一种同步相量确定方法、系统、装置及可读存储介质与流程

本发明涉及电路设计领域，特别涉及一种同步相量确定方法、系统、装置及可读存储介质。

背景技术：

随着大规模分布式能源的接入，电动汽车充电负荷的增长，配网的运行状态更加的复杂多变，传统的测量系统难以满足配网实时高效的要求。同步相量测量技术可快速准确获取电网动态运行情况，有效提升电网的可测、可观和可控水平。但由于配电网呈现出的随机性、高噪声和强谐波性，给配电网的同步相量测量技术带来了巨大挑战。

自pmu(phasormearsurementunit，同步相量测量装置)诞生，尤其是近几年，国内外学者提出了多种同步相量测量方法，归纳起来包括基于离散傅里叶变换及修正算法、基于频域动态模型算法、小波变换法、卡尔曼滤波算法和基于fir(finiteimpulseresponse，有限长单位冲激响应)算法等。但传统的算法主要针对传统主网的应用背景，在配网谐波、间谐波、频率偏差以及高噪声影响下，无法高精度的测量同步相量和频率。随着pmu在配网中的大范围应用，对同步相量的精度也提出了更高的要求，所以迫切需要提出一种适用于配电网强噪声和强谐波下的高精度同步相量测量方法。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种强噪声、强谐波下的高精度同步相量确定方法、系统、装置及可读存储介质。其具体方案如下：

一种同步相量确定方法，包括：

获取电力信号；

根据所述电力信号，获取实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数；

对所述电力信号进行离散化，得到采样信号组；

根据实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数，对所述采样信号组进行加窗dft变换，得到信号模型；

根据所述信号模型的已知参数，获取所述信号模型中的待求参数的计算值；

根据所述计算值，获取所述电力信号的基波相量参数。

优选的，所述根据实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数，对所述采样信号组进行加窗dft变换，得到信号模型的过程，具体包括：

根据实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数，对所述采样信号组进行加窗dft变换，得到信号模型，所述信号模型包括多次dft变换结果，其中第k次dft变换结果为k＝0,1,...,k，其中：

其中h(n)为窗函数，α0＝fc/f0，αi＝fi/f0，其中i＝1,2,...,k，fc为所述实测基波频率，fi为所述间谐波对应的频率，f0为系统额定频率，为dft变换系数确定，tc为所述衰减时间常数，ts为采样周期，r0和i0分别为基波相量的实部和虚部，rhj和ihj分别为第j次谐波或间谐波相量的实部和虚部，其中j＝1,2,...h，c′为衰减直流分量的初始幅值。

优选的，所述根据所述信号模型的已知参数，获取所述信号模型中的待求参数的计算值的过程，具体包括：

联立所述信号模型中多次所述dft变换结果，根据所述信号模型的已知参数，获取所述信号模型中的待求参数p的计算值。

优选的，所述联立所述信号模型中多次所述dft变换结果，根据所述信号模型的已知参数，获取所述信号模型中的待求参数p的计算值的过程，具体包括：

联立所述信号模型中多次所述dft变换结果，得到计算公式：

其中为所述采样信号组，

将m、a和所述信号采样组输入所述计算公式，获取所述待求参数p的计算值。

优选的，所述gk根据m^-1的条件数小于预设值的原则确定。

优选的，所述根据所述计算值，获取所述电力信号的基波相量参数的过程，具体包括：

根据所述计算值，获取所述基波相量的实部r0和虚部i0；

获取所述基波相量的幅值和相角tanθ0＝i0/r0。

优选的，所述对所述采样信号组进行加窗dft变换，得到信号模型的过程，具体包括：

根据所述电力信号的数据窗长度，从待选窗函数中选择目标窗函数；所述待选窗函数包括矩形窗函数、汉宁窗函数、汉明窗函数和/或5项rife-vincent窗函数；

利用所述目标窗函数，对所述采样信号组进行加窗dft变换，得到所述信号模型。

相应的，本发明公开了一种同步相量确定系统，包括：

获取模块，用于获取电力信号；

第一计算模块，用于根据所述电力信号，获取实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数；

离散化模块，用于对所述电力信号进行离散化，得到采样信号组；

模型模块，用于根据实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数，对所述采样信号组进行加窗dft变换，得到信号模型；

