一种获取电学信号瞬时频率的方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种获取电学信号瞬时频率的方法及系统，灵活运用短时傅里叶变换方法，确定初始迭代频率，并将所述初始迭代频率应用于用于获取瞬时频率的迭代算法之中；本发明能够提供更加精确的初始迭代频率，加速迭代过程的收敛速度，并且降低窗口长度和采样频率对于迭代结果的影响。本方法对信号的阶跃变化敏感，但是对于下列三种干扰因素不敏感：电压或电流信号被其他信号调制、包含衰减的直流偏执和噪声，可见，本方法非常适用于电力系统这种不稳定状态情况下的瞬时频率的跟踪。
【专利说明】
_种获取电学信号瞬时频率的方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及电力领域，尤其涉及一种获取电学信号瞬时频率的方法及系统。
【背景技术】
[0002] 电力系统中，电压和电流信号的频率值是最重要的状态参量和操作指标，它也是 电力系统发生孤岛现象的标示。频率值是电力系统的安全、稳定运行的一个至关重要的参 数，能够反映整个系统的电能质量和安全情况，过高或过低的频率都会对电力系统带来危 害，比如频率降低0.1Hz意味着800MW的电力缺失。在过去的几十年里，在电力工程领域的频 率测量方面，研究者做了大量的研究工作，这些研究工作在时域领域收获颇丰，但是在变换 域，能够用于频率跟踪的主要有传统傅里叶变换、最小均方误差法和短时傅里叶变换，而这 些方法在使用过程中都存在一定缺陷。
[0003]最小均方误差法中，利用一个矩阵的伪逆运算可以确定信号频率。利用泰勒展开 式构造的简化表达式可以使得最小均方误差法能够应用于在线模式和非在线模式。最小均 方误差法的测量精度由每个采样间隔内的迭代次数和硬件的计算能力决定，这种方法相较 于传统傅里叶变换能够解决非稳定状态下的信号测量问题，但是这种方法在非稳定状态中 性能较差，因为泰勒展开后的算法需要更长的数据，而较长的数据窗口包含更多的不良数 据，故最小均方误差法迭代速度较慢，并且受窗口长度和采样频率的影响很大。
[0004] 短时傅里叶变换（SDFT:Short-time DFT)是一种基于窗口的运算，要求在每个周 期内包含整数个采样点。如果一个窗口对应一个周期，包含了非整数个采样点，SDFT将产生 错误，而这种情况是电力传输系统中普遍存在的。在相对稳定的状态下借助最小二乘法， SDFT能够连续的估计出瞬时频率、抑制谐波和平滑噪声，而对于非平稳状态，简单的SDFT算 法无能为力。
[0005] 可见，不论是最小均方误差法还是短时傅里叶变换都不宜直接应用于电力系统瞬 时频率的获取，有必要综合最小均方误差法和短时傅里叶变换的优势，研究出一种适用于 非稳态频率测量的准确高效的方法。
【发明内容】
[0006] 为此，本发明提供了一种获取电学信号瞬时频率的方法及系统，通过灵活运用短 时傅里叶变换方法，确定初始迭代频率，并将所述初始迭代频率应用于用于获取瞬时频率 的迭代算法之中，所述初始迭代频率能够加速迭代过程的收敛速度，并且降低窗口长度和 采样频率对于迭代结果的影响。
[0007] -种获取电学信号瞬时频率的方法，包括以下步骤：
[0008] S1、预先设定好采样频率，并根据所述采样频率对电学信号进行采样；
[0009] S2、获取不同窗口长度下的频率标定值，所述频率标定值为不同的数 据长度，f?为采样信号频率，h为不同数据长度下的频率标定值；
[0010] S3、按照短时傅立叶变换算法(SDRT)获取采样时刻的不同窗口长度下的频率计算 值；
[0011] S4、计算S2和S3中相同数据窗口长度下频率标定值与频率计算值的差异值，确定 最小差异值对应的频率计算值；
[0012] S5、将最小差异值对应的频率计算值作为采样时刻的初始迭代频率；
[0013] S6、根据所述初始迭代频率计算采样时刻的瞬时频率。
[0014]优选的，S6包括以下步骤：
[0015] S61.根据所述初始迭代频率获取所述采样时刻的第一次频率估计值;
[0016] S62、用所述第一次频率估计值/；代替所述初始迭代频率，重复步骤S61获取所述 采样时刻的第二次频率估计值/ 2 ;
