專利名稱：電網(wǎng)中利用窗函數(shù)實現(xiàn)多采樣率信號的頻率轉(zhuǎn)換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字化變電站和電網(wǎng)廣域測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及用于實時監(jiān)測、保護 和控制的多采樣率信號的采樣頻率轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一的方法。
背景技術(shù)：
基于IEC61850標準的數(shù)字化變電站已進入實際應(yīng)用階段，變電站內(nèi)的一、二次設(shè)備 均實現(xiàn)了數(shù)字化，并具有全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和通信平臺，在此平臺基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)智 能裝置間的互操作。同時，隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用、計算機網(wǎng)絡(luò)和 通信的發(fā)展，以同歩相量測量技術(shù)為基礎(chǔ)、以電力系統(tǒng)動態(tài)過程監(jiān)測、分析和控制為目 標的實時監(jiān)控系統(tǒng)——廣域測量系統(tǒng)(Wide Area Measurement System, WAMS)也越來越 多地被電網(wǎng)采用，其對電力系統(tǒng)動態(tài)過程進行實時監(jiān)測，為實現(xiàn)基于全網(wǎng)的在線安全穩(wěn) 定分析和控制提供了平臺。
但是，無論是數(shù)字化變電站中的電子式互感器，還是廣域相量測量單元(PMU)中用 到的各測量點的互感器并非同一型號，其采樣頻率也不完全相同(IEC60044-8標準規(guī)定 ECT數(shù)字化輸出數(shù)據(jù)的額定采樣頻率分別為lkHz、 2.4kHz和4kHz)，而電力系統(tǒng)安全穩(wěn) 定分析、保護和控制通常是基于對同一時刻各信號采樣值的直接計算。采樣頻率不同將 造成各信號采樣時刻的差異，故對采樣頻率進行轉(zhuǎn)換，將多采樣率信號轉(zhuǎn)化為同一采樣 頻率，無論是對于數(shù)字化變電站還是廣域測量系統(tǒng)都具有重要意義。
在采樣率滿足采樣定理的前提下，從概念上講，可以將某一采樣頻率為力的采樣信
號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/AC)變成模擬信號，然后再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/DC)用另一個采樣頻 率/2進行采樣，這樣就改變了采樣率。實際上，可以用抽取和內(nèi)插的方法完成采樣頻率 的轉(zhuǎn)換。周斌，張何撰寫的基于電子式互感器的變電站智能設(shè)備采樣值接口技術(shù)(江蘇 電機工程，2007， 26 (2) : 37-39)，提出了一次Lagrange插值(線性插值)法，但當通 帶內(nèi)諧波次數(shù)較高時會產(chǎn)生較大誤差；鄭世林撰寫的數(shù)字化信號的抽取、插值方法及次 序(通信技術(shù)，2001， (7) : 106-108)從信號保真的角度，采用平均值插入方法實現(xiàn) 了采樣頻率的轉(zhuǎn)換，但該插值法頻率是以2^咅增加的。因此，需要發(fā)明具有廣闊的應(yīng)用 前景和實用價值的多采樣率轉(zhuǎn)換的新方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對電網(wǎng)中各測量點所用互感器并非同一型號，或其采樣頻率不完全相同的 特點，發(fā)明了一種利用窗函數(shù)實現(xiàn)任意分數(shù)倍采樣率信號的轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一方法。該方法能通過利用抽取、內(nèi)插和凱賽窗FIR (有限沖激響應(yīng)濾波器)低通濾波器的三級聯(lián)，完成不 同采樣頻率信號的頻率歸一化，完全避免采樣頻率的混疊及鏡像的產(chǎn)生。 為此，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
