電力系統(tǒng)中相量測(cè)量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種電力系統(tǒng)中相量測(cè)量方法，方法包括：采用用于抑制負(fù)頻率的復(fù)合窗對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理；對(duì)所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到相量值；其中，所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-48至-52HZ頻率對(duì)應(yīng)的旁瓣的幅值小于預(yù)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(cè)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(cè)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(gè)重要的觀測(cè)量，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)安全自動(dòng)裝置需要實(shí)時(shí)測(cè)量其值，并根據(jù)其值的變化作出相應(yīng)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(yīng)用最廣泛的相量測(cè)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(gè)時(shí)間域和頻率域的關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中不可能對(duì)無限長(zhǎng)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和運(yùn)算，而是取其有限的時(shí)間片段進(jìn)行分析；由此，從采樣信號(hào)中截取一個(gè)信號(hào)時(shí)間片段，然后用截取的信號(hào)時(shí)間片段進(jìn)行周期延拓處理，得到虛擬的無限長(zhǎng)的信號(hào)，對(duì)無限長(zhǎng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換獲得相量值。
[0005]然而，實(shí)際的無限長(zhǎng)的信號(hào)被截?cái)嘁院?，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(gè)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(duì)采用信號(hào)的傅里葉變換之前，對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行窗函數(shù)的處理，如采用矩形窗函數(shù)進(jìn)行處理，進(jìn)而將處理后的信號(hào)再進(jìn)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(dǎo)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(duì)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(cè)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(cè)量方法，包括:
[0010]采用用于抑制負(fù)頻率的復(fù)合窗對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理；
[0011]對(duì)所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到相量值；
[0012]其中，所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-48至-52HZ頻率對(duì)應(yīng)的旁瓣的幅值小于預(yù)設(shè)值。
[0013]可選地，所述采用用于抑制負(fù)頻率的復(fù)合窗對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，具體為:采用下述公式對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)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(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。
[0017]可選地，所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-48至-52ΗΖ頻率對(duì)應(yīng)的旁瓣的幅值的衰減范圍大于125dB。
[0018]可選地，N = 64時(shí)，所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-48至-52HZ頻率對(duì)應(yīng)的旁瓣的幅值的衰減值在160至250dB ；
[0019]N = 128或32時(shí)，所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中_48至-52HZ頻率對(duì)應(yīng)的旁瓣的幅值的衰減值在130至150dB。
[0020]可選地，所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-50HZ頻率對(duì)應(yīng)的旁瓣的幅值小于預(yù)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(cè)量方法，采用用于抑制負(fù)頻率的復(fù)合窗對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理；且復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-48至-52HZ頻率對(duì)應(yīng)的旁瓣的幅值小于預(yù)設(shè)值，由此，對(duì)所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)進(jìn)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(shí)施例提供的電力系統(tǒng)中相量測(cè)量方法的流程示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明一實(shí)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(cè)量誤差示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)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(dāng)前，采樣信號(hào)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(shí)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(jiǎn)稱 RCW)等。
[0029]矩形窗的優(yōu)點(diǎn)是主瓣比較集中，缺點(diǎn)是旁瓣較高，導(dǎo)致傅里葉變換中帶進(jìn)了高頻干擾和泄漏。
[0030]當(dāng)前，余弦窗表達(dá)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(xiàng)數(shù)，ak表現(xiàn)了余弦窗的時(shí)頻特征，舉例來說，對(duì)于一個(gè)四周期兩項(xiàng)余弦窗(P = 4, K = 2),當(dāng)Stl = 0.5, S1 = 0.5,則上述公式⑴對(duì)應(yīng)的窗為漢寧窗；當(dāng)％ = 0.54，B1 = 0.46，上述公式(I)對(duì)應(yīng)的窗為漢明窗。
[0034]對(duì)于一個(gè)四周期三項(xiàng)余弦窗(P= 4, K = 3),當(dāng) a。= 0.42, = 0.5, a2 = 0.08時(shí)，上述公式(I)對(duì)應(yīng)的窗為布萊克曼窗。
[0035]應(yīng)說明的是，項(xiàng)數(shù)K是余弦窗的一個(gè)參數(shù)，指余弦表達(dá)式中不同余弦項(xiàng)的個(gè)數(shù)。項(xiàng)數(shù)越多，余弦窗的主瓣越寬，可達(dá)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(dá)到更小；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(duì)應(yīng)的計(jì)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(fù)合窗(Cosine-sinc窗，CSW)函數(shù)，該復(fù)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(hào)能夠具有較好的負(fù)頻率抑制能力。
