電力系統(tǒng)中相量測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種電力系統(tǒng)中相量測量方法，方法包括：采用用于抑制負頻率的復合窗對采樣信號進行處理；對所述復合窗處理后的采樣信號進行傅里葉變換，得到相量值；其中，所述復合窗處理后的采樣信號中-48至-52HZ頻率對應的旁瓣的幅值小于預設(shè)值。上述方法可解決現(xiàn)有技術(shù)中矩形窗和傅里葉變換中較多的高頻干擾和頻譜能量泄漏的問題。
【專利說明】電力系統(tǒng)中相量測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力技術(shù)，尤其涉及一種電力系統(tǒng)中相量測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，相量值是一個重要的觀測量，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全自動裝置需要實時測量其值，并根據(jù)其值的變化作出相應的控制措施。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，電力系統(tǒng)中低頻振蕩條件下應用最廣泛的相量測量方法主要是基于離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform, DFT)獲得相量值。
[0004]現(xiàn)有的傅里葉變換是研究整個時間域和頻率域的關(guān)系。實際應用中不可能對無限長的信號進行測量和運算，而是取其有限的時間片段進行分析；由此，從采樣信號中截取一個信號時間片段，然后用截取的信號時間片段進行周期延拓處理，得到虛擬的無限長的信號，對無限長信號進行傅里葉變換獲得相量值。
[0005]然而，實際的無限長的信號被截斷以后，其頻譜發(fā)生了畸變，原來集中在f (O)處的能量被分散到整個頻帶中去了，這種現(xiàn)象稱之為頻譜能量泄漏。
[0006]為解決現(xiàn)有技術(shù)中頻譜能量泄漏的問題，現(xiàn)有技術(shù)中在對采用信號的傅里葉變換之前，對采樣信號進行窗函數(shù)的處理，如采用矩形窗函數(shù)進行處理，進而將處理后的信號再進行傅里葉變換，得到相量值。
[0007]然而，該矩形窗出后的旁瓣較高，導致后續(xù)傅里葉變換中有較多的高頻干擾，和頻譜能量泄漏。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種電力系統(tǒng)中相量測量方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中矩形窗和傅里葉變換中較多的高頻干擾和頻譜能量泄漏的問題。
[0009]本發(fā)明提供一種電力系統(tǒng)中相量測量方法，包括:
[0010]采用用于抑制負頻率的復合窗對采樣信號進行處理；
[0011]對所述復合窗處理后的采樣信號進行傅里葉變換，得到相量值；
[0012]其中，所述復合窗處理后的采樣信號中-48至-52HZ頻率對應的旁瓣的幅值小于預設(shè)值。
[0013]可選地，所述采用用于抑制負頻率的復合窗對采樣信號進行處理，具體為:采用下述公式對采樣信號進行處理；
[0014]w (n) = W0 (n) sine (n/N)
[0015]η = -2N,.........，2N—1
[0016]其中，w0(η) = 0.51327588+0.48672412cos (2π η/4Ν)，N 為一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)。
[0017]可選地，所述復合窗處理后的采樣信號中-48至-52ΗΖ頻率對應的旁瓣的幅值的衰減范圍大于125dB。
[0018]可選地，N = 64時，所述復合窗處理后的采樣信號中-48至-52HZ頻率對應的旁瓣的幅值的衰減值在160至250dB ；
[0019]N = 128或32時，所述復合窗處理后的采樣信號中_48至-52HZ頻率對應的旁瓣的幅值的衰減值在130至150dB。
[0020]可選地，所述復合窗處理后的采樣信號中-50HZ頻率對應的旁瓣的幅值小于預設(shè)值。
[0021]由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的電力系統(tǒng)中相量測量方法，采用用于抑制負頻率的復合窗對采樣信號進行處理；且復合窗處理后的采樣信號中-48至-52HZ頻率對應的旁瓣的幅值小于預設(shè)值，由此，對所述復合窗處理后的采樣信號進行傅里葉變換，得到相量值，可解決現(xiàn)有技術(shù)中矩形窗和傅里葉變換中較多的高頻干擾和頻譜能量泄漏的問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明一實施例提供的電力系統(tǒng)中相量測量方法的流程示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明一實施例提供的電力系統(tǒng)中CSW法、RCW法和傳統(tǒng)DFT估算的相量幅值的不意圖；
