一种基于三角窗的双窗全相位DFT同步相量测量方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于三角窗的双窗全相位DFT同步相量测量方法及系统，利用两个三角窗对采集信号进行预处理，对处理后的数据进行傅里叶变换，得到高精度的相角估计，并基于时移相位差校正法进行频谱校正，得到频率、幅值的估计结果，实现同步相量的测量。本发明专利技术有利于确保更高的测量精度和更短的响应时间。

A double window all phase DFT synchronous phasor measurement method and system based on triangle window

【技术实现步骤摘要】
一种基于三角窗的双窗全相位DFT同步相量测量方法及系统
本专利技术涉及电力系统同步相量测量
，特别是一种基于三角窗的双窗全相位DFT同步相量测量方法及系统。
技术介绍
相量测量对电网各个环节的重要性不言而喻，但囿于成本，过去同步相量测量装置(PMU)多配置于发、输电环节，随着电网的发展，配、用电侧的相量测量装置也将跟进，相应研究将越来越多。如今配电网侧各种分布式能源的接入，使得结构大大改变，环境愈发复杂，电能质量下降，稳定性受到很大的挑战，对配电网侧的动态实时监测还有待解决，找到一种精度高、响应快的同步相量测量算法满足配电网的相量测量具有重要的意义。目前相量测量相关的研究已有不少，不断有新的算法提出，效果各异。早期的过零点检测法、数字微分法如今已很少应用，卡尔曼滤波法在状态估计上表现出色，但初值的选取依靠经验，在谐波和干扰存在的实际电网环境中精度差强人意等问题限制该类算法的具体应用，离散傅里叶变换(DFT)法因其在信号处理上具有的得天独厚的优势成为同步相量测量最常用的算法，但是，电网频率波动造成的非同步采样会导致频谱泄漏和栅栏效应，此时DFT的结果误差增大，计算结果不如人意。因此，针对这个问题，研究者不断对算法进行改进。这些改进算法通常分为以下几类：加窗谱线插值法，通过不断寻找好的窗函数来抑制频谱泄漏，这些窗函数通常具有旁瓣峰值电平小和旁瓣渐进衰减速率大的优点，如Nuttall窗、Kaiser窗，以及各窗的自卷积窗等；除了改善窗函数，增加用于计算的谱线在理论上也能提高算法精度，因为谱线插值能够抑制栅栏效应，现在的算法通常以双谱线，三谱线及四谱线为主。加窗谱线插值法虽然能达到很高的计算精度，但前提是每次DFT所需要的采样点数过多，响应速度较慢，且算法本身计算量偏大，实时性大打折扣。另一类算法从DFT本身出发进行推导，对非同步采样造成的误差进行修正，使计算结果更为精确，但在频率偏移较大时测量精度下降,不能很好地满足要求。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提出一种基于三角窗的双窗全相位DFT同步相量测量方法及系统，有利于确保更高的测量精度和更短的响应时间。本专利技术采用以下方案实现：一种基于三角窗的双窗全相位DFT同步相量测量方法，利用两个三角窗对采集信号进行预处理，对处理后的数据进行傅里叶变换，得到高精度的相角估计，并基于时移相位差校正法进行频谱校正，得到频率、幅值的估计结果，实现同步相量的测量。进一步地，具体包括以下步骤：步骤S1：对信号序列进行截取，截取3N-1个采样点，取前2N-1个点为第一个子序列x1(n)，取后2N-1个点为第二个子序列x2(n)；步骤S2：对两个子序列进行全相位数据预处理；步骤S3：对预处理结果进行DFT计算，得到主谱线相位值和步骤S4：进行相位估计，全相位DFT算法具有“相位不变性”，得到的相位值精度够高，无需进一步校正，因此两序列的相位估计值为主谱线的相位值和步骤S5：进行频率估计，由两个子序列的相位差和频率的关系计算频率；步骤S6：进行幅值估计，应用全相位时移相位差校正法对幅值进行校正，得到高精度幅值估计；步骤S7：判断计算是否达到预设条件，若是，则结束，否则返回步骤S1。进一步地，步骤S2具体为：由两个长度为N的三角窗卷积而成卷积窗，其中三角窗时域表达式为：式中，n＝0,1,2,…,N-1；分别将步骤S1得到的两个子序列与卷积窗相乘，得到两组2N-1点的乘积，再分别将乘积间隔N点的数据相加，得到两组长度为N的预处理结果y1(n)、y2(n)。进一步地，步骤S5具体包括以下步骤：步骤S51：两个子序列的相位差和频率的关系为：式中，n0为第二个序列延时第一个序列的采样点数，ω*＝2πβ/N＝2πfTs，为信号真实角频率，f为信号频率，Ts为采样间隔时间，β为频谱中信号实际谱线位置；步骤S52：实际上由于算法原因，相位差被限制在了[-2π，2π]内，这种情况被称为“相位模糊”，因此本专利技术采用下式对相位差进行修正：式中，为待修正的相位差；设默认频率分辨率为电网理想基频f0，得到频率偏移率为：步骤S53：延时值n0选取为N，将频率偏移率的公式简化为：步骤S54：得到频率估计为：进一步地，步骤S6具体包括以下步骤：步骤S61：三角窗的幅度谱函数为：双窗apDFT计算公式为：式中，w＝2πk/N，为第k根谱线角频率，ω*＝2πβ/N＝2πfTs，为信号真实角频率，F(*)是窗函数的频谱，A为信号实际幅值，为信号实际相位；步骤S62：有步骤S61中的两个公式得到幅值估计为：本专利技术还提供了一种基于三角窗的双窗全相位DFT同步相量测量系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并能够被所述处理器运行的计算机程序，所述处理器在运行该计算机程序时，能够实现如上文所述的方法步骤。本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，当该计算机程序被处理器运行时，实现如上文所述的方法步骤。与现有技术相比，本专利技术有以下有益效果：1、本专利技术的方法形式简单，计算量小。2、本专利技术的方法相量测量精度高，并具有较好的实时性。3、本专利技术的方法在频率偏移严重时依然能够保持较高的精度，并在电网动态情况下表现良好。4、本专利技术的方法抗干扰能力强，在谐波和噪声环境中仍满足同步相量测量要求。附图说明图1为本专利技术实施例的方法流程示意图。图2为本专利技术实施例的全相位数据预处理原理框图。图3为本专利技术实施例的全相位时移相位差频谱校正具体流程示意图。具体实施方式下面结合附图及实施例对本专利技术做进一步说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。如图1至图3所示，本实施例提供了一种基于三角窗的双窗全相位DFT同步相量测量方法，利用两个三角窗对采集信号进行预处理，对处理后的数据进行傅里叶变换，得到高精度的相角估计，并基于时移相位差校正法进行频谱校正，得到频率、幅值的估计结果，实现同步相量的测量。在本实施例中，具体包括以下步骤：步骤S1：对信号序列进行截取，截取3N-1个采样点，取前2N-1个点为第一个子序列x1(n)，取后2N-1个点为第二个子序列x2(n)；步骤S2：对两个子序列进行全相位数据预本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三角窗的双窗全相位DFT同步相量测量方法，其特征在于，利用两个三角窗对采集信号进行预处理，对处理后的数据进行傅里叶变换，得到高精度的相角估计，并基于时移相位差校正法进行频谱校正，得到频率、幅值的估计结果，实现同步相量的测量。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于三角窗的双窗全相位DFT同步相量测量方法，其特征在于，利用两个三角窗对采集信号进行预处理，对处理后的数据进行傅里叶变换，得到高精度的相角估计，并基于时移相位差校正法进行频谱校正，得到频率、幅值的估计结果，实现同步相量的测量。


