專利名稱：：一種諧波和間諧波參數(shù)的檢測方法
技術領域：
：本專利涉及一種電力系統(tǒng)電壓和電流的諧波、間諧波參數(shù)檢測方法。
背景技術：
：根據(jù)IEC相關標準及我國國家標準，通常所說的諧波定義為工頻整數(shù)倍的頻譜分量，介于各次諧波之間的分量，即頻率為工頻非整數(shù)倍的分量稱為間諧波或分數(shù)次諧波。諧波、間諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和使用的效率降低，電容器等電氣設備發(fā)生故障或燒毀，繼電保護和自動裝置不準確動作等等。隨著大容量非線性電氣設備的增加，電網(wǎng)中諧波和間諧波污染日益嚴重，必須加以有效抑制。諧波、間諧波參數(shù)檢測是電能質量評估的重要內容和諧波治理的依據(jù)。電力系統(tǒng)諧波測量的經(jīng)典方法是傳統(tǒng)的傅立葉變換法。但是，在間諧波存在時，一般不能實現(xiàn)同步采樣，頻譜泄漏和柵欄效應導致傳統(tǒng)傅立葉算法的檢測誤差十分嚴重。加窗插值及頻譜校正等相應的改進方法在某種程度上能減小測量誤差，但以較長的測量時間和較大的計算量為代價；同時需構造窗函數(shù)，使分析變得復雜。另外，小波變換、現(xiàn)代譜估計、人工智能等方法也被用于分析電力諧波和間諧波，但它們實時性較差?；谒矔r無功功率理論的檢測方法實時性好，但不適合于定量檢測各次諧波和各間諧波分量參數(shù)。因此，檢測精度高、實時性好的諧波、間諧波參數(shù)定量檢測方法極具工程實用價值。
發(fā)明內容本發(fā)明要解決的技術問題是，克服現(xiàn)有的諧波、間諧波參數(shù)檢測方法的不足，提供一種諧波和間諧波參數(shù)的檢測方法，該方法在諧波、間諧波同時存在的情況下，能較快速和較精確地檢測諧波、間諧波頻率、幅值、相位角等參數(shù)。本發(fā)明的技術解決方案如下一種諧波和間諧波參數(shù)檢測方法，其特征在于，包括以下步驟1)對電壓信號"進行數(shù)字采樣，得采樣序列<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>對采樣序列進行數(shù)學變換，得到新序列",和",<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>其中"為基波角頻率，g=l，2，3，--;2)采用低通濾波器對w,和&進行低通濾波，提取直流分量^、i72，然后按公式<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>計算基波和各次諧波的電壓有效值和初相角％;g次諧波的頻率為g倍基波頻率；3)令g4，2，3，…，按下式重構g次諧波Mg(A:)-2i7i("cos(紐(y7^)+2i72(A:)sin(松(y7])A:-0,1，2，…；再從原電壓信號w中減去基波和各次諧波分量，得到只含各間諧波的電壓信號；4)求取間諧波頻率的初值估計值將只含間諧波的電壓信號進行快速傅立葉變換，快速傅立葉變換的頻率分辨率取預設值fl,得到信號的間諧波的粗略幅值譜；將粗略頻譜圖的峰值對應的頻率y;,，//2，//3，…，作為間諧波頻率的初始估計值；5)進行有效值的極大值搜索，求取相應的間諧波參數(shù)，具體步驟如下對于間諧波頻率的初始估計值/;,，//2，//3，…，中的每一個值，分別在其每一個值的鄰近區(qū)域以頻率步長為f2搜索幅值譜最大值，且f2〈fl，當有效值出現(xiàn)極大值時對應的間諧波次數(shù)即為所求的間諧波參數(shù)。所述的低通濾波器為3階巴特沃斯低通濾波器。作為優(yōu)選值，n為lHz，f2為0.lHz或0.01Hz。檢測方法的工作原理如下設電壓信號的頻譜是離散的，則電壓信號的時域數(shù)學表達式為其中，"為信號基波角頻率；A為諧波或間諧波的次數(shù)(為整數(shù)或小數(shù))若A為整數(shù)，對應(整數(shù)次)諧波，若A不為整數(shù)，對應間諧波；^為/2次諧波或間諧波電壓瞬時值，"、％分別為/2次諧波或間諧波的有效值和初相角。定義如下數(shù)學變換w2=wsin(g(yf，其中，g為諧波或間諧波的次數(shù);則=V^"Z仏[cos(to+仍,)cos(,O]，=;X仏[cos((A—+A)+c。s((A++M2=仏[cos(to+%)sin(g一]2若"g，貝'JZ仏[sin((Zz—g)W+%)—sin((/z++<^)2"gcosC+i"gcos(2-+<%)6十丁S"[cos((/z—g)W++cos((/z+g)W+)—w，巧+w2"gS+g)+"yt/gSin(2g紐+(^)2仏[sin((/z-g)W+-sin((/z+g)W)+2/;w，+w2其中^、^分別為",的直流分量和交流分量，^、^分別為&的直流分i和交流分量。