[0017] S63、按照S62中所述方法依次获取下一次的频率估计值，当获取频率估计值的次 数达到预设次数或相邻频率估计值之间的差值不大于预设阈值时，停止获取下一次的频率 估计值；
[0018] S64、将最后一次获取的频率估计值作为所述采样时刻的瞬时频率值。
[0019]优选的，S61中包括如下步骤：
[0020] S611、获取过渡参数Xi和X2,其中為=4:細约，；=4sin约，Ai和的是所述电学 信号的初始振幅和初始相位；
[0021 ] S612、根据所述过渡参数获取所述第一次频率估计值石其中，
[0022]优选的，在进行采样之前，让所述电学信号通过低通滤波器，所述低通滤波器用于 将频率高于f\Hh的信号滤除，是系统的标称频率，Hh是输入信号包含的最高谐波次数。 [0023]优选的，所述电学信号包括电压信号或电流信号。
[0024] -种获取电学信号瞬时频率的系统，包括采样频率设定模块、采样模块、初始迭代 频率获取模块和瞬时频率计算模块，
[0025]所述采样频率设定模块用于电学信号的初始频率设定采样频率f，
[0026] 所述采样模块根据采样频率f对电学信号进行采样，并将采样结果传输至初始迭 代频率获取模块，
[0027] 所述初始迭代频率获取模块用于获取初始迭代频率，并将所述初始迭代频率传输 至瞬时频率计算模块，由所述瞬时频率计算模块计算出电学信号的瞬时频率。
[0028]优选的，所述初始迭代频率获取模块包括频率标定值获取单元，频率计算值获取 单元和初始迭代频率获取单元，
[0029]所述频率标定值获取单元用于根据采样信号频率和窗口长度获取不同窗口长度 下的频率标定值，并将所述频率标定值传输至初始迭代频率获取单元;所述频率计算值获 取单元用于根据短时傅里叶变换算法获取不同窗口长度下的频率计算值，并将所述频率计 算值传输至初始迭代频率获取单元;所述初始迭代频率获取单元用于根据所述频率标定值 和频率计算值获取初始迭代频率。
[0030] 优选的，所述采样频率设定模块设定的采样频率满足公式，f多2也心，也是所述电 学信号中包含的最高谐波次数，心是系统的标称频率，。
[0031] 优选的，还包括低通滤波器，所述低通滤波器用于将频率高于版^的信号在进入采 样模块之前滤除。
[0032] 本发明的有益效果是：
[0033] 本发明提供了一种获取电学信号瞬时频率的方法及系统，灵活运用短时傅里叶变 换方法，确定初始迭代频率，并将所述初始迭代频率应用于用于获取瞬时频率的迭代算法 之中；本发明能够提供更加精确的初始迭代频率，加速迭代过程的收敛速度，并且降低窗口 长度和采样频率对于迭代结果的影响。本方法对信号的阶跃变化敏感，但是对于下列三种 干扰因素不敏感：电压或电流信号被其他信号调制、包含衰减的直流偏执和噪声，可见，本 方法非常适用于电力系统这种不稳定状态的瞬时频率的跟踪。
【附图说明】
[0034] 图1是一种获取电学信号瞬时频率的方法的流程图；
[0035]图2是一种获取电学信号瞬时频率的系统结构图。
【具体实施方式】
[0036]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一 步地详细描述。
[0037]在一个实施例中，一种获取电学信号瞬时频率的方法如图1所示，包括以下步骤： [0038] S1、预先设定好采样频率，并根据所述采样频率对电学信号进行采样；
[0039] S2、获取不同窗口长度下的频率标定值，所述频率标定值为不同的数 据长度，f?为采样信号频率，h为不同数据长度下的频率标定值；
[0040] S3、按照短时傅立叶变换算法(SDRT)获取采样时刻的不同窗口长度下的频率计算 值；
[0041] S4、计算S2和S3中相同数据窗口长度下频率标定值与频率计算值的差异值，确定 最小差异值对应的频率计算值；
[0042] S5、将最小差异值对应的频率计算值作为采样时刻的初始迭代频率；
[0043] S6、根据所述初始迭代频率计算采样时刻的瞬时频率。
[0044] 具体地，S6包括以下步骤：
[0045] S61.根据所述初始迭代频率获取所述采样时刻的第一次频率估计值义.