[0024]圖3為圖2的部分放大示意圖；
[0025]圖4為圖2中CSW法、RCff法和傳統(tǒng)DFT估算的相量幅值測量誤差示意圖。

【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0027]當前，采樣信號中頻譜的泄漏與窗函數(shù)頻譜的兩側(cè)旁瓣有關(guān)，如果旁瓣高度越低，主瓣越集中，則頻譜泄漏的越少，越接近于真實的頻譜。
[0028]現(xiàn)有技術(shù)中,最常用的窗函數(shù)為矩形窗、漢寧(Hanning)窗、漢明(Hamming)窗、布萊克曼(Blackman)窗、升余弦窗(raised cosine window,簡稱 RCW)等。
[0029]矩形窗的優(yōu)點是主瓣比較集中，缺點是旁瓣較高，導致傅里葉變換中帶進了高頻干擾和泄漏。
[0030]當前，余弦窗表達式為下述的公式(I):
[0031]? L"] = %ak cos[^-^-(/7)]
k-M).?(])
P-NP-N ,
[0032]η =--,............1
2 2
[0033]公式(I)中，K代表余弦窗的項數(shù)，ak表現(xiàn)了余弦窗的時頻特征，舉例來說，對于一個四周期兩項余弦窗(P = 4, K = 2),當Stl = 0.5, S1 = 0.5,則上述公式⑴對應的窗為漢寧窗；當％ = 0.54，B1 = 0.46，上述公式(I)對應的窗為漢明窗。
[0034]對于一個四周期三項余弦窗(P= 4, K = 3),當 a。= 0.42, = 0.5, a2 = 0.08時，上述公式(I)對應的窗為布萊克曼窗。
[0035]應說明的是，項數(shù)K是余弦窗的一個參數(shù)，指余弦表達式中不同余弦項的個數(shù)。項數(shù)越多，余弦窗的主瓣越寬，可達到的旁瓣衰減也越大。
[0036]現(xiàn)有技術(shù)中，漢明窗與漢寧窗都屬于余弦窗，只是加權(quán)系數(shù)不同。漢寧窗加權(quán)的系數(shù)能使旁瓣達到更??；布萊克曼窗為二階升余弦窗，主瓣寬，旁瓣比較低，但主瓣比漢寧窗要大一些，旁瓣卻小一些。
[0037]RCW對應的計算公式如下:
[0038]w [n] = sine (n/N) * (sine (0.7*η/Ν+0.5)+sine (0.7*η/Ν_0.5))
[0039]η = -2Ν,......，2Ν-1 (2)
[0040]RCff與余弦窗相比主瓣較集中，旁瓣較高。
[0041]上述窗函數(shù)在10Hz的頻率附近的旁瓣的振幅值還是比較高，無法滿足傅里葉變換的需求。
[0042]本發(fā)明的核心是提供一種復合窗(Cosine-sinc窗，CSW)函數(shù)，該復合窗與余弦窗相比有更為集中的主瓣和更低的旁瓣，與RCW相比有相似的主瓣，然而在頻譜中，特別是在10Hz的頻率附近有更低的旁瓣，由此，本發(fā)明的方法處理采樣信號能夠具有較好的負頻率抑制能力。
[0043]理論上，用信號a (t)對基本功率信號cos (2 π f0t+ θ )進行振幅調(diào)制，那么信號模型為:
[0044]s (t) = a (t) cos (2 π f0t+ θ )公式(3)
[0045]在公式(3)中，a(t)是振幅調(diào)制信號，&是基頻，Θ是相角。
[0046]直接對信號模型進行傅里葉變換為:
[0047]PU) =?(/) + e -J0Aif f 2./0)]公式⑷
[0048]在公式⑷中，W(f)為基頻的頻譜窗口 w(t)的變換，A(f)是a(t)的頻譜包絡(luò)函數(shù)，且Aw = W(O)。另外，在公式(4)中的第一項對應于所需的傅里葉濾波的輸出，第二項是不需要的負頻率滲透。
[0049]在實際應用中負頻率滲透是不需要的內(nèi)容，為較好的抑制負頻率，需要窗函數(shù)可在10Hz的頻率附近有特別低旁瓣。
[0050]在本發(fā)明中，如圖1所示，本實施例的電力系統(tǒng)中相量測量方法如下所述。
[0051]101、采用用于抑制負頻率的復合窗對采樣信號進行處理；
[0052]102、對所述復合窗處理后的采樣信號進行傅里葉變換，得到相量值；
[0053]其中，所述復合窗處理后的采樣信號中-48至-52HZ頻率對應的旁瓣的幅值小于預設(shè)值。
[0054]優(yōu)選地，所述復合窗處理后的采樣信號中-50HZ頻率對應的旁瓣的幅值小于預設(shè)值。
[0055]可理解的是，本實施例中復合窗處理后的采樣信號中-48至-52HZ頻率對應的旁瓣的幅值的衰減范圍大于125dB，而目前常用窗的衰減都小于120dB。
[0056]舉例來說，上述復合窗處理后的采樣信號中-48至-52HZ頻率對應的旁瓣的幅值的衰減值比常用的窗(如Hanning, Hamming, Blackamn, RCff窗)大,例如:N = 64時(也就是說，每基波周期采樣點為64個采樣點時)，所述復合窗處理后的采樣信號中-48至-52HZ頻率對應的旁瓣的幅值的衰減值在160至250dB ；
[0057]N = 128或32時，所述復合窗處理后的采樣信號中_48至-52HZ頻率對應的旁瓣的幅值的衰減值在130至150dB。
