一种电源电压瞬时相位角实时估计方法、装置及设备与流程

1.本发明涉及电力数据测量的技术领域，具体涉及一种电源电压瞬时相位角实施估计方法。


背景技术：

2.相位角称“相角”，又称“相位”、“周相”、“位相”。交流电压的表达式为：u＝umsin(ω t+φ)，在不同时刻的电压决定于(ωt+φ)的数值，(ωt+φ)就称相位，当t＝0时，φ称为初相角也称初始相位角。
3.发电机有三个绕组，每个绕组发出一个电压，形成三相电压。由于这三个绕组在位置上等分了一个圆周，即彼此相差360/3＝120度角，导致三相电压的幅度变化不一致，而是在内部存在一个延时，这个延时是旋转1/3圆周即120度的时间。这个角度差称为相位差。相位角是个相对值，而相位差是两个相位角之间的差。
4.由于电网的频率并不稳定，在工业环境中，在大量容性负载、感性负载以及二极管、晶体管整流负载影响下，电网的波形会发生一定的畸变，导致简单的反三角运算并不能精确地计算电网的相角及频率。而现有的计算电网电压瞬时相位角的方法中，其计算过程往往比较复杂，响应时间较长且计算量大，实现起来比较困难并且所计算出的电网电压瞬时相位角往往与实际的瞬时相位角存在一定的偏差。


技术实现要素：

5.基于此，本发明提供了一种电源电压瞬时相位角实时估计方法、装置及设备，相比现有技术，该方法计算简单，抗干扰能力更强，精度和实时性更高，有效提高了电源电压初始相位角的计算精度。
6.根据本技术的一些实施例的第一方面，提供了一种电源电压瞬时相位角实时估计方法，该方法包括如下步骤：
7.步骤一：获取电源电压的瞬时测量值；
8.步骤二：预设电源电压的震荡模型，并对该震荡模型进行希尔模特变换，得到电源电压的解析模型；
9.步骤三：根据已知的电压幅度和角频率，建立扩展型卡尔曼滤波器量测方程，通过该扩展型卡尔曼滤波器量测方程计算所述电源电压的瞬时测量值与通过所述解析模型得到的估计值之间的误差变化率，并令该误差变化率为零；
10.步骤四：采用该扩展型卡尔曼滤波器，对初始相位角进行实时估算，并根据得到的初始相位角，得到电源电压的瞬时相位角。
11.可选的，步骤二具体包括如下步骤：
12.设电源电压振荡模型为：v(t)＝acos(ωt+φ)；
13.对该电源电压震荡模型进行希尔伯特变换，得到该电源电压的解析模型为：
14.v(t)＝ae
j(ωt+φ)
15.其中：t为时间，v(t)为电源电压在t时刻的幅值，a为电压幅度，ω为电压角频率，φ为电压初始相位角，v(t)为电源电压瞬时值希尔伯特变换。
16.可选的，步骤三具体包括如下步骤：
17.令扩展型卡尔曼滤波器中状态变量x为初始相位角φ，由于初始相位角为常数，不随时间变换，因此扩展型卡尔曼滤波器系统方程为：
18.x
k+1
＝xk19.其中，xk是第k时刻对状态变量x的估计值，即k时刻对初始相位角的估计值，由于初始相位角是常数，所以k时刻的值与k+1时刻保持一致；
20.扩展型卡尔曼滤波器量测方程为：
[0021][0022]
该量测方程的最终表达式为：
[0023][0024]
其中：xk为k时刻初始相位角的估计值；x
k+1
为k+1时刻初始相位角的估计值；y
k+1
为电源电压瞬时测量值与估计值的误差变化率，h(x
k+1
)是扩展型卡尔曼滤波器的量测方程，由于初始相位角的估计值与真实值一致时该误差变化率为零，因此令该量测方程的结果为零； h(v
k+1
)为k+1时刻电源电压瞬时测量值的希尔伯特变换，是电压解析模型在k+1 时刻的值，v
k+1
为k+1时刻的电源电压瞬时测量值。
[0025]
可选的，步骤四具体包括如下步骤：
[0026][0027]
一步预估，k＝0即零时刻时，没有初始相位角的任何信息，所以可以在0-360
°
中任选一个值，赋给x0，再根据以上公式得到一步预测，其中，表示初始相位角由k时刻到k+1时刻预估的状态向量，表示初始相位角在k时刻预估的状态向量，fk表示表示k时刻的系统矩阵；
[0028][0029]
一步预测方差阵，由于k＝0即零时刻时，没有初始相位角的任何信息，所以认为初始赋值误差很大，因此p0给一个较大值，表示x0的估计误差非常大，这样可以得到一步预测方差阵，其中，p
k+1/k
表示初始相位角由k时刻到k+1时刻的最小预测均方误差矩阵，pk表示初始相位角k时刻的最小预测均方误差矩阵；
[0030][0031]
由一步预测方差阵可以得到增益矩阵k，其中，k
k+1
表示初始相位角在k+1时刻的误
差增益矩阵，差增益矩阵，表示初始相位角在k+1时刻预估的状态向量，h
