一种直流控制保护板卡的回路信号分析方法及装置与流程

本发明涉及信号处理技术领域，特别涉及一种直流控制保护板卡的回路信号分析方法及装置。

背景技术：

特高压直流输电是指±800kV及以上电压等级的直流输电。特高压直流输电以输送容量大、输电距离远，电压高，可用于电力系统非同步联网的特点，应用范围越来越广。为满足特高压直流输电的发展需求，展开对直流控制保护系统的安全、稳定运行的研究工作尤为重要。直流控制板卡是控制直流输出电路板，如果直流控制板卡故障导致直流闭锁，则严重影响了电网的安全运行。所以为直流控制板卡设置控制保护板卡，以保障直流控制板卡能够安全运行。

目前针对直流控制保护平台的控制保护板卡，控制保护板卡回路信号的分析方法为FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)算法，然而当回路信号频率发生变化而导致非同步采样时，FFT算法会存在栅栏效应和泄漏现象，使得计算得到的回路信号的频率、幅值和相位都不准确，尤其是相位误差较大，无法精确测量回路信号，给直流输电系统造成了安全隐患。

现有技术中，为削弱板卡回路信号分析中栅栏效应和频谱泄漏对测量准确度的影响，减小因非同步采样所产生的误差，利用加窗插值FFT算法来对结果进行修正、优化，其中常用的窗函数主要有矩形窗、汉宁窗、布莱克曼窗等，修正算法常采用双谱线插值法。虽然这些方法在一定程度上提高了计算精度，但也存在窗函数性能不好，双谱线插值计算精度不够的问题，无法有效地抑制分析回路信号过程中产生频谱泄漏。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于提供一种直流控制保护板卡的回路信号分析方法及装置，能够解决无法有效地抑制分析回路信号过程中产生频谱泄漏的问题。

根据本发明的实施例，提供了一种直流控制保护板卡的回路信号分析方法，包括：

按照预置采样频率，均匀采样板卡回路信号，获取离散信号；

根据混合卷积窗截取所述离散信号，获取滤波信号，所述混合卷积窗是由余弦组合窗和汉宁窗进行卷积运算得到的窗函数；

将所述滤波信号进行快速傅里叶变换FFT的结果，确定为谐波频谱；

在距离预置基础频点小于预置频率偏差的所述谐波频谱中，查找距离所述预置基础频点最近且幅值最大的峰值频点；

根据所述预置基础频点和所述峰值频点对应的幅值，计算幅值偏差量；

根据所述幅值偏差量，计算所述谐波频谱中各次谐波参数，所述谐波参数包括幅值、相位和频率。

根据本发明的实施例，还提供了一种直流控制保护板卡的回路信号分析装置，包括：

获取单元，用于按照预置采样频率，均匀采样板卡回路信号，获取离散信号；

所述获取单元，还用于根据混合卷积窗截取所述离散信号，获取滤波信号，所述混合卷积窗是由余弦组合窗和汉宁窗进行卷积运算得到的窗函数；

第一确定单元，用于将所述滤波信号进行快速傅里叶变换FFT的结果，确定为谐波频谱；

查找单元，用于在距离预置基础频点的小于预置频率偏差的所述谐波频谱中，查找距离所述预置基础频点最近且幅值最大的峰值频点；

计算单元，用于根据所述预置基础频点和所述峰值频点对应的幅值，计算幅值偏差量；

所述计算单元，还用于根据所述幅值偏差量，计算所述谐波频谱中各次谐波参数，所述谐波参数包括幅值、相位和频率。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供的一种直流保护板卡的回路信号分析方法及装置，通过按照预置采样频率，均匀采样板卡回路信号，获取离散信号，然后根据混合卷积窗截取离散信号，获取滤波信号，再将滤波信号进行快速傅里叶变换FFT的结果，确定为谐波频率；再在距离预置基础频点小于预置频率偏差的谐波频谱中，查找距离预置基础频点最近且幅值最大的峰值频点，再根据预置基础频点和峰值频点对应的幅值，计算幅值偏差量，最后根据幅值偏差量，计算谐波频谱中各次谐波参数。与现有技术相比，本发明能够利用混合卷积窗函数对离散信号加权，增加截取离散信号的时域范围，减少离散信号由频域产生旁瓣泄漏的能量，有效地减少FFT变换时产生的频谱泄漏，避免离散信号的频谱中基波及各次谐波间的相互泄漏干扰。