[0046] S62、用所述第一次频率估计值/丨代替所述初始迭代频率，重复步骤S61获取所述 采样时刻的第二次频率估计值爲 ；
[0047] S63、按照S62中所述方法依次获取下一次的频率估计值，当获取频率估计值的次 数达到预设次数或相邻频率估计值之间的差值不大于预设阈值时，停止获取下一次的频率 估计值；
[0048] S64、将最后一次获取的频率估计值作为所述采样时刻的瞬时频率值。
[0049] 具体地，S61中包括如下步骤：
[0050] S611、获取过渡参数Xi和X2,其中爲.:=4cos..约，A =為.sin价，Ai和约.是所述电学 信号的初始振幅和初始相位；
[0051 ] S612、根据所述过渡参数获取所述第一次频率估计值/；，其中，
[0052] 具体地，在进行采样之前，让所述电学信号通过低通滤波器，所述低通滤波器用于 将频率高于f\H h的信号滤除，是系统的标称频率，Hh是输入信号包含的最高谐波次数。
[0053] 具体地，所述电学信号包括电压信号或电流信号。
[0054]本实施例中，采样频率为60*32Hz，本发明的瞬时频率获取结果如表一所示：
[0055]表一初始迭代频率获取结果
[0057] 输入频率为测试频率，带有符号为本方法确定的初始迭代频率，比如，第一行 输入频率为55Hz，窗口长度为L = 35，采用短时傅立叶变换方法的频率估计值为55.1432Hz， 这个值是第一行中所有数值与表达式60 X32/L差值的最小值。接下来可以选择这个频率估 计值为初始迭代频率，显而易见，本方法获得的初始迭代频率与输入频率已经非常接近，使 用本方法的初始迭代频率能够获得较快的迭代速度，提升瞬时频率的获取效果。
[0058] 第二个实施例，如图2所示，一种获取电学信号瞬时频率的系统，包括采样频率设 定模块、采样模块、初始迭代频率获取模块和瞬时频率计算模块，
[0059]所述采样频率设定模块用于电学信号的初始频率设定采样频率f，
[0060]所述采样模块根据采样频率f对电学信号进行采样，并将采样结果传输至初始迭 代频率获取模块，
[0061] 所述初始迭代频率获取模块用于获取初始迭代频率，并将所述初始迭代频率传输 至瞬时频率计算模块，由所述瞬时频率计算模块计算出电学信号的瞬时频率。
[0062] 具体地，所述初始迭代频率获取模块包括频率标定值获取单元，频率计算值获取 单元和初始迭代频率获取单元，
[0063]所述频率标定值获取单元用于根据采样信号频率和窗口长度获取不同窗口长度 下的频率标定值，并将所述频率标定值传输至初始迭代频率获取单元;所述频率计算值获 取单元用于根据短时傅里叶变换算法获取不同窗口长度下的频率计算值，并将所述频率计 算值传输至初始迭代频率获取单元;所述初始迭代频率获取单元用于根据所述频率标定值 和频率计算值获取初始迭代频率。
[0064]具体地，所述采样频率设定模块设定的采样频率满足公式，f多2也心，也是所述电 学信号中包含的最高谐波次数，心是系统的标称频率，。
[0065]具体地，还包括低通滤波器，所述低通滤波器用于将频率高于版^的信号在进入采 样模块之前滤除。
[0066]以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范 围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
【主权项】
