CN114034927A - 一种跟频插值采样的信号测量方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种跟频插值采样的信号测量方法及***，包括：获取在时间上、幅值上都连续的模拟信号，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散数字信号；利用离散数字信号的极大值和极小值计算出离散数字信号的直流分量，确定去除此直流分量后离散数字信号的估算频率范围，获得精确测量信号频率；按预设插值频率确定插值脉冲时刻，在插值脉冲时刻，将离散数字信号插值为基于精确测量信号频率的跟频离散采样数据；对跟频离散采样数据进行傅氏变换，得到模拟信号的幅值和相位，结合精确测量信号频率，得到最终的模拟信号特征量。优点：精度高、实时性强、对***的算力要求低，可应用于各种对***信号频率敏感的保护装置，为保护算法提供数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种跟频插值采样的信号测量方法及***，属于电力***技术领域。
背景技术
电力***的信号频率一般均为工频50Hz，但是非工频信号常常出现在***中，影响***稳定。***中将信号频率作为判断依据的保护装置有输配电***的低周减载保护装置，稳定控制保护装置，发电***的发电机保护装置，分布式能源***的分布式能源并网接口保护装置、电动机保护装置等等。这些保护装置对***的频率比较敏感，需要信号的频率、幅值和相位作为保护判断依据。
(1)通常输配电***的信号频率变化幅度小，基本在工频50Hz左右0.5Hz。采样***通过硬件测频器首先采用比较器将周期正弦信号变为同频周期方波信号获得信号频率，然后采用高频脉冲测量方波信号信号周期，最后确定原始信号频率。同时，采样***基于工频50Hz计算得出信号幅值和相位，作为原始信号的近似幅值和相位。从而获得原始信号的频率、幅值、相位等特征信息。
(2)通常发电和分布式能源***频率变化幅度大。采样***首先基于工频50Hz计算信号相位，再通过检测每个工频周期时间点的信号相位偏移量，推测出原始信号的频率。最后由频率偏移补偿的傅氏算法，计算出信号的幅值。
(3)高精度的测频方法有小波分析法、信号去调制法、函数解析法、函数逼近算法(如最小二乘法、卡尔曼滤波算法)及人工神经网络法等数学算法。
技术方法(1)需要测频需要硬件支持，实际应用中需要设计特殊的硬件回路，设计成本较高。同时引入了估算方式，信号特征信息的精确度不高。
技术方法(2)在测频阶段需要多周期测量，实时性较低，同时频率推算基于工频的相位，精度也有损失，从而导致后期的信号特征信息计算的的精确度均不高。
技术方法(3)的计算量较大，对装置硬件的算力较高要求，同时测频的实时性也有欠缺。
发明内容
本发明方法针对变频状态下的电力***信号特征量获取精度低，实时性差的问题，提供一种跟频插值采样的信号测量方法及***。
为解决上述技术问题，本发明提供一种跟频插值采样的信号测量方法，包括：
获取在时间上、幅值上都连续的模拟信号，将时间上、幅值上都连续的模拟信号转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散数字信号；
获取所述离散数字信号的极大值和极小值，利用离散数字信号的极大值和极小值计算出离散数字信号的直流分量，并从离散数字信号中去除此直流分量，然后运用过零点测频法确定去除此直流分量后离散数字信号的估算频率范围，利用连续点测频方法结合估算频率范围快速实时获得精确测量信号频率；
根据精确测量信号频率和预先确定的采样点数确定插值脉冲时刻，在所述插值脉冲时刻，利用线性插值算法将离散数字信号插值为基于所述精确测量信号频率的跟频离散采样数据；
对所述跟频离散采样数据进行傅氏变换计算，得到模拟信号的幅值和相位，结合精确测量信号频率，得到最终的模拟信号特征量。
进一步的，所述获取在时间上、幅值上都连续的模拟信号，将时间上、幅值上都连续的模拟信号转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散数字信号，包括：
根据预先获取的需求将时间上、幅值上都连续的模拟信号，在采样脉冲的作用下，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散数字信号，记录每个离散信号的时间和数值，记录为(x,y)，预设定一个信号周期内的采样点数为M点。