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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据一优选实施例示出的一种直流控制保护板卡的回路信号分析方法流程图；

图2为根据一优选实施例示出的另一种直流控制保护板卡的回路信号分析方法流程图；

图3为根据一优选实施例示出的第一种卷积窗的幅频响应示意图；

图4为根据一优选实施例示出的第二种卷积窗的幅频响应示意图；

图5为根据一优选实施例示出的第三种卷积窗的幅频响应示意图；

图6为根据一优选实施例示出的一种直流控制保护板卡的回路信号分析装置组成框图；

图7为根据一优选实施例示出的另一种直流控制保护板卡的回路信号分析装置组成框图。

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、完整的描述，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作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。

由于特高压直流输电是整个系统的供电端，所以特高压直流输电的输出稳定性对整个供电系统存在巨大影响。所以为直流控制保护台设置控制保护板卡，控制保护板卡能够为直流控制保护台提供一定程度的保护，但是控制保护板卡也可能出现故障。需要通过分析保护板卡回路信号，判断控制保护板卡是否出现故障，所以为了提高特高压直流输电系统的稳定性和可靠性，本发明实施例提供了一种直流控制保护板卡的回路信号分析方法，如图1所示，包括：

S101、按照预置采样频率，均匀采样板卡回路信号，获取离散信号。

板卡回路信号，是控制保护板卡的回路信号，可以是电流信号，也可以是电压信号。无论板卡回路信号是电流信号还是电压信号，采用的分析方法都是一样的。

采样是指把时间域或者空间域的连续量变化成离散量的过程。也就是采集时间和幅值上都连续的模拟信号，在采样频率的作用下转换成时间上离散幅值上连续的离散模拟信号，作为模拟信号的样本。其中采样频率是指每秒钟的采样样本数。采样频率越高，离散模拟信号越接近原模拟信号。均匀采样也就是按照相同的采样频率等间隔采样，均匀采样的采样信号的频谱是模拟信号频谱以采样频率为周期进行周期性延拓形成的。

板卡回路信号是模拟信号，按照预置采样频率，均匀采样板卡回路信号，获取频谱能够周期性延拓的离散信号。

S102、根据混合卷积窗截取离散信号，获取滤波信号。

混合卷积窗是由余弦组合窗和汉宁窗进行卷积运算得到的窗函数。汉宁窗是升余弦窗的一个特例，汉宁窗可以看作是3个矩形时间窗的频谱之和，或者说是3个sinc(t)型函数之和，而括号中的两项相对于第一个谱窗向左、右各移动了π/T，从而使旁瓣互相抵消，消去高频干扰和漏能。余弦组合窗可以是汉明窗或者布莱克曼窗。将卷积混合窗和离散信号乘积的结果作为滤波信号。滤波信号是卷积混合窗信号从离散信号中截取的部分信号。

S103、将滤波信号进行快速傅里叶变换FFT的结果，确定为谐波频谱。

FFT算法，是离散傅里叶变换的快速算法，是根据离散傅里叶变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。傅里叶分析方法是信号分析的最基本方法，傅里叶变换是傅里叶分析的核心，通过它把信号从时间域变换到频率域，进而研究信号的频谱结构和变化规律。谐波频谱体现了滤波信号的频谱结构和变化规律。

S104、在距离预置基础频点小于预置频率偏差的谐波频谱中，查找距离预置基础频点最近且幅值最大的峰值频点。

预置基础频点，是理论频点，可以理解为要提取的谐波理论频率，比如提取1次谐波的参数，可以输入1次谐波的理论频率50Hz；提取2次谐波的参数，就可以输入2次谐波的理论频率100Hz。预置基础频点为与多次谐波的对应的多个频点。根据频谱特征，各次谐波的最大幅值是不同的，所以设置预置频率偏差，在距离预置基础频点小于预置频率偏差的谐波频谱中查找峰值频点。