1. 一种获取电学信号瞬时频率的方法，其特征在于，包括以下步骤： 51、 预先设定好采样频率，并根据所述采样频率对电学信号进行采样； 52、 获取不同窗口长度下的频率标定值，所述频率标定值不同的数据长 度，f为采样信号频率，A为不同数据长度下的频率标定值； 53、 按照短时傅立叶变换算法(SDRT)获取采样时刻的不同窗口长度下的频率计算值； 54、 计算S2和S3中相同数据窗口长度下频率标定值与频率计算值的差异值，确定最小 差异值对应的频率计算值； 55、 将最小差异值对应的频率计算值作为采样时刻的初始迭代频率； 56、 根据所述初始迭代频率计算采样时刻的瞬时频率。2. 根据权利要求1所述的一种获取电学信号瞬时频率的方法，其特征在于，S6包括以下 步骤： 561、 根据所述初始迭代频率获取所述采样时刻的第一次频率估计值/；. 562、 用所述第一次频率估计值/；代替所述初始迭代频率，重复步骤S61获取所述采样时 刻的第二次频率估计值/2 . 563、 按照S62中所述方法依次获取下一次的频率估计值，当获取频率估计值的次数达 到预设次数或相邻频率估计值之间的差值不大于预设阈值时，停止获取下一次的频率估计 值； 564、 将最后一次获取的频率估计值作为所述采样时刻的瞬时频率值。3. 根据权利要求2所述的一种获取电学信号瞬时频率的方法，其特征在于，S61中包括 如下步骤： 5611、 获取过渡参数Xi和X2,其中X =4cos^ , =/{ sin奶，Ai和两是所述电学信号 的初始振幅和初始相位； 5612、 根据所述过渡参数获取所述第一次频率估计值/；其中， 94. 根据权利要求1~3中任意一项所述的一种获取电学信号瞬时频率的方法，其特征在 于，在进行采样之前，让所述电学信号通过低通滤波器，所述低通滤波器用于将频率高于 fiH h的信号滤除，是系统的标称频率，Hh是输入信号包含的最高谐波次数。5. 根据权利要求4所述的一种获取电学信号瞬时频率的方法，其特征在于，所述电学信 号包括电压信号或电流信号。6. -种获取电学信号瞬时频率的系统，其特征在于，包括采样频率设定模块、采样模 块、初始迭代频率获取模块和瞬时频率计算模块， 所述采样频率设定模块用于电学信号的初始频率设定采样频率f， 所述采样模块根据采样频率f对电学信号进行采样，并将采样结果传输至初始迭代频 率获取模块， 所述初始迭代频率获取模块用于获取初始迭代频率，并将所述初始迭代频率传输至瞬 时频率计算模块，由所述瞬时频率计算模块计算出电学信号的瞬时频率。7. 根据权利要求6所述的一种获取电学信号瞬时频率的系统，其特征在于，所述初始迭 代频率获取模块包括频率标定值获取单元，频率计算值获取单元和初始迭代频率获取单 元， 所述频率标定值获取单元用于根据采样信号频率和窗口长度获取不同窗口长度下的 频率标定值，并将所述频率标定值传输至初始迭代频率获取单元;所述频率计算值获取单 元用于根据短时傅里叶变换算法获取不同窗口长度下的频率计算值，并将所述频率计算值 传输至初始迭代频率获取单元;所述初始迭代频率获取单元用于根据所述频率标定值和频 率计算值获取初始迭代频率。8. 根据权利要求6或7所述的一种获取电学信号瞬时频率的系统，其特征在于，所述采 样频率设定模块设定的采样频率满足公式，f多2版&，版是所述电学信号中包含的最高谐波 次数，fi是系统的标称频率，。9. 根据权利要求8所述的一种获取电学信号瞬时频率的系统，其特征在于，还包括低通 滤波器，所述低通滤波器用于将频率高于Hhfi的信号在进入采样模块之前滤除。
【文档编号】G01R23/02GK106053936SQ201610434916
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月17日
【发明人】李晖, 陈敏, 杨永钦
【申请人】海南大学