挤压下变换（共3篇）
挤压下变换 篇1
在我国电视信号由标清向高清转换的过程中,高标清同播的形式是一个重要的过渡环节。此前为了照顾广大C RT电视用户,高标清同播频道在高清下变换时通常选择切边或者信箱的模式,来满足CRT电视4:3画幅比例的显示需要。但是随着16:9画幅比例平板电视日益普及,尤其是在北京等大型城市地区,电视用户发现在一个平板电视中,标清信号会导致存在较大的变形,会严重影响到用户的收视体验。
在拉斯维加斯有一个酒店,客人离开酒店的时候,门童会塞上两瓶冰镇矿泉水,免费给客人在路上喝。这两瓶水给客人的感觉是无微不至的关怀,也是预料之外的贴心服务。这就是超出预期的体验,才是真正的客户体验。针对这种情况,特别是在平板电视已然成为家庭主流显示设备的今天,我们有必要将高清下变换中的挤压模式普及开来,即在用户接收端标清信号能以16:9的画幅比例呈现,较显著地提升电视用户的收视体验。
一引言
所谓高标清同播,就是把现有的频道节目,以标清和高清同播的方式来同时播出,实现现有节目逐步的高清化。高标清同播方式是我国推进高清技术发展的新举措,也是广播电视由标清向高清过渡的必由之路。截至目前,国家新闻出版广电总局共批准央视多套节目和北京卫视、东方卫视、江苏卫视、浙江卫视、湖南卫视、广东卫视、深圳卫视、天津卫视、山东卫视、湖北卫视等12个省市卫视频道进行高标清同播,总局还批准北京电视台文艺频道、北京电视台体育频道、上海广播电视台娱乐频道和电视剧频道等6个地面频道进行高标清同播,在本省(市)数字有线网传输。与标清电视4:3的幅型比相比,16:9的宽屏效果更符合人眼的视角特性,能够让观众获得更加真实的临场感,给观众带来更好的视觉享受。
但是预计在相当长的一段时间,标清信号的覆盖范围要比高清信号会更广,因此还需要高度重视标清信号的品质,重视标清电视用户的体验。以BTV卫视为例,如图1所示,BTV卫视标清信号在歌华有线标清平台(标清数字频道、模拟频道)、地面数字和模拟开路接收平台、IPTV标清数字平台播出。同时根据歌华官网数据,北京歌华有线目前共有数字电视频道168套,其中高清频道22套,约占13%。国内其他地区的高清频道比重也不高。总体而言,标清频道在现阶段仍是主流。
国内标清电视宽高比格式统一采用4:3的比例,在16:9宽高比的平板电视屏幕上显示,都变成失真(被压扁)的图形。在平板电视已然成为家庭主流显示设备的今天,我们建议在高标清同播频道,标清信号采用挤压下变换模式进行播出,以提高标清电视用户的收视体验。
二初步调研结果
针对用户反馈的信息,北京电视台播出部创新工作组深入电视机市场以及走访专家学者,初步对电视机市场的发展和标清信号采用挤压下变换模式进行播出的情况进行了调研。
1.电视机市场发展
根据中国电子视像行业协会提供的数据,2001年~2014年平板电视的国内市场总拥有量2.84亿台。2012年,传统4:3的CRT电视正式退市。
根据奥维云网(AVC)数据分析,北京作为中国彩电的主要市场之一,截止2015年底彩电的存量为1230万台,其中平板电视的存量为850万台,CRT电视的存量为380万台。北京市于2015年11月25日出台新版家电补贴政策,首先通过对能效等级高的家电产品进行财政补贴,刺激家电企业加大对产品创新升级的投入,促进产业转型升级。另一方面也是为了刺激消费者的更新换代需求,拉动市场销售。据奥维云网(AVC)预测数据显示,2016年北京彩电市场的零售量规模将达120万台,其中智能电视的渗透率为86%,高于市场整体2个百分点;UHD电视的渗透率为48%,高于市场整体3个百分点;55吋以上电视的渗透率为32%,高于市场整体3个百分点。