[0058]由此，漢明窗、漢寧窗、Blackman窗、RCW窗在10Hz (對應處理后的米樣信號在50Hz)的頻率附近旁瓣的幅值衰減小于120dB，本申請中提出的復合窗在10Hz的頻率附近旁瓣的幅值衰減大于125dB左右。
[0059]本實施例的電力系統(tǒng)中相量測量方法，采用用于抑制負頻率的復合窗對采樣信號進行處理；對所述復合窗處理后的采樣信號進行傅里葉變換，得到相量值，可解決現(xiàn)有技術(shù)中矩形窗和傅里葉變換中較多的高頻干擾和頻譜能量泄漏的問題。
[0060]在實際應用中，所述采用用于抑制負頻率的復合窗對采樣信號進行處理，具體為:
[0061]采用下述公式對采樣信號進行處理；
[0062]w (n) = W0 (n) sine (n/N)
[0063]η = -2N,.........，2N—1 公式(5)
[0064]其中，W。(η)= 0.51327588+0.48672412cos (2 π n/4N)，N 為一個周期的采樣點數(shù)，且上述的Wtl(η)是一個兩項余弦窗。
[0065]在具體應用中，通常選用4個周期的采樣電進行相量計算。
[0066]公式(5)中對應的復合窗在頻譜中，特別是窗口中10Hz附近有較低的旁瓣，這在振蕩相量測量中是一個理想的負頻率抑制特性。將該復合窗可為一個余弦窗和正弦窗的復口 ο
[0067]具體地，將上述公式(5)應用于低頻振蕩條件下電力系統(tǒng)的振蕩相量測量中，樣本頻率設(shè)置為3200Hz，標稱頻率設(shè)置為50Hz。窗口長度大小的DFT計算為四個周期，實驗中為256個采樣點。
[0068]一個典型的低頻調(diào)制如下所示:
[0069]X (t) = (1+0.1cos (2 π fmt)) sin (2 π ft)
[0070]其中，f= 50.2Hz，f； = 1Hz。
[0071]本實施例中，采用CSW法、RCW法和傳統(tǒng)DFT分別估算的相量幅值，如圖2所示，圖3是圖2的部分放大的示意圖，圖4顯示了幅值測量誤差的示意圖。
[0072]圖2中示出，CSff法、RCW法和傳統(tǒng)DFT都能跟蹤低頻振蕩，通過傳統(tǒng)的DFT可以獲得明顯的畸變曲線，這主要是由負頻率滲透所決定的。
[0073]圖3示出，傳統(tǒng)的DFT曲線的畸變程度在RCW曲線和CSW曲線上已經(jīng)被極大地削弱了。然而，在RCW曲線上仍然有一定的畸變，而在CSW曲線上基本沒有這樣的畸變。
[0074]圖4示出了 RCW法的誤差要高于本實施例所提出的CSW法的誤差。
[0075]可理解的是，CSW的誤差主要來自通帶衰減，或是窗的主瓣衰減。典型的低頻振蕩范圍為0.1到2Hz，CSff的主瓣的幅值從99.98%衰變至99.72%，因此，CSW主瓣幅值所導致的誤差低于0.28%，這遠低于IEEE標準c37.118.1-2011限制，更重要的是，主瓣衰減用后期的處理可以補償回來。
[0076]由此，本實施例的相量測量方法具有良好的抑制諧波/間諧波和噪聲的能力，可較好地應用于低頻振蕩條件下電力系統(tǒng)的振蕩相量測量中。
[0077]最后應說明的是:以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換,并不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種電力系統(tǒng)中相量測量方法，其特征在于，包括: 采用用于抑制負頻率的復合窗對采樣信號進行處理； 對所述復合窗處理后的采樣信號進行傅里葉變換，得到相量值； 其中，所述復合窗處理后的采樣信號中-48至-52HZ頻率對應的旁瓣的幅值小于預設(shè)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用用于抑制負頻率的復合窗對采樣信號進行處理，具體為: 采用下述公式對采樣信號進行處理； w (n) = w0 (n) sine (n/N) η = -2N,.........，2N-1 其中，w0 (η) = 0.51327588+0.48672412cos (2 π n/4N)，N 為一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 所述復合窗處理后的采樣信號中-48至-52HZ頻率對應的旁瓣的幅值的衰減范圍大于125dB。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于， N = 64時，所述復合窗處理后的采樣信號中-48至-52HZ頻率對應的旁瓣的幅值的衰減值在160至250dB ； N = 128或32時，所述復合窗處理后的采樣信號中-48至-52HZ頻率對應的旁瓣的幅值的衰減值在130至150dB。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 所述復合窗處理后的采樣信號中-50HZ頻率對應的旁瓣的幅值小于預設(shè)值。
【文檔編號】G01R23/16GK104181389SQ201410313200
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】薛蕙, 陳娟, 萬蓉 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學