对采样信号进行处理；对所述复合窗处理后的采样信号进行傅里叶变换，得到相量值，可解决现有技术中矩形窗和傅里叶变换中较多的高频干扰和频谱能量泄漏的问题。
在实际应用中，所述采用用于抑制负频率的复合窗对采样信号进行处理，具体为：
采用下述公式对采样信号进行处理；
w(n)＝w0(n)sinc(n/N)
n＝-2N,.........,2N-1 公式(5)
其中，w0(n)＝0.51327588+0.48672412cos(2πn/4N)，N为一个周期的采样点数，且上述的w0(n)是一个两项余弦窗。
在具体应用中，通常选用4个周期的采样电进行相量计算。
公式(5)中对应的复合窗在频谱中，特别是窗口中100Hz附近有较低的旁瓣，这在振荡相量测量中是一个理想的负频率抑制特性。将该复合窗可为一个余弦窗和正弦窗的复合。
具体地，将上述公式(5)应用于低频振荡条件下电力***的振荡相量测量中，样本频率设置为3200Hz，标称频率设置为50Hz。窗口长度大小的DFT计算为四个周期，实验中为256个采样点。
一个典型的低频调制如下所示：
x(t)＝(1+0.1cos(2πfmt))sin(2πft)
其中，f＝50.2Hz，fm＝1Hz。
本实施例中，采用CSW法、RCW法和传统DFT分别估算的相量幅值，如图2所示，图3是图2的部分放大的示意图，图4显示了幅值测量误差的示意图。
图2中示出，CSW法、RCW法和传统DFT都能跟踪低频振荡，通过传统的DFT可以获得明显的畸变曲线，这主要是由负频率渗透所决定的。
图3示出，传统的DFT曲线的畸变程度在RCW曲线和CSW曲线上已经被极大地削弱了。然而，在RCW曲线上仍然有一定的畸变，而在CSW曲线上基本没有这样的畸变。
图4示出了RCW法的误差要高于本实施例所提出的CSW法的误差。
可理解的是，CSW的误差主要来自通带衰减，或是窗的主瓣衰减。典型的低频振荡范围为0.1到2Hz，CSW的主瓣的幅值从99.98％衰变至99.72％，因此，CSW主瓣幅值所导致的误差低于0.28％，这远低于IEEE标准c37.118.1-2011限制，更重要的是，主瓣衰减用后期的处理可以补偿回来。
由此，本实施例的相量测量方法具有良好的抑制谐波/间谐波和噪声的能力，可较好地应用于低频振荡条件下电力***的振荡相量测量中。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (4)
1.一种电力***中相量测量方法，其特征在于，包括：
采用用于抑制负频率的复合窗对采样信号进行处理；
对所述复合窗处理后的采样信号进行傅里叶变换，得到相量值；
其中，所述复合窗处理后的采样信号中-48至-52HZ频率对应的旁瓣的幅值小于预设值；
其中，所述采用用于抑制负频率的复合窗对采样信号进行处理，具体为：
采用下述公式对采样信号进行处理；
w(n)＝w0(n)sinc(n/N)
n＝-2N,.........,2N-1
其中，w0(n)＝0.51327588+0.48672412cos(2πn/4N)，N为一个周期内的采样点数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述复合窗处理后的采样信号中-48至-52HZ频率对应的旁瓣的幅值的衰减值大于125dB。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
N＝64时，所述复合窗处理后的采样信号中-48至-52HZ频率对应的旁瓣的幅值的衰减值在160至250dB；
N＝128或32时，所述复合窗处理后的采样信号中-48至-52HZ频率对应的旁瓣的幅值的衰减值在130至150dB。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述复合窗处理后的采样信号中-50HZ频率对应的旁瓣的幅值小于预设值。
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