一种适用于电力系统高速采样计算的插值方法
【专利摘要】本发明涉及一种适用于电力系统高速采样计算的插值方法。高速采样计算中，采样频率根据电力系统的自有频率的变化而变换，从而满足计算精度要求。在硬件采样频率固定的情况下，通常采用软件锁相来完成上述要求，但软件锁相计算时间过长，因而未能得到广泛应用。本发明提出离线计算采样插值所需参数的固化表格、软件在线判断查表计算的方式解决上述问题。所提方法减轻了数字信号处理器的运行负担，使其能高效的进行信号处理；亦不需要增加硬件开销，更改硬件设计；同时，所提方法可普遍应用于其他电力系统场合。
【专利说明】一种适用于电力系统高速采样计算的插值方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统自动化领域，涉及对电力系统电量信号(电压、电流)的高速固定采样速率下的采样插值技术。
【背景技术】
[0002]电力系统中电量(电压、电流)信号高速采样在容量计算、电能质量等方面应用越来越广泛。对高速采样计算中涉及到的采样频率需要根据电力系统的自有频率的变化而变换，从而达到满足要求的计算精度。目前，有两种方式来处理该问题，一种是利用硬件锁相环进行硬件锁相，在根据实际需求动态改变采样频率，从而获得正确的采样数据；但其要求专门的硬件资源，同时在锁相前需要配合专门的硬件测频回路，滤波回路保证其正确性。另一种利用软件方式实现锁相，但数字信号处理器承载了大部分计算与控制工作，针对高速计算的情况由于其计算时间过长而得不到应用。
【发明内容】
[0003]为解决上述问题，本发明提供一种适用于电力系统高速采样计算的插值方法。 [0004]该方法采用以下方案实现:一种适用于电力系统高速采样计算的插值方法，其特征在于包括以下步骤:
[0005](I)设定固定的频率范围及频率精度，设定采样计数为SAM_CNT ;硬件固定时刻的采样值为Stl到Sn，判断计算后的插值数据为Dtl到Dn ;令所有数据初始值为O ;离线计算出程序执行中所需的插值参数表，软件在执行过程中根据在线判断结果调用离线固化的插值参数表；
[0006](2)读取采样值数据S。到Sn ；
[0007](3)读取当前的系统频率值F。，当F。= Fs,进入步骤(6)；
[0008](4)当系统当前频率FL〈45Hz或Fe>FH时，进入步骤(6);其中Fl指设定的最小频率，Fh指设定的最大频率，Fc指当前的电力系统频率；
[0009](5)当系统当前频率F。≤Fh时，根据F。的值调用离线固化的插值参数表，采用以下插值算法 Dtl = S0 = (1- a ) X S1+ α X S2 ；D2 = (1-2 α ) X S2+2 α X S3,依次计算出N个插值数据，进入步骤(7)；
[0010](6) D0 = S0 !D1 = S1 ；D2 = S2 ；......Dn = Sn ;进入步骤(7)；
[0011](7)采样计数SAM_CNT加I ;返回步骤⑴。
[0012]进一步地，所述离线计算出程序执行中所需的插值参数表，软件在执行过程中根据在线判断结果调用离线固化的插值参数表的具体过程包括以下步骤:
[0013](31)初始设定:设定每个周波采样点数为N，设电力系统标准频率为Fs，其对应的采样周期为Ts，有Ts = 1/FS/N ;设定当前的电力系统频率为F。，其对应的采样周期为T。，有Tc= 1/h/N;采样周期与系统周期的差值为AT= Tc-Ts ；
[0014](32)表数计算:根据线性插值公式y (η) = (1-a ) y (n_l) + a y (η+1),其中y (η_1)为需要插值的数据前一个固定时刻采样点，y(η+1)为需要插值的数据后一个固定时刻采样点，α是一个插值计算参数，其随不同的系统频率及不同采样时刻而不同，因此需要离线设计插值参数表T ;离线计算的插值参数表共计(Fh-匕)/ △ F张；
[0015](33)单表设计:设定硬件固定时刻的采样值为Stl到Sn，判断计算后的插值数据为D0到Dn ;其中O≤η〈Ν ;采样周期与系统周期差值为ΔΤ, α = Δ T/Ts = | Fc-Fs | /Fs ;插值方法为=D0 = S0 A= (l-α) XS^a XS2 ；D2 = (l_2a)XS2+2a XS3，依次计算出 N个插值数据；由此，单表设计为T = {0，a，2a，3a，4a，……(N_l) a };以此，根据不同的电力系统频率设计出(Fh-匕)/ Δ F张表为在线程序使用。
[0016]进一步地，所述采样点数N、系统频率范围^ < F。< Fh及频率精度设定AF可根据实际应用要求改变，程序执行前首先根据设定值离线计算插值参数表T，程序执行过程中根据F。判断结果直接调用离线固化的插值参数表即可，从而快速得到所需的插值数据。