在查找峰值频点时，在与预置基础频点的距离为预置频率偏差的范围内，寻找距离预置基础频点最近，并且幅值最大的频率位置点。

S105、根据预置基础频点和峰值频点对应的幅值，计算幅值偏差量。

幅值偏差量，就是在谐波频谱中，计算预置基础频点对应的幅值和峰值频点对应的幅值之差。幅值偏差量包括多次谐波的偏差量，能够形成幅值偏差函数。

S106、根据幅值偏差量，计算谐波频谱中各次谐波参数。

谐波参数包括幅值、相位和频率。根据幅值偏差量，计谐波频谱中各次谐波参数，消除栅栏效应，使得谐波参数更准确。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供的一种直流保护板卡的回路信号分析方法，通过按照预置采样频率，均匀采样板卡回路信号，获取离散信号，然后根据混合卷积窗截取离散信号，获取滤波信号，再将滤波信号进行快速傅里叶变换FFT的结果，确定为谐波频率；再在距离预置基础频点小于预置频率偏差的谐波频谱中，查找距离预置基础频点最近且幅值最大的峰值频点，再根据预置基础频点和峰值频点对应的幅值，计算幅值偏差量，最后根据幅值偏差量，计算谐波频谱中各次谐波参数。与现有技术相比，本发明能够利用混合卷积窗函数对离散信号加权，增加截取离散信号的时域范围，减少离散信号由频域产生旁瓣泄漏的能量，有效地减少FFT变换时产生的频谱泄漏，避免离散信号的频谱中基波及各次谐波间的相互泄漏干扰。

本发明实施例提供了另一种直流控制保护板卡的回路信号分析方法，如图2所示，包括：

S201、按照预置采样频率，均匀采样板卡回路信号，获取离散信号。

本步骤与图1所示方法的步骤S101相同，这里不再赘述。

S202、将第一预置长度的汉宁窗和第二预置长度的汉明窗的卷积结果，确定为混合卷积窗。

进行信号测量和计算时，不可能对无限长的信号进行测量和计算，而是应用窗函数，提取有限的时间片段进行分析。具体为：从信号中截取一个时间片段，然后用周期延拓的方法进行处理，得到虚拟无限长的信号。其中所截取的时间片段长度即为所加窗函数的长度。具有一定长度的窗函数，才能从无限长的信号中截取一个时间片段的信号。

对于混合卷积窗，可以采用的汉宁窗或布莱克曼窗与汉明窗卷积得到。示例性的，对离散信号加一个长度为64的汉宁窗与一个长度为64的汉明窗卷积后得到的余弦混合卷积窗，图3为该卷积窗的幅频响应图，其主瓣宽度为，旁瓣衰减速率为24dB/oc，旁瓣峰值电平为-75dB。对离散信号加一个长度为64的汉明窗与一个长度为64布莱克曼窗进行卷积后得到的余弦混合卷积窗，图4为该卷积窗的幅频响应图，其主瓣宽度为，旁瓣衰减速率为20dB/oc，旁瓣峰值电平为-71dB。对离散信号加一个长度为64的汉宁窗与一个长度为128的汉明窗进行卷积后得到的余弦混合卷积窗，图5为该卷积窗的幅频响应图，其主瓣宽度为，旁瓣衰减速率为24dB/oc，旁瓣峰值电平为-42dB。

为了最大限度地抑制频谱泄漏和栅栏效应的影响，提高抗干扰性，选择具有更快旁瓣衰减速率和更低旁瓣峰值电平的，第一预置长度与第二预置长度相等的，一个长度为64的汉宁窗与一个长度为64的汉明窗卷积后得到的混合卷积窗。

S203、根据混合卷积窗截取所述离散信号，获取滤波信号。

混合卷积窗是由余弦组合窗和汉宁窗进行卷积运算得到的窗函数。其中余弦组合窗可以是汉宁窗、汉明窗或者布莱克曼窗。在步骤S202中详述了混合卷积窗的确定方法。从离散信号中根据混合卷积窗截取滤波信号。滤波信号是部分离散信号。