进一步的，当所述利用离散数字信号的极大值和极小值计算出离散数字信号的直流分量，并从离散数字信号中去除此直流分量，然后运用过零点测频法确定去除此直流分量后离散数字信号的估算频率范围，利用连续点测频方法结合估算频率范围快速实时获得精确测量信号频率，包括：
步骤3.1：直流分量统计，包括：统计信号预设周期T内采样数据大于0和小于0的采样点个数m1和m2，如果m1或者m2大于M*4/5，则进行步骤3.2，否者进行步骤3.3，统计时同时记录采样点最大值ymax和最小值ymin，其中预定周期跟随频率改变；
步骤3.2：获得直流分量yz，包括：根据式(1)计算获得直流分量值yz，初始yz＝0，进行步骤3.3；
步骤3.3：去除直流分量，包括：根据式(2)原始离散采样数据点ys去除直流分量值yz后在进行步骤3.4；
y＝ys-yz (2)
步骤3.4：确定正向过零点，包括：寻找两连续采样点(x1,y1)和(x2,y2)满足y1<0并且y2>0，并采用式(3)获得正向过零点的时刻x01，ts为采样间隔时间，进行步骤3.5；
步骤3.5：确定下一个负向过零点，包括：寻找第一组两连续采样点(x3,y3)和(x4,y4)满足y3>0并且y4<0，并采用式(4)获得负向过零点的时刻x02，ts为采样间隔时间，进行步骤3.6；
步骤3.6：判断是否为干扰信号，如果正向过零点的时刻x01和负向过零点的时刻x02的时间差大于预定周期T的六分之一则进入步骤3.7，并且将时间差(x02-x01)记为半周期Th，否则认定为干扰信号丢弃计算结果，重新进入步骤3.4；
步骤3.7：获得多组半周期Th，包括：累计计算获得n+2个有效的半周期Th，去除n+2个结果的最大值和最小值，剩余n个有效的半周期Th，进入步骤3.8；
步骤3.8：获得估算周期Te，包括：根据n个有效的半周期Th计算平均值更新信号预设周期T，更新后的信号预设周期T为估算周期Te，
根据估算周期Te计算估算频率Fe，如式(5)和式(6)，进入步骤3.9；
步骤3.9：连续点测频方法，包括：实时获取3个连续采样点，此3个点的相位差如公式(7)，连续采样的数据为公式(8)，由公式(9)可知各数值间的关系，由公式(9)得公式(10)，由公式(7)得公式(11)，由公式(10)和公式(11)得公式(12)，由公式(12)计算得到信号频率，进入步骤3.10；
φ＝ωts (7)
其中，y1、y2、y3为三个连续采样的数据，α为第一个采样数据的初始相位，φ为ts时间间隔的相位偏移，A为信号幅值，Ff为信号频率；
步骤3.10：确认原始信号频率。由公式(6)确定信号频率为范围为F∈[0.9Fe，1.1Fe]，再由公式(12)计算获得Ff，如果Ff在频率范围[0.9Fe，1.1Fe]内，则F＝Ff更新信号频率，否者丢弃Ff；
进一步的，所述根据精确测量信号频率和预先确定的采样点数确定插值脉冲，利用线性插值算法以及所述插值脉冲将离散数字信号插值为基于所述精确测量信号频率的跟频离散采样数据，包括：
由更新后的信号频率F获得新的信号周期时间T，进入步骤3.2；
由新的信号周期时间T和采样点数M点，更新采样间隔时间ts；
产生基于更新后的ts采样间隔时间的插值脉冲；
利用线性插值算法以及所述插值脉冲将所述离散数字信号，插值为基于信号频率的跟频离散采样数据。
进一步的，所述对所述跟频离散采样数据进行傅氏变换计算，得到模拟信号的幅值和相位，结合精确测量信号频率，得到最终的模拟信号特征量，包括：
依次根据式(13)、式(14)和式(15)求得yx和yy；
式中，A为信号幅值，ω为信号角频率，α为采样数据的初始相位，t为信号时间；
其中，yx为一个信号周期的M个点的傅式计算结果实部，yy为一个信号周期的M个点的傅式计算结果虚部，T为公式(12)获得精确原始信号频率的倒数；
根据式(16)获得原始信号的幅值amp、相位ang和根据式(12)获得原始信号的频率Ff，由此确定最终的模拟信号特征量。
一种跟频插值采样的信号测量***，包括：
获取模块，用于获取在时间上、幅值上都连续的模拟信号，将时间上、幅值上都连续的模拟信号转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散数字信号；