k+1
表示k+1时刻的状态观测矩阵；
[0032][0033]
通过增益矩阵k放大或缩小测量误差，即y与测量函数值的差，并与一步估计值相加，作为k+1时刻的估计值，其中，表示初始相位角为k时刻的一步预估值时的量测方程输出值；
[0034]
p
k+1
＝(i-k
k+1hk+1
)p
k+1/k
[0035]
同时更新k+1时刻状态值的方差阵，评价k+1时刻对初始相位角估计的准确性，其中，i表示单位阵， p
k+1
表示初始相位角k+1时刻的最小预测均方误差矩阵；
[0036]
如果p
k+1
小于某一个预设的阈值，或者估计次数k增加到某一个阈值，则停止估计，将此刻的x
k+1
作为最终的初始相位角估计值；
[0037]
其中：y
k+1
＝0，fk＝1，r
k+1
＝γ,γ∈r
+
；需要把这几个公式带入上面5个卡尔曼滤波器方程，才能迭代求解初始相位角。比如y
k+1
＝0带入fk＝1带入等等。其中，r
k+1
＝γ,γ∈r
+
中的γ需要根据测量噪声大小选取，如果测量数据(测量到的电压数据)噪声比较大，则选取一个较大值，该参数为经验参数。
[0038]
其中，r
k+1
为量噪声矩阵，用于度量测量数据中的噪声大小；
[0039]
完成初始相位角φ的估计后，通过以下公式即可得到电源电压的瞬时相位角：
[0040]
φ＝ωt+φ。
[0041]
可选的，步骤一具体包括如下步骤：
[0042]
通过电压传感器检测，获取所述电源电压的瞬时测量值。
[0043]
根据本技术的一些实施例的第二方面，提供了一种电源电压瞬时相位角实时估计装置，包括：
[0044]
瞬时测量值获取模块，用于获取电源电压的瞬时测量值；
[0045]
解析模型建立模块，用于预设电源电压的震荡模型，并对该震荡模型进行希尔模特变换，得到电源电压的解析模型；
[0046]
量测方程建立模块，用于根据已知的电压幅度和角频率，建立扩展型卡尔曼滤波器量测方程，通过该扩展型卡尔曼滤波器量测方程计算所述电源电压的瞬时测量值与通过所述解析模型得到的估计值之间的误差变化率，并令该误差变化率为零；
[0047]
估算模块，用于采用该扩展型卡尔曼滤波器，对初始相位角进行实时估算，并根据得到的初始相位角，得到电源电压的瞬时相位角。
[0048]
根据本技术的一些实施例的第三方面，提供了一种电源电压瞬时相位角实时估计设备，包括：
[0049]
至少一个存储器和至少一个处理器；
[0050]
所述存储器，用于存储一个或多个程序；
[0051]
当所述一个或多个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如本技术第一方面所述的一种电源电压瞬时相位角实时估计方法的步骤。
[0052]
本技术提供的一种电源电压瞬时相位角实时估计方法，该方法首先采集电源电压实时采样值，通过对电源电压的建立解析信号模型和扩展型卡尔曼滤波器对电源电压瞬时相位角进行实时估计计算。相比现有技术，该方法计算简单，抗干扰能力更强，精度和实时性更高，有效提高了电源电压初始相位角的计算精度。
[0053]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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技术的一些实施例，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。
附图说明
[0054]
图1为本发明提供的一种电源电压瞬时相位角实时估计方法的步骤示意图；
[0055]
图2为本发明一个实施例中所测得的电源电压的瞬时测量值的示意图；
[0056]
图3为本发明一个实施例中所估计得到的电压瞬时相位角与真实电压瞬时相位角的曲线示意图；
[0057]
图4为本发明提供的一种电源电压瞬时相位角实时估计装置的结构示意图。
具体实施方式
[0058]
为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术实施例方式作进一步地详细描述。
[0059]
应当明确，所描述的实施例仅仅是本技术实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术实施例中的实施例，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它实施例，都属于本技术实施例保护的范围。
[0060]