目前,我国电视市场的发展以及高端产品的渗透率均居全球首位,智能电视的渗透率已达80%以上,4K电视的渗透率达到近30%。在屏幕尺寸方面,据统计,2015年全球彩电的平均市场屏幕尺寸是40.5吋,而中国市场平均将近44吋,据预测2016年会达到46吋。市面上“量子点”、“8K”、“HDR”、“曲面”、“可变幻屏幕”等平板电视层出不穷。
与此同时,平板电视的价格逐渐降低,几乎和一部手机价格相当。2015年小米互联网电视主打的60吋4K智能电视,价格为5199元。2016年初,乐视发布了65吋超级电视X65,这款4K超级电视售价仅为4999元/台。目前,国际品牌的42吋智能电视价格还不到2000元。同时,各厂家也推出特色的售后服务,如联想旗下的17TV推出首年只换不修的服务以及显示屏及逻辑板、背光板等保修三年的政策。
2.当前标清信号采用挤压下变换方式进行播出的情况
2015年北京电视台的高标清体育同播频道采用了标清挤压下变换模式播出。CCTV1、CCTV3、CCTV7、CCTV8、CCTV9、CCTV12标清信号采用挤压下变换模式播出。地方电视台的也做了部分尝试,比如东南卫视、安徽卫视、厦门卫视、金鹰卡通卫视等均已经采用标清挤压下变换模式格式播出。
3.需加强电视技术的科普宣传和推广工作
在与部分电视用户接触中,发现一些电视用户对高清、标清电视信号认识不足。如不特意提示,分不清高清、标清电视信号的区别。国内众多电视机构投入重金建设高清电视制作、播出系统,很多时候电视机构在电视拍摄、制作、播出时对视频信号构图的严格质量把关,却在用户的电视终端被不当的幅型变换处理化为乌有。标清信号存在较大的变形,将会严重影响到用户的收视体验。这种现象,不能不说是一种较大的资源浪费,因此需要电视技术人员进一步开展电视技术的科普宣传和推广工作。
由于16:9标清与高清电视均是同样的16:9画幅比例,据初步测试,观赏距离在屏幕高度的5倍左右时,一些电视观众不容易区分开16:9标清与高清电视的区别。
三高标清同播幅型变换分析
高标清的混合编辑及同播问题离不开高标清的幅型变换问题。下变换有信箱、切边、挤压三种模式,上变换有加边、切边、拉伸三种模式。幅型变换对高标清同播有如下影响:
对构图的影响:高清下变换、标清上变换,都存在对画面的裁剪或加边和画面的缩放。这会造成原始画面信息的缺失或无用画面的填充,影响画面效果;
对画面质量的影响:上下变换不是一个可逆的过程,标清上变换的节目或者是使用了标清上变换的素材,经过变换,一般图像质量会下降。
幅型变换不当可能造成播出事故。
采用不合适的上下变换模式会严重影响观众收看的画面效果。上下变换主要遵循以下总体原则:
以保持画面不变形、不影响画面主要内容传达为基本原则;
无论是高清播出,还是标清播出,以尽量减少上下变换次数为原则,上下变换次数不应超过两次;
以栏目为单位进行上下变换,栏目内不能出现不同的变换方式,尤其是明显影响收视效果的变换模式;
努力提高高清频道节目编排的科学性,在高清和标清节目混编播出时,要防止、减少节目画面尺寸、比例等频繁变化,影响观众收看。
1.高清下变换
高清下变换有信箱、切边、挤压三种模式,见图2。
信箱(Letter box):在画面的上下两侧加黑边,保留了全部画面内容,画面比例正常,但清晰度有损失;
z切边(Edge crop):画面左右两侧被剪切,清晰度好,画面比例正常,但损失了一部分画面内容;
挤压(Squeeze):将画面横向压缩,保留了全部画面内容,清晰度好,但画面产生变形。
在高标清同播的前期阶段,为照顾大多数标清观众的欣赏习惯,建议下变换采用以下原则:
原始的发送信号不能变形,即下变换中的挤压模式(squeeze)在最终发送时不能使用。
尽可能采用保证标清电视机画面满幅的切边模式,减少标清电视受众的不满。为保证下变换后的画面构图正常,高清拍摄时需要在16:9的寻像器中加入4:3标志线,取景时画面以4:3构图为主兼顾16:9。