第一确定模块，用于获取所述离散数字信号的极大值和极小值，利用离散数字信号的极大值和极小值计算出离散数字信号的直流分量，并从离散数字信号中去除此直流分量，然后运用过零点测频法确定去除此直流分量后离散数字信号的估算频率范围，利用连续点测频方法结合估算频率范围快速实时获得精确测量信号频率；
插值处理模块，用于根据精确测量信号频率和预先确定的采样点数确定插值脉冲时刻，在所述插值脉冲时刻，利用线性插值算法将离散数字信号插值为基于所述精确测量信号频率的跟频离散采样数据；
第二确定模块，用于对所述跟频离散采样数据进行傅氏变换计算，得到模拟信号的幅值和相位，结合精确测量信号频率，确定最终的模拟信号特征量。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
一种计算设备，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
本发明所达到的有益效果：
本发明方法精度高、实时性强、对***的算力要求低，可应用于各种对***信号频率敏感的保护装置，为保护算法提供数据支撑；本发明方法对算力要求低，普通单片机即可实现。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种跟频插值采样的信号测量方法，分为4个过程。首先为离散采样过程，其后为信号测频过程，之后为跟频插值过程，最后为基于离散傅氏变换的求幅值和相位过程，具体步骤包括：
离散采样过程：
根据需求将时间上、幅值上都连续的模拟信号，在采样脉冲的作用下，转换成时间上离散(时间上为固定间隔)、但幅值上仍连续的离散数字信号。记录每个离散信号的时间和数值，记录为(x,y)。预设定一个信号周期内的采样点数为M点。
信号测频过程：
本发明利用电力***信号频率不会突变的特性，首先对滤过信号直流分量，然后运用过零点测频法确定信号的估算频率范围，再采用连续点测频方法快速实时获得精确测量信号频率。
步骤2.1：统计预定周期T(预定周期跟随频率改变)内采样数据大于0和小于0的采样点个数m1和m2，如果m1或者m2大于M*4/5，则进行步骤2.2，否者进行步骤2.3。统计时同时记录采样点最大值ymax和最小值ymin。
步骤2.2：计算获得零漂值yz。初始yz＝0。进行步骤2.3。
步骤2.3：后续采样数据去除直流分量yz后再参与计算。进行步骤2.4。
步骤2.4：确定正向过零点，寻找两连续采样点(x1,y1)和(x2,y2)满足y1<0并且y2>0，并采用线性插值获得零点的时刻。记录为x01。ts为采样间隔时间。进行步骤2.5。
步骤2.5：确定下一个负向过零点，寻找两连续采样点(x3,y3)和(x4,y4)满足y3>0并且y4<0，并采用线性插值获得零点的时刻。记录为x02。ts为采样间隔时间。进行步骤2.6。
步骤2.6：如果两过零点时间差(记作半周期Th)大于预定周期T的六分之一进入步骤2.7，否则认定为干扰信号丢弃计算结果，重新进入步骤2.4。
步骤2.7：累计计算获得n+2个有效半周期Th，去除n+2个结果的最大值和最小值，剩余n个有效半周期Th。进入步骤2.8。
步骤2.8：取平均值更新信号预设周期T，其中周期T即为估算周期Te和估算频率Fe。进入步骤2.9。
步骤2.9：实时获取3个连续采样点，此3个点的相位差如公式(7)，连续采样的数据为公式(8)，由公式(9)可知各数值间的关系，由公式(9)得公式(10)。由公式(7)可得公式(11)。由公式(10)和(11)可得公式(12)。由公式(12)可知，信号的频率可由连续3个采样数据和采样间隔时间计算获得。进入步骤2.10。
φ＝ωts (7)
其中，y1：第一个采样数据，y2：第二个采样数据，y3：第三个采样数据，α：第一个采样数据的初始相位，
ts时间间隔的相角偏移，A：信号幅值，Ff：信号频率。
步骤2.10：方法由公式(6)确定信号频率为范围为F∈[0.9Fe，1.1Fe]，再由公式(12)计算获得Ff，如果Ff在频率范围[0.9Fe，1.1Fe]内，则F＝Ff更新信号频率，否者丢弃Ff。
跟频插值过程：
步骤3.1：由信号频率F获得信号周期时间T。进入步骤3.2。
步骤3.2：由周期时间T和采样点数M点，更新采样间隔时间ts。进入步骤3.3。步骤3.3：产生基于ts的插值脉冲。进入步骤3.4。
步骤3.4：采用线性插值算法将离散采样过程获得数数据，插值为基于信号频率的跟频离散采样数据。
离散傅氏变换过程：
设定连续采样数据为公式(13)。
如公式(14)，yx：一个信号周期的M个点的傅式计算结果实部，yy：一个信号周期的M个点的傅式计算结果虚部。
