一种基于4项5阶Nuttall窗的板卡故障信号分析方法及终端技术

本发明专利技术提供一种基于4项5阶Nuttall窗的板卡故障信号分析方法及终端，对发生故障的电压电流信号进行采集，分析、处理；以固定采样频率均匀离散采样得到离散时间信号；对离散时间信号加4项5阶Nuttall窗截断数据，得到加窗离散序列信号；再进行傅里叶变换，得到离散的故障信号的频谱值；找到最靠近各次谐波理论频点的最大谱线、次大谱线及其外围两条谱线；对得到的四条谱线，建立四条谱线关系，求得峰值谱线与理论谱线的偏差量；推导出谐波参数的修正公式，得到故障信号中各次谐波参数。本发明专利技术抗干扰性强。有效减小频谱泄露误差，且有较强的抗干扰噪声信号的能力，可有效抑制频谱泄漏和栅栏效应的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于4项5阶Nuttall窗的板卡故障信号分析方法及终端
本专利技术涉及板卡故障信号分析
，尤其涉及一种基于4项5阶Nuttall窗的板卡故障信号分析方法及终端。
技术介绍
为满足特高压直流输电的发展需求，展开对直流控制保护系统的安全、稳定运行的研究工作尤为重要。直流控制保护主机板卡故障所导致的直流闭锁，给电网的安全运行造成了很多不利影响，目前基于HCM3000系列控制保护平台的直流控制保护板卡、测量回路板卡故障信号的分析方法为FFT算法，然而当被测信号频率发生变化而导致非同步采样时，FFT算法会存在栅栏效应和泄漏现象，使得计算的信号参数(频率、幅值和相位)不准确，尤其是相位误差较大，无法满足对故障信号精确测量的要求，给直流系统的安全运行带来了隐患。为削弱板卡故障信号分析中栅栏效应和频谱泄漏对测量准确度的影响，减小因非同步采样所产生的误差，大量学者利用加窗插值FFT算法来对结果进行修正、优化，其中常用的窗函数主要有矩形窗、Haning窗、Blackman窗等，修正算法常采用双谱线插值法。然而，这些方法虽然在一定程度上提高了计算精度，但也存在窗函数性能不优，双谱线插值计算精度不够等诸多问题，无法实现最大限度的抑制频谱泄漏所产生的误差。
技术实现思路
针对目前板卡故障信号分析方法中存在的精确度不高、信号参数误差较大等问题，本专利技术提供一种精度高、实时性好、抗干扰性强的板卡保障信号分析方法，来提高HCM3000系列板卡以及基于该板卡的直流控制保护平台的运行稳定性及可靠性，以保障特高压直流输电网的安全稳定运行。具体包括如下步骤：步骤1：对发生故障的电压电流信号进行采集，A/D转换后发送给信号处理模块进行信号分析处理；步骤2：对采集到的含有多次复杂谐波的故障信号，以固定采样频率均匀离散采样得到离散时间信号；步骤3：对离散时间信号加4项5阶Nuttall窗截断数据，得到加窗离散序列信号；步骤4：对得到的加窗离散序列信号进行傅里叶变换，得到离散的故障信号的频谱值；步骤5：扫描离散的故障信号频谱，找到最靠近各次谐波理论频点的最大谱线、次大谱线及其外围两条谱线；步骤6：对得到的四条谱线，建立四条谱线关系，求得峰值谱线与理论谱线的偏差量；步骤7：根据所求得的偏差量，推导出谐波参数的修正公式，得到故障信号中各次谐波参数。进一步需要说明的是，所述步骤2中故障信号为采集器采集到的电压或电流信号为多次复杂谐波信号由离散采样得到的离散信号为：其中，n表示故障信号共含有的谐波次数；Ai，fi，表示第i次谐波的幅值、频率和相角；N为对信号的采样点数。进一步需要说明的是，步骤3所加窗函数时域表达式为：其中，am为系数：a0＝0.3125、a1＝0.46875、a2＝0.1875、a2＝0.03125。进一步需要说明的是，步骤3所加窗函数的旁瓣衰减速率为42dB/oct和旁瓣峰值电平-61dB。进一步需要说明的是，所述步骤5中找到最靠近各次谐波理论频点的最大谱线、次大谱线及其外围两条谱线分别为km-1、km、km+2、km-1，且满足：km-1≤km≤km+1≤km+2，km+2＝km+1+1，km＝km-1+1；四条谱线所对应的幅值分别为：Ym＝|Xw(km,Δf)|，Ym+1＝|Xw(km+1,Δf)|，Ym-1＝|Xw(km-1,Δf)|，Ym+2＝|Xw(km+2,Δf)|。进一步需要说明的是，所述步骤6中求得的偏差量是采用多项式逼近方法得到的。进一步需要说明的是，所述步骤6中所求偏差量，α＝k-km-0.5，α∈[-0.5,0.5]；建立四条谱线的关系式β＝((3km+1+km+2)-(3km+km-1))/(km-1+3km+3km+1+km+2)；令T＝3|W[2π(-α+0.5)/N]|+|W[2π(-α+1.5)/N]|，S＝3|W[2π(-α-0.5)/N]|+|W[2π(-α-1.5)/N]|；β＝(T-S)/(T+S)将上式表示为：β＝f(α)，利用多项式逼近法得其反函数α＝f-1(β)；对信号参数进行修正，得故障信号中各次谐波参数，幅值A、相位θ和频率f：当采样频率N＞＞1，上式中幅值A可简化为A＝N-1(Ym+Ym+1+Ym-1+Ym+2)g(α)；根据α可求得相应的g(α)，调用Matlab中的polyfit(α,g(α),n)函数进行拟合可得4项5阶Nuttall窗的四谱线插值修正公式：本专利技术还提供一种实现基于4项5阶Nuttall窗的板卡故障信号分析方法的终端，其特征在于，包括：存储器，用于存储计算机程序及基于4项5阶Nuttall窗的板卡故障信号分析方法；处理器，用于执行所述计算机程序及基于4项5阶Nuttall窗的板卡故障信号分析方法，以实现基于4项5阶Nuttall窗的板卡故障信号分析方法的步骤。