S204、将滤波信号进行快速傅里叶变换FFT的结果，确定为谐波频谱。

S205、在距离预置基础频点小于预置频率偏差的谐波频谱中，查找距离预置基础频点最近且幅值最大的峰值频点。

在比较幅值大小时，可以先判断在以预置基础频点为中心，正向和负向的距离为预置频率偏差的范围内，谐波频谱是增函数、减函数、还是有增有减，然后根据函数特性取端点值计算幅值最大的峰值频点，或者根据所述谐波频率的斜率计算幅值最大的峰值频点。

S206、根据预置基础频点和峰值频点对应的幅值，计算幅值偏差量。

获取峰值频点对应的第一幅值；获取距离峰值频点一个单位长度的第二幅值和第三幅值；将第三幅值与第一幅值做差、再除以第二幅值的反函数，确定为幅值偏差量。根据多项式逼近法，求解幅值差量。

由于预置基础频点和其对应的峰值频点，在各次谐波中都存在，所以预置基础频点和峰值频点对应的幅值也是在各次谐波中都存在，所以幅值偏差量是由多项式组成的。采用多项式逼近法，相比于一般的曲线拟合最小二乘，计算量小，变成更容易。

S207、根据幅值偏差量，计算谐波频谱中各次谐波参数。

幅值偏差量，计算的是不同频点对应的幅值的偏差量，其中以频点为自变量，以幅值为因变量。根据幅值偏差量，对应的计算谐波参数包括幅值、相位和频率。

对于本发明实施例，具体的应用场景可以如下所示，但不限于此，包括：假设保护板卡回路信号为：

以固定采样频率f_s，进行均匀采样得到离散信号：

其中n＝1,23...N-1，n表示板卡回路信号共有n次谐波，A_i为第i次谐波的幅值、f_i为第i次谐波的频率、N为采样点数。

选择一个长度为64的汉宁窗和一个长度为64的汉明窗，进行卷积得到混合卷积窗，其时域表达式为：

其中，Hn64为长度为64的汉宁窗，Hm64为长度为64的汉明窗，M为时域信号中的最大时间，当m为偶数时a_m＝0.27，当m为奇数时a_m＝0.23，n＝1,2,3...127。

用混合卷积窗截取离散信号，获取滤波信号：

x_w(n)＝x(n)w_Hn64-Hm64(n)

然后将滤波信号进行变换，得到谐波频谱：

其中k＝1,2,3…127。若忽略峰值频点对应的幅值对谐波频谱旁瓣影响，谐波频谱为：

其中k＝1,2,3…127。

FFT计算过程中，在对信号进行非同步采样或非整数周期截断时，由于栅栏效应，所得到的第i次谐波信号的频率h_i·Δf很难恰好位于抽样频率点上，即h_i＝f_i/Δf一般不是整数。假设在第i次谐波的准确频点附近抽样得到的幅值最大频谱附近幅值最大的谱线h_a及其左右谱线h_a+1和h_a-1，令幅值偏差量δ＝h_i-h_a，则有-0.5＜δ＜0.5。为准确求得偏移量，从而精确估算各次谐波参数，本发明采用三谱线插值法对频谱进行校正。由于非同步采样时，h_a、h_a-1和h_a+1均具有较大幅值，表明它们含有大量与实际频谱相关的信息，因而这三条谱线的信息均可用来插值修正。分别记这三条谱线幅值为：y₁＝|X(h_a-1)|，y₂＝|X(h_a)|，y₁＝|X(h_a-1)|。根据三条谱线的幅值，建立三条谱线的关系：

由于幅值偏差量和谱线的关系：

若采样点数较大，则幅值偏差量和频谱的关系可以简化为α＝f(δ)，其反函数δ＝f^-1(α)，通过求解反函数求解幅值偏移量δ。当混合卷积窗函数w_Hn64-Hm64(n)为实系数时，其幅频响应W(2πf)为一偶函数，因此函数f^-1(α)和f(δ)都为奇函数。采用多项式逼近方法求解δ＝f^-1(α)，得到：

