本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量方法及装置。
背景技术：
近年来，由于大规模直流输电工程，光伏、风电等新能源工程的建设，为电力系统引入了大量的电力电子设备。尤其是各种非线性开关元件的使用导致电力信号中谐波与间谐波含量增加，严重降低了基波信号的同步相量测量精度，从而影响到基于同步量测数据的电网动态监控、状态估计和电力系统控制与保护等高级应用功能。尤其是当系统频率偏离额定频率时，基波信号与间谐波信号之间的频谱干扰更加严重。因此，实现基波信号、谐波信号和间谐波信号的精确测量能够为电力系统的安全稳定运行提供有力的数据保障。
离散傅里叶变换(discretefouriertransform，dft)具有计算量小、原理简单和抑制谐波等诸多优点，因此在电力系统基波、谐波和间谐波分析中得到广泛应用。但是当电力系统频率偏离额定频率时，dft会因为非同步采样而产生频谱泄漏，进而导致较大的测量误差。针对此问题，泰勒级数展开被引入dft去描述信号的动态特性，从而减小了dft方法在频率偏移情况下的测量误差。但是目前基于泰勒展开的dft算法主要针对频率偏移、频率振荡和斜坡变化等情况下的基波测量，而在谐波与间谐波信号干扰情况下，基波测量精度因信号间相互的频谱泄漏大大降低，使之难以满足电力系统测量精度要求。此外，该类算法多关注于基波测量，难以同时完成对谐波和间谐波信号的测量。由此说明，基于泰勒展开的dft算法可以在一定条件和范围下实现基波测量，但针对谐波和间谐波存在的情况下还存在一定局限性。因此，设计一种兼顾谐波与间谐波信号测量和谐波与间谐波干扰下的基波信号测量方法具有重要意义。
技术实现要素：
针对现有测量技术在谐波、间谐波干扰下基波测量精度不足和难以同时测量基波、谐波与间谐波信号的问题，本发明提供的基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量方法及装置，不仅能够同时测量基波、谐波与间谐波信号，而且能够减小信号间频谱干扰带来的不利影响，有效提高在谐波和间谐波干扰情况下的基波测量精度，满足测量精度要求。
本发明通过下述技术方案实现：
本方案提供的基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量方法，包括以下步骤：
s1.以采样频率fs对输入的连续电力信号x(t)进行采样，得到离散的电力信号x(n)；
s2.对离散电力信号x(n)进行预处理得到粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb；
s3.利用粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb和改进后的平顶窗函数建立基于改进平顶窗的dft相量测量模型；
s4.将离散的电力信号x(n)带入基于改进平顶窗的dft相量测量模型进行求解得到基波、谐波和间谐波的相量测量值x0、xh、xb。
进一步优化方案为，在频率范围
s21.将离散的电力信号x(n)通过矩形窗函数截取成l＝2n 1个采样后的离散信号，在频率范围
s22.对频谱分析结果中的3个最高峰值点依次检测得到粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb。
(第一最高峰值点为粗估基波频率成分f0，第二最高峰值点为粗估谐波频率成分fh、第三最高峰值点为粗估间谐波频率成分fb。)
进一步优化方案为，改进后的平顶窗函数建立方法为：
先在频域利用2m 1个经缩放和平移的矩形窗进行组合，得到由离散时间傅里叶变换建立的平顶窗函数频率响应hm(ejω)；m表示滤波器的阶数；
再通过施加约束条件对平顶窗函数进行改进，从而提高平顶窗主瓣的平整度。
进一步优化方案为，平顶窗函数频率响应hm(ejω)表示为：
其中
进一步优化方案为，通过施加约束条件对平顶窗函数频率响应进行改进，所述约束条件为：
约束条件1：hm(ej0)＝l
约束条件2：
式中，l＝2n 1表示平顶窗滤波器的长度、r是待选择的参数。
进一步优化方案为，基于改进平顶窗的dft相量测量模型的数学表达式为：
ω是指定的滤波频率；l＝2n 1，表示平顶窗滤波器的长度；hm[n]为改进后的平顶窗函数。
进一步优化方案为，求解基波相量x0、谐波相量xh和间谐波相量xb的具体步骤为：将离散的电力信号x(n)带入基于改进平顶窗的dft相量测量模型：
当
当
当
进一步优化方案为，输入的连续电力信号x(t)由电能数据感知系统进行采集。
根据上述基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量方法本发明还提供基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量装置，包括：
电能数据感知系统用于采集连续电力信号x(t)；
信号采样建立模块用于以采样频率fs对输入的连续电力信号x(t)进行采样，得到离散的电力信号x(n)；
数据预处理模块用于对离散电力信号x(n)进行预处理得到粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb；
模型建立模块利用粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb和改进后的平顶窗函数建立基于改进平顶窗的dft相量测量模型；
