CN114487589A - 电网宽频信号自适应测量方法、装置及*** - Google Patents

电网宽频信号自适应测量方法、装置及*** Download PDF

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CN114487589A CN202111607694.1A CN202111607694A CN114487589A CN 114487589 A CN114487589 A CN 114487589A CN 202111607694 A CN202111607694 A CN 202111607694A CN 114487589 A CN114487589 A CN 114487589A
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殷垚
彭奇
魏洁茹
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Abstract

本发明公开了一种电网宽频信号自适应测量方法、装置及***，所述方法包括：获取电网宽频信号的信号频谱及信号主瓣干扰情况；根据所述信号主瓣干扰情况，自适应性地采用双谱线插值算法或复调制细化谱分析法，对所述信号频谱进行信号参数估计，得到电网宽频信号的所有参数。本发明利用信号频谱谱线的相位特性进行信号主瓣干扰的自适应判定，针对存在主瓣干扰的信号频谱采用复调制细化谱分析法进行参数估计，针对不存在主瓣干扰的信号频谱采用双谱线插值算法进行估计。本发明有效实现了宽频范围内的谐波的高精度自适应测量。

Description

电网宽频信号自适应测量方法、装置及***
技术领域
本发明属于电力***宽频信号测量技术领域，具体涉及一种电网宽频信号自适应测量方法、装置及***。
背景技术
实时准确地测量电网信号中各成分分量，是电网安全稳定运行的重要保障。然而，现有的同步相量测量装置(Phasor Measurement Unit，PMU)、电能质量监测装置和测量算法多针对工频及20次以下谐波的测量，无法全面监测0～2.5kHz宽频范围内的电网信号。此外，现有测量算法多局限于工频及谐波信号测量，电能质量检测装置间谐波频率分辨率仅达5Hz，难以满足宽频范围内的所有信号的分辨率要求。
在针对谐波和间谐波信号测量算法方面，快速傅里叶变换(Fast FourierTransform，FFT)是应用最多的一类频谱分析方法，其中加窗插值校正的测量算法具有运算量小、测量精度稳定的优点，但当插值校正利用的谱线受到谱线干扰影响时，会导致校正精度大幅降低，这类算法在保证算法实时性的情况下无法有效测量频率相近的谐波及间谐波。
复调制细化谱分析法(ZoomFFT)能以较高的分辨率对特定频率范围进行频域分析、实现对频率相近信号分量的测量，但无法实现0～2.5kHz宽频范围下的全面测量。基于多重信号分类法(MUSIC)和旋转不变参数估计法(ESPRIT)的现代谱估计算法均具有超分辨率的特性，但计算量偏大且信源数估计过程易受噪声影响、导致算法精度急剧下降。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种电网宽频信号自适应测量方法、装置及***，可实现宽频范围内电网谐波和频率相近间谐波的高精度自适应测量。
为了实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种电网宽频信号自适应测量方法，包括：
获取电网宽频信号的信号频谱及信号主瓣干扰情况；
根据所述信号主瓣干扰情况，自适应性地采用双谱线插值算法或复调制细化谱分析法，对所述信号频谱进行信号参数估计，得到电网宽频信号的所有参数。
可选地，所述获取电网宽频信号的信号频谱，包括：
对所述电网宽频信号进行N点采样，得到采样序列；
对所述采样序列加4项5阶Nuttall窗，并进行离散傅里叶变换，得到所述信号频谱。
可选地，所述信号主瓣干扰情况的获取方法包括：
对信号频谱进行抽样，得到数字频谱；
当基于所述数字频谱，判断出数字频谱主瓣中的谱线未受到其他频率的信号分量的影响时，则利用谱线相位特性获得信号主瓣干扰情况。
可选地，当数字频谱主瓣中相邻谱线的相位差的绝对值为π，则判定数字频谱主瓣中的谱线未受到其他频率的信号分量的影响。
可选地，所述信号主瓣干扰情况包括主瓣中的谱线不存在干扰或主瓣中的谱线存在干扰；所述利用谱线相位特性获得信号主瓣干扰情况，具体包括：
将数字频谱各主瓣中相邻谱线间相位差与π之差的最大值
Figure BDA0003434446930000021
