一種新的電力生產(chǎn)數(shù)據(jù)頻率分析與數(shù)字濾波方法研究

一種新的電力生產(chǎn)數(shù)據(jù)頻率分析與數(shù)字濾波方法研究一種新的電力生產(chǎn)數(shù)據(jù)頻率分析與數(shù)字濾波辦法研究

中圖分類號：TN713+.7《34；TM351文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004《373X〔2022〕15《0050《03

Abstract：Sincetheelectricpowersystemhasthedeficienciesoflowaccuracyintheaspectoffrequencymeasurementandpoorabilitytoresisttheharmonicnoiseinterference，afrequencyanalysisanddigitalfilteringmethodforelectricityproductiondataisproposed，whichiscomposedofthesequenceorthogonalmodulationanddualorthogonalfrequencymixing.Theprinciplesofsequenceorthogonalmodulationanddualorthogonalfrequencymixingareanalyzedindetail.Itispointedthatthedualorthogonalfrequencymixingmethodcaneffectivelysuppressthefrequencymixinginterferenceoffundamentalwave，andrealizethehigh《accuracycalculationofLFsinusoidalfrequency.Thesequenceorthogonalmodulationmethodisanimportantpreconditiontorealizethedualorthogonalfrequencymixingmethod.Theproposednewmethodhasstrongabilitytoresisttheharmonicinterference，andissuitableforfrequencymeasurementofelectricpowersystem.Theresultsofmathematicalcalculation，simulationtestandphysicaldemonstrationindicatethatthenewsinusoidalparametercalculationmethodiscorrectandeffective.

Keywords：sequenceorthogonalmodulation；dualorthogonalfrequencymixing；deconvolutionsequence；mixinginterferencefrequency；combfiltering

0引言

通常情況下，來自于電力生產(chǎn)的實(shí)時或歷史數(shù)據(jù)的分析和測量[1《3]屬于一種類似于正弦參數(shù)的分析和測量，正弦頻率的測量有多種辦法，而精確的正弦頻率測量結(jié)果可以減少測量中的誤差成分[4《5]。

零交法〔Zero《crossingAlgorithm〕是低頻正弦頻率測量的根底辦法，如用于電力系統(tǒng)電網(wǎng)工頻頻率的測量，電網(wǎng)運(yùn)行額定工頻在50Hz附近，屬于頻率較低的正弦頻率。然而，研究結(jié)果說明，在有噪聲干擾的情況下，該辦法測量出的頻率值精度不能滿足某些應(yīng)用的需要。

快速傅里葉〔FFT〕變換算法和離散傅里葉〔DFT〕變換算法是用于正弦參數(shù)計算的根本數(shù)學(xué)辦法。但FFT和DFT算法也存在一定的局限性，其中信號非整數(shù)周期截斷引起的頻譜泄漏問題是造成算法誤差的主要原因。

本文提出了一種適用于電力生產(chǎn)信號低頻正弦頻率計算的辦法，將序列正交調(diào)制和雙重正交混頻辦法等用于數(shù)據(jù)信號的清洗與去噪處理，提高了數(shù)據(jù)信號的準(zhǔn)確度和抗諧波噪聲干擾的性能。

1新型正弦頻率計算原理

新型頻率計算原理流程，如圖1所示。

如圖1所示，首先對輸入信號序列進(jìn)行頻率初測，給出參考頻率，允許參考頻率存在±0.25%以內(nèi)的相對誤差；然后根據(jù)參考頻率對輸入信號序列進(jìn)行預(yù)處理；接著對預(yù)處理序列進(jìn)行正交調(diào)制；對正交調(diào)制序列進(jìn)行處理得到正交處理序列；對正交處理序列進(jìn)行雙重正交混頻；對雙重正交混頻序列進(jìn)行數(shù)字濾波；最后根據(jù)數(shù)字濾波終值進(jìn)行正弦頻率計算。

2序列預(yù)處理

在文中所述的正交混頻過程中，產(chǎn)生的混頻干擾頻率嚴(yán)重影響正弦參數(shù)的計算準(zhǔn)確度，是造成正弦頻率計算誤差的主要內(nèi)在原因。對輸入信號序列進(jìn)行預(yù)處理，示例進(jìn)行濾波處理可從源頭對混頻干擾頻率產(chǎn)生的因素進(jìn)行有效抑制。文中的預(yù)處理辦法具體為對輸入信號序列進(jìn)行一種梳狀濾波處理，梳狀濾波原理為：對2個起始點(diǎn)不同的輸入序列進(jìn)行加減，可得到梳狀的頻域幅頻濾波特性。

