应用于频率宽范围波动电网的自适应采样的相位差校正法制造技术

本发明专利技术公开了一种应用于频率宽范围波动电网的自适应采样的相位差校正法，该方法针对基频动态变化时相位差校正法测量精度较低的情况，通过增加频率变化率的计算，预测每次测量的实时基波频率，从而修正采样频率进行测量，有效地减小了频谱泄漏，提高了测量精度。以一种基于汉宁窗的相位差校正法为例对变频电网信号进行仿真分析，验证了自适应采样方法的可行性。不仅在频率稳定时具有较高的幅值、相位测量精度，在基波频率宽范围波动甚至频率崩溃时也能达到IEC标准的幅值测量精度要求，有效地减小了相位测量误差，可以较实时地反映系统状态，适合运用于频率宽范围波动电网的谐波在线监测中。

Phase difference correction method for adaptive sampling in wide frequency range fluctuating power grid

A phase difference correction method of adaptive sampling is disclosed in the present invention is applied to a wide range of power grid frequency fluctuation, the fundamental method for the dynamic change of phase difference correction accuracy is low, by calculating the frequency change rate increased, real time prediction base wave frequency of each measurement, to correct the measured sampling frequency. To effectively reduce the spectrum leakage, improve the measurement accuracy. In a phase difference correction method based on Hanning window for example simulation analysis of variable frequency electrical signals, to verify the feasibility of adaptive sampling method. Not only has the amplitude and phase measurement accuracy in high frequency stability, amplitude measurement accuracy requirements in a wide range of fundamental frequency fluctuation and frequency collapse can reach IEC standard, effectively reduce the phase errors, can reflect the state of the system, suitable for harmonic monitoring is applied to wide range of power grid frequency fluctuation.