第二计算模块，用于根据所述信号模型的已知参数，获取所述信号模型中的待求参数的计算值；

第三计算模块，用于根据所述计算值，获取所述电力信号的基波相量参数。

相应的，本发明还公开了一种同步相量确定装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文所述同步相量确定方法的步骤。

相应的，本发明还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述同步相量确定方法的步骤。

本发明公开了一种同步相量确定方法，包括：获取电力信号；根据所述电力信号，获取实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数；对所述电力信号进行离散化，得到采样信号组；根据实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数，对所述采样信号组进行加窗dft变换，得到信号模型；根据所述信号模型的已知参数，获取所述信号模型中的待求参数的计算值；根据所述计算值，获取所述电力信号的基波相量参数。因为信号模型中加入了间谐波分量、衰减直流分量，排除了间谐波分量、衰减直流分量对相量准确计算的干扰，本发明在频率偏差、谐波、间谐波和衰减直流分量等复杂电能质量环境下有较高的精度，解决了传统算法无法同时处理强谐波、大频率偏差、衰减直流分量和间谐波影响的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中一种同步相量确定方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中多种窗函数的幅值曲线；

图3为本发明实施例中一种电力信号的幅频响应曲线；

图4为本发明实施例中一种电力信号的计算结果曲线；

图5为本发明实施例中另一种电力信号的计算结果曲线；

图6为本发明实施例中又一种电力信号的计算结果曲线；

图7为本发明实施例中一种同步相量确定系统的结构分布图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种同步相量确定方法，参见图1所示，包括：

s1：获取电力信号；

s2：根据所述电力信号，获取实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数；

其中，实测基波频率通过dft(discretefouriertransform，离散傅里叶变换)改进算法获得。将其与预设工频作商，可以作为中心频率自适应调整系数，用来重新设置滤波器的中心频率，具有中心频率自适应调整功能的滤波器在频率有偏差时性能表现更好，能够解决例如基波频率有偏差的情况下同时含谐波干扰的问题。

其中，间谐波的频率通过快速傅里叶变换求解。

具体的，利用较长的数据窗，先对采样得到的电力信号进行dft变换有：

再利用dft系数的对称性、周期性、可约性以及特殊点，合并简化dft运算的某些项，将长序列dft转换为短序列dft，从而减少运算量，然后扫描间谐波的幅值，来求解出间谐波的频率。由于dft为已有算法，本实施例中不再赘述。

可以理解的是，衰减直流分量的衰减时间常数的求解有多种方法，一种方法时通过已知的三个相邻的数据窗进行求和作差等方法求解，另一种是通过电力系统参数计算辨识，并利用已有的经验值，推导出系统的衰减直流分量的衰减时间常数。

s3：对所述电力信号进行离散化，得到采样信号组；

s4：根据实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数，对所述采样信号组进行加窗dft变换，得到信号模型；

s5：根据所述信号模型的已知参数，获取所述信号模型中的待求参数的计算值；

s6：根据所述计算值，获取所述电力信号的基波相量参数。

本发明公开了一种同步相量确定方法，包括：获取电力信号；根据所述电力信号，获取实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数；对所述电力信号进行离散化，得到采样信号组；根据实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数，对所述采样信号组进行加窗dft变换，得到信号模型；根据所述信号模型的已知参数，获取所述信号模型中的待求参数的计算值；根据所述计算值，获取所述电力信号的基波相量参数。因为信号模型中加入了间谐波分量、衰减直流分量，排除了间谐波分量、衰减直流分量对相量准确计算的干扰，本发明在频率偏差、谐波、间谐波和衰减直流分量等复杂电能质量环境下有较高的精度，解决了传统算法无法同时处理强谐波、大频率偏差、衰减直流分量和间谐波影响的问题。

本发明实施例公开了一种具体的同步相量确定方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的：

假设电力信号x(t)表示为式中p(t)表示基波成分，计算式为p(t)＝a(t)e^jθ(t)，a(t)和θ(t)分别表示电力系统的电压或电流信号的幅值和相角，f0为电力系统额定频率；p^*(t)与p(t)互为共轭；q(t)表示谐波和间谐波成分，计算式为：r(t)表示衰减直流分量成分，计算式为：λi表示第i个谐波或间谐波的幅值；αif0表示第i次谐波或间谐波的频率，当αi为整数时表示第i项谐波的次数，非整数时表示间谐波频率的系数，φi表示第i个谐波或间谐波的相角，c′为衰减直流分量的初始幅值，tc为衰减直流分量的衰减时间常数。为了更好的反应电力系统动态情况下，幅值和相角随时间变化的特性，本发明采用幅值相角多项式形式。