考虑电视观众的观看习惯问题。大部分观众已经接受了影视剧类节目采用信箱模式,虽上下有黑条,但观众基本已经接受,黑条部分也是字幕的最佳位置。对于准备采用信箱模式下变换的影视剧、纪录片、专题片,以及部分文娱、体育等节目,在拍摄时应采用16:9构图进行取景。
当前在高标清同播的后期阶段,北京电视台播出部技术创新工作组根据对当前用户收视习惯的初步调研结果,建议从高清到标清的下变换采用挤压(Squeeze)方式。
2.高清下变换采用挤压模式的分析
随着平板电视的日益普及,用户在16:9的电视上观看信号格式为4:3的标清节目时,便会存在如图3所示的问题。
图3是图像分别经切边、信箱两种下变换后,在平板电视上的简要呈现。从中我们看出,经切边下变换后,图像主体变宽(变形);而经信箱下变换后,尽管可达到满屏效果,但依然存在有效画面区域小,图像清晰度降低的缺陷。
以往我们在高清下变换时主要采用切边模式或信箱模式,是根据在高标清同播中,标清素材占据相当大的比例,且CRT电视还处于主流地位。之所以没有选择压缩模式,主要是考虑它是将画面横向压缩,虽然保留了全部画面内容,但画面产生变形。特别对于CRT用户而言,这种变形的画面很难被接受。但是经过这些年的发展,在高标清同播中,高清素材比例已经处于绝对主力地位,且画幅为16:9的平板电视已经成为主流,此时挤压模式的优点便在平板电视上体现出来,如图4所示。
图4是图像经挤压模式下变换后,在平板电视上的简要呈现。从中我们可以看到的是完整的、不变形的图像,它包含着原始图像所有的信息。
3.上变换的策略
针对高清素材播出率达不到100%的电视频道,需要将部分标清素材上变换为高清格式后在高清频道播出。同时,在高清节目编辑过程中,不可避免使用到标清素材,也需要进行上变换调整。
上变换主要有切边、加边、拉伸三种模式,见图5。
z切边(Full width):将画面进行纵向剪切,画面比例正常,但损失了一部分画面内容;
z加边(Pillar box):在画面的左右两侧加黑边,保留了全部画面内容,画面比例正常;
z拉伸(Stretch):将画面横向拉伸,保留了全部画面内容,但画面产生变形。
针对4:3标清节目上变换后高清播出的,建议采用左右加边(Pillar box)模式,可根据自己的需要选择加黑边还是彩场或标板。加边(Pillar box)模式可以保留全部画面内容,画面比例正常。如CCTV的《新闻联播》高清播出就主要采用加边模式。
北京电视台播出部技术创新工作组建议,在高标清同播的中、后期阶段,从高清到标清的下变换要采用挤压(Squeeze)模式;同时4:3标清素材上变换后高清播出的,建议采用左右加边(Pillar box)模式。这样在16:9平板电视上,高标清电视信号在观众面前均呈现统一的16:9构图,极大提升电视用户的收视体现。
四标清信号以16:9的画幅呈现产生的效果
标清信号以16:9的画幅比呈现在用户终端,将主要产生如下效果:
提高电视用户对画面幅型的满意度,提高电视用户的收视体验;
提升广告画面的感染力,促进电视台广告收益;
提升电视台整体播出质量,提高全民美学素养;
高标清都统一采用16:9的构图,可减少高清、标清节目之间的互相变换,降低节目生产成本。
五频道实现标清挤压下变换模式播出的主要技术途径
目前,高标清同播频道实现高清下变换大致有三种模式,分别是:通过控制频道内下变换器的方式实现幅型变换、通过矩阵共享方式实现幅型变换、通过嵌入AFD的方式完成幅型变换。
1.通过控制频道内下变换器的方式实现幅型变换