一種電網(wǎng)中利用窗函數(shù)實現(xiàn)多采樣率信號的頻率轉(zhuǎn)換方法，包括下列步驟-
(1) 對采樣信號x(")進行I倍的零值內(nèi)插得到I倍內(nèi)插序列:q(/);
(2) 對信號巧(/)進行窗長為10， "=7. 865的凱賽窗FIR低通濾波，得到信號力(/);
(3) 對信號力(/)進行D倍抽取，即得到轉(zhuǎn)換后信號;K附)。 本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果
1. 數(shù)字化變電站和電力系統(tǒng)廣域測量系統(tǒng)中必然會遇到信號的多采樣率轉(zhuǎn)換和 統(tǒng)一問題，本發(fā)明為信號多采樣率轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一的研究開辟了新思路，且具有 良好的應(yīng)用前景
2. 在利用抽取和內(nèi)插實現(xiàn)采樣率轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一時，采用凱賽窗FIR低通濾波器避 免了頻譜混疊和鏡像。
3. 本發(fā)明還適用于母線保護。因為高壓、超高壓和特高壓變電站進、出母線的 輸電線路很多，各條線路互感器并非同一型號或其采樣頻率不相同，而母線 保護又要用到所有線路的電氣量，所以必然也會遇到信號的多采樣率轉(zhuǎn)換和 統(tǒng)一問題。
圖l抽取和內(nèi)插框圖，(a)為抽取過程框圖，(b)為內(nèi)插過程框圖。
圖2. I/D倍采樣率轉(zhuǎn)換框圖，(a)為先對信號作I倍內(nèi)插，再進行D倍抽取的采
樣率轉(zhuǎn)換框圖。(b)將(a)中的兩個濾波器/^(w)和/^(n)合并成一個濾波器/z(")的采樣
率轉(zhuǎn)換框圖。
圖3凱賽窗及其頻譜。
圖4利用抽取、內(nèi)插和凱賽窗FIR低通濾波器的三級聯(lián)實現(xiàn)頻率轉(zhuǎn)換的流程。
具體實施例方式
本發(fā)明將數(shù)字化變電站和電網(wǎng)廣域測量系統(tǒng)中的多采樣率信號的頻率統(tǒng)一問題分成 兩部分解決， 一是抽取和內(nèi)插的設(shè)計；二是凱賽窗FIR低通濾波器的設(shè)計。因為在利用 抽取和內(nèi)插實現(xiàn)信號的采樣率轉(zhuǎn)換的過程中，必須避免鏡像和頻譜混疊，故需對信號進 行低通濾波。 1、抽取和內(nèi)插
在數(shù)字域中，從信號中去除高頻信息、降低采樣頻率而不導(dǎo)致頻率譜混疊的過程就 是抽取。圖1 (a)為抽取過程的框圖，其中的操作包括低通濾波和之后的抽樣，即把濾波后的序列每隔D-1個點抽取一次，形成新的采樣序列。低通濾波器的作用是避免頻譜 混疊，其截止頻率為WD，在該頻率點允許信號的不混疊部分通過。
內(nèi)插與抽取的過程相反，使信號采樣頻率升高的轉(zhuǎn)換稱為內(nèi)插。實際應(yīng)用中，往往 是先在己知釆樣序列的兩個相鄰采樣點之間等間距地插入(1-1)個零，然后進行低通濾 波，濾除[-W/， W/]之外的頻率信號，以消除內(nèi)插帶來的鏡像，圖l (b)為內(nèi)插過程 的框圖。
前面所討論的D倍抽取以及I倍內(nèi)插都是整數(shù)倍的采樣率轉(zhuǎn)換，而實際中常需要對信 號進行有理數(shù)因子即/ / ￡)倍的采樣率轉(zhuǎn)換，這可以由I倍內(nèi)插以及D倍抽取兩步級聯(lián)完成。 一般來說，抽取使信號的數(shù)據(jù)點減少，會造成信息的丟失，因此，合理的方法是先對信 號作I倍內(nèi)插，再進行D倍抽取，其過程如圖2 (a)所示，這實際是圖l (a)和(b)的級 聯(lián)。由于二者級聯(lián)具有共同的采樣頻率，因此可以將兩個濾波器A(")和/^(n)合并成一個 濾波器A(")，如圖2 (b)所示。W")的頻率響應(yīng)滿足
由此可見，在利用內(nèi)插和抽取實現(xiàn)信號的采樣率轉(zhuǎn)換的過程中，要避免鏡像和頻譜 混疊，關(guān)鍵是找到滿足式(1)頻率響應(yīng)的低通濾波器//( )。 2、凱賽窗FIR低通濾波器設(shè)計