將M,、"2低通濾波，得到它們的直流分量分別為M，22由上兩式可以就得第g次諧波的有效值和相角分別為t/。=J+25;-arctan、"i乂基于上述檢測原理，諧波、間諧波參數(shù)檢測的技術方案如下1)根據(jù)正弦、余弦函數(shù)的特性，取g^，2，3,…，通過數(shù)學變換將電壓(或電流)信號中的基波分量和各次諧波分量分別變換成直流分量；2)用低通濾波提取直流分量，計算基波分量和各次諧波分量的幅值和相位角等參數(shù)；3)從電壓(或電流)信號中減去基波和諧波分量，得到只含各間諧波的電壓(或電流)信號；4)對電壓(或電流)信號采樣1秒，并對采樣序列值做快速傅立葉變換(FFT),得到頻譜分辨率為1Hz的信號粗略頻譜，將其峰值對應的頻率作為間諧波頻率的初始估計值。5)在間諧波初始估計頻率的鄰近區(qū)域，通過幅值譜最大值搜索獲取各間諧波的頻率、幅值和相位角參數(shù)。本發(fā)明的優(yōu)點與效果1)適用范圍廣，對于頻譜離散的電壓、電流信號，可檢測其各整數(shù)次諧波和間諧波的頻率、有效值和相位角；2)諧波、間諧波參數(shù)檢測精度髙，不受"頻譜泄露"等因素的影響；3)實施簡便，具有良好的動態(tài)跟蹤性能，滿足諧波、間諧波檢測對實時性的要求。綜上所述，本專利克服了傳統(tǒng)離散傅立葉變換在間諧波檢測方面的不足，具有顯著的理論和技術優(yōu)勢，具有極高的應用價值。具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。實施例1:由于電壓、電流的諧波間諧波參數(shù)檢測方法基本相同，下面以電壓為例說明諧波、間諧波檢測的具體實現(xiàn)方法。步驟l):對電壓信號w進行數(shù)字采樣(采樣頻率取32001^，采樣周期7;=1/3200秒)，得采樣序列對采樣數(shù)字序列進行數(shù)學變換，得到新序列^和"2:A=0,1,2,'.其中基波角頻率w由常規(guī)數(shù)字鎖相環(huán)技術得到，<formula>formulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(1)步驟2):采用3階Butterworth(巴特沃斯)低通濾波器對^和^進行低通濾波，提取直流分量^、^(也可采用其它類型的常規(guī)低通濾波器提取直流分量)，然后按公<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula>柳計算基波(g=l)和各次諧波(g=2,3,4，-g次諧波的頻率為g倍基波頻率。A=0,1，2,-)的電壓有效值^和^步驟3):令^=1，2，3，"*，按下式重構g次諧波Wg(A:)二2i7,(A:)cos(/:g(yrs)+2i72("sin(Ag(y7^)A:=0，l,2,"';再從原電壓信號w("中減去基波(g=l)和各次諧波(g=2,3,4,)分量，得到只含各間諧波的電壓信號^W。步驟4):首先，將只含間諧波的電壓信號^:)進行快速傅立葉變換(FFT)，F(xiàn)FT變換所取時間窗為ls，頻率分辨率為lHz，得到信號的間諧波的粗略頻譜圖(幅值譜)。將粗略頻譜圖的峰值對應的頻率力,，//2，//3，，作為間諧波頻率的初始估計值。步驟5):對于間諧波初始估計頻率/;,，在鄰近區(qū)域(即[//1-0.5，//1+0.5)區(qū)間)以步長0.1Hz搜索幅值譜最大值。即，令g分別為2;r(/門—0.5)/w，2;r(力,—0.4)/^，…，2;r力,/(y，2;r(y;,+0.1)/w，…，2^^+0.4)/w，對只含間諧波的電壓信號z^:)做數(shù)學變換w2(A)=綠)sin(%《)并按諧波參數(shù)公式(2)計算g次間諧波的有效值、相位角，當有效值出現(xiàn)極大值時，記錄極大值點對應的間諧波次數(shù)g,、有效值、相位角等參數(shù)；再對g,皿鄰近區(qū)域以0.01Hz的步長搜索幅值譜最大值，如itfc不斷提高頻率搜索精度，直到頻率精度符合要求為止。對于其它的間諧波初始估計頻率//2，//3,…，采用相同的方法通過幅值譜最大值搜索獲取各間諧波的頻率、幅值和相位角等參數(shù)。權利要求1.