[0017]本发明的有益效果:
[0018]为满足采样频率需要根据电力系统自有频率的变化而变换，本发明提出了利用软件插值方式解决上述问题。根据系统频率范围及精度设定，离线计算插值参数固化表，然后采用在线判断查表的方式解决了软件锁相的复杂计算问题，使其在高速计算场合下得到真正应用；同时克服了硬件锁相需要增加的硬件开销，亦不需更改硬件设计。所提插值方法及对应软硬件模块可方便应用于其他电力系统场合。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明算法的插值算法流程图。
[0020]图2是本发明算法的插值参数固化表计算流程图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合流程图对具体实施进行详细介绍。
[0022]如图1所示，本实施例中，一种适用于电力系统高速采样计算的插值方法，其特征在于包括以下步骤:
[0023](I)设定固定的频率范围及频率精度，设定采样计数为SAM_CNT ;硬件固定时刻的采样值为Stl到Sn，判断计算后的插值数据为Dtl到Dn ;令所有数据初始值为O ;离线计算出程序执行中所需的插值参数表，软件在执行过程中根据在线判断结果调用离线固化的插值参数表；
[0024](2)读取采样值数据S。到Sn ；
[0025](3)读取当前的系统频率值F。,当F。= Fs,进入步骤(6)；
[0026](4)当系统当前频率Fl〈45Hz或Fe>FH时，进入步骤(6);其中Fl指设定的最小频率，Fh指设定的最大频率，Fc指当前的电力系统频率；
[0027](5)当系统当前频率F。≤Fh时，根据F。的值调用离线固化的插值参数表，采用以下插值算法 Dtl = S0 = (1- a ) X S1+ a X S2 ；D2 = (1-2 a ) X S2+2 a X S3,依次计算出N个插值数据，进入步骤(7)；
[0028](6) D0 = S0 !D1 = S1 ；D2 = S2 ；......Dn = Si ;进入步骤(7)；
[0029](7)采样计数SAM_CNT加I ;返回步骤⑴。[0030]请参见图2，所述离线计算出程序执行中所需的插值参数表，软件在执行过程中根据在线判断结果调用离线固化的插值参数表的具体过程包括以下步骤:
[0031](31)初始设定:设定每个周波采样点数为N，设电力系统标准频率为Fs，其对应的采样周期为Ts，有Ts = 1/FS/N ;设定当前的电力系统频率为F。，其对应的采样周期为T。，有Tc= 1/h/N;采样周期与系统周期的差值为AT= Tc-Ts ；
[0032](32)表数计算:根据线性插值公式y (η) = (1_ a ) y (η-1) + ay (η+1),其中y (η-1)为需要插值的数据前一个固定时刻采样点，y(η+1)为需要插值的数据后一个固定时刻采样点，α是一个插值计算参数，其随不同的系统频率及不同采样时刻而不同，可以根据历史经验选取，因此需要离线设计插值参数表T ;离线计算的插值参数表共计(Fh-FJ/AF张；
[0033](33)单表设计:设定硬件固定时刻的采样值为Stl到Sn，判断计算后的插值数据为D0到Dn ;其中O≤n〈N ;采样周期与系统周期差值为ΔΤ, a = Δ T/Ts = | Fc-Fs | /Fs ;插值方法为=D0 = S0 A= (1-Ci)XS1+a XS2 ；D2 = (l_2a)XS2+2a XS3，依次计算出 N个插值数据；由此，单表设计为T = {0，a，2a，3a，4a，……(N_l) a };以此，根据不同的电力系统频率设计出(Fh-F1)/ Δ F张表为在线程序使用。
[0034]具体的，下面以固定电力系统频率50Hz下的每周波固定采样24点为例进行说明:
[0035](一 )利用插值方法离线计算出程序执行中所需插值参数表:
[0036]以固定电力系统频率50Hz下的每周波固定采样24点为例，其采样频率为1200Hz。采样周期应该为Ts = 1000000/(50*24);精度取0.01Hz，离线计算表格共计1000张。每张表格中的数据分别对应的是当前频率差值倍数表。
[0037]例:当系统频率为F。= 48Hz时，该实际采样周期应该为T。= 1000000/(48*24)；
[0038]当前频率差值比即周期差值比为a = AT/TS= Tc-Ts | /Ts = Fc-Fs |/Fs = 0.04 ；
[0039]制作插值表格为T48 = {O, 0.04，0.08，0.12，0.16.0.20.0.24，.....0.72}；同样制
