一种基于IpDFT的非平衡电力系统的频率估计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于IpDFT的非平衡电力系统的频率估计方法，在不平衡条件下使用非圆信号频率估计的问题是基于通过正交αβ变换从三相电压导出的复值信号建模来解决的。使用增强的复值二阶统计的最新进展，在不平衡条件下，复值信号是二阶非圆信号。本发明专利技术中，利用插值傅里叶变换估计信号的频率，通过简单的计算将非圆信号转化为正弦信号的形式，将正负频率分量都进行了考虑，提高了频率的估计精度且计算简单。与传统的线性自适应估计相比，该方法更适用于非平衡系统并且给出了无偏的频率估计。同时，该方法对频率变化不敏感。本发明专利技术提供的方法更加稳定，计算复杂度低，鲁棒抗噪性能和估计精度均有所提高。

A frequency estimation method based on IpDFT for unbalanced power systems

The present invention discloses a frequency estimation method of an unbalanced power system based on IpDFT. The problem of using non circular signal frequency estimation under unbalanced conditions is based on the modeling of complex value signals derived from the three-phase voltage by orthogonal alpha beta transformation. With the latest progress of enhanced complex valued two order statistics, under complex conditions, complex valued signals are two order non-circular signals. In the invention, the interpolation Fourier transform is used to estimate the frequency of the signal, and the noncircular signal is converted into a sinusoidal signal by simple calculation. The positive and negative frequency components are taken into consideration, and the estimation accuracy of the frequency is improved and the calculation is simple. Compared with the traditional linear adaptive estimation, this method is more suitable for non-equilibrium systems and gives unbiased frequency estimation. At the same time, the method is insensitive to frequency change. The method provided by the invention is more stable, the computation complexity is low, the robust noise immunity performance and the estimation accuracy are improved.