[0043]理論上，用信號(hào)a (t)對(duì)基本功率信號(hào)cos (2 π f0t+ θ )進(jìn)行振幅調(diào)制，那么信號(hào)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(hào)，&是基頻，Θ是相角。
[0046]直接對(duì)信號(hào)模型進(jìn)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(xiàng)對(duì)應(yīng)于所需的傅里葉濾波的輸出，第二項(xiàng)是不需要的負(fù)頻率滲透。
[0049]在實(shí)際應(yīng)用中負(fù)頻率滲透是不需要的內(nèi)容，為較好的抑制負(fù)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(shí)施例的電力系統(tǒng)中相量測(cè)量方法如下所述。
[0051]101、采用用于抑制負(fù)頻率的復(fù)合窗對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理；
[0052]102、對(duì)所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到相量值；
[0053]其中，所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-48至-52HZ頻率對(duì)應(yīng)的旁瓣的幅值小于預(yù)設(shè)值。
[0054]優(yōu)選地，所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-50HZ頻率對(duì)應(yīng)的旁瓣的幅值小于預(yù)設(shè)值。
[0055]可理解的是，本實(shí)施例中復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-48至-52HZ頻率對(duì)應(yīng)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(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-48至-52HZ頻率對(duì)應(yīng)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(shí)(也就是說，每基波周期采樣點(diǎn)為64個(gè)采樣點(diǎn)時(shí))，所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-48至-52HZ頻率對(duì)應(yīng)的旁瓣的幅值的衰減值在160至250dB ；
[0057]N = 128或32時(shí)，所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中_48至-52HZ頻率對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)處理后的米樣信號(hào)在50Hz)的頻率附近旁瓣的幅值衰減小于120dB，本申請(qǐng)中提出的復(fù)合窗在10Hz的頻率附近旁瓣的幅值衰減大于125dB左右。
[0059]本實(shí)施例的電力系統(tǒng)中相量測(cè)量方法，采用用于抑制負(fù)頻率的復(fù)合窗對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理；對(duì)所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)進(jìn)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(shí)際應(yīng)用中，所述采用用于抑制負(fù)頻率的復(fù)合窗對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，具體為:
[0061]采用下述公式對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)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(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)，且上述的Wtl(η)是一個(gè)兩項(xiàng)余弦窗。
[0065]在具體應(yīng)用中，通常選用4個(gè)周期的采樣電進(jìn)行相量計(jì)算。
[0066]公式(5)中對(duì)應(yīng)的復(fù)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(cè)量中是一個(gè)理想的負(fù)頻率抑制特性。將該復(fù)合窗可為一個(gè)余弦窗和正弦窗的復(fù)口 ο
[0067]具體地，將上述公式(5)應(yīng)用于低頻振蕩條件下電力系統(tǒng)的振蕩相量測(cè)量中，樣本頻率設(shè)置為3200Hz，標(biāo)稱頻率設(shè)置為50Hz。窗口長(zhǎng)度大小的DFT計(jì)算為四個(gè)周期，實(shí)驗(yàn)中為256個(gè)采樣點(diǎn)。
[0068]一個(gè)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(shí)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(cè)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(fù)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(shí)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(dǎo)致的誤差低于0.28%，這遠(yuǎn)低于IEEE標(biāo)準(zhǔn)c37.118.1-2011限制，更重要的是，主瓣衰減用后期的處理可以補(bǔ)償回來。
[0076]由此，本實(shí)施例的相量測(cè)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(yīng)用于低頻振蕩條件下電力系統(tǒng)的振蕩相量測(cè)量中。
[0077]最后應(yīng)說明的是:以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換,并不使相應(yīng)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(cè)量方法，其特征在于，包括: 采用用于抑制負(fù)頻率的復(fù)合窗對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理； 對(duì)所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到相量值； 其中，所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-48至-52HZ頻率對(duì)應(yīng)的旁瓣的幅值小于預(yù)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(fù)頻率的復(fù)合窗對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行處理，具體為: 采用下述公式對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)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(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)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(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-48至-52HZ頻率對(duì)應(yīng)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(shí)，所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-48至-52HZ頻率對(duì)應(yīng)的旁瓣的幅值的衰減值在160至250dB ； N = 128或32時(shí)，所述復(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-48至-52HZ頻率對(duì)應(yīng)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(fù)合窗處理后的采樣信號(hào)中-50HZ頻率對(duì)應(yīng)的旁瓣的幅值小于預(yù)設(shè)值。
【文檔編號(hào)】G01R23/16GK104181389SQ201410313200
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)