一种基于卡尔曼滤波的锁相环、方法设备及存储介质技术

本申请公开了一种基于卡尔曼滤波的锁相环、方法设备及存储介质，锁相环包括：锁相环和卡尔曼滤波模块；其中，锁相环包括：分频器、鉴相器、环路滤波器、脉冲加减器和固定模分频器；本申请通过结合卡尔曼滤波算法和锁相环技术的优势，实现针对电网频率波动时的基波频率跟踪；经测试，本申请的锁相环能够将谐波信号的相对误差维持在0.5％左右。能够满足电力系统的要求。从而解决了高动态环境下锁相环的跟踪性能的提高和信号的跟踪能力之间的矛盾的技术问题。术问题。术问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于卡尔曼滤波的锁相环、方法设备及存储介质


[0001]本申请涉及电力谐波计量检测环
，尤其涉及一种基于卡尔曼滤波的锁相环、方法设备及存储介质。

技术介绍

[0002]在新能源并网、UPS电源等应用场合，迅速而精确地获得电网(信号动态)的频率和相位信息对系统的控制以及可靠稳定运行至关重要。
[0003]传统的电网信号动态波形频率识别与跟踪技术包括：零点时刻检测算法、最小二乘法、DFT测频法。其中，1、零点时刻检测算法易受电网电压的谐波与噪声的影响，提高精度所需的硬件成本高；2、最小二乘法对DSP增加一定的计算量；3、DFT测频法在当频率变化较大或者差异较大时，这种方法的频率计算误差较大。改进的DFT测频法实时性差，计算量大，进而影响了其广泛的使用。
[0004]而现有的锁相环的设计通过增加环路滤波器阶数和设定环路增益，来获取快速的相位锁定和较小的相位抖动，快速的相位锁定要求较小的带宽但是会影响锁相环的动态性能；而增加环路带宽又会减弱锁相环的相位锁定能力，因而高动态环境下锁相环的跟踪性能的提高和信号的跟踪能力之间的矛盾一定程度上制约了锁相环的设计。