一種諧波和間諧波參數(shù)檢測方法，其特征在于，包括以下步驟1)對電壓信號u進行數(shù)字采樣，得采樣序列u(k)＝u(k·Ts)k＝0，1，2，…；對采樣序列進行數(shù)學變換，得到新序列u1和u2<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mfencedopen='{'close=''><mtable><mtr><mtd><msub><mi>u</mi><mn>1</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>u</mi><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mi>kgω</mi><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>u</mi><mn>2</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>u</mi><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mi>kgω</mi><msub><mi>T</mi><mi>s</mi></msub><mo>)</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mfenced>]]></math>id="icf0001"file="A2009100436550002C1.tif"wi="49"he="15"top="71"left="51"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>k＝0，1，2，…；其中ω為基波角頻率，g＝1，2，3，…；2)采用低通濾波器對u1和u2進行低通濾波，提取直流分量<overscore>u</overscore>1、<overscore>u</overscore>2，然后按公式id="icf0002"file="A2009100436550002C2.tif"wi="54"he="24"top="124"left="22"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>k＝0，1，2，…，計算基波和各次諧波的電壓有效值Ug和初相角id="icf0003"file="A2009100436550002C3.tif"wi="5"he="6"top="152"left="63"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>；g次諧波的頻率為g倍基波頻率；3)令g＝1，2，3，…，按下式重構g次諧波ug(k)＝2<overscore>u</overscore>1(k)cos(kgωTs)+2<overscore>u</overscore>2(k)sin(kgωTs)k＝0，1，2，…；再從原電壓信號u中減去基波和各次諧波分量，得到只含各間諧波的電壓信號；4)求取間諧波頻率的初值估計值將只含間諧波的電壓信號進行快速傅立葉變換，快速傅立葉變換的頻率分辨率取預設值f1，得到信號的間諧波的粗略幅值譜；將粗略頻譜圖的峰值對應的頻率fI1，fI3，fI3，…，作為間諧波頻率的初始估計值；5)進行有效值的極大值搜索，求取相應的間諧波參數(shù)，具體步驟如下對于間諧波頻率的初始估計值fI1，fI2，fI3，…，中的每一個值，分別在其每一個值的鄰近區(qū)域以頻率步長為f2搜索幅值譜最大值，且f2＜f1，當有效值出現(xiàn)極大值時對應的間諧波次數(shù)即為所求的間諧波參數(shù)。2.根據(jù)權利要求1所述的諧波和間諧波參數(shù)檢測方法，其特征在于，所述的低通濾波器為3階巴特沃斯低通濾波器。3.根據(jù)權利要求1或2所述的諧波和間諧波參數(shù)檢測方法，其特征在于，fl為lHz，f2為0.lHz或O.01Hz。全文摘要為克服現(xiàn)有的諧波、間諧波檢測方法的不足，本發(fā)明提供諧波和間諧波參數(shù)檢測方法，其主要實現(xiàn)步驟為1)根據(jù)正弦、余弦函數(shù)的特性，通過數(shù)學變換將電壓或電流信號中的基波分量和各次諧波分量分別變換成直流分量；2)用低通濾波提取直流分量，計算基波分量和各次諧波分量的幅值和相位角等參數(shù)；3)從電壓信號中減去基波和諧波分量，得到只含各間諧波的電壓或電流信號；4)通過幅值譜最大值搜素獲取各間諧波參數(shù)。該方法能較快速和較精確地檢測諧波、間諧波頻率、幅值、相位角等參數(shù)的數(shù)字檢測方法。文檔編號G01R23/16GK101587146SQ20091004365公開日2009年11月25日申請日期2009年6月10日優(yōu)先權日2009年6月10日發(fā)明者何怡剛,江亞群,純黃申請人:湖南大學