在本技术实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术实施例。在本技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和 /或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
[0061]
下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区别类似的人体，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
[0062]
此外，在本技术的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联人体的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在 a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联人体是一种“或”的关系。
[0063]
请参阅图1，图1为本发明提供的一种电源电压瞬时相位角实时估计方法的步骤图，包括如下的步骤：
[0064]
s101：获取电源电压的瞬时测量值。
[0065]
如图2所示，图2位一个例子中的电源电压瞬时测量值的示意图，可选的，通过电压传感器检测的方式，实时获取电源电压的瞬时测量值，该电压传感器可以是电压互感器，或其他的电压检测装置。
[0066]
s102预设电源电压的震荡模型，并对该震荡模型进行希尔模特变换，得到电源电压的解析模型。
[0067]
可选的，设电源电压振荡模型为：v(t)＝acos(ωt+φ)；
[0068]
对该电源电压震荡模型进行希尔伯特变换，得到该电源电压的解析模型为：
[0069]
v(t)＝ae
j(ωt+φ)
；
[0070]
其中：t为时间，v(t)为电源电压在t时刻的幅值，a为电压幅度，ω为电压角频率，φ为电压初始相位角，v(t)为电源电压瞬时值希尔伯特变换。该模型中假设，电压幅度a已知(如 110v或220v)，电压角频率ω已知(如60hz或50hz)，确定初始相位角φ即可由下式计算出任意时刻的电压相位角：φ＝ωt+φ。
[0071]
步骤三：根据已知的电压幅度和角频率，建立扩展型卡尔曼滤波器量测方程，通过该扩展型卡尔曼滤波器量测方程计算所述电源电压的瞬时测量值与通过所述解析模型得到的估计值之间的误差变化率，并令该误差变化率为零。
[0072]
可选的，步骤三具体包括如下步骤：
[0073]
由于电压解析模型中初始相位φ是唯一需要估计的物理量，因此令扩展型卡尔曼滤波器中状态变量x为初始相位角φ。由于初始相位角为常数，所以不随时间变换，因此扩展型卡尔曼滤波器系统方程为：
[0074]
x
k+1
＝xk[0075]
其中，xk是第k时刻对状态变量x的估计值，即k时刻对初始相位角的估计值，由于初始相位角是常数，所以k时刻的值与k+1时刻保持一致；
[0076]
量测方程的构建思路是：用电压解析模型去描述实际的电压测量值，即要求所估计出来的初始相位角使任意时刻电压解析模型与实际测量值的差，能量最小。此处的数学描述是电压解析模型在k+1时刻的值减去k+1时刻电压测量值的希尔伯特变换 v
k+1
+jh(v
k+1
)，差值的能量(即2-范数)关于初始相位角φ求偏导数，在极小值处取相应φ值。
[0077]
扩展型卡尔曼滤波器量测方程为：
[0078][0079]
该量测方程的最终表达式为：
[0080][0081]
其中：xk为k时刻初始相位角的估计值；x
k+1
为k+1时刻初始相位角的估计值；y
k+1
为电源电压瞬时测量值与估计值的误差变化率，h(x
k+1
)是扩展型卡尔曼滤波器的量测方程，由于初始相位角的估计值与真实值一致时该误差变化率为零，因此令该量测方程的结果为零； h(v
k+1
)为k+1时刻电源电压瞬时测量值的希尔伯特变换，是电压解析模型在k+1 时刻的值，v
k+1
为k+1时刻的电源电压瞬时测量值。
[0082]
步骤四：采用该扩展型卡尔曼滤波器，对初始相位角进行实时估算。
[0083]
可选的，步骤四具体包括如下步骤：
[0084][0085]
一步预估，k＝0即零时刻时，没有初始相位角的任何信息，所以可以在0-360
°
中任选一个值，赋给x0，再根据以上公式得到一步预测，其中，表示初始相位角由k时刻到k+1时刻预估的状态向量，表示初始相位角在k时刻预估的状态向量，fk表示表示k时刻的系统矩阵；