數(shù)字濾波器一般分為無限沖激響應(yīng)濾波器IIR和有限沖激響應(yīng)濾波器FIR兩種。由 于FIR濾波器總是穩(wěn)定的，容易實現(xiàn)線性相位和多帶濾波，故對保真信號的多采樣率轉(zhuǎn) 換采用FIR低通濾波。FIR低通濾波器的設(shè)計方法主要有窗函數(shù)法、頻率采樣法及約束 最小二乘逼近法等。本發(fā)明采用FIR窗函數(shù)設(shè)計方法，這種方法的原理是用一定寬度的 窗函數(shù)截取無限脈沖響應(yīng)序列獲得有限長的脈沖響應(yīng)序列，從而得到FIR濾波器的脈沖 響應(yīng)。
理想窗函數(shù)的頻譜應(yīng)具備以下特點①主瓣盡量地窄，這樣可以得到比較窄的過渡 帶；②旁瓣的峰值盡量地小，使得頻域的能量主要集中在主瓣內(nèi)；③旁瓣的幅度下降速 度要快，以利于增加阻帶的衰減。常見窗函數(shù)包括矩形窗、巴特立特窗、漢寧窗、海明 窗、布萊克曼窗和凱賽窗等。各種窗函數(shù)雖然都具有明顯的主瓣和旁瓣，但主瓣頻寬和 旁瓣的幅值衰減特性決定了它的應(yīng)用場合，因此應(yīng)根據(jù)具體的問題進行選擇。由參考文 獻[10-11]可知，矩形窗過渡帶最窄，最小阻帶衰減也最差。巴特立特窗與矩形窗相比有 較好的抑制旁瓣的作用，但主瓣寬度比矩形窗增加了一倍，且濾波效果較差。漢寧窗和 海明窗是一階升余弦窗，頻率特性較矩形窗有很大改善，但旁瓣峰值和最小阻帶衰減并 非最好。布萊克曼窗是二階升余弦窗，構(gòu)造出的濾波器旁瓣衰減大，但是主瓣寬度大， 這意味著需要加大濾波器數(shù)據(jù)窗以縮短過渡帶，實時性較差。凱賽窗能夠同時調(diào)整主瓣 寬度與旁瓣幅值，使得主瓣較窄，具有較小的旁瓣和較大的衰減速度，故本發(fā)明采用窗長為IO， ^:7.865時凱賽窗作為FIR低通濾波器，可以有效防止升高采樣頻率產(chǎn)生的鏡 像和降低采樣頻率引起的頻率混疊，圖3為其函數(shù)及頻譜圖。
利用抽取、內(nèi)插和凱賽窗FIR低通濾波器的三級聯(lián)，完成不同采樣頻率信號的頻率 轉(zhuǎn)換和歸一化的具體過程如圖4所示。
本發(fā)明提出了數(shù)字化變電站和電網(wǎng)廣域測量中利用窗函數(shù)實現(xiàn)多采樣率信號的頻率 轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一方法?，F(xiàn)將要求保真的信號進行頻率轉(zhuǎn)換的最佳實施方案描述如下
1. 對采樣信號x(")進行I倍的零值內(nèi)插得到信號x,(/);
2. 對信號;q(/)進行窗長為10， -=7. 865的凱賽窗FIR低通濾波，得到信號力(/);
3. 對信號力(/)進行D倍抽取，即得到轉(zhuǎn)換后信號w附)。
權(quán)利要求
1. 一種電網(wǎng)中利用窗函數(shù)實現(xiàn)多采樣率信號的頻率轉(zhuǎn)換方法，包括下列步驟(1)對采樣信號x(n)進行I倍的零值內(nèi)插得到I倍內(nèi)插序列x1(l)；(2)對信號x1(l)進行窗長為10，β＝7.865的凱賽窗FIR低通濾波，得到信號y1(l)；(3)對信號y1(l)進行D倍抽取，即得到轉(zhuǎn)換后信號y(m)。
全文摘要
本發(fā)明屬于數(shù)字化變電站和電網(wǎng)廣域測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種利用窗函數(shù)實現(xiàn)多采樣率信號的頻率轉(zhuǎn)換方法，該方法包括下列步驟對采樣信號x(n)進行I倍的零值內(nèi)插得到I倍內(nèi)插序列x<sub>1</sub>(l)；對信號x<sub>1</sub>(l)進行窗長為10，β＝7.865的凱賽窗FIR低通濾波，得到信號y<sub>1</sub>(l)；對信號y<sub>1</sub>(l)進行D倍抽取，即得到轉(zhuǎn)換后信號y(m)。本發(fā)明能通過利用抽取、內(nèi)插和凱賽窗FIR(有限沖激響應(yīng)濾波器)低通濾波器的三級聯(lián)，完成不同采樣頻率信號的頻率歸一化，完全避免采樣頻率的混疊及鏡像的產(chǎn)生。
文檔編號H02J3/00GK101510687SQ20091006816
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者張艷霞, 艷 王 申請人:天津大學(xué)