因此，对电力信号x(t)离散化，再进行加窗dft变换，窗函数为h(n)，dft变换系数为则得到：

将该式的括号拆开再分别求和，得到xk＝xpk+xqk+xrk，其中：

基波成分为

对谐波间谐波成分求和可得：

对衰减直流分量成分求和可得：

将复数域方程展开成实部虚部的形式并以矩阵形式表示，即可得到信号模型。

具体的，步骤s4中所述根据实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数，对所述采样信号组进行加窗dft变换，得到信号模型的过程，具体包括：

根据实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数，对所述采样信号组进行加窗dft变换，得到信号模型，所述信号模型包括多次dft变换结果，其中第k次dft变换结果为k＝0,1,...,k，其中：

mk＝[mk0nk1nk2…nkkok]，

其中h(n)为窗函数，α0＝fc/f0，αi＝fi/f0，其中i＝1,2,...,k，fc为所述实测基波频率，fi为所述间谐波对应的频率，f0为系统额定频率，为dft变换系数确定，tc为所述衰减时间常数，ts为采样周期，r0和i0分别为基波相量的实部和虚部，rhj和ihj分别为第j次谐波或间谐波相量的实部和虚部，其中j＝1,2,...h，c′为衰减直流分量的初始幅值。

可以理解的是，步骤s4所述根据所述信号模型的已知参数，获取所述信号模型中的待求参数的计算值的过程，具体包括：

联立所述信号模型中多次所述dft变换结果，根据所述信号模型的已知参数，获取所述信号模型中的待求参数p的计算值。

具体的，所述联立所述信号模型中多次所述dft变换结果，根据所述信号模型的已知参数，获取所述信号模型中的待求参数p的计算值的过程，具体包括：

联立所述信号模型中多次所述dft变换结果，得到计算公式：

其中m＝[m0^tm1^t…mk^t]^t，为所述采样信号组，

将m、a和所述信号采样组输入所述计算公式，获取所述待求参数p的计算值。

其中，a为dft变换系数的另一种表示形式，为已知量；

类似的，m＝[m0^tm1^t…mk^t]^t，mk＝[mk0nk1nk2…nkkok]中每个量均为通过根据实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数求得的已知量。

因此，通过计算公式可求出参数p的计算值。

为了避免该计算公式产生病态，dft变换系数中的gk的选取应使矩阵m^-1条件数尽量小，因此在确定gk时，一般根据m^-1的条件数小于预设值的原则确定。

进一步的，所述根据所述计算值，获取所述电力信号的基波相量参数的过程，具体包括：

根据所述计算值，获取所述基波相量的实部r0和虚部i0；

获取所述基波相量的幅值和相角tanθ0＝i0/r0。

本实施例中将谐波、降谐波、衰减直流分量加入到信号模型，可以解决谐波、间谐波、衰减直流分量对于准确计算相量产生的干扰。当电力信号中含有间谐波，滤波器频响曲线可以在预设频率间谐波点处设置陷波量，从而抑制其干扰。

本发明实施例公开了一种具体的同步相量确定方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的：

所述对所述采样信号组进行加窗dft变换，得到信号模型的过程，具体包括：

根据所述电力信号的数据窗长度，从待选窗函数中选择目标窗函数；所述待选窗函数包括矩形窗函数、汉宁窗函数、汉明窗函数和/或5项rife-vincent窗函数；

利用所述目标窗函数，对所述采样信号组进行加窗dft变换，得到信号模型。

当然，待选窗函数除了上述提到的几种，还可以选择其他的窗函数。

其中，上述提到的待选窗函数的表达式分别为：

矩形窗

汉宁窗(hanning)

汉明窗(hamming)

