一種獲取電學信號瞬時頻率的方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種獲取電學信號瞬時頻率的方法及系統，靈活運用短時傅里葉變換方法，確定初始迭代頻率，并將所述初始迭代頻率應用于用于獲取瞬時頻率的迭代算法之中；本發明能夠提供更加精確的初始迭代頻率，加速迭代過程的收斂速度，并且降低窗口長度和采樣頻率對于迭代結果的影響。本方法對信號的階躍變化敏感，但是對于下列三種干擾因素不敏感：電壓或電流信號被其他信號調制、包含衰減的直流偏執和噪聲，可見，本方法非常適用于電力系統這種不穩定狀態情況下的瞬時頻率的跟蹤。
【專利說明】
_種獲取電學信號瞬時頻率的方法及系統
技術領域
[0001] 本發明涉及電力領域，尤其涉及一種獲取電學信號瞬時頻率的方法及系統。
【背景技術】
[0002] 電力系統中，電壓和電流信號的頻率值是最重要的狀態參量和操作指標，它也是 電力系統發生孤島現象的標示。頻率值是電力系統的安全、穩定運行的一個至關重要的參 數，能夠反映整個系統的電能質量和安全情況，過高或過低的頻率都會對電力系統帶來危 害，比如頻率降低0.1Hz意味著800MW的電力缺失。在過去的幾十年里，在電力工程領域的頻 率測量方面，研究者做了大量的研究工作，這些研究工作在時域領域收獲頗豐，但是在變換 域，能夠用于頻率跟蹤的主要有傳統傅里葉變換、最小均方誤差法和短時傅里葉變換，而這 些方法在使用過程中都存在一定缺陷。
[0003]最小均方誤差法中，利用一個矩陣的偽逆運算可以確定信號頻率。利用泰勒展開 式構造的簡化表達式可以使得最小均方誤差法能夠應用于在線模式和非在線模式。最小均 方誤差法的測量精度由每個采樣間隔內的迭代次數和硬件的計算能力決定，這種方法相較 于傳統傅里葉變換能夠解決非穩定狀態下的信號測量問題，但是這種方法在非穩定狀態中 性能較差，因為泰勒展開后的算法需要更長的數據，而較長的數據窗口包含更多的不良數 據，故最小均方誤差法迭代速度較慢，并且受窗口長度和采樣頻率的影響很大。
[0004] 短時傅里葉變換（SDFT:Short-time DFT)是一種基于窗口的運算，要求在每個周 期內包含整數個采樣點。如果一個窗口對應一個周期，包含了非整數個采樣點，SDFT將產生 錯誤，而這種情況是電力傳輸系統中普遍存在的。在相對穩定的狀態下借助最小二乘法， SDFT能夠連續的估計出瞬時頻率、抑制諧波和平滑噪聲，而對于非平穩狀態，簡單的SDFT算 法無能為力。
[0005] 可見，不論是最小均方誤差法還是短時傅里葉變換都不宜直接應用于電力系統瞬 時頻率的獲取，有必要綜合最小均方誤差法和短時傅里葉變換的優勢，研究出一種適用于 非穩態頻率測量的準確高效的方法。
【發明內容】
[0006] 為此，本發明提供了一種獲取電學信號瞬時頻率的方法及系統，通過靈活運用短 時傅里葉變換方法，確定初始迭代頻率，并將所述初始迭代頻率應用于用于獲取瞬時頻率 的迭代算法之中，所述初始迭代頻率能夠加速迭代過程的收斂速度，并且降低窗口長度和 采樣頻率對于迭代結果的影響。
[0007] -種獲取電學信號瞬時頻率的方法，包括以下步驟：
[0008] S1、預先設定好采樣頻率，并根據所述采樣頻率對電學信號進行采樣；
[0009] S2、獲取不同窗口長度下的頻率標定值，所述頻率標定值為不同的數 據長度，f?為采樣信號頻率，h為不同數據長度下的頻率標定值；
[0010] S3、按照短時傅立葉變換算法(SDRT)獲取采樣時刻的不同窗口長度下的頻率計算 值；
[0011] S4、計算S2和S3中相同數據窗口長度下頻率標定值與頻率計算值的差異值，確定 最小差異值對應的頻率計算值；
[0012] S5、將最小差異值對應的頻率計算值作為采樣時刻的初始迭代頻率；
[0013] S6、根據所述初始迭代頻率計算采樣時刻的瞬時頻率。
[0014]優選的，S6包括以下步驟：
[0015] S61.根據所述初始迭代頻率獲取所述采樣時刻的第一次頻率估計值;
[0016] S62、用所述第一次頻率估計值/；代替所述初始迭代頻率，重復步驟S61獲取所述 采樣時刻的第二次頻率估計值/ 2 ;