这里我们以Snellgroup公司生产的IQUDC00卡为例。IQUDC00卡可实现上、下、交叉变换(Cross Conversion)及同步功能,还可针对画面进行变换与平移、倾斜和变焦的调整及广泛的元数据转换。对嵌入式PCM和非PCM音频可以进行无缝处理,最多可处理16个通道的嵌入式音频和视频。
对于IQUDC00板卡的下变换方式选择,我们可用配置主机访问IQ机箱对其进行设置。
在配置主机上打开“Roll Call Control Panel”双击访问IQUDC00板卡。IQUDC00板卡Video input支持多种格式输入,高清1080i50、标清625i50等,如图6所示。Video output支持输出1080p、720p、SD(输出标清选择SD),如图7所示。
常用的三种下变换方式IQUDC00板卡均支持。
挤压模式:通过选择“Full Frame”,此时ARC Size=100.0 Apect=100.0,完成挤压模式设置,如图8所示。挤压下变换模式在宽频16:9的频幕上的显示效果如图9。
信箱模式:通过选择“16:9>box 4:3”,调整ARC Size=75.0 Apect=133.3,完成信箱模式设置,如图10所示。信箱下变换模式在宽频16:9的频幕上的显示效果如图11。
切边模式:如图12所示,我们将“Display Memory 10”重新定义,此时ARC Size=100.0、Apect=133.3,切边模式设置完成。选择切边下变换方式在宽频16:9的频幕上的显示效果如图13。
2.通过矩阵共享方式实现幅型变换
控制二级矩阵,将所有变换方式预先设置好,以切换矩阵的方式完成幅型变换。这里我们以LEITCH的X75作为下变换器,可将总控的高清信号经过它完成挤压下变换,然后输入到二级矩阵,这样连接二级矩阵的每个需求点都可以调度使用这路信号。对X75的具体设置,如图14所示。
3.通过嵌入AFD的方式完成幅型变换
嵌入AFD的方式通常有以下两种:
当视频信号以流的形式传输时,将AFD和Bar Data嵌入到视频SDI信号的垂直辅助数据(VANC)中;
当视频信号以文件形式传输时,将AFD和Bar Data经过KLV编码后,作为视频信号的SMPTE元数据进行传输。
对于高清下变换中的切边模式与信箱模式,它们的AFD与幅型变换可用图16简要描述。
对于挤压模式,它的幅型变换如图17所示。
六标清信号采用挤压下变换方式播出的实施步骤
第一步:在高标清同播的地面频道中,其标清信号可采用挤压下变换方式进行播出。
第二步:随着平板电视在全国更加普及,采用高标清同播方式的各卫视频道,其标清频道信号可采用挤压下变换方式进行播出。
七小结
在互联网时代,用户体验越来越变成一个关键因素。好的用户体验是从细节开始,并贯穿于每一个细节。随着我国广电事业的快速发展,我们看到有更多的企业已经或者正准备加入到广电行业的激烈竞争中,这对整个行业的发展以及用户的选择来说都是好事。特别在当前大力提倡供给侧改革的形势下,电视台作为传统媒体的代表,一方面要更加重视内容和需求,不断推出精品节目;另一方面也要在电视信号的播出质量上把好关,探索更加符合用户喜好的播出方式。北京电视台播出部创新小组对于高标清同播频道标清信号采用挤压下变换方式进行播出的工作调研,也正是根据实际情况、基于上述目标而形成。我们认为这种播出方式在现阶段高标清同播系统中具有较强的前瞻性,并且易于实现和普及,对于用户来说也更易于接受,这些便是它的优势所在。
参考文献
[1]《高标清同播时期的16:9标清可行性研究》王惠明邓向冬韦安明(总局广播电视规划院)编著
[2]ITU-R BT.601-7.Studio encoding parameters of digital television for standard4:3 and wide screen 16:9 aspect ratios[S].2011.