计算模块用于将离散的电力信号x(n)带入基于改进平顶窗的dft相量测量模型进行求解得到基波、谐波和间谐波的相量测量值x0、xh、xb。
现有测量技术在进行谐波、间谐波干扰下基波测量时，往往精度不足且难以同时测量基波、谐波与间谐波信号的问题，本发明提供的基于改进平顶窗的基波信号同步相量测量方法及装置，不仅能够同时测量基波、谐波与间谐波信号，而且能够减小信号间频谱干扰带来的不利影响，有效提高在谐波和间谐波干扰情况下的基波测量精度。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提出的基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量方法及装置，利用改进的平顶窗函数与离散傅里叶变换方法结合，不仅能够同时测量基波、谐波与间谐波信号，而且能够减小信号间频谱干扰带来的不利影响，有效提高在谐波和间谐波干扰情况下的基波测量精度，能够满足测量精度要求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1是本发明基于平顶窗函数的基波信号同步相量测量方法流程图；
图2是频谱分析结果示意图；
图3是谐波和间谐波干扰下基波幅值测量相对误差示意图；
图4是频偏和谐波、间谐波干扰下基波幅值测量相对误差示意图；
图5是谐波幅值测量相对误差示意图；
图6是间谐波幅值测量相对误差示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量方法，包括以下步骤：
s1.以采样频率fs对输入的连续电力信号x(t)进行采样，得到离散的电力信号x(n)；
s2.对离散电力信号x(n)进行预处理得到粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb；
s3.利用粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb和改进后的平顶窗函数建立基于改进平顶窗的dft相量测量模型；
s4.将离散的电力信号x(n)带入基于改进平顶窗的dft相量测量模型进行求解得到基波、谐波和间谐波的相量测量值x0、xh、xb。
在频率范围
s21.将离散的电力信号x(n)通过矩形窗函数截取成l＝2n 1个采样后的离散信号，在频率范围
s22.对频谱分析结果中的3个最高峰值点依次检测得到粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb。
改进后的平顶窗函数建立方法为：
先在频域利用2m 1个经缩放和平移的矩形窗进行组合，得到由离散时间傅里叶变换建立的平顶窗函数频率响应hm(ejω)；m表示滤波器的阶数；
再通过施加约束条件对平顶窗函数进行改进。
平顶窗函数频率响应hm(ejω)表示为：
其中
通过施加约束条件对平顶窗函数频率响应进行改进，
所述约束条件为：
约束条件1：hm(ej0)＝l
约束条件2：
式中，l＝2n 1表示平顶窗滤波器的长度、r是待选择的参数。
基于改进平顶窗的dft相量测量模型的数学表达式为：
ω是指定的滤波频率；l＝2n 1表示平顶窗滤波器的长度；hm[n]为改进后的平顶窗函数。
求解基波相量x0、谐波相量xh和间谐波相量xb的具体步骤为：将离散的电力信号x(n)带入基于改进平顶窗的dft相量测量模型：
当
当
当
基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量装置，包括：信号采样建立模块用于以采样频率fs对输入的连续电力信号x(t)进行采样，得到离散的电力信号x(n)；
数据预处理模块用于对离散电力信号x(n)进行预处理得到粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb；
模型建立模块利用粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb和改进后的平顶窗函数建立基于改进平顶窗的dft相量测量模型；
计算模块用于将离散的电力信号x(n)带入基于改进平顶窗的dft相量测量模型进行求解得到基波、谐波和间谐波的相量测量值x0、xh、xb。
实施例2
为了验证本发明方法的可行性，本实施例采用传统dft算法作为对比算法，并基于matlab软件做了几种电力系统工况的仿真。在所做的仿真中，本发明所提方法与传统dft法的参数设置相同。其中，电力信号的采样频率fs为4800hz，滤波器的长度l为1247，滤波器的阶数m为5，同步相量测量装置的报告频率为50hz/s。
(1)谐波与间谐波干扰工况下的基波测量仿真
依据测量相关标准要求，在测试信号中加入10％基波幅值的谐波信号与间谐波信号，其中基波的频率f0为50hz，加入的谐波信号频率fh为150hz，加入的间谐波信号频率fb为10hz；测试时间为0.5s。测试信号的数学表达式为：
x(t)＝cos[2πf0t] 0.1cos(2πfht) 0.1cos(2πfbt)。
本发明采用的测量算法能够减小在谐波干扰和带外干扰下的基波测量误差。在这种工况下，与相对幅值测量误差最大值为0.0057的传统dft算法相比，本发明方法基波幅值测量误差最大值在1.1055×10-6左右，测量精度更高，能够满足测量要求；两种方法的幅值测量误差如图3所示。