与阈值ε相比；
当满足
Figure BDA0003434446930000022
则认为该主瓣中的谱线不存在干扰：
当满足
Figure BDA0003434446930000023
则认为该主瓣中的谱线存在干扰。
可选地，根据所述信号主瓣干扰情况，自适应性地采用双谱线插值算法或复调制细化谱分析法，对所述信号频谱进行信号参数估计，具体包括：
当主瓣中的谱线不存在干扰时，则采用基于4项5阶Nuttall窗的双谱线插值校正算法对不存在主瓣干扰的信号频谱进行参数估计；
当主瓣中的谱线存在干扰时，则采用复调制细化谱分析法对存在主瓣干扰的信号频谱进行参数估计。
第二方面，本发明提供了一种电网宽频信号自适应测量装置，包括：
信号处理模块，用于获取电网宽频信号的信号频谱及信号主瓣干扰情况；
参数估计模块，用于根据所述信号主瓣干扰情况，自适应性地采用双谱线插值算法或复调制细化谱分析法，对所述信号频谱进行信号参数估计，得到电网宽频信号的所有参数。
第三方面，本发明提供了一种电网宽频信号自适应测量***，包括存储介质和处理器；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～6中任一项所述方法的步骤。
第四方面，本发明提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现第一方面中任一项所述方法的步骤。
第五方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现第一方面中任一项所述的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明首先利用信号频谱的相位特性判断是否存在主瓣干扰，根据判别结果，自适应性地采用计算量小、满足谐波测量的双谱线插值校正算法，以及分辨率更高的、满足频率相近间谐波及低幅高次谐波测量的复调制细化谱分析法，能够有效实现0～2.5kHz范围内谐波和频率相近间谐波的高精度自适应测量，更高的测量精度和更低的运算代价使其能够满足宽频化电网测量需求。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：
图1为本发明的方法流程示意图；
图2(a)为本发明的方法的电网信号测量结果及相对误差图之一；
图2(b)为本发明的方法的电网信号测量结果及相对误差图之二；
图2(c)为本发明的方法的电网信号测量结果及相对误差图之三；
图3为10个基波周期内电网实测三相电压信号波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
实施例1
如图1所示，本发明提供一种电网宽频信号自适应测量方法，具体步骤如下：
获取电网宽频信号的信号频谱及信号主瓣干扰情况；
根据所述信号主瓣干扰情况，自适应性地采用双谱线插值算法或复调制细化谱分析法(ZoomFFT算法)，对所述信号频谱进行信号参数估计，得到电网宽频信号的所有参数。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述信号频谱的获取方法包括：
以采样频率fs对所述电网宽频信号进行N点采样，得到采样序列；所述电网宽频信号的表达式为：
Figure BDA0003434446930000031
其中，Am、fm、
Figure BDA0003434446930000032
分别为电网宽频信号中第m个信号分量的幅值、频率和相位，M为电网宽频信号中信号分量个数；
对所述采样序列加4项5阶Nuttall窗，并进行离散傅里叶变换，得到所述信号频谱；所述信号频谱的表达式为：
Figure BDA0003434446930000041
其中，X(ejw)为信号频谱，W4(ω)为4项5阶Nuttall窗的幅度谱，ωm为fm的数字角频率。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述信号主瓣干扰情况的获取方法包括：
以2π/N的间隔对信号频谱X(ejw)进行抽样，得到数字频谱，即获得信号频谱的数字频率表示形式，具体为：
Figure BDA0003434446930000042
其中，λ＝Nω/2π，λm＝Nωm/2π＝Nfm/fs，
Figure BDA0003434446930000043
WR(λ)＝sin(λπ)/sin(λπ/N)为以数字频率表示的矩形窗幅度谱；
当基于所述数字频谱，判断出数字频谱主瓣中的谱线未受到其他频率的信号分量的影响时，则利用谱线相位特性获得信号主瓣干扰情况；