[0017] S63、按照S62中所述方法依次獲取下一次的頻率估計值，當獲取頻率估計值的次 數達到預設次數或相鄰頻率估計值之間的差值不大于預設閾值時，停止獲取下一次的頻率 估計值；
[0018] S64、將最后一次獲取的頻率估計值作為所述采樣時刻的瞬時頻率值。
[0019]優選的，S61中包括如下步驟：
[0020] S611、獲取過渡參數Xi和X2,其中為=4:細約，；=4sin約，Ai和的是所述電學 信號的初始振幅和初始相位；
[0021 ] S612、根據所述過渡參數獲取所述第一次頻率估計值石其中，
[0022]優選的，在進行采樣之前，讓所述電學信號通過低通濾波器，所述低通濾波器用于 將頻率高于f\Hh的信號濾除，是系統的標稱頻率，Hh是輸入信號包含的最高諧波次數。 [0023]優選的，所述電學信號包括電壓信號或電流信號。
[0024] -種獲取電學信號瞬時頻率的系統，包括采樣頻率設定模塊、采樣模塊、初始迭代 頻率獲取模塊和瞬時頻率計算模塊，
[0025]所述采樣頻率設定模塊用于電學信號的初始頻率設定采樣頻率f，
[0026] 所述采樣模塊根據采樣頻率f對電學信號進行采樣，并將采樣結果傳輸至初始迭 代頻率獲取模塊，
[0027] 所述初始迭代頻率獲取模塊用于獲取初始迭代頻率，并將所述初始迭代頻率傳輸 至瞬時頻率計算模塊，由所述瞬時頻率計算模塊計算出電學信號的瞬時頻率。
[0028]優選的，所述初始迭代頻率獲取模塊包括頻率標定值獲取單元，頻率計算值獲取 單元和初始迭代頻率獲取單元，
[0029]所述頻率標定值獲取單元用于根據采樣信號頻率和窗口長度獲取不同窗口長度 下的頻率標定值，并將所述頻率標定值傳輸至初始迭代頻率獲取單元;所述頻率計算值獲 取單元用于根據短時傅里葉變換算法獲取不同窗口長度下的頻率計算值，并將所述頻率計 算值傳輸至初始迭代頻率獲取單元;所述初始迭代頻率獲取單元用于根據所述頻率標定值 和頻率計算值獲取初始迭代頻率。
[0030] 優選的，所述采樣頻率設定模塊設定的采樣頻率滿足公式，f多2也心，也是所述電 學信號中包含的最高諧波次數，心是系統的標稱頻率，。
[0031] 優選的，還包括低通濾波器，所述低通濾波器用于將頻率高于版^的信號在進入采 樣模塊之前濾除。
[0032] 本發明的有益效果是：
[0033] 本發明提供了一種獲取電學信號瞬時頻率的方法及系統，靈活運用短時傅里葉變 換方法，確定初始迭代頻率，并將所述初始迭代頻率應用于用于獲取瞬時頻率的迭代算法 之中；本發明能夠提供更加精確的初始迭代頻率，加速迭代過程的收斂速度，并且降低窗口 長度和采樣頻率對于迭代結果的影響。本方法對信號的階躍變化敏感，但是對于下列三種 干擾因素不敏感：電壓或電流信號被其他信號調制、包含衰減的直流偏執和噪聲，可見，本 方法非常適用于電力系統這種不穩定狀態的瞬時頻率的跟蹤。
【附圖說明】
[0034] 圖1是一種獲取電學信號瞬時頻率的方法的流程圖；
[0035]圖2是一種獲取電學信號瞬時頻率的系統結構圖。
【具體實施方式】
[0036]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一 步地詳細描述。
[0037]在一個實施例中，一種獲取電學信號瞬時頻率的方法如圖1所示，包括以下步驟： [0038] S1、預先設定好采樣頻率，并根據所述采樣頻率對電學信號進行采樣；
[0039] S2、獲取不同窗口長度下的頻率標定值，所述頻率標定值為不同的數 據長度，f?為采樣信號頻率，h為不同數據長度下的頻率標定值；
[0040] S3、按照短時傅立葉變換算法(SDRT)獲取采樣時刻的不同窗口長度下的頻率計算 值；
[0041] S4、計算S2和S3中相同數據窗口長度下頻率標定值與頻率計算值的差異值，確定 最小差異值對應的頻率計算值；
[0042] S5、將最小差異值對應的頻率計算值作為采樣時刻的初始迭代頻率；
[0043] S6、根據所述初始迭代頻率計算采樣時刻的瞬時頻率。
[0044] 具體地，S6包括以下步驟：
[0045] S61.根據所述初始迭代頻率獲取所述采樣時刻的第一次頻率估計值義.