[0086][0087]
一步预测方差阵，由于k＝0即零时刻时，没有初始相位角的任何信息，所以认为初始赋值误差很大，因此p0给一个较大值，表示x0的估计误差非常大，这样可以得到一步预测方差阵，其中，p
k+1/k
表示初始相位角由k时刻到k+1时刻的最小预测均方误差矩阵，pk表示初始相位角k时刻的最小预测均方误差矩阵；
[0088][0089]
由一步预测方差阵可以得到增益矩阵k，其中，k
k+1
表示初始相位角在k+1时刻的误差增益矩阵，差增益矩阵，表示初始相位角在k+1时刻预估的状态向量，h
k+1
表示k+1时刻的状态观测矩阵；
[0090][0091]
通过增益矩阵k放大或缩小测量误差，即y与测量函数值的差，并与一步估计值相加，作为k+1时刻的估计值，其中，表示初始相位角为k时刻的一步预估值时的量测方程输出值；
[0092]
p
k+1
＝(i-k
k+1hk+1
)p
k+1/k
[0093]
同时更新k+1时刻状态值的方差阵，评价k+1时刻对初始相位角估计的准确性，其中，i表示单位阵， p
k+1
表示初始相位角k+1时刻的最小预测均方误差矩阵；
[0094]
如果p
k+1
小于某一个预设的阈值，或者估计次数k增加到某一个阈值，则停止估计，
将此刻的x
k+1
作为最终的初始相位角估计值；
[0095]
其中：y
k+1
＝0，fk＝1，r
k+1
＝γ,γ∈r
+
；
[0096]
其中，r
k+1
为量噪声矩阵，用于度量测量数据中的噪声大小；上述的迭代过程中，需要把这几个公式带入上面5个卡尔曼滤波器方程，才能迭代求解初始相位角。比如y
k+1
＝0带入fk＝1带入等等。其中，r
k+1
＝γ,γ∈r
+
中的γ需要根据测量噪声大小选取，如果测量数据(测量到的电压数据)噪声比较大，则选取一个较大值，该参数为经验参数。
[0097]
完成初始相位角φ的估计后，通过以下公式即可得到电源电压的瞬时相位角：
[0098]
φ＝ωt+φ。
[0099]
如图3所示，图3位本发明一个实施例中所估计得到的电压瞬时相位角与真实电压瞬时相位角的曲线示意图，其中，实线为真实的电压瞬时相位角，虚线为估计得到的电压瞬时相位角。
[0100]
与上述的一种电源电压瞬时相位角实时估计方法相对应，本技术实施例还提供一种电源电压瞬时相位角实时估计装置，如图4所示，该装置400包括：
[0101]
瞬时测量值获取模块410，用于获取电源电压的瞬时测量值；
[0102]
解析模型建立模块420，用于预设电源电压的震荡模型，并对该震荡模型进行希尔模特变换，得到电源电压的解析模型；
[0103]
量测方程建立模块430，用于根据已知的电压幅度和角频率，建立扩展型卡尔曼滤波器量测方程，通过该扩展型卡尔曼滤波器量测方程计算所述电源电压的瞬时测量值与通过所述解析模型得到的估计值之间的误差变化率，并令该误差变化率为零；
[0104]
估算模块440，用于采用该扩展型卡尔曼滤波器，对初始相位角进行实时估算。
[0105]
与上述的一种电源电压瞬时相位角实时估计方法相对应，本技术实施例还提供一种电源电压瞬时相位角实时估计设备，包括：
[0106]
至少一个存储器和至少一个处理器；
[0107]
所述存储器，用于存储一个或多个程序；
[0108]
当所述一个或多个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如上述任一项实施例中，执行电源电压瞬时相位角实时估计的方法的步骤。
[0109]
本技术提供的一种电源电压瞬时相位角实时估计方法及装置，该方法首先采集电源电压实时采样值，通过对电源电压的建立解析信号模型和扩展型卡尔曼滤波器对电源电压瞬时相位角进行实时估计计算。相比现有技术，该方法计算简单，抗干扰能力更强，精度和实时性更高，有效提高了电源电压初始相位角的计算精度。
[0110]
应当理解的是，本技术实施例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。本技术实施例的范围仅由所附的权利要求来限制。
[0111]
以上所述实施例仅表达了本技术实施例的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术实施例构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于
本技术实施例的保护范围。