【技术实现步骤摘要】
一种基于IpDFT的非平衡电力系统的频率估计方法
本专利技术属于电力系统领域，特别涉及一种基于IpDFT(插值离散傅里叶变换)的非平衡电力系统频率估计方法。
技术介绍
在电力系统中，大的动态频率振荡可以触发基于标准相量的频率估计技术的故障。由于与标称值的变化可以致使意外的异常系统状况和干扰，在存在谐波，噪声和不平衡电压的情况下的快速和准确的频率估计已经引起了很大的关注。标准的单相的技术是有限的，特别是当所选相遭受电压下降或瞬变时。当考虑线间电压时，由于在三相系统中存在六个不同的单相电压，所以也难以选择最具代表性的单相信号来充分描述系统频率。因此，最佳解决方案是设计一个同时考虑所有三相电压的框架：这提供了每当任何相位遭受骤降，瞬变或谐波时增强的鲁棒性的统一估计。为此，Clarke的αβ变换从所有三相电压提供的信息构建了复值信号。这种变换使经典单相方法具有增强的鲁棒性，并且已经在复域C中开发了许多已被证明比在实值域R中操作的相应方法更可靠的解决方案。这些解决方案包括使用锁相环(PLL)，最小二乘法，卡尔曼滤波和基于解调的方法。其中，基于均方误差最小化的自适应算法由于其简单性，计算效率高，在有噪声和谐波失真的情况下的频率估计的鲁棒性能而被最广泛地使用。在现实世界中的分布式电源系统中，一个主要问题是由负载电流的增加，触发的不平衡电压暂降，负载电流可能持续从一个周期到几百个交流电源周期。负载电流的这种短期增加可能由于点击启动，变压器涌入，短路或断路器的快速重新闭合而发生。尽管他们的持续时间短，但当使用标准自适应估计器时，这种不平衡事件可能导致相位角计算的困难。这个问题已经在讨论中，其中从不平衡的三相电压源获得的复值信号表示为正序和负序的正交和，此时即为非圆信号。由于标准符合线性自适应滤波器只能满足正序列，负序列引入以系统频率的两倍振荡的频率估计误差。目前现有的大部分针对非平衡电力系统的频率估计方法都不能准确且快速的得到电力系统的频率。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述现有技术，提供一种估计简单、快速并且准确的基于IpDFT的非平衡电力系统频率估计方法，该方法将非圆信号转换为正弦信号进行估计，具有较低的复杂度；同时该方法将信号的正、负序列同时进行考虑，因此有较高的估计精度。技术方案：一种基于IpDFT的非平衡电力系统的频率估计方法，包括以下步骤：步骤1：采集非平衡三相电力系统中复电压信号v(n)；步骤2：非平衡系统中复电压信号通过Clarke的正交αβ变换为非圆信号模型其中，ω0是离散时间系统角频率；步骤3：获取信号v(n)的N点离散傅里叶变换序列，记做V(i)，定义l的值为：其中k为l整数部分，k∈{0,1,2,…,N-1}，δ为小数部分，||δ||≤0.5；由于k-1≤l≤k+1，因此利用该信号在k-1和k+1处的离散傅里叶变换系数V(k-1)和V(k+1)通过IpDFT的方法估计信号频率；为简化计算过程，令：其中，DFT表示离散傅里叶变换，v*(n)为v(n)的共轭，V*(-i)为v*(n)的离散傅里叶变换序列，V*(-i)为V(-i)的共轭；步骤4：k的值通过粗估计确定，V(i)的最大幅度值所在的子带位置即为k的估计值，用表示，步骤5：根据插值离散傅里叶变换，利用已知序列Y(i)和的值得到信号频率的ω0估计值进一步的，所述步骤5包括如下具体步骤：步骤51：当时，将邻近两谱线位置取值和代入Y(i)的表达式中，得到和计算比值和其中Re[]表示取实部，Im[]取虚部；步骤52：根据上一步比值得出频率的估计值或其中，步骤53：当时，计算比值步骤54：根据上一步比值得出频率估计值有益效果：本专利技术中，在不平衡条件下使用非圆信号频率估计的问题是基于通过正交αβ变换从三相电压导出的复值信号建模来解决的。使用增强的复值二阶统计的最新进展，在不平衡条件下，复值信号是二阶非圆信号。本专利技术中，利用插值傅里叶变换估计信号的频率，通过简单的计算将非圆信号转化为正弦信号的形式，将正负频率分量都进行了考虑，提高了频率的估计精度且计算简单。且本专利技术中利用了分别利用信号DFT序列的实部和虚部，根据信号频率的不同取值选择利用实部还是虚部进行估计。与传统的电力系统频率估计算法相比，该方法更适用于非平衡系统并且给出了无偏的频率估计。改算法的稳定性，抗噪性能，计算复杂度要优于同类的频率估计算法。与现有的技术相比，本专利技术的具有以下优点1.充分利用了三相电压完整的二阶信息，增强了频率估计的鲁棒性。2.与传统的估计方法相比，该方法更适用于非平衡系统并给出了无偏的频率估计。3.该方法利用了非平衡电力系统信号的非圆特性，将非圆信号通过简单的计算转换为正弦信号，利用信号的傅里叶变换序列进行插值计算，降低了计算的复杂度。4.充分考虑了输入信号的与输出信号的噪声，抗噪性能好。附图说明图1为非平衡情况下采样后频率有不同的整数部分取值的频率估计的均方误差图；其中图1(a)是利用信号傅里叶变换序列的实部估计信号频率的均方误差图；图1(b)是里用信号傅里叶变换序列的虚部进行频率估计的均方误差图；图2为非平衡情况下采样后频率有不同的小数部分取值的频率估计的均方误差图；其中图2(a)是利用信号傅里叶变换序列的实部估计信号频率的均方误差图；图2(b)是里用信号傅里叶变换序列的虚部进行频率估计的均方误差图；图3为非平衡情况在不同信噪比的情况的频率估计的均方误差图；其中图3(a)是利用信号傅里叶变换序列的实部估计信号频率的均方误差图；图3(b)是里用信号傅里叶变换序列的虚部进行频率估计的均方误差图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。无噪声环境的电力系统的三相电压可以以离散时间形式表示为：va(n)＝Va(n)cos(ω0n+φ)其中，Va(n)，Vb(n)和Vc(n)分别表示在时刻n电力系统的a，b，c三相电压的基波电压分量的峰值，φ是基波分量的相位，ω0是离散时间系统角频率。时间相关的三相电压通过Clarke的正交αβ变换矩阵变换成零序列v0(n)即直轴和正交轴分量vα(n)和vβ(n)：因子用于确保在该变化下系统功率不变。在平衡电力系统中，即当Va(n)，Vb(n)和Vc(n)相同时，v0(n)＝0，vα(n)＝Acos(ω0n+φ)，vβ(n)＝Acos(ω0n+φ+π/2)，其中vα(n)和vβ(n)是正交的，A为vα(n)和vβ(n)的幅度值。从变换(1)可得幅度是一个常数。在实际应用中只考虑非零的vα(n)和vβ(n)部分，而零序向量v0(n)不是分析的必要条件。因此，在频率估计中用作期望信号的平衡系统的复电压v(n)的表达式由下式给出：但是，当三相电力系统偏离其正常状态时，例如当三个通道电压呈现不同的下降或者瞬变水平时，电压Va(n)，Vb(n)和Vc(n)不相同，复克拉克电压变为：其中，α，β的值分别为：其中A，B分别为α，β的幅度值，φA，φB分别为α，β的相位。此时为非平衡系统，电压信号v(n)即为非圆信号。下面讨论非圆信号的频率估计，从而估计出非平衡电力系统的信号频率ω0。首先对v(n)做N点离散傅里叶变换(DFT)得到序列V(i)：其中，此处定义变量l的值为：其中k为l整数部分，k∈{0,1,2,…,N-1}；δ为小数部分，||δ||≤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于IpDFT的非平衡电力系统的频率估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采集非平衡三相电力系统中复电压信号v(n)；步骤2：非平衡系统中复电压信号通过Clarke的正交αβ变换为非圆信号模型

【技术特征摘要】
1.一种基于IpDFT的非平衡电力系统的频率估计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采集非平衡三相电力系统中复电压信号v(n)；步骤2：非平衡系统中复电压信号通过Clarke的正交αβ变换为非圆信号模型其中，ω0是离散时间系统角频率；步骤3：获取信号v(n)的N点离散傅里叶变换序列，记做V(i)，定义l的值为：其中k为l整数部分，k∈{0,1,2,…,N-1}，δ为小数部分，||δ||≤0.5；由于k-1≤l≤k+1，因此利用该信号在k-1和k+1处的离散傅里叶变换系数V(k-1)和V(k+1)通过IpDFT的方法估计信号频率；为简化计算过程，令：其中，DFT表示离散傅里叶变换，v*(n)为v(n)的共轭，V*(-i)为v*(n)的离散傅里叶变换序列，V*(-i)为V(-i)的共轭；步骤4：k的值通过粗估计确定，V(i)的最大幅度值所在的子带位置即为k的估计值，用表示，步骤5：根据插值离散傅里叶变换，利用已知序列Y(i)和的值得到信号频率的ω0估计值2.根据权利要求1所述的基于IpDFT的非平衡电力系统的频率估计方法，其特征在：所述步骤5包括如...

【专利技术属性】
技术研发人员：王开，薛峰，郭履翔，谢庆明，
申请(专利权)人：南京福致通电气自动化有限公司，东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32