[3]SMPTE 2016-1-2007.Format for Active Format Description and Bar Data[S].The Society of Motion Picture and Television Engineers,2007.
[4]《高标清同播技术策略研究报告(2009)》总局科技司编著
[5]《我的互联网方法论》周鸿祎著
[6]奥维云网(AVC)数据分析
微利站场:市场的挤压下须清醒 篇2
客运站场的普遍问题
选址偏离城区
地方政府在城市发展规划过程中, 为了尽快带动城区的发展, 通常采用捷径方式:
搬迁车站, 以车站的人流效应带动城区的发展。由于配合城区发展, 车站选址大多选在郊外或新开发区内, 给市民出行带来不便, 与车站方便市民、服务市民的宗旨背离。同时搬迁也给车站经营, 特别是最初几年的经营带来很大的压力, 搞不好, 就要亏损。
建站规划短视
许多地方在客运站规划建设过程中, 没有长远的规划和眼光, 只看到当下运输企业的现状需求, 对地方今后经济发展、人民生活水平提高、公路客运发展缺乏战略层面的规划。因此, 在站场建设用地规模上没有预留今后发展的足够空间, 新站投入使用没几年, 就已不适应市场需要, 又要重新规划建设, 造成浪费。
建设形象化
现在国内许多汽车客运站是当地城市的标致性建筑, 站场建设美伦美奂, 建站成本非常高, 建筑面积大, 装修规格高。在一些大中型城市, 班车多、人流多的车站还勉强可以承受成本的压力, 适应市场的需求。但如果在一些小城市和县 (区) 也追求这种站场“大排场”, 则会因为班车、人流量的不足, 造成车站完全是亏本经营, 不利发展。
站场多, 管理混乱
目前, 不少城市都是在同一城市内有多个客运站。部分欠发达的城市由于多个客运站存在, 特别是一些民营客运站存在, 带来了恶性竞争, 安全隐患大。
如何科学建设运营站场?
合理选址
在城市的宏观规划下, 新客运站场已经很难在城区中选址, 但必须尽量贴近城区并设在交通要道上。客运站场如何选址, 将直接影响客运企业的经营, 影响城市经济的发展。因而, 客运站场的选址要综合考虑方便市民出行、城市规模、城市总体规划、多种运输方式的配套等多方面的因素。客运站场选址不在中心城区的, 不能过于偏离城区。
如过于偏离城区, 将造成市民出行的不便, 导致减少市民出行的意愿, 有的人就会选择自驾车等其他出行方式, 最终造成客运站场因客流量不足而难以维系正常的经营秩序。如广州的东圃客运站、深圳的福田客运站等, 由于站场远离城区, 市民出行都选择城区的客运站或其他方式出行, 使一部分远离城区的客运站人烟稀少, 客流量不足。
对于城市单一客运站场, 还可通过设置辅站的形式, 为周边郊县的旅客服务, 方便旅客进出城区。
控制规模
为实现企业客运站场的可持续发展, 站场建设规规模必须先考虑确保投资回报期, 防止盲目投资, 在客运站场的建设之前, 必须根据城市的经济发展水平和市民的生活指数情况, 做好合理、全面的调查研究, 充分考虑社会发展和人民群众对公路客运的需求, 结合城市的地理位置考虑线路的经营、发展情况, 做好量、本、利的综合分析。不能盲目求大、求靓、求地方标志性建筑特色, 放弃成本控制, 避免站场建成之后在运营中无法承受巨大的成本压力而经营亏损状况。如深圳某汽车客运站, 在政府的规划下, 投资6亿多元兴建, 现在的客流量不足一万, 亏损严重。
合理布局
