本发明专利技术属于数字化变电站和电网广域测量技术领域，涉及一种利用窄带滤波实现多采样率信号的频率转换方法，该方法在利用抽取和内插实现采样率转换和统一时，采用基于全波傅氏的窄带滤波器进行低通滤波，适用于电力系统的实时监控、保护和控制装置，可以同时完成频率归一和有用信号的提取。本发明专利技术能在采样频率转换的同时提取出有用频率的信号（例如基波分量），滤除无用频率信号（例如衰减非周期分量和各高次谐波），完全避免采样频率的混叠及镜像的产生。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及数字化变电站和电网广域测量
，特别涉及用于实时监测、保护 和控制的多采样率信号的采样频率转换和统一的方法。
技术介绍
基于IEC61850标准的数字化变电站已进入实际应用阶段，变电站内的一、二次设备 均实现了数字化，并具有全站统一的数据模型和通信平台，在此平台基础上可以实现智 能装置间的互操作。同时，随着全球定位系统(GPS)在电力系统的应用、计算机网络和 通信的发展，以同步相量测量技术为基础、以电力系统动态过程监测、分析和控制为目 标的实时监控系统——广域测量系统(Wide Area Measurement System, WAMS)也越来越 多地被电网釆用，其对电力系统动态过程进行实时监测，为实现基于全网的在线安全稳 定分析和控制提供了平台。但是，无论是数字化变电站中的电子式互感器，还是广域相量测量单元(PMU)中用 到的各测量点的互感器并非同一型号，其采样频率也不完全相同(1EC60044-8标准规定 ECT数字化输出数据的额定采样频率分别为lkHz、 2.4kHz和4kHz)，而电力系统安全稳定 分析、保护和控制通常是基于对同一时刻各信号采样值的直接计算。采样频率不同将造 成各信号采样时刻的差异，故对采样频率进行转换，将多采样率信号转化为同一采样频 率，无论是对于数字化变电站还是广域测量系统都具有重要意义。在采样率满足采样定理的前提下，从概念上讲，可以将某一采样频率为力的采样信 号经数模转换器(D/AC)变成模拟信号，然后再经模数转换器(A/DC)用另一个采样频 率/2进行采样，这样就改变了采样率。实际上，可以用抽取和内插的方法完成采样频率的转换。周斌，张何撰写的基于电子式互感器的变电站智能设备采样值接口技术(江苏 电机工程，2007， 26 (2) : 37-39)，提出了一次Lagrange插值(线性插值)法，但当通 带内谐波次数较高时会产生较大误差；郑世林撰写的数字化信号的抽取、插值方法及次 序(通信技术，2001， (7) : 106-108)从信号保真的角度，采用平均值插入方法实现 了采样频率的转换，但该插值法频率是以2H咅增加的。因此，需要专利技术具有广阔的应用 前景和实用价值的多采样率转换的新方法。
技术实现思路
本专利技术针对电网中各测量点所用互感器并非同一型号，或其采样频率不完全相同的 特点，提出一种能够实现任意分数倍采样率信号的转换和统一方法。3为此，本专利技术采用如下的技术方案一种电网中利用窄带滤波实现多釆样率信号的频率转换方法，包括下列步骤(1) 设N为采样信号x(n)—周波的采样点数，不断读取采样信号x(")，(2) 对采样信号x(")进行I倍的零值内插得到I倍内插序列;q(/);(3) 判断所读取的采样信号;c(")的个数是否大于N+1，若大于，则执行步骤(6)否则， 执行下一步；(4) 判断所读取的个数是否等于N，若等于，由全波傅氏算法求得第一基波幅值i^， 令><1) = ^ ￡1，其中，K为窄带滤波器幅频特性中Wp对应的幅值，否则，执行下一步；(5) 判断所读取的个数是否等于N+1，若等于，由全波傅氏算法求得第二基波幅值&2， 令乂2)=《^2;若不等于，则返回步骤(1);(6) 根据少("+ 2) = 4" + 2)-;c(") + ^;K" + i)-A;K")对I倍内插序列a(/)进行滤波及幅值调整，得至!J滤波后信号， 式中A =2^cos( 7;) ; S2=」2 ; J = 2 - cos(Ao7;) - 1/2 ; Aw = 2M/ ; △/为幅值半值点处频率偏离 值，取A/^5Hz; 7;=0.02/^为采样间隔，N为每周波采样点数，fi^为保留频率；(7) 对信号力(/)进行D倍抽取，即得到转换后信号j(附)。本专利技术不仅能通过利用抽取、内插和窄带滤波器的三级联，完成不同采样频率信号 的频率归一化；而且考虑到电力系统实时监控装置、继电保护装置和控制装置的算法对 测量信号不同频率成份的取舍要求，能在采样频率转换的同时提取出有用频率的信号(例 如基波分量)，滤除无用频率信号(例如衰减非周期分量和各高次谐波)，完全避免采 样频率的混叠及镜像的产生。