δ＝f^-1(α)≈c₁·α+c₃·α³+...+c_2q+1·α^2q+1

其中，c₁，c₃，…，c_2q+1为2q+1次逼近多项式的奇次项系数。经过修正，余弦混合卷积窗所对应的逼近公式为：

通过多项式逼近法求得偏移量后，可求得第i次谐波信号频率和相位：

为更准确地得到谐波信号的幅值，将y₁，y₂，y₃带入用于幅值修正，通过对这三条谱线幅值进行加权平均计算得到实际峰值点的幅值。考虑y₂到为最大幅值谱线，因而计算时给予这条谱线最大权重。幅值大小为：

当采样点数较大时，幅值大小可简化为：

A_i＝N^-1(y₁+2y₂+y₃)v(δ)，

采用多项式逼近法对进行拟合，得到：

v(δ)＝1.580952135+0.48529241δ²+0.08251422δ⁴+0.01263077δ⁶

进而能够求出幅值大小的变化。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供的一种直流保护板卡的回路信号分析方法，通过按照预置采样频率，均匀采样板卡回路信号，获取离散信号，然后根据混合卷积窗截取离散信号，获取滤波信号，再将滤波信号进行快速傅里叶变换FFT的结果，确定为谐波频率；再在距离预置基础频点小于预置频率偏差的谐波频谱中，查找距离预置基础频点最近且幅值最大的峰值频点，再根据预置基础频点和峰值频点对应的幅值，计算幅值偏差量，最后根据幅值偏差量，计算谐波频谱中各次谐波参数。与现有技术相比，本发明能够利用混合卷积窗函数对离散信号加权，增加截取离散信号的时域范围，减少离散信号由频域产生旁瓣泄漏的能量，有效地减少FFT变换时产生的频谱泄漏，避免离散信号的频谱中基波及各次谐波间的相互泄漏干扰。

作为图1和图2所示方法的具体实现，本发明实施例还提供了一种直流控制保护板卡的回路信号分析装置，如图6所示，包括：

获取单元61，用于按照预置采样频率，均匀采样板卡回路信号，获取离散信号；

获取单元61，还用于根据混合卷积窗截取离散信号，获取滤波信号，混合卷积窗是由余弦组合窗和汉宁窗进行卷积运算得到的窗函数；

第一确定单元62，用于将滤波信号进行快速傅里叶变换FFT的结果，确定为谐波频谱；

查找单元63，用于在距离预置基础频点的小于预置频率偏差的谐波频谱中，查找距离预置基础频点最近且幅值最大的峰值频点；

计算单元64，用于根据预置基础频点和峰值频点对应的幅值，计算幅值偏差量；

计算单元64，还用于根据幅值偏差量，计算谐波频谱中各次谐波参数，谐波参数包括幅值、相位和频率。

进一步地，如图7所示，该装置还包括：

第二确定单元65，用于在根据混合卷积窗截取离散信号，获取滤波信号之前将第一预置长度的汉宁窗和第二预置长度的汉明窗的卷积结果，确定为混合卷积窗。

进一步地，第一预置长度与第二预置长度相等。

进一步地，如图7所示，计算单元64，包括：

获取模块641，用于获取峰值频点对应的第一幅值；

获取模块641，还用于获取距离峰值频点一个单位长度的第二幅值和第三幅值；

确定模块642，用于将第三幅值与第一幅值做差、再除以第二幅值的反函数，确定为幅值偏差量。

进一步地，计算单元64，还用于根据多项式逼近法，求解幅值差量。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供的一种直流保护板卡的回路信号分析装置，通过按照预置采样频率，均匀采样板卡回路信号，获取离散信号，然后根据混合卷积窗截取离散信号，获取滤波信号，再将滤波信号进行快速傅里叶变换FFT的结果，确定为谐波频率；再在距离预置基础频点小于预置频率偏差的谐波频谱中，查找距离预置基础频点最近且幅值最大的峰值频点，再根据预置基础频点和峰值频点对应的幅值，计算幅值偏差量，最后根据幅值偏差量，计算谐波频谱中各次谐波参数。与现有技术相比，本发明能够利用混合卷积窗函数对离散信号加权，增加截取离散信号的时域范围，减少离散信号由频域产生旁瓣泄漏的能量，有效地减少FFT变换时产生的频谱泄漏，避免离散信号的频谱中基波及各次谐波间的相互泄漏干扰。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。