5项rife_vincent窗：

参见图2所示，以点数256点为例，对矩形窗、汉宁窗、汉明窗和5项rife_vincent窗分别作出幅值曲线图。

本实施例对典型窗函数及窗函数的幅频响应曲线进行分析研究，当窗函数频响曲线中主瓣宽度越窄，频率的分辨率越高；而旁瓣峰值越小，泄漏越少，衰减越快，对泄漏的抑制越强。因此本发明对窗函数要求是希望其频谱的主瓣尽量窄，边瓣峰值尽量小。考虑窗函数设计中的主瓣宽度、旁瓣峰值和旁瓣衰减速率，本实施例基于数据窗长度选取特定的窗函数作为目标窗函数，当数据窗长度为1个周波时选择矩形窗；当数据窗长度为2个周波时选择汉宁窗；当数据窗长度为4个周波及以上时则选择rife_vincent窗。例如以x(t)＝acos(2πf0t+π/6)+0.2acos(2πf1t)(式中a为基波幅值，取1，f0为基波频率，取50hz，f1为间谐波频率，取30hz)对应的采样信号组为例，对其进行加窗dft变换，得到如图3所示的幅频响应曲线，比较各个窗函数的变换效果，该电力信号应选择汉宁窗作为目标窗函数。可以得到结论，通过对不同窗函数频域的分析，本实施例可以根据不同的数据窗长度，选择效果最优的窗函数。

本发明实施例公开了一种具体的同步相量确定方法，相对于上一实施例，本实施例对技术方案作了进一步的说明和优化。具体的：

利用本发明中的同步相量确定方法和现有技术中的dft算法，对多种电力信号进行仿真实验和计算，对比其计算结果的准确度和稳定性：

首先对包含幅值为基波幅值20％、频率为30hz的间谐波的电力信号x(t)＝acos(2πf0t+π/6)+0.2acos(2πf1t)进行计算，式中a为基波幅值，取1，f0为基波频率，取50hz，f1为间谐波频率，取30hz，得到各算法的测试结果如图4所示，明显看出本发明算法可以抑制间谐波的干扰。

再对包含衰减直流分量的电力信号进行计算，式中：a为基波幅值，取1，f0为基波频率，取50hz，ts为采样周期，本实施例中每周波采样128点，采样周期为0.15625ms，tc为衰减直流分量的时间常数，本实施例中取20ms。各算法测试结果如图5所示，可以看出本发明算法可以抑制衰减直流分量的干扰。

然后对同时包含衰减直流分量和间谐波的电力信号进行计算，该电力信号的表达式为式中a为基波幅值，取1，f0为基波频率，取50hz；ts为采样周期，本实施例中每周波采样128点，采样周期为0.15625ms，tc为衰减直流分量的时间常数，本实施例中取20ms，f1为间谐波频率，取30hz。各算法测试结果如图6所示，可以看出本发明算法可以同时抑制间谐波和衰减直流分量的干扰。

相应的，本发明公开了一种同步相量确定系统，参见图7所示，包括：

获取模块1，用于获取电力信号；

第一计算模块2，用于根据所述电力信号，获取实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数；

离散化模块3，用于对所述电力信号进行离散化，得到采样信号组；

模型模块4，用于根据实测基波频率、间谐波的频率和衰减直流分量的衰减时间常数，对所述采样信号组进行加窗dft变换，得到信号模型；

第二计算模块5，用于根据所述信号模型的已知参数，获取所述信号模型中的待求参数的计算值；

第三计算模块6，用于根据所述计算值，获取所述电力信号的基波相量参数。

本实施例中将谐波、降谐波、衰减直流分量加入到信号模型，可以解决谐波、间谐波、衰减直流分量对于准确计算相量产生的干扰。当电力信号中含有间谐波，滤波器频响曲线可以在预设频率间谐波点处设置陷波量，从而抑制其干扰。

相应的，本发明还公开了一种同步相量确定装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文所述同步相量确定方法的步骤。

其中，有关同步相量确定方法的具体细节可以参照上文实施例的描述，此处不作赘述。

本实施例中具有与上文实施例中同步相量确定方法相同的有益效果。

相应的，本发明还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文所述同步相量确定方法的步骤。

其中，有关同步相量确定方法的具体细节可以参照上文实施例的描述，此处不作赘述。

本实施例中具有与上文实施例中同步相量确定方法相同的有益效果。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种同步相量确定方法、系统、装置及可读存储介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。