在客运站场的建设上, 宜采用“小站房、大车场”模式, 有利于满足旅客出行的需求和企业经营发展。“小站、大场”就是减少站场建筑面积, 降低建造成本, 大场就是满足班车发展的需要。当前, 运输市场的发展是旅客在站停留时间越来越短, 亦即客运班线班车密度越来越大, 专线运输、公交模式运输比例越来越大。站房建设可采用框架结构, 充分利用自然采光和通风, 既降低建筑造价, 又可使站场的采光、通风自然化, 节能又环保。
一体化运营
站场功能综合一体化就是把城市公交、出租车、公路客运及货运物流统一规划在站场中, 使长、短途运输及出租车运输有机联合, 实现旅客“零距离换乘”。汽车客运站的基本功能是有机衔接城市内部和外部交通, 只有将公路、出租车、公交一体化, 通过加强公路客运、出租车、公交客运之间的协调, 做到统筹规划、合理选定城市内外交通换乘组织模式, 才能减少旅客中转环节。
按以往的管理经验, 但凡客运站场坐落的地方, 旅客必然会对接驳的出租车、公交车需求增加。若在站场规划阶段不合理布局, 会造成站外的旅客秩序得不到控制, 存在安全隐患;旅客难以换乘, 造成不便;站外非法营运车辆增多, 增加运管的执法难度。
频率大范围变换下的电能计量 篇3
关键词：自适应有限脉冲响应滤波器,视在功率,有功功率,基波,Prony算法,最小加权二乘法
0 引言
近年来出现了各种有效电能计量方法,但这些方法大部分只适用于电能信号处于平稳情况下的测量。对于非稳定状况下的电能计量,如频率不断变换时,由于电能系统产生的总电能与消耗的电能之间的不平稳关系,使得这些测量方法会产生很大的误差[1]。
对于同步采样的电力系统标准周期信号,研究者可通过传统快速傅里叶变换(FFT)算法无误差地计算出其基频幅值、相位等参量,但因电网频率的波动,采样频率难以等于信号频率的整数倍,从而产生非同步采样现象,FFT算法的栅栏效应和频谱泄漏将导致较大的测量误差,减小非同步采样误差的方法有两大类:加窗、插值以及同步采样技术。通过加窗和插值算法对计算结果进行修正时,一般要求采样窗口的宽度不得低于8个基波周期,才能在频率波动范围较大的情况下仍然获得较为理想的谐波分析结果。由此可知,通过加窗、插值等方法进行改进,可提高一定的精度,但计算量加大,不利于实现[2,3,4,5]。小波变换通过把信号分解到不同尺度上求正弦情况下谐波的分量,但受分解尺度影响不能准确反映被测信号的各种参数[6,7]。Kalman滤波求谐波参数有很好的实时跟踪性,然而,只有在信号和噪声的统一特性先验已知的情况下,这种滤波技术才能获得最优滤波[8,9]。Gauss-Newton法不受频率变化的影响,但对初始值敏感,初始值设置不当将造成迭代不收敛[10]。
为了解决上述问题,本研究提出一种新的电能计量算法,可同时计算信号的频率、有功功率以及视在功率。为了提高基波有功功率和视在功率测量的精度,本研究引入自适应最小加权二乘法(WLS),并通过仿真分析和FFT算法的比对,以验证本研究算法的有效性。
1 基波有功功率测量
算法方框图如图1所示,有功功率、视在功率和基波频率测量分为3个部分:第1部分将经过基波滤波器滤波后得到的瞬时电压信号和瞬时电流信号进行相乘得到瞬时有功功率p1(k);第2部分将瞬时有功功率p1(k)经过直流滤波器滤波以后,得到有功功率;第1部分的瞬时有功功率去掉第2部分的有功功率以后,剩下的一部分经过Prony算法和最小加权二乘法(WLS)的计算,获得基波频率f1(k)和基波视在功率。k时刻的基波频率要用于k+1的CIC滤波器的设计和功率的测量。
由文献[11]提出,有功功率和视在功率定义如下:
其中:
式中:Uk,Ik—k次谐波电压和电流的有效值。