[0046] S62、用所述第一次頻率估計值/丨代替所述初始迭代頻率，重復步驟S61獲取所述 采樣時刻的第二次頻率估計值爲 ；
[0047] S63、按照S62中所述方法依次獲取下一次的頻率估計值，當獲取頻率估計值的次 數達到預設次數或相鄰頻率估計值之間的差值不大于預設閾值時，停止獲取下一次的頻率 估計值；
[0048] S64、將最后一次獲取的頻率估計值作為所述采樣時刻的瞬時頻率值。
[0049] 具體地，S61中包括如下步驟：
[0050] S611、獲取過渡參數Xi和X2,其中爲.:=4cos..約，A =為.sin價，Ai和約.是所述電學 信號的初始振幅和初始相位；
[0051 ] S612、根據所述過渡參數獲取所述第一次頻率估計值/；，其中，
[0052] 具體地，在進行采樣之前，讓所述電學信號通過低通濾波器，所述低通濾波器用于 將頻率高于f\H h的信號濾除，是系統的標稱頻率，Hh是輸入信號包含的最高諧波次數。
[0053] 具體地，所述電學信號包括電壓信號或電流信號。
[0054]本實施例中，采樣頻率為60*32Hz，本發明的瞬時頻率獲取結果如表一所示：
[0055]表一初始迭代頻率獲取結果
[0057] 輸入頻率為測試頻率，帶有符號為本方法確定的初始迭代頻率，比如，第一行 輸入頻率為55Hz，窗口長度為L = 35，采用短時傅立葉變換方法的頻率估計值為55.1432Hz， 這個值是第一行中所有數值與表達式60 X32/L差值的最小值。接下來可以選擇這個頻率估 計值為初始迭代頻率，顯而易見，本方法獲得的初始迭代頻率與輸入頻率已經非常接近，使 用本方法的初始迭代頻率能夠獲得較快的迭代速度，提升瞬時頻率的獲取效果。
[0058] 第二個實施例，如圖2所示，一種獲取電學信號瞬時頻率的系統，包括采樣頻率設 定模塊、采樣模塊、初始迭代頻率獲取模塊和瞬時頻率計算模塊，
[0059]所述采樣頻率設定模塊用于電學信號的初始頻率設定采樣頻率f，
[0060]所述采樣模塊根據采樣頻率f對電學信號進行采樣，并將采樣結果傳輸至初始迭 代頻率獲取模塊，
[0061] 所述初始迭代頻率獲取模塊用于獲取初始迭代頻率，并將所述初始迭代頻率傳輸 至瞬時頻率計算模塊，由所述瞬時頻率計算模塊計算出電學信號的瞬時頻率。
[0062] 具體地，所述初始迭代頻率獲取模塊包括頻率標定值獲取單元，頻率計算值獲取 單元和初始迭代頻率獲取單元，
[0063]所述頻率標定值獲取單元用于根據采樣信號頻率和窗口長度獲取不同窗口長度 下的頻率標定值，并將所述頻率標定值傳輸至初始迭代頻率獲取單元;所述頻率計算值獲 取單元用于根據短時傅里葉變換算法獲取不同窗口長度下的頻率計算值，并將所述頻率計 算值傳輸至初始迭代頻率獲取單元;所述初始迭代頻率獲取單元用于根據所述頻率標定值 和頻率計算值獲取初始迭代頻率。
[0064]具體地，所述采樣頻率設定模塊設定的采樣頻率滿足公式，f多2也心，也是所述電 學信號中包含的最高諧波次數，心是系統的標稱頻率，。
[0065]具體地，還包括低通濾波器，所述低通濾波器用于將頻率高于版^的信號在進入采 樣模塊之前濾除。
[0066]以上所揭露的僅為本發明較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利范 圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的范圍。
【主權項】