本专利技术在利用抽取和内插实现采样率转换和统一时，采用基于全波傅氏的窄带滤波 器进行低通滤波，适用于电力系统的实时监控、保护和控制装置，可以同时完成频率归 一和有用信号的提取。本专利技术还适用于母线保护，因为高压、超高压和特高压变电站进、 出母线的输电线路很多，各条线路互感器并非同一型号或其采样频率不相同，而母线保 护又要用到所有线路的电气量，所以必然也会遇到信号的多采样率转换和统一问题。附图说明图l抽取和内插框图，(a)为抽取过程框图，(b)为内插过程框图。图2. 1/D倍采样率转换框图，(a)为先对信号作I倍内插，再进行D倍抽取的采样率转换框图。(b)将(a)中的两个滤波器A(")和/^(")合并成一个滤波器W")的采样率转换框图。图3窄带滤波器的幅频特性。图4 (a)为当"1) = ><2)=0时，窄带滤波器的响应时间曲线。4图4 (b)为当><1)=《^1， ><2) = ^^2时，窄带滤波器的响应时间曲线。 图5本专利技术的基于全波傅氏的窄带滤波的频率转换流程。具体实施例方式本专利技术将数字化变电站和电网广域测量系统中的多采样率信号的频率统一问题分成 两部分解决， 一是抽取和内插的设计；二是数字窄带滤波算法的设计。因为在利用抽取 和内插实现信号的采样率转换的过程中，必须避免镜像和频谱混叠，故需对信号进行低 通滤波。而电力系统的实时监控、保护和控制装置，信号的处理与分析多是基于正弦基 波和某些整次谐波的，故采用基于全波傅氏的窄带滤波器作为低通滤波器，在采样频率 转换的同时提取出有用频率的信号。 1、抽取和内插在数字域中，从信号中去除高频信息、降低采样频率而不导致频率谱混叠的过程就 是抽取。图l (a)为抽取过程的框图，其中的操作包括低通滤波和之后的抽样，即把滤 波后的序列每隔D-1个点抽取一次，形成新的采样序列。低通滤波器的作用是避免频谱 混叠，其截止频率为;r/i)，在该频率点允许信号的不混叠部分通过。内插与抽取的过程相反，使信号采样频率升高的转换称为内插。实际应用中，往往 是先在已知采样序列的两个相邻采样点之间等间距地插入(1-1)个零，然后进行低通滤 波，滤除之外的频率信号，以消除内插带来的镜像，图l (b)为内插过程 的框图。前面所讨论的D倍抽取以及I倍内插都是整数倍的采样率转换，而实际中常需要对信 号进行有理数因子即//。倍的采样率转换，这可以由I倍内插以及D倍抽取两步级联完成。 一般来说，抽取使信号的数据点减少，会造成信息的丢失，因此，合理的方法是先对信 号作I倍内插，再进行D倍抽取，其过程如图2 (a)所示，这实际是图l (a)和(b)的级 联。由于二者级联具有共同的采样频率，因此可以将两个滤波器/^w)和&00合并成一个 滤波器A(w)，如图2 (b)所示。A(")的频率响应满足由此可见，在利用内插和抽取实现信号的采样率转换的过程中，要避免镜像和频谱 混叠，关键是找到满足式(1)频率响应的低通滤波器A(w本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种电网中利用窄带滤波实现多采样率信号的频率转换方法，包括下列步骤： （１）设Ｎ为采样信号ｘ（ｎ）一周波的采样点数，不断读取采样信号ｘ（ｎ）， （２）对采样信号ｘ（ｎ）进行Ｉ倍的零值内插得到Ｉ倍内插序列ｘ↓［１］（ｌ）；（３）判断所读取的采样信号ｘ（ｎ）的个数是否大于Ｎ＋１，若大于，则执行步骤（６）否则，执行下一步； （４）判断所读取的个数是否等于Ｎ，若等于，由全波傅氏算法求得第一基波幅值Ｒ↓［ｅ１］，令ｙ（１）＝ＫＲ↓［ｅ１］，其中，Ｋ为窄带滤波器幅频特性中ω↓［ｐ］对应的幅值，否则，执行下一步； （５）判断所读取的个数是否等于Ｎ＋１，若等于，由全波傅氏算法求得第二基波幅值Ｒ↓［ｅ２］，令ｙ（２）＝ＫＲ↓［ｅ２］；若不等于，则返回步骤（１）； （６）根据ｙ（ｎ＋２）＝ｘ（ｎ＋２）－ｘ（ｎ）＋Ｂ↓［１］ｙ（ｎ＋１）－Ｂ↓［２］ｙ（ｎ）对Ｉ倍内插序列ｘ↓［１］（ｌ）进行滤波及幅值调整，得到滤波后信号ｙ↓［１］（ｌ），式中：Ｂ↓［１］＝２Ａｃｏｓ（ω↓［ｐ］Ｔ↓［ｓ］）；Ｂ↓［２］＝Ａ↑［２］；Ａ＝２－ｃｏｓ（ΔωＴ↓［ｓ］）－［ｃｏｓ↑［２］（ΔωＴ↓［ｓ］）－４ｃｏｓ（ΔωＴ↓［ｓ］）＋３］↑［１／２］；Δω＝２πΔｆ；Δｆ为幅值半值点处频率偏离值，取Δｆ＝５Ｈｚ；Ｔ↓［ｓ］＝０．０２／Ｎ为采样间隔，Ｎ为每周波采样点数，ω↓［ｐ］为保留频率；（７）对信号ｙ↓［１］（ｌ）进行Ｄ倍抽取，即得到转换后信号ｙ（ｍ）。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张艳霞，王艳，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]
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