如公式(16)，信号的幅值(amp)和相位(ang)可通过yx，yy，T三个参数计算获得。由此可测量获得原始信号的频率、幅值、相位3个特征量。
相应的本发明还提供一种跟频插值采样的信号测量***，包括：
获取模块，用于获取在时间上、幅值上都连续的模拟信号，将时间上、幅值上都连续的模拟信号转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散数字信号；
第一确定模块，用于获取所述离散数字信号的极大值和极小值，利用离散数字信号的极大值和极小值计算出离散数字信号的直流分量，并从离散数字信号中去除此直流分量，然后运用过零点测频法确定去除此直流分量后离散数字信号的估算频率范围，利用连续点测频方法结合估算频率范围快速实时获得精确测量信号频率；
插值处理模块，用于根据精确测量信号频率和预先确定的采样点数确定插值脉冲时刻，在所述插值脉冲时刻，利用线性插值算法将离散数字信号插值为基于所述精确测量信号频率的跟频离散采样数据；
第二确定模块，用于对所述跟频离散采样数据进行傅氏变换计算，得到模拟信号的幅值和相位，结合精确测量信号频率，确定最终的模拟信号特征量。
相应的本发明还提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行所述的方法中的任一方法。
相应的本发明还提供一种计算设备，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行所述的方法中的任一方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种跟频插值采样的信号测量方法，其特征在于，包括：
获取在时间上、幅值上都连续的模拟信号，将时间上、幅值上都连续的模拟信号转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散数字信号；
获取所述离散数字信号的极大值和极小值，利用离散数字信号的极大值和极小值计算出离散数字信号的直流分量，并从离散数字信号中去除此直流分量，然后运用过零点测频法确定去除此直流分量后离散数字信号的估算频率范围，利用连续点测频方法结合估算频率范围快速实时获得精确测量信号频率；
根据精确测量信号频率和预先确定的采样点数确定插值脉冲时刻，在所述插值脉冲时刻，利用线性插值算法将离散数字信号插值为基于所述精确测量信号频率的跟频离散采样数据；
对所述跟频离散采样数据进行傅氏变换计算，得到模拟信号的幅值和相位，结合精确测量信号频率，得到最终的模拟信号特征量。
2.根据权利要求1所述的跟频插值采样的信号测量方法，其特征在于，所述获取在时间上、幅值上都连续的模拟信号，将时间上、幅值上都连续的模拟信号转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散数字信号，包括：
根据预先获取的需求将时间上、幅值上都连续的模拟信号，在采样脉冲的作用下，转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散数字信号，记录每个离散信号的时间和数值，记录为(x,y)，预设定一个信号周期内的采样点数为M点。
3.根据权利要求2所述的跟频插值采样的信号测量方法，其特征在于，当所述利用离散数字信号的极大值和极小值计算出离散数字信号的直流分量，并从离散数字信号中去除此直流分量，然后运用过零点测频法确定去除此直流分量后离散数字信号的估算频率范围，利用连续点测频方法结合估算频率范围快速实时获得精确测量信号频率，包括：
步骤3.1：直流分量统计，包括：统计信号预设周期T内采样数据大于0和小于0的采样点个数m1和m2，如果m1或者m2大于M*4/5，则进行步骤3.2，否者进行步骤3.3，统计时同时记录采样点最大值ymax和最小值ymin，其中预定周期跟随频率改变；
步骤3.2：获得直流分量yz，包括：根据式(1)计算获得直流分量值yz，初始yz＝0，进行步骤3.3；
步骤3.3：去除直流分量，包括：根据式(2)原始离散采样数据点ys去除直流分量值yz后在进行步骤3.4；
y＝ys-yz (2)
步骤3.4：确定正向过零点，包括：寻找两连续采样点(x1,y1)和(x2,y2)满足y1<0并且y2>0，并采用式(3)获得正向过零点的时刻x01，ts为采样间隔时间，进行步骤3.5；
