[发明专利]一种电力系统暂态信号瞬时频率识别算法

说明书

本发明属于电力系统信号分析领域，具体涉及一种电力系统暂态信号瞬时频率识别算法。本发明针对电力系统暂态过程可能出现的频率动态变化行为导致电压、电流等电气量信号出现非平稳特性情况，瞬时频率难以识别的问题，利用时变函数的泰勒多项式将不同形式的时变频率参数化，根据正弦波信号过零点相位与时间周期的关系构建关于时变频率关于时间的泰勒多项式系数的线性方程组，通过求解该方程组得到泰勒多项式系数，进而得出不同时刻的瞬时频率。本发明实现过程简单，且不受信号幅值调制行为（amplitude‑modulation，AM）的影响，能够以较高精度识别不同形式的时变频率，可实现电力系统相量动态频率精确测量，帮助保护装置等自动装置准确动作。

技术领域

本发明属于电力系统信号分析领域，具体涉及一种电力系统暂态信号瞬时频率识别算法。

背景技术

频率作为重要电能质量参数，表征有功功率供需动态平衡和电网运行的稳定状况。准确识别电网频率是保证电力系统稳定运行并为低频减载、保护等装置准确动作的重要前提。当系统处于故障扰动的暂态过程时，电压、电流等信号的频率和幅值随时间变化，使其成为非平稳信号。传统基于平稳信号假设的方法将难以准确识别非平稳信号的瞬时频率(instantaneous frequency，IF)。

过去电力系统频率识别算法主要针对信号频率偏离额定值并保持相对稳定的过程，包括过零点算法、离散傅里叶及其一系列改进算法(Discrete Fourier Transform，DTF)、最小二乘法(Least Squares,LS)等。过零点算法将信号相邻过零点之间的时间差倒数视为频率，这种方法无法表征频率的动态过程，计算结果为所取过零点时间段内的平均频率。DFT类算法以傅里叶分析为理论基础，当信号频率快速变化时DFT会产生栅栏效益，影响计算精度。LS算法无法应对频率快速变化和偏离额定值较大的情况，且涉及大量矩阵运算，无法实现瞬时频率快速准确的识别。

高比例新能源接入电网是新型电力系统的一大特征，新能源的随机性、波动性和低惯性特征使电网安全稳定运行面临巨大挑战，系统频率可能在受扰的情况下发生剧烈波动，此时电压等信号将非平稳特征更加明显。

发明内容

为了解决上述问题，本发明针对电力系统暂态过程可能出现的时变频率信号，提出一种电力系统暂态信号瞬时频率识别算法，该算法利用泰勒多项式将时变频率参数化，利用信号相位与时间关系构建关于泰勒多项式系数的线性方程组，求解该方程组即得到IF的表达式，该算法可计算信号任意时刻的瞬时频率，且精度极高，且不受信号幅值调制、频率调制行为的影响，实现过程简单，具有较高实用价值，对电力系统动态频率识别具有指导意义。具体技术方案如下：

一种电力系统暂态信号瞬时频率识别算法，包括以下步骤：

S1：以固定采样率对电力系统暂态信号进行采样，生成离散信号序列；

S2：搜索整段电力系统暂态信号所有过零点附近的4个采样点；

S3：判断整段电力系统暂态信号的采样时长是否大于2个周期；若是整段电力系统暂态信号的采样时长小于等于2个周期，则返回步骤S1继续以固定采样率对电力系统暂态信号进行采样；若是整段电力系统暂态信号的采样时长大于2个周期，则进行下一步骤S4；

S4：根据需求确定时变频率泰勒多项式的最高次数；

S5：构建牛顿插值多项式求解电力系统暂态信号过零点与之后第一个采样点之间的时间间隔Δt_i；i＝1,2,3,4；

S6：根据求解出来的时间间隔Δt_i求解电力系统暂态信号分别过零点时的时刻t_0i；S7：构建电力系统暂态信号的时变频率模型，并对时变频率模型进行n阶泰勒展开，得到频率泰勒多项式，构建泰勒多项式系数的代数方程并求解；

S8：得出时变频率的泰勒多项式的具体表达式；