技术实现思路

[0005]本申请提供了一种基于卡尔曼滤波的锁相环、方法设备及存储介质，用于解决现有技术高动态环境下锁相环的跟踪性能的提高和信号的跟踪能力之间的矛盾的技术问题。
[0006]有鉴于此，本申请第一方面提供了一种基于卡尔曼滤波的锁相环，所述锁相环包括：锁相环和卡尔曼滤波模块；
[0007]其中，所述锁相环包括：分频器、鉴相器、环路滤波器、脉冲加减器和固定模分频器；
[0008]所述分频器，用于对输入频率进行分频后分别输入到所述环路滤波器和脉冲加减器；
[0009]所述鉴相器，用于根据输入信号和输出信号的相位差，输出超前或滞后信号；
[0010]所述环路滤波器，用于根据所述鉴相器的输出进行加减计数，当超前或滞后脉冲个数达到分频比时，环路滤波器输出加或减脉冲信号；
[0011]所述脉冲加减器，用于在稳态运行时，输出系统时钟的二分频信号；当有加或减脉冲信号时，通过在输出脉冲序列中增加或减少相应的脉冲序列来调整脉冲周期，从而实现对频率和相位的跟踪；
[0012]所述固定模分频器，用于对所述脉冲加减器的输出信号进行分频后反馈至所述鉴相器，当达到稳态时得到输入信号基波分量的频率，并输入至所述卡尔曼滤波模块；
[0013]所述卡尔曼滤波模块，用于基于卡尔曼滤波量测方程，对所述锁相环输入的基波分量的频率进行处理，得到各个分量的量测结果。
[0014]可选地，所述卡尔曼滤波测量方程为：
[0015][0016]式中，K
i
为各个分量的量测结果，a
n
为分次谐波的幅值，T为数学的转置符号。
[0017]可选地，含有所述分次谐波的电流信号瞬时值为：
[0018][0019]式中，A、B均为量测矩阵，w为角频率。
[0020]可选地，所述所述固定模分频器，具体用于：
[0021]对所述脉冲加减器的输出信号进行分频后反馈至所述鉴相器，当输入与输出的频率与相位相等时实现锁相，得到输入信号基波分量的频率，并输入至所述卡尔曼滤波模块。
[0022]本申请第二方面提供一种基于卡尔曼滤波的锁相方法，应用于上述第一方面所述的基于卡尔曼滤波的锁相环，所述方法包括：
[0023]对输入信号进行频率和相位的跟踪，当输入与输出的频率与相位相等时实现锁相，得到输入信号基波分量的频率；
[0024]基于卡尔曼滤波量测方程，对所述基波分量的频率进行处理，得到各个分量的量测结果；
[0025]其中，所述卡尔曼滤波量测方程为：
[0026][0027]式中，K
i
为各个分量的量测结果，a
n
为分次谐波的幅值，T为数学的转置符号。
[0028]可选地，含有所述分次谐波的电流信号瞬时值为：
[0029][0030]式中，A、B均为量测矩阵，w为角频率。
[0031]本申请第三方面提供一种基于卡尔曼滤波的锁相设备，所述设备包括处理器以及存储器：
[0032]所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
[0033]所述处理器用于根据所述程序代码中的指令，执行如上述第一方面所述的基于卡尔曼滤波的锁相方法的步骤。
[0034]本申请第四方面提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存
储程序代码，所述程序代码用于执行上述第一方面所述的基于卡尔曼滤波的锁相方法。
[0035]从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
[0036]本申请提供了一种锁相环和卡尔曼滤波模块；其中，锁相环包括：分频器、鉴相器、环路滤波器、脉冲加减器和固定模分频器；分频器，用于对输入频率进行分频后分别输入到环路滤波器和脉冲加减器；鉴相器，用于根据输入信号和输出信号的相位差，输出超前或滞后信号；环路滤波器，用于根据鉴相器的输出进行加减计数，当超前或滞后脉冲个数达到分频比时，环路滤波器输出加或减脉冲信号；脉冲加减器，用于在稳态运行时，输出系统时钟的二分频信号；当有加或减脉冲信号时，通过在输出脉冲序列中增加或减少相应的脉冲序列来调整脉冲周期，从而实现对频率和相位的跟踪；固定模分频器，用于对脉冲加减器的输出信号进行分频后反馈至鉴相器，当达到稳态时得到输入信号基波分量的频率，并输入至卡尔曼滤波模块；卡尔曼滤波模块，用于基于卡尔曼滤波量测方程，对锁相环输入的基波分量的频率进行处理，得到各个分量的量测结果。
[0037]专利技术人经研究发现，由于线性卡尔曼滤波是一种利用线性系统的状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。但利用线性卡尔曼滤波测量稳态电流时对频率波动的被测信号敏感，锁相环的频率自动跟踪功能和线性卡尔曼滤波的结合能够解决传统锁相环的锁相缺陷。因此，与现有技术相比，本申请通过结合卡尔曼滤波算法和锁相环技术的优势，实现针对电网频率波动时的基波频率跟踪；经测试，本申请的锁相环能够将谐波信号的相对误差维持在0.5％左右。能够满足电力系统的要求。从而解决了高动态环境下锁相环的跟踪性能的提高和信号的跟踪能力之间的矛盾。
附图说明
[0038]图1为本申请实施例中提供的一种基于卡尔曼滤波的锁相环的结构示意图；
[0039]图2为本申请实施例中提供的一种锁相环的结构示意图；
[0040]图3为本申请实施例中提供的一种基于卡尔曼滤波的锁相方法的实施例的流程示意图。
具体实施方式
[0041]为了使本
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于卡尔曼滤波的锁相环，其特征在于，包括：锁相环和卡尔曼滤波模块；其中，所述锁相环包括：分频器、鉴相器、环路滤波器、脉冲加减器和固定模分频器；所述分频器，用于对输入频率进行分频后分别输入到所述环路滤波器和脉冲加减器；所述鉴相器，用于根据输入信号和输出信号的相位差，输出超前或滞后信号；所述环路滤波器，用于根据所述鉴相器的输出进行加减计数，当超前或滞后脉冲个数达到分频比时，环路滤波器输出加或减脉冲信号；所述脉冲加减器，用于在稳态运行时，输出系统时钟的二分频信号；当有加或减脉冲信号时，通过在输出脉冲序列中增加或减少相应的脉冲序列来调整脉冲周期，从而实现对频率和相位的跟踪；所述固定模分频器，用于对所述脉冲加减器的输出信号进行分频后反馈至所述鉴相器，当达到稳态时得到输入信号基波分量的频率，并输入至所述卡尔曼滤波模块；所述卡尔曼滤波模块，用于基于卡尔曼滤波量测方程，对所述锁相环输入的基波分量的频率进行处理，得到各个分量的量测结果。2.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波的锁相环，其特征在于，所述卡尔曼滤波测量方程为：式中，K
i
为各个分量的量测结果，a
n
为分次谐波的幅值，T为数学的转置符号。3.根据权利要求2所述的基于卡尔曼滤波的锁相环，其特征在于，含有所述分次谐波的电流信号瞬时值为：式中，A、B均为量测矩阵，w为角频率。4.根据权利要求1所述的基于卡尔曼滤波的锁相环，其特征在于，所述所述固...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡珊珊，尹家悦，肖勇，王保帅，宋宏天，
申请(专利权)人：南方电网科学研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：