在具体实施过程中，当数字频谱主瓣中相邻谱线的相位差的绝对值为π，则判定数字频谱主瓣中的谱线未受到其他频率的信号分量的影响，相邻谱线的相位差绝对值的计算公式为：
Figure BDA0003434446930000044
其中，X(·)为幅频谱线值，i为主瓣中的峰值谱线序号，k为各谱线间相位差与π的差值的序号，k＝1,2,3,4。
所述信号主瓣干扰情况包括主瓣中的谱线不存在干扰或主瓣中的谱线存在干扰；所述利用谱线相位特性获得信号主瓣干扰情况，具体包括：
将数字频谱各主瓣中相邻谱线间相位差与π之差的最大值
Figure BDA0003434446930000045
与阈值ε相比；
当满足
Figure BDA0003434446930000046
则认为该主瓣中的谱线不存在干扰(即此频谱处仅存在一个信号分量)：
当满足
Figure BDA0003434446930000047
则认为该主瓣中的谱线存在干扰(即此频谱处仅存在多个信号分量)。
在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述根据所述信号主瓣干扰情况，自适应性地采用双谱线插值算法或复调制细化谱分析法，对所述信号频谱进行信号参数估计，具体包括：
当主瓣中的谱线存在干扰时，则采用基于4项5阶Nuttall窗的双谱线插值校正算法对存在主瓣干扰的信号频谱进行参数估计；
当主瓣中的谱线不存在干扰时，则采用复调制细化谱分析法对不存在主瓣干扰的信号频谱进行参数估计。
其中，所述采用基于4项5阶Nuttall窗的双谱线插值校正算法对不存在主瓣干扰的信号频谱进行参数估计，具体包括以下步骤：
计算任意两相邻频点的谱线幅值比βm，所述谱线幅值比βm的计算公式为：
Figure BDA0003434446930000051
结合所述谱线幅值比βm，计算信号频率fm对应的数字频率位置λm，所述数字频率位置λm的计算公式为：
λm＝km+δm
其中，km为正整数的采样点，δm为插值系数，且δm∈[0,1)；
根据所述4项5阶Nuttall窗的双谱线插值校正算法进行信号频谱的参数估计；所述4项5阶Nuttall窗的双谱线插值校正算法的频率、幅值和相位参数估计公式分别为：
Figure BDA0003434446930000052
Figure BDA0003434446930000053
Figure BDA0003434446930000054
其中，fm、Am、
Figure BDA0003434446930000055
分别为第m个信号分量的频率、幅值和相位，km为正整数的采样点，δm为插值系数，fs为采样频率，N为采样点数。
所述采用复调制细化谱分析法对存在主瓣干扰的信号频谱进行参数估计，具体包括：
对所述电网宽频信号进行加窗采样后，得到NZFFT＝DN个点的时域序列，D为细化倍数，对所述时域序列乘以单位旋转因子
Figure BDA0003434446930000056
进行复调制移频，形成一个以频谱中存在主瓣干扰的谱线对应的频率fi为频率零点的新信号y(n)；
对新信号y(n)进行FFT变换后，对得到的频域序列(即频谱)进行低通数字滤波；
对低通数字滤波后的频域序列进行长度为DN的IFFT，得到时域序列后，进行重采样，采样间隔为D，采样频率变为fs/D；
对重采样后得到的N点时域序列进行FFT，并通过将零频分量移动到序列中心以进行重新排列，此时频率分辨率为(fs/D)/N＝fs/DN；
根据重新排列得到的FFT结果，即可得到电网宽频信号在以频率fi为中心、细化频率范围fs/D内的频谱特性，实现该频率范围内信号频谱的参数估计，所述复调制细化谱分析法的频率、幅值和相位参数估计公式分别为：
Figure BDA0003434446930000061
A＝|X(ki)|
Figure BDA0003434446930000062
其中，f、A、
Figure BDA0003434446930000063
分别为存在主瓣干扰的频率谱线对应的信号分量的频率、幅值和相位，ki为存在主瓣干扰谱线的数字频率点，fs为采样频率，NZFFT为复调制细化谱分析法的采样点数，D为细化倍数，X(ki)为以数字频率表示的信号频谱。
下面结合一具体实施方式对本发明实施例中方法的应用进行详细说明。
(1)首先需要分析确定判断主瓣干扰的阈值ε：由于阈值ε的取值直接影响本发明实施例中测量方法的自适应性，取值较小会导致主瓣干扰的误判，而取值较大则会造成漏判、使得信号参数无法得到有效估计、方法失效。对不同信噪比下的不同幅值比和频率差的信号分量进行仿真遍历后，在谱线插值法无法有效进行参数估计的信号分量(如频率相近或低幅值分量)能被有效识别的前提下，尽可能避免引入不必要的运算量，进而将阈值设定为ε＝1.4。