假设输入信号经过基波滤波器滤波后噪声为零,瞬时电压和电流信号模型为:
式中:ω(k)—基波的角频率。
本研究将式(3)和式(4)相乘,得到基波瞬时有功功率:
其中:
由式(5)可知,瞬时有功功率可以看作两部分组成:第1部分是直流部分即基波有功功率P1;第2部分可看成频率为2w的基波分量。因此,可以用低通滤波器滤出P1。对于频率处在不断变换情况下,低通滤波器的设计必须满足条件:
文献[12,13,14]提出了一种自适应CIC滤波器(级联积分-梳状滤波器),用z变换函数表示如下:
其中:目的是滤除频率为的信号。
且:
上式的功能是滤除i次谐波并且对于直流分量的增益为1,M为级联子节的数目,其值取的最大整数部分。
2 频率的测量
通过上述分析可知,本研究可以从瞬时有功功率中将基波有功功率滤出,将P1从式(5)中去除后,剩余部分为:
为了测量瞬时频率,文献[15]提出了基于Prony的测量方法。
公式(9)用一对复指数表示如下:
其中:
根据文献[15]的介绍,可以获得的角频率为:
3 基波视在功率的测量
由式(13)获得瞬时频率以后,本研究将瞬时频率代入式(11)可获得z1(k)和z1*(k),因此,式(10)可以简化为未知参数b的线性等式:
式(14)是(k+1)´2维Vandermonde矩阵,Vandermonde矩阵为满秩矩阵,因此式(14)可用具有自适应遗忘因子的最小加权二乘法(WLS)改进。具有自适应遗忘因子的WLS是在最小二乘法的基础上进行改进的方法,通过用不断变化的遗忘因子代替原先固定不变的值,使算法的收敛性变快,而且准确度也更高[16,17],具体实现步骤如下。
根据式(14),k时刻的瞬时参数b可用下式表示:
即:
式(15)可用下式表示:
其中:
本研究运用文献[12]所提供的具有自适应遗忘因子的WLS算法,可以获得视在功率S1(k)为:
可以看出,上述方法结构简单,易于在DSP上实现。
4 仿真分析
为了验证本研究算法的有效性,笔者完成了大量的数字信号实验。以下将对算法进行仿真,测试非稳定状态下对于频率、有功功率及视在功率的测量,为了突出本研究算法的有效性,将与FFT算法进行比较分析。
设有非正弦工况下电压、电流信号为:
其中:ω=2πf,另加信噪比为30 dB的高斯白噪声。本研究对以上信号以采样频率为1 024 Hz采样,一次采样6个工频周期(1.2 s),共采样1 228个点,考察系统频率在3种情况下的理论计量结果。
模型1(缓变频率):
模型2(突变频率):
f={5049.8HzHzt<0.00.055
模型3(线性变化频率):
f={ff==5050+HtzHzt 0<0..0505
在信号频率为突变信号的情况下,频率和电能计量的情况如图2所示。当频率在0.05 s的时刻突然由50 Hz调到49.8 Hz,本研究提出的算法虽然在突变部分有一个过渡的过程,但仍然能有效地跟踪信号的变化,有功功率和视在功率的误差率也不明显。当信号频率为一个正弦波的缓变频率时的频率、功率计量情况如图3所示,由图3可知,测量的频率和实际频率曲线基本重合,有功功率和视在功率的误差呈现出一个曲线波形,但最大误差率不超过0.3%。当信号频率线性变化时的频率、功率计量情况情况如图4所示,由图4可知,该算法对频率的跟踪性很好,有功功率的误差在0.003 6%之内波动,视在功率的误差与频率一样呈现线性变化,但在一个周期内最大误差率不超过0.06%。
3种模型下使用本研究算法和FFT算法的误差率的比较如表1～3所示。比较结果显示,在一个数据取样周期内,本研究算法的误差率要远远小于FFT算法。
5 结束语