2.根据权利要求1所述的一种基于三角窗的双窗全相位DFT同步相量测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1：对信号序列进行截取，截取3N-1个采样点，取前2N-1个点为第一个子序列x1(n)，取后2N-1个点为第二个子序列x2(n)；
步骤S2：对两个子序列进行全相位数据预处理；
步骤S3：对预处理结果进行DFT计算，得到主谱线相位值和
步骤S4：进行相位估计，两序列的相位估计值为主谱线的相位值和
步骤S5：进行频率估计，由两个子序列的相位差和频率的关系计算频率；
步骤S6：进行幅值估计，应用全相位时移相位差校正法对幅值进行校正，得到高精度幅值估计；
步骤S7：判断计算是否达到预设条件，若是，则结束，否则返回步骤S1。


3.根据权利要求2所述的一种基于三角窗的双窗全相位DFT同步相量测量方法，其特征在于，步骤S2具体为：由两个长度为N的三角窗卷积而成卷积窗，其中三角窗时域表达式为：



式中，n＝0,1,2,…,N-1；
分别将步骤S1得到的两个子序列与卷积窗相乘，得到两组2N-1点的乘积，再分别将乘积间隔N点的数据相加，得到两组长度为N的预处理结果y1(n)、y2(n)。


4.根据权利要求2所述的一种基于三角窗的双窗全相位DFT同步相量测量方法，其特征在于，步骤S5具体包括以...

【专利技术属性】
技术研发人员：金涛，张伟锋，黄宇升，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35