(2)采用本发明所提方法对电网宽频信号进行测量，构建仿真信号：
结合实际电网宽频信号特点，设定某含有基波、各次谐波和间谐波的电网信号信噪比SNR为60dB，参数设定值如表1所示。
表1仿真信号参数设定值
Figure BDA0003434446930000064
Figure BDA0003434446930000071
设置采样频率为fs＝6.4kHz，根据国际电工委员会标准IEC 61000-4-30，设置采样信号频谱分析时间窗为10个基波周期，即采样点数N≈1280。设置所述ZoomFFT的细化倍数D＝50，采样点数NZFFT＝12800。
鉴于幅值较低的信号分量易受到背景噪声或其他信号分量频谱泄露的影响而出现主瓣干扰，对该信号仿真并测量100次后对测量结果取平均以保证仿真结果的可靠性。仿真测量结果如表2、图2(a)-图2(c)所示，其中误差棒大小为各信号分量参数的误差标准差，即±σ，用于表明本发明所提方法的精度稳定性。
表2电网宽频信号测量结果
Figure BDA0003434446930000072
仿真结果表明，本发明有效实现了信号的自适应测量，其中ZoomFFT算法针对基波及其附近间谐波以及频率差仅为1Hz的间谐波参数进行了估计，所述基于4项5阶Nuttall窗的双谱线插值校正算法则测量了未产生主瓣干扰的谐波分量。此外，虽然35次和49次谐波附近均不存在其他信号分量，但较低的幅值使其易受到频谱泄露和背景噪声的影响而产生主瓣干扰，因此在仿真过程中，两算法均进行过该分量的参数估计。
ZoomFFT算法的整体测量结果相较于基于4项5阶Nuttall窗的双谱线插值校正算法更为稳定、误差波动较小，频率估计精度更高，实现了对频率参数的准确估计，但幅值估计精度稍低于后者，这也导致高次谐波的参数估计误差波动较大，而在相位估计精度方面，两种算法基本相当。综上，本发明所提方法的整体精度较高、稳定性好，频率相对误差低于7×10-5、幅值误差数量级在10-4～10-3，相位误差不超过1.6×10-2。
(3)采用本发明的方法对电网实测电压信号进行测量：
利用本发明所提方法对中车风电后水泉风电场的220kV母线三相电压录波数据(如图3所示)进行分析，电压变比为220kV/100V，录波数据由安装部署于现场的同步相量测量装置(SMU-2ME)连续录波得到，采样频率为6.4kHz，方法初期数据长度N＝1280，若存在主瓣干扰则增加至N＝12800以满足ZoomFFT运行需要，主瓣干扰判定阈值仍为ε＝1.4，参数估计结果如表3所示。
表3实测电压信号测量结果
Figure BDA0003434446930000081
由结果可以看出，本发明有效估计出了各信号参数。在频率方面，该电压信号基频无频率偏移且不存在间谐波，但信号中存在最高达13次的多个低幅谐波分量。在幅值方面，基频相电压均值为57.734V，则对应的线电压为99.998V，符合实际电压变比大小，幅值估计精度较高。此外，三相间存在一定程度的不平衡，如仅在A相和B相中存在13次谐波等，这类谐波在其他相中可能不存在或幅值低于0.1V。在相位方面，此时利用各相间相位差是否为120°对相位估计结果进行验证：
Figure BDA0003434446930000082
其中，
Figure BDA0003434446930000083
分别为三相相位，θA、θB、θC为相位偏差，则有：
Figure BDA0003434446930000084
其中，
Figure BDA0003434446930000091
为不平衡度，用以表征电网实际运行情况下各相相位的不平衡程度，在电网理想运行情况下有
Figure BDA0003434446930000092
e.为相位估计误差，即由测量方法所引入的方法误差，此时有：
Figure BDA0003434446930000093
由于录波数据存在黑箱性且相位为相对值，此时认为各谐波分量不平衡度的绝对值之和均为常数，即
Figure BDA0003434446930000096
进而可利用绝对相位偏差的均值来粗略衡量测量方法的相位估计误差，有：
Figure BDA0003434446930000094
此时三相中均稳定存在的谐波分量的相位估计结果及其绝对相位偏差的均值如表4所示。
表4相位估计结果及绝对相位偏差的均值
Figure BDA0003434446930000095
一方面，可以看出该电压信号中三相相位较为平衡，其中工频各相间相位差基本为120°。另一方面，在实际情况下电网信号中的奇次谐波一般存在一定程度的三相不平衡情况，不平衡程度与谐波源、幅值大小等因素相关，此时若假设方法误差e.受分量幅值高低影响而围绕某固定值小幅波动，则可以看出各次谐波的不平衡度与实际情况相符。综上，可认为本发明所提测量方法实现了较高精度的相位估计。