作出其他表格。
[0040]( 二 )软件在执行过程中在线判断，根据判断结果调用离线固化的插值参数表，计算插值数据:
[0041]例:设采样数据为D0,D1......D23 ;判断计算后的插值为S0,S1......S23 ；
[0042]当系统当前频率F0= 50Hz时，不调用插值表程序，S。= D。，S1 = D1,......S23 =
D23 ;
[0043]当系统当前频率45Hz ≤ Fc ≤ 55Hz时，调用插值表程序数据Dtl = S0 =(1- a ) X S1+ a XS2 ；D2 = (1-2 a ) X S2+2 a XS3 依次计算出所有 24 个插值。
[0044]当系统当前频率Fe〈45Hz或Fe>55Hz时，不调用插值表程序，S0 = D0, S1 = D1,……S 23= D23;
[0045]上述实施例不以任何方式限制本发明，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种适用于电力系统高速采样计算的插值方法，其特征在于包括以下步骤: (1)设定固定的频率范围及频率精度，设定采样计数为SAM_CNT;硬件固定时刻的采样值为Stl到Sn，判断计算后的插值数据为Dtl到Dn ;令所有数据初始值为O ;离线计算出程序执行中所需的插值参数表，软件在执行过程中根据在线判断结果调用离线固化的插值参数表; (2)读取采样值数据S。到Sn； (3)读取当前的系统频率值F。，当F。=Fs，进入步骤(6)； (4)当系统当前频率Fl〈45Hz或Fe>FH时，进入步骤(6);其中Fl指设定的最小频率，Fh指设定的最大频率，Fc指当前的电力系统频率； (5)当系统当前频率^≤ Fc≤ Fh时，根据F。的值调用离线固化的插值参数表，采用以下插值算法 Dtl = S0 = (1- a ) X S1+ α X S2 ；D2 = (1-2 α ) X S2+2 α X S3,依次计算出 N 个插值数据，进入步骤(7)；
(6)D0 = S0 !D1 = S1 ；D2 = S2 ；......Dn = Sn ;进入步骤(7)； (7)采样计数SAM_CNT加I;返回步骤⑴。
2.根据权利要求1所述的适用于电力系统高速采样计算的插值方法，其特征在于:所述Fl = 45Hz ；Fh = 55Hz ;所述频率精度范围设定为Λ F，且AF<0.01Hz。
3.根据权利要求1所述的适用于电力系统高速采样计算的插值方法，其特征在于:所述离线计算出程序执行中所需的插值参数表，软件在执行过程中根据在线判断结果调用离线固化的插值参数表的具体过程包括以下步骤: (31)初始设定:设定每个周波采样点数为N，设电力系统标准频率为Fs，其对应的采样周期为Ts，有Ts = 1/FS/N ;设定当前的电力系统频率为F。，其对应的采样周期为T。，有T。=IAVN ;采样周期与系统周期的差值为AT= Tc-Ts ； (32)表数计算:根据线性插值公式y(η) = (1_ a ) y (n_l) + a y (η+1),其中y (η_1)为需要插值的数据前一个固定时刻采样点，y(n+l)为需要插值的数据后一个固定时刻采样点，α是一个插值计算参数，其随不同的系统频率及不同采样时刻而不同，因此需要离线设计插值参数表T ;离线计算的插值参数表共计(Fh-匕)/ Λ F张； (33)单表设计:设定硬件固定时刻的采样值为Stl到Sn，判断计算后的插值数据为Dtl到Dn;其中OS η〈Ν;采样周期与系统周期差值为AT，α = Δ T/Ts = I Fe-Fs |/Fs ;插值方法为:D0 = S0 A= (l-α) XS^a XS2 ；D2 = (l_2a)XS2+2a X S3，依次计算出 N 个插值数据;由此，单表设计为T= {0，a ,2a ,3a ,4a ,……(N_l) a };以此，根据不同的电力系统频率设计出(Fh-匕)/ Δ F张表为在线程序使用。
4.根据权利要求3所述的适用于电力系统高速采样计算的插值方法，其特征在于，所述采样点数N、系统频率范围FL ≤ Fc≤ Fh及频率精度设定Λ F可根据实际应用要求改变，程序执行前首先根据设定值离线计算插值参数表Τ，程序执行过程中根据F。判断结果直接调用离线固化的插值参数表即可，从而快速得到所需的插值数据。
【文档编号】G06F19/00GK104021314SQ201410295280
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】陈彬, 郭晓君, 汤奕, 鲁针针 申请人:国家电网公司, 国网福建省电力有限公司, 国网福建省电力有限公司电力科学研究院