从以上技术方案可以看出，本专利技术具有以下优点：本专利技术对发生故障的电压电流信号进行采集，分析、处理；以固定采样频率均匀离散采样得到离散时间信号；对离散时间信号加4项5阶Nuttall窗截断数据，得到加窗离散序列信号；再进行傅里叶变换，得到离散的故障信号的频谱值；找到最靠近各次谐波理论频点的最大谱线、次大谱线及其外围两条谱线；对得到的四条谱线，建立四条谱线关系，求得峰值谱线与理论谱线的偏差量；推导出谐波参数的修正公式，得到故障信号中各次谐波参数。本专利技术抗干扰性强。采用4项5阶Nuttall窗进行加窗修正，其旁瓣衰减速率(42dB/oct)、旁瓣峰值电平(-61dB)，可有效减小频谱泄露误差，且有较强的抗干扰噪声信号的能力，可有效抑制频谱泄漏和栅栏效应的影响。本专利技术实时性好。采用多项式逼近方法，有效解决了修正算法的数值计算问题，计算简单，提高了计算速度和实时性。本专利技术精确度高。利用四谱线进行插值修正基波和各次谐波的幅值，修正精度高，测试误差小，通用性强。附图说明为了更清楚地说明本专利技术的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为基于4项5阶Nuttall窗的板卡故障信号分析方法流程图；图2为4项5阶Nuttall窗的幅频响应图。具体实施方式本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于4项5阶Nuttall窗的板卡故障信号分析方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：对发生故障的电压电流信号进行采集，A/D转换后发送给信号处理模块进行信号分析处理；/n步骤2：对采集到的含有多次复杂谐波的故障信号，以固定采样频率均匀离散采样得到离散时间信号；/n步骤3：对离散时间信号加4项5阶Nuttall窗截断数据，得到加窗离散序列信号；/n步骤4：对得到的加窗离散序列信号进行傅里叶变换，得到离散的故障信号的频谱值；/n步骤5：扫描离散的故障信号频谱，找到最靠近各次谐波理论频点的最大谱线、次大谱线及其外围两条谱线；/n步骤6：对得到的四条谱线，建立四条谱线关系，求得峰值谱线与理论谱线的偏差量；/n步骤7：根据所求得的偏差量，推导出谐波参数的修正公式，得到故障信号中各次谐波参数。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于4项5阶Nuttall窗的板卡故障信号分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：对发生故障的电压电流信号进行采集，A/D转换后发送给信号处理模块进行信号分析处理；
步骤2：对采集到的含有多次复杂谐波的故障信号，以固定采样频率均匀离散采样得到离散时间信号；
步骤3：对离散时间信号加4项5阶Nuttall窗截断数据，得到加窗离散序列信号；
步骤4：对得到的加窗离散序列信号进行傅里叶变换，得到离散的故障信号的频谱值；
步骤5：扫描离散的故障信号频谱，找到最靠近各次谐波理论频点的最大谱线、次大谱线及其外围两条谱线；
步骤6：对得到的四条谱线，建立四条谱线关系，求得峰值谱线与理论谱线的偏差量；
步骤7：根据所求得的偏差量，推导出谐波参数的修正公式，得到故障信号中各次谐波参数。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述步骤2中故障信号为采集器采集到的电压或电流信号为多次复杂谐波信号由离散采样得到的离散信号为：



其中，n表示故障信号共含有的谐波次数；Ai，fi，表示第i次谐波的幅值、频率和相角；N为对信号的采样点数。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3所加窗函数时域表达式为：



其中，am为系数：a0＝0.3125、a1＝0.46875、a2＝0.1875、a2＝0.03125。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
步骤3所加窗函数的旁瓣衰减速率为42dB/oct和旁瓣峰值电平-61dB。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述步骤5中找到最靠近各次谐波理论频点的最大谱线、次大谱线及其外围两条谱线分别为km-1、km、km+2、km-1，且满足：km-1≤km≤km+1≤km+2，km+2＝km...

【专利技术属性】
技术研发人员：于洁，张斌，毕经国，王伟亮，刘朝霞，周庆，张浩，公茂果，冀友，卢凤，高超，陈志慧，张军良，宫志云，孙乙丹，
申请(专利权)人：国网山东省电力公司莱芜供电公司，国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37