实施例2
基于与实施例1相同的发明构思，本发明实施例中提供了一种电网宽频信号自适应测量装置，包括：
信号处理模块，用于获取电网宽频信号的信号频谱及信号主瓣干扰情况；
参数估计模块，用于根据所述信号主瓣干扰情况，自适应性地采用双谱线插值算法或复调制细化谱分析法，对所述信号频谱进行信号参数估计，得到电网宽频信号的所有参数。
其余部分均与实施例1相同。
实施例3
本发明实施例中提供了一种电网宽频信号自适应测量***，包括存储介质和处理器；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例1中任一项所述方法的步骤。
实施例4
本发明实施例中提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例1中任一项所述方法的步骤。
实施例5
本发明实施例中提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例1中任一项所述的方法的步骤。
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。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电网宽频信号自适应测量方法，其特征在于，包括：
获取电网宽频信号的信号频谱及信号主瓣干扰情况；
根据所述信号主瓣干扰情况，自适应性地采用双谱线插值算法或复调制细化谱分析法，对所述信号频谱进行信号参数估计，得到电网宽频信号的所有参数。
2.根据权利要求1所述的一种电网宽频信号自适应测量方法，其特征在于：所述获取电网宽频信号的信号频谱，包括：
对所述电网宽频信号进行N点采样，得到采样序列；
对所述采样序列加4项5阶Nuttall窗，并进行离散傅里叶变换，得到所述信号频谱。
3.根据权利要求1所述的一种电网宽频信号自适应测量方法，其特征在于：所述信号主瓣干扰情况的获取方法包括：
对信号频谱进行抽样，得到数字频谱；
当基于所述数字频谱，判断出数字频谱主瓣中的谱线未受到其他频率的信号分量的影响时，则利用谱线相位特性获得信号主瓣干扰情况。
4.根据权利要求3所述的一种电网宽频信号自适应测量方法，其特征在于，当数字频谱主瓣中相邻谱线的相位差的绝对值为π，则判定数字频谱主瓣中的谱线未受到其他频率的信号分量的影响。
5.根据权利要求3所述的一种电网宽频信号自适应测量方法，其特征在于，所述信号主瓣干扰情况包括主瓣中的谱线不存在干扰或主瓣中的谱线存在干扰；所述利用谱线相位特性获得信号主瓣干扰情况，具体包括：
将数字频谱各主瓣中相邻谱线间相位差与π之差的最大值
Figure FDA0003434446920000011
与阈值ε相比；
当满足
Figure FDA0003434446920000012
则认为该主瓣中的谱线不存在干扰：
当满足
Figure FDA0003434446920000013
则认为该主瓣中的谱线存在干扰。
6.根据权利要求5所述的一种电网宽频信号自适应测量方法，其特征在于：根据所述信号主瓣干扰情况，自适应性地采用双谱线插值算法或复调制细化谱分析法，对所述信号频谱进行信号参数估计，具体包括：
当主瓣中的谱线不存在干扰时，则采用基于4项5阶Nuttall窗的双谱线插值校正算法对不存在主瓣干扰的信号频谱进行参数估计；
当主瓣中的谱线存在干扰时，则采用复调制细化谱分析法对存在主瓣干扰的信号频谱进行参数估计。
7.一种电网宽频信号自适应测量装置，其特征在于，包括：
信号处理模块，用于获取电网宽频信号的信号频谱及信号主瓣干扰情况；
参数估计模块，用于根据所述信号主瓣干扰情况，自适应性地采用双谱线插值算法或复调制细化谱分析法，对所述信号频谱进行信号参数估计，得到电网宽频信号的所有参数。
8.一种电网宽频信号自适应测量***，其特征在于，包括存储介质和处理器；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～6中任一项所述方法的步骤。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1～6中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1～6中任一项所述的方法的步骤。
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