步骤3.5：确定下一个负向过零点，包括：寻找第一组两连续采样点(x3,y3)和(x4,y4)满足y3>0并且y4<0，并采用式(4)获得负向过零点的时刻x02，ts为采样间隔时间，进行步骤3.6；
步骤3.6：判断是否为干扰信号，如果正向过零点的时刻x01和负向过零点的时刻x02的时间差大于预定周期T的六分之一则进入步骤3.7，并且将时间差(x02-x01)记为半周期Th，否则认定为干扰信号丢弃计算结果，重新进入步骤3.4；
步骤3.7：获得多组半周期Th，包括：累计计算获得n+2个有效的半周期Th，去除n+2个结果的最大值和最小值，剩余n个有效的半周期Th，进入步骤3.8；
步骤3.8：获得估算周期Te，包括：根据n个有效的半周期Th计算平均值更新信号预设周期T，更新后的信号预设周期T为估算周期Te，
根据估算周期Te计算估算频率Fe，如式(5)和式(6)，进入步骤3.9；
步骤3.9：连续点测频方法，包括：实时获取3个连续采样点，此3个点的相位差如公式(7)，连续采样的数据为公式(8)，由公式(9)可知各数值间的关系，由公式(9)得公式(10)，由公式(7)得公式(11)，由公式(10)和公式(11)得公式(12)，由公式(12)计算得到信号频率，进入步骤3.10；
φ＝ωts (7)
其中，y1、y2、y3为三个连续采样的数据，α为第一个采样数据的初始相位，φ为ts时间间隔的相位偏移，A为信号幅值，Ff为信号频率；
步骤3.10：确认原始信号频率。由公式(6)确定信号频率为范围为F∈[0.9Fe，1.1Fe]，再由公式(12)计算获得Ff，如果Ff在频率范围[0.9Fe，1.1Fe]内，则F＝Ff更新信号频率，否者丢弃Ff。
4.根据权利要求3所述的跟频插值采样的信号测量方法，其特征在于，所述根据精确测量信号频率和预先确定的采样点数确定插值脉冲，利用线性插值算法以及所述插值脉冲将离散数字信号插值为基于所述精确测量信号频率的跟频离散采样数据，包括：
由更新后的信号频率F获得新的信号周期时间T，进入步骤3.2；
由新的信号周期时间T和采样点数M点，更新采样间隔时间ts；
产生基于更新后的ts采样间隔时间的插值脉冲；
利用线性插值算法以及所述插值脉冲将所述离散数字信号，插值为基于信号频率的跟频离散采样数据。
5.根据权利要求4所述的跟频插值采样的信号测量方法，其特征在于，所述对所述跟频离散采样数据进行傅氏变换计算，得到模拟信号的幅值和相位，结合精确测量信号频率，得到最终的模拟信号特征量，包括：
依次根据式(13)、式(14)和式(15)求得yx和yy；
式中，A为信号幅值，ω为信号角频率，α为采样数据的初始相位，t为信号时间；
其中，yx为一个信号周期的M个点的傅式计算结果实部，yy为一个信号周期的M个点的傅式计算结果虚部，T为公式(12)获得精确原始信号频率的倒数；
根据式(16)获得原始信号的幅值amp、相位ang和根据式(12)获得原始信号的频率Ff，由此确定最终的模拟信号特征量。
6.一种跟频插值采样的信号测量***，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取在时间上、幅值上都连续的模拟信号，将时间上、幅值上都连续的模拟信号转换成时间上离散、但幅值上仍连续的离散数字信号；
第一确定模块，用于获取所述离散数字信号的极大值和极小值，利用离散数字信号的极大值和极小值计算出离散数字信号的直流分量，并从离散数字信号中去除此直流分量，然后运用过零点测频法确定去除此直流分量后离散数字信号的估算频率范围，利用连续点测频方法结合估算频率范围快速实时获得精确测量信号频率；
插值处理模块，用于根据精确测量信号频率和预先确定的采样点数确定插值脉冲时刻，在所述插值脉冲时刻，利用线性插值算法将离散数字信号插值为基于所述精确测量信号频率的跟频离散采样数据；
第二确定模块，用于对所述跟频离散采样数据进行傅氏变换计算，得到模拟信号的幅值和相位，结合精确测量信号频率，确定最终的模拟信号特征量。
7.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至5所述的方法中的任一方法。
8.一种计算设备，其特征在于，包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至5所述的方法中的任一方法的指令。
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