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一种新的电力生产数据频率分析与数字滤波方法研究.docx


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一种新的电力生产数据频率分析与数字滤波办法研究
中图分类号:TN713+.7《34;TM351文献标识码:A文章编号:1004《373X〔2022〕15《0050《03
Abstract:Sincetheelectricpowersystemhasthedeficienciesoflowaccuracyintheaspectoffrequencymeasurementandpoorabilitytoresisttheharmonicnoiseinterference,afrequencyanalysisanddigitalfilteringmethodforelectricityproductiondataisproposed,,andrealizethehigh《,,simulationtestandphysicaldemonstrationindicatethatthenewsinusoidalparametercalculationmethodiscorrectandeffective.
Keywords:sequenceorthogonalmodulation;dualorthogonalfrequencymixing;deconvolutionsequence;mixinginterferencefrequency;combfiltering
0引言
通常情况下,来自于电力生产的实时或历史数据的分析和测量[1《3]属于一种类似于正弦参数的分析和测量,正弦频率的测量有多种办法,而精确的正弦频率测量结果可以减少测量中的误差成分[4《5]。
零交法〔Zero《crossingAlgorithm〕是低频正弦频率测量的根底办法,如用于电力系统电网工频频率的测量,电网运行额定工频在50Hz附近,属于频率较低的正弦频率。然而,研究结果说明,在有噪声干扰的情况下,该办法测量出的频率值精度不能满足某些应用的需要。
快速傅里叶〔FFT〕变换算法和离散傅里叶〔DFT〕变换算法是用于正弦参数计算的根本数学办法。但FFT和DFT算法也存在一定的局限性,其中信号非整数周期截断引起的频谱泄漏问题是造成算法误差的主要原因。
本文提出了一种适用于电力生产信号低频正弦频率计算的办法,将序列正交调制和双重正交混频办法等用于数据信号的清洗与去噪处理,提高了数据信号的准确度和抗谐波噪声干扰的性能。
1新型正弦频率计算原理
新型频率计算原理流程,如图1所示。
如图1所示,首先对输入信号序列进行频率初测,给出参考频率,允许参考频率存在±%以内的相对误差;然后根据参考频率对输入信号序列进行预处理;接着对预处理序列进行正交调制;对正交调制序列进行处理得到正交处理序列;对正交处理序列进行双重正交混频;对双重正交混频序列进行数字滤波;最后根据数字滤波终值进行正弦频率计算。
2序列预处理
在文中所述的正交混频过程中,产生的混频干扰频率严重影响正弦参数的计算准确度,是造成正弦频率计算误差的主要内在原因。对输入信号序列进行预处理,示例进行滤波处理可从源头对混频干扰频率产生的因素进行有效抑制。 文中的预处理办法具体为对输入信号序列进行一种梳状滤波处理,梳状滤波原理为:对2个起始点不同的输入序列进行加减,可得到梳状的频域幅频滤波特性。
在采样频率为20kHz,信号基波频率为100πrad/s时,得到[Nc1=200,][Nc2=400,]那么式〔1〕叙述的梳状滤波处理需要使用周期序列长度的7倍。在保持[Nc1=200]和[Nc2=400]不变,改变信号基波频率时,得到梳状滤波处理的频域幅频增益为式〔1〕:
[Gd〔ωi〕=[Gd1〔ωi〕]8[Gd2〔ωi〕]3]〔1〕
式中:[Gd〔ωi〕]为梳状滤波处理在信号频率[ωi]的幅值增益,单位无量纲,得到的梳状滤波处理频域幅频特性,如图2所示。将频域幅频增益[Gd〔ωi〕]转换为dB单位,梳状滤波处理能够对偶次谐波和[12]分次谐波产生深度的抑制作用,对大局部的分次谐波产生较大衰减作用。
3序列正交调制
序列正交调制原理流程,如图3所示。
,从梳状滤波处理序列中得到初次正向序列;接着将初次正向序列反向输出获得初次反褶序列;计算初次正向序列与初次反褶序列的〔初次〕平均初相位;根据初次平均初相位对正向序列在梳状滤波处理序列的起始点进行调整,再次得到正向序列和反褶序列,计算平均初相位;紧接着对再次正向序列和再次反褶序列进行正交调制,得到初步正交调制序列;最后根据再次平均初相位,将初步正交调制序列的幅值恢复为梳状滤波处理序列的幅值。

初次平均初相位也就是初次正向序列初相位与初次反褶序列初相位的平均值。具体计算过程:首先分别计算初次正向序列和初次反褶序列的相位,然后将2个序列相位相和后除2,得到初次平均初相位。
5双重正交混频办法
所谓的双重正交混频,也就是将零初相位正交调制的2个序列与参考频率的余弦函数和正弦函数之间进行交叉混频,最后再合成为实频序列和虚频序列。双重正交混频的叙述式为:
6物理实验
进行了电力系统50Hz工频频率测量的物理实验,通过采集实际高准确度的信号发生器或实际电力系统的信号进行相位和频率计算。具体物理实验条件为:实验频率测量系统的频率基准采用准确度为±1×10-8量级的恒温晶振,采集设备的数据量化位数为24b,采集设备的采样频率为20kHz。
在实验室环境中,采集高准确度频率源信号的实验结果说明,新型正弦频率计算办法具有较高的准确度,在45~55Hz频率范围内,[±×10-7,][±×10-9,]如图4所示。另外,采集实际电力系统信号进行频率计算,同时与“零交法〞频率测量办法进行比照,得到的结果如图5所示。
如图5所示,在20s时间内,信号频率呈迟缓变化趋势,采用新型正弦频率计算办法得到的波动幅度相对较小,而“零交法〞频率测量的波动幅度相对较大,可见新型正弦频率计算办法相对“零交法〞能够更真实地反映实际频率变化趋势。
7结语
本文提出了一种电力生产数据的频率分析和数字滤波办法,分析了序列正交调制和双重正交混频办法的原理和特性。序列正交调制办法能够获得严格意义上的正交序列,在正交序列的中心点可获得严格意义上的零初相位基准点。针对基波混频干扰频率抑制的双重正交混频办法,解决了影响正弦参数计算准确度的主要矛盾。文中设计的梳状滤波可实现对偶次谐波和局部分次谐波的深度抑制,对大局部的分次谐波产生较大的衰减作用。此外,针对奇次谐波混频干扰频率抑制的数字滤波,本质上是多滑动矩形窗口特性的合成,可实现对奇次谐波混频干扰频率的深度抑制。本文通过数学计算、仿真试验和物理实验证明了新型正弦频率测量办法的正确性和有效性,新办法在电力科学研究、系统正弦频率的测量、低频率范围精密测量仪器的研制等多方面具有重要的用途和参考价值。

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  • 时间2023-01-23