【技术实现步骤摘要】
应用于频率宽范围波动电网的自适应采样的相位差校正法
本专利技术属于电力谐波分析
，特别涉及一种应用于频率宽范围波动电网的自适应采样的相位差校正法。
技术介绍
电力谐波参量准确、实时的在线监测是发展智能电网、治理谐波污染过程中重要的技术手段。离散傅里叶变换(DFT)由于计算速度快、易于工程实现等优势，在电力谐波监测中得到了广泛的应用。在同步采样的情况下，DFT对基波和各次谐波的测量误差极小，而当系统基波频率动态变化从而产生较大的频率偏移时，非同步采样下信号截断造成的频谱泄漏会对测量精度产生较大的影响，甚至可能造成测量失败。非同步采样造成的误差在实际工程中是无法完全消除的。近年来，国内外学者基于DFT改进的谐波测量方法从采样方式上分为两种：定速率采样方法与自适应采样方法。自适应采样方法通过实时跟踪系统频率，当发生基频偏移时，能自适应调整采样频率，使实际采样序列尽可能接近理想的同步采样序列，从而减小频谱泄漏。主要的方法有硬件准同步和软件准同步。硬件准同步利用锁相环电路来跟踪信号的基波频率，但由于受硬件电路的限制，数据刷新较慢，成本较高，而且可能在高次谐波的频率信道引起缓慢收敛，需要使用前置滤波器等技术来消除间谐波的影响，在电压畸变较严重的情况下测量结果存在较大的误差。软件准同步通过电网频率跟踪测量环节测量电网频率或根据实际采样序列运用频率测量算法估算电网频率，再根据电网频率来调整定时器的定时值，实现自适应采样。软件准同步硬件结构简单，成本较低。但由于软件准同步时的采样频率总是根据前次测得的基波频率而确定的，当基频动态变化时，采样的不同步度仍然较大。定速率采样方法的采样频率为定值，当发生基频偏移时，无法调整并减小采样的不同步度，需要通过时域或频域上的各种算法来减小非同步采样造成的影响。时域上，可以采用时域准同步算法，即通过对非同步采样序列进行时域插值，使得处理后的序列尽可能接近理想的同步采样序列，再通过DFT进行相应的分析。频域上，可以采用多谱线插值法、能量重心法、谱质心法和相位差校正法等离散频谱校正算法。相位差校正法主要通过对两段加窗的时域序列做FFT并利用对应峰值谱线的相位差来进行频率、幅值和相位的校正，具有通用性好、算法简单、精度较高等特点，但当基频发生动态变化并产生较大偏移时，测量精度明显降低。下面介绍相位差校正法的基本原理和误差分析：设电网信号的k次谐波分量为：式中：Ak为谐波幅值；为谐波初相角；fk为谐波频率，其大小为基波频率的k倍。设窗函数时域、频域解析式分别为w(t)和W(f)。对k次谐波信号加窗并做傅里叶变换，有：式中不考虑频谱的负半部分，其中，Tw为窗函数的时域截断窗长，即采样窗长。假设电网信号各谐波分量之间的相互干扰忽略不计，由式(2)知加窗后此段信号k次谐波分量的相位为：将信号在时域上向左平移时间长度t0，则信号初相位变化为因此相位变化为：式(4)减去式(3)，可得两段信号的相位差为：ΔΦ＝2πt0fk(5)在实际测量中，首先需要确定采样频率fs、各段信号的采样点数N和第二段信号平移的点数L，对待测信号加窗长为Tw＝N/fs的窗函数进行离散采样，则前N点为第一段序列，平移L点再取的N点为第二段序列。分别对两段序列进行离散傅里叶变换得到频谱序列，其中k次谐波对应的峰值谱线号为mk。设归一化频率校正量为Δmk，频率分辨率为Δf＝1/Tw＝fs/N，则有fk＝(mk+Δmk)Δf。设采样周期为Ts＝1/fs，则第二段信号平移的时间长度为t0＝L·Ts。因此，式(5)在离散频谱中应表示为：ΔΦ＝2πL·Ts(mk+Δmk)Δf(6)由式(6)可推得归一化的频率校正量为：根据式(7)可校正k次谐波的频率、幅值和相位：fk＝(mk+Δmk)fs/N(8)其中，Amk为峰值谱线号mk对应的谱线幅值；函数W1(m)为归一化的采样窗频谱的模函数；Ik和Rk分别为信号离散傅里叶变换的虚部和实部。由式(8)、(9)、(10)可知，相位差校正法中各谐波参量的校正公式均与归一化的频率校正量Δmk有关，因此Δmk的计算精度将影响到各谐波参量的校正精度。定速率采样下，当系统频率保持恒定时，基波频率f1为与时间无关的常量。此时若增加相位差法的采样窗长，则频率分辨能力增强，能有效提高谐波参量的校正精度。当系统频率动态变化导致偏离50Hz的标称值时，采样窗长不再等于整数倍基波周期，即发生非同步采样。此时，真实频率成分位于DFT各谱线对应的频率之间，产生频谱泄漏现象，Δmk的计算结果将存在较大的误差，谐波参量的校正精度也较低。下面为动态基频下的校正公式的修正：动态变化的基频是与时间有关的函数f1(t)，则k次谐波的频率为fk(t)＝kf1(t)。定速率采样下，有fk(t)＝[mk+Δmk+dmk(t)]Δf，其中，dmk(t)为归一化频率校正量的变化量。则式(6)应修正为：ΔΦ＝2πL·Ts[mk+Δmk+dmk(t)]Δf(11)因此归一化频率校正量应修正为：将式(12)与式(7)对比可知，若要减小dmk(t)对频率校正量的影响，应该尽量减少第二段信号平移的点数L，并增加采样点数N。但由于采样点数越大，运算量越大，会影响算法的实时性；而且在采样频率一定时，随着采样点数增加，采样窗长相应加长，非同步采样造成的误差不断积累，因此采样点数N不宜过大。同时，第二段信号平移的的点数L取值不宜过小，否则会影响相位差法的抗噪能力。由式(10)可知，相位校正公式不仅与归一化的频率校正量有关，还与信号离散傅里叶变换后的相位有关。电网信号基频动态变化时，信号角频率随之发生变化，因此信号离散傅里叶变换后的相位存在较大的误差，需对相位校正公式进行修正。由三角函数的性质易推得k次谐波相位校正公式的修正量为：其中，Δωk为信号角频率的变化量；k为谐波次数；fnew为当次测得的基波频率；fold为前次测得的基波频率；T1为基波周期。
技术实现思路
定速率采样下，非同步采样造成的频谱泄漏是相位差校正法测量误差的主要来源。若每次测量均能自适应地调整采样窗长，即调整采样频率fs或采样点数N，使采样窗长尽量逼近真实基波周期的整数倍，则可以最大限度地减小频谱泄漏的影响，从而提高测量的精度。为此，本专利技术提出一种应用于频率宽范围波动电网的自适应采样的相位差校正法。该方法从软件准同步的角度，每次测量中增加频率变化率的计算，根据前次相位差法测得的基波频率与前次计算所得的频率变化率来预测电网的实时基波频率，并实时修正采样频率，使之跟踪变化的基波频率，减小频谱泄漏，并且在频率宽范围波动的电网中能够满足谐波连续测量的精度与实时性需要。相位差校正法中，每段采样序列的点数N满足以下关系：式中：为每周期平均采样点数；λ为采样周波数，理想同步采样情况下，λ为整数。由于采样点数N与采样周期Ts的乘积等于采样窗长Tw，采样周波数λ与真实基波周期T1＝1/f1的乘积也等于Tw，因此有：将式(15)代入式(14)中，可得到以下关系式：因此，在选定了适当的每周期平均采样点数整数的采样周波数λ，并根据式(14)确定了N以后，测量中只要根据基波频率f1自适应地调整采样频率fs，使其满足式(16)的条件，则可以实现同步采样。测量的谐波次数一般为第2到第19次，则待测信号最大频率为fma本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种应用于频率宽范围波动电网的自适应采用的相位差校正法，其特征在于，该方法是根据前次相位差法测得的基波频率与前次计算所得的频率变化率来预测电网的实时基波频率，并实时修正采样频率，使之跟踪变化的基波频率，减小频谱泄漏；具体为：在相位差校正法中，每段采样序列的点数N满足以下关系：

【技术特征摘要】
1.一种应用于频率宽范围波动电网的自适应采用的相位差校正法，其特征在于，该方法是根据前次相位差法测得的基波频率与前次计算所得的频率变化率来预测电网的实时基波频率，并实时修正采样频率，使之跟踪变化的基波频率，减小频谱泄漏；具体为：在相位差校正法中，每段采样序列的点数N满足以下关系：式中：为每周期平均采样点数；λ为采样周波数，理想同步采样情况下，λ为整数。由于采样点数N与采样周期Ts的乘积等于采样窗长Tw，采样周波数λ与真实基波周期T1＝1/f1的乘积也等于Tw，因此有：将式(2)代入式(1)中，可得到以下关系式：因此，在选定了适当的每周期平均采样点数整数的采样周波数λ，并根据式(1)确定了N以后，测量中只要根据基波频率f1自适应地调整采...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏天伦，林申力，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33