(2)频率偏移、谐波与间谐波干扰工况下的基波测量仿真
依据测量相关标准要求，在测试信号中加入了0.25hz频率偏移的基波信号和10％基波幅值的谐波信号与间谐波信号，其中基波的频率f0为50hz，加入的谐波信号频率fh为150hz，加入的间谐波信号频率fb为10hz；测试时间为0.5s。测试信号的数学表达式为：
x(t)＝cos[2πt(f0 δf)] 0.1cos(2πfht) 0.1cos(2πfbt)
本发明方法在频率偏移、谐波干扰以及间谐波干扰的工况下，与相对幅值误差最大值为0.5787的传统dft算法相比，本发明方法基波幅值测量误差最大值在8.5046×10-5左右，测量精度更高，且满足测量要求；两种方法的幅值测量误差如图4所示。
(3)谐波与间谐波测量仿真
在测试信号中加入10％基波幅值的谐波信号与间谐波信号，其中基波的频率f0为50hz，加入的谐波信号频率fh为150hz，加入的间谐波信号频率fb为10hz；测试时间为0.25s。测试信号的数学表达式为：
x(t)＝cos[2πf0t] 0.1cos(2πfht) 0.1cos(2πfbt)
本发明方法还能够准确测量谐波与间谐波信号，在频率偏移工况下，其谐波幅值测量误差最大值为3.1037×10-8，如图5所示；间谐波幅值测量相对误差最大值为0.0406，如图6所示。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1.以采样频率fs对输入的连续电力信号x(t)进行采样，得到离散的电力信号x(n)；
s2.对离散电力信号x(n)进行预处理得到粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb；
s3.利用粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb和改进后的平顶窗函数建立基于改进平顶窗的dft相量测量模型；
s4.将离散的电力信号x(n)带入基于改进平顶窗的dft相量测量模型进行求解得到基波、谐波和间谐波的相量测量值x0、xh、xb。
2.根据权利要求1所述的基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量方法，其特征在于，在频率范围
s21.将离散的电力信号x(n)通过矩形窗函数截取成l＝2n 1个采样后的离散信号，在频率范围
s22.对频谱分析结果中的3个最高峰值点依次检测得到粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb。
3.根据权利要求1所述的基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量方法，其特征在于，改进后的平顶窗函数建立方法为：
先在频域利用2m 1个经缩放和平移的矩形窗进行组合，得到由离散时间傅里叶变换建立的平顶窗函数频率响应hm(ejω)；m表示滤波器的阶数；
再通过施加约束条件对平顶窗函数进行改进。
4.根据权利要求3所述的基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量方法，其特征在于，平顶窗函数频率响应hm(ejω)表示为：
其中
5.根据权利要求4所述的基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量方法，其特征在于，通过施加约束条件对平顶窗函数频率响应进行改进，
所述约束条件为：
约束条件1：hm(ej0)＝l
约束条件2：
式中，l＝2n 1表示平顶窗滤波器的长度、r是待选择的参数。
6.根据权利要求1所述的基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量方法，其特征在于，基于改进平顶窗的dft相量测量模型的数学表达式为：
ω是指定的滤波频率；hm[n]为改进后的平顶窗函数。
7.根据权利要求6所述的基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量方法，其特征在于，求解基波相量x0、谐波相量xh和间谐波相量xb的具体步骤为：将离散的电力信号x(n)带入基于改进平顶窗的dft相量测量模型：
当
当
当
8.根据权利要求1所述的基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量方法，其特征在于，输入的连续电力信号x(t)由电能数据感知系统进行采集。
9.基于电能数据感知的平顶窗函数同步相量测量装置，其特征在于，包括：
电能数据感知系统用于采集连续电力信号x(t)；
信号采样建立模块用于以采样频率fs对输入的连续电力信号x(t)进行采样，得到离散的电力信号x(n)；
数据预处理模块用于对离散电力信号x(n)进行预处理得到粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb；
模型建立模块利用粗估基波频率成分f0、粗估谐波频率成分fh和粗估间谐波频率成分fb和改进后的平顶窗函数建立基于改进平顶窗的dft相量测量模型；
计算模块用于将离散的电力信号x(n)带入基于改进平顶窗的dft相量测量模型进行求解得到基波、谐波和间谐波的相量测量值x0、xh、xb。
技术总结