1. 一種獲取電學信號瞬時頻率的方法，其特征在于，包括以下步驟： 51、 預先設定好采樣頻率，并根據所述采樣頻率對電學信號進行采樣； 52、 獲取不同窗口長度下的頻率標定值，所述頻率標定值不同的數據長 度，f為采樣信號頻率，A為不同數據長度下的頻率標定值； 53、 按照短時傅立葉變換算法(SDRT)獲取采樣時刻的不同窗口長度下的頻率計算值； 54、 計算S2和S3中相同數據窗口長度下頻率標定值與頻率計算值的差異值，確定最小 差異值對應的頻率計算值； 55、 將最小差異值對應的頻率計算值作為采樣時刻的初始迭代頻率； 56、 根據所述初始迭代頻率計算采樣時刻的瞬時頻率。2. 根據權利要求1所述的一種獲取電學信號瞬時頻率的方法，其特征在于，S6包括以下 步驟： 561、 根據所述初始迭代頻率獲取所述采樣時刻的第一次頻率估計值/；. 562、 用所述第一次頻率估計值/；代替所述初始迭代頻率，重復步驟S61獲取所述采樣時 刻的第二次頻率估計值/2 . 563、 按照S62中所述方法依次獲取下一次的頻率估計值，當獲取頻率估計值的次數達 到預設次數或相鄰頻率估計值之間的差值不大于預設閾值時，停止獲取下一次的頻率估計 值； 564、 將最后一次獲取的頻率估計值作為所述采樣時刻的瞬時頻率值。3. 根據權利要求2所述的一種獲取電學信號瞬時頻率的方法，其特征在于，S61中包括 如下步驟： 5611、 獲取過渡參數Xi和X2,其中X =4cos^ , =/{ sin奶，Ai和兩是所述電學信號 的初始振幅和初始相位； 5612、 根據所述過渡參數獲取所述第一次頻率估計值/；其中， 94. 根據權利要求1~3中任意一項所述的一種獲取電學信號瞬時頻率的方法，其特征在 于，在進行采樣之前，讓所述電學信號通過低通濾波器，所述低通濾波器用于將頻率高于 fiH h的信號濾除，是系統的標稱頻率，Hh是輸入信號包含的最高諧波次數。5. 根據權利要求4所述的一種獲取電學信號瞬時頻率的方法，其特征在于，所述電學信 號包括電壓信號或電流信號。6. -種獲取電學信號瞬時頻率的系統，其特征在于，包括采樣頻率設定模塊、采樣模 塊、初始迭代頻率獲取模塊和瞬時頻率計算模塊， 所述采樣頻率設定模塊用于電學信號的初始頻率設定采樣頻率f， 所述采樣模塊根據采樣頻率f對電學信號進行采樣，并將采樣結果傳輸至初始迭代頻 率獲取模塊， 所述初始迭代頻率獲取模塊用于獲取初始迭代頻率，并將所述初始迭代頻率傳輸至瞬 時頻率計算模塊，由所述瞬時頻率計算模塊計算出電學信號的瞬時頻率。7. 根據權利要求6所述的一種獲取電學信號瞬時頻率的系統，其特征在于，所述初始迭 代頻率獲取模塊包括頻率標定值獲取單元，頻率計算值獲取單元和初始迭代頻率獲取單 元， 所述頻率標定值獲取單元用于根據采樣信號頻率和窗口長度獲取不同窗口長度下的 頻率標定值，并將所述頻率標定值傳輸至初始迭代頻率獲取單元;所述頻率計算值獲取單 元用于根據短時傅里葉變換算法獲取不同窗口長度下的頻率計算值，并將所述頻率計算值 傳輸至初始迭代頻率獲取單元;所述初始迭代頻率獲取單元用于根據所述頻率標定值和頻 率計算值獲取初始迭代頻率。8. 根據權利要求6或7所述的一種獲取電學信號瞬時頻率的系統，其特征在于，所述采 樣頻率設定模塊設定的采樣頻率滿足公式，f多2版&，版是所述電學信號中包含的最高諧波 次數，fi是系統的標稱頻率，。9. 根據權利要求8所述的一種獲取電學信號瞬時頻率的系統，其特征在于，還包括低通 濾波器，所述低通濾波器用于將頻率高于Hhfi的信號在進入采樣模塊之前濾除。
【文檔編號】G01R23/02GK106053936SQ201610434916
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月17日
【發明人】李暉, 陳敏, 楊永欽
【申請人】海南大學