在采樣頻率為20kHz，信號基波頻率為100πrad/s時，得到[Nc1=200，][Nc2=400，]那么式〔1〕敘述的梳狀濾波處理需要使用周期序列長度的7倍。在保持[Nc1=200]和[Nc2=400]不變，改變信號基波頻率時，得到梳狀濾波處理的頻域幅頻增益為式〔1〕：

[Gd〔ωi〕=[Gd1〔ωi〕]8[Gd2〔ωi〕]3]〔1〕

式中：[Gd〔ωi〕]為梳狀濾波處理在信號頻率[ωi]的幅值增益，單位無量綱，得到的梳狀濾波處理頻域幅頻特性，如圖2所示。將頻域幅頻增益[Gd〔ωi〕]轉(zhuǎn)換為dB單位，梳狀濾波處理能夠?qū)ε即沃C波和[12]分次諧波產(chǎn)生深度的抑制作用，對大局部的分次諧波產(chǎn)生較大衰減作用。

3序列正交調(diào)制

序列正交調(diào)制原理流程，如圖3所示。

首先以周期序列長度的0.25倍值為起始點(diǎn)，從梳狀濾波處理序列中得到初次正向序列；接著將初次正向序列反向輸出獲得初次反褶序列；計算初次正向序列與初次反褶序列的〔初次〕平均初相位；根據(jù)初次平均初相位對正向序列在梳狀濾波處理序列的起始點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，再次得到正向序列和反褶序列，計算平均初相位；緊接著對再次正向序列和再次反褶序列進(jìn)行正交調(diào)制，得到初步正交調(diào)制序列；最后根據(jù)再次平均初相位，將初步正交調(diào)制序列的幅值恢復(fù)為梳狀濾波處理序列的幅值。

3.2初次平均初相位

初次平均初相位也就是初次正向序列初相位與初次反褶序列初相位的平均值。具體計算過程：首先分別計算初次正向序列和初次反褶序列的相位，然后將2個序列相位相和后除2，得到初次平均初相位。

5雙重正交混頻辦法

所謂的雙重正交混頻，也就是將零初相位正交調(diào)制的2個序列與參考頻率的余弦函數(shù)和正弦函數(shù)之間進(jìn)行交叉混頻，最后再合成為實(shí)頻序列和虛頻序列。雙重正交混頻的敘述式為：

6物理實(shí)驗

進(jìn)行了電力系統(tǒng)50Hz工頻頻率測量的物理實(shí)驗，通過采集實(shí)際高準(zhǔn)確度的信號發(fā)生器或?qū)嶋H電力系統(tǒng)的信號進(jìn)行相位和頻率計算。具體物理實(shí)驗條件為：實(shí)驗頻率測量系統(tǒng)的頻率基準(zhǔn)采用準(zhǔn)確度為±1×10-8量級的恒溫晶振，采集設(shè)備的數(shù)據(jù)量化位數(shù)為24b，采集設(shè)備的采樣頻率為20kHz。

在實(shí)驗室環(huán)境中，采集高準(zhǔn)確度頻率源信號的實(shí)驗結(jié)果說明，新型正弦頻率計算辦法具有較高的準(zhǔn)確度，在45～55Hz頻率范圍內(nèi)，取11.5周期信號時得到的正弦頻率計算相對誤差低于[±4.65×10-7，]取50.5周期信號時的正弦頻率計算相對誤差低于[±7.36×10-9，]如圖4所示。另外，采集實(shí)際電力系統(tǒng)信號進(jìn)行頻率計算，同時與“零交法〞頻率測量辦法進(jìn)行比照，得到的結(jié)果如圖5所示。

如圖5所示，在20s時間內(nèi)，信號頻率呈遲緩變化趨勢，采用新型正弦頻率計算辦法得到的波動幅度相對較小，而“零交法〞頻率測量的波動幅度相對較大，可見新型正弦頻率計算辦法相對“零交法〞能夠更真實(shí)地反映實(shí)際頻率變化趨勢。

7結(jié)語

本文提出了一種電力生產(chǎn)數(shù)據(jù)的頻率分析和數(shù)字濾波辦法，分析了序列正交調(diào)制和雙重正交混頻辦法的原理和特性。序列正交調(diào)制辦法能夠獲得嚴(yán)格意義上的正交序列，在正交序列的中心點(diǎn)可獲得嚴(yán)格意義上的零初相位基準(zhǔn)點(diǎn)。針對基波混頻干擾頻率抑制的雙重正交混頻辦法，解決了影響正弦參數(shù)計算準(zhǔn)確度的主要矛盾。文中設(shè)計的梳狀濾波可實(shí)現(xiàn)對偶次