CN101706532B - 一种谐波阻抗测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐波阻抗测量方法及测量装置。本发明针对谐波阻抗测量方法“增量法”中存在的主要误差源，即频率偏移及两个不同时间信号相角的同步问题，提出了“双同步增量法”，并研制了相应测试仪器；其同步之一是使参考相位与系统周期同步，以解决参考相位漂移问题；同步之二是通过硬件锁相电路，跟踪系统频率的变化，采样频率则由锁相电路产生，使采样频率与系统频率同步。谐波阻抗测量装置中包括采样频率与系统频率同步电路和相位与系统周期同步电路。本发明“双同步增量法”，解决了“增量法”中由基准参考相位及系统频率波动等引起的误差问题；装置原理简单、易于实施；本发明达到工程实用水平，解决了电力生产中的谐波阻抗测量难题。

Description

一种谐波阻抗测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及一种谐波阻抗测量方法及测量装置，属于电能质量控制及治理、电能质量测量方法及装置领域。 

背景技术

谐波阻抗是电力生产中一个极为重要的参数，无论是设计电力滤波器，还是评估干扰负荷产生的谐波水平，系统谐波阻抗是最基本的基础参数；采用谐波潮流计算软件对系统网络进行频率扫描，得出谐波阻抗是常用方法，但由于网络高频参数难以获取；此外，系统的三相几何参数不完全对称、各相之间及对地电容等参数对计算结果精确度影响很大，使得计算结果偏差很大。因此实测是获取系统谐波阻抗的有效手段。但迄今为止谐波阻抗测量仍然缺乏有效、实用的方法及装置，成为电力生产中的难题之一。“增量法”是一种较为可行的测量方法，该方法的通过测量干扰负荷的谐波电流及电压增量计算出系统或负荷的谐波阻抗。图1中，从PCC点向系统看进去的系统谐波阻抗为Z_sh，该点的谐波电压、电流满足关系： 

使畸变负荷的大小发生变化，即产生一个扰动，PCC点的h次谐波电压、电流将从变化前采样窗口c的 

变为采样窗口a的 

(图2中b为扰动过渡过程窗口)，而系统谐波阻抗Z_sh和背景谐波电压 基本维持不变，如下式： 

${\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{sh}}={\stackrel{\·}{U}}_h^c+Z_{\mathrm{sh}}{\stackrel{\·}{I}}_h^c$ (2) 

${\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{sh}}={\stackrel{\·}{U}}_h^a+Z_{\mathrm{sh}}{\stackrel{\·}{I}}_h^a$

由(2)式可得系统的谐波阻抗Z_sh： 

应用上式时，假定不同时间的谐波电压和电流向量均参照于同一个相位恒定的电压向量 

由于该参照向量与系统频率紧密相关，当频率发生变化时， 

的相位会发生变化，从而引入较大的测量误差。而电力系统的频率总是在一定范围内波动的，因此如何消除频率变化引入的误差是该方法能否满足工程要求的关键。由图2可见，任何频率测量误差将使采样窗口c、a的电压、电流向量之间的相角产生偏差，从而使电压和电流增量ΔU_h、ΔI_h产生较大的偏差。即该方法存在如下问题：(1)扰动产生前后，信号采样必须具有共同恒定的参考相位 才能测出变化前后电压、电流的谐波相角。但负荷阻抗变化会引起公共连接点(PCC)电压的相角 

变化；(2) 

随系统频率f₀变化，因此 

须能跟踪f₀的变化。(3)增量产生前后，采样频率必须跟踪f₀的变化，即必须与系统频率f₀同步，否则频率偏差Δf₀将引起较大的同步误差。

现有“增量法”没有为不同时间的谐波电压和电流向量设置一个相位随频率波动可保持恒定的电压向量作为参考向量，致使当频率发生变化时，参考向量 

的相位会发生变化，从而引入较大的测量误差。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种谐波阻抗测量方法及测量装置，根据“增量法”的测量原理及所存在的问题，本发明提出“双同步增量法”旨在解决系统频率变化引入的误差问题，提高测量精度，使之满足工程要求。 

本发明的技术方案是：一种谐波阻抗测量方法，为获取扰动产生前后参考相位，引入上一级或相邻母线的电压信号 

作为参考向量，以该点电压信号的过零点作为扰动前后采样的起始点，即以该电压信号作为扰动前后采样窗口c、a的采样参考相位；其特征在于：参考相位与系统周期T₀同步，以解决参考相位随频率变化而漂移的问题，使c、a两个采样窗口之间的时间间隔t_ac为系统周期即同步信号T₀的整数倍，取同步信号的过零点作为参考相位或采样起始点；通过硬件锁相倍频回路，跟踪系统频率的变化，采样频率则由锁相倍频回路产生，使采样频率与系统频率同步。 

如上所述的谐波阻抗测量方法，其特征在于：依次包括如下步骤：开始，初始化，同步信号过零点检测、同步信号过零点时刻到，进入采样窗口c，采样M个周波、扰动产生命令信号、延时P个周期、同步信号过零点检测、同步信号过零点时刻到，进入采样窗口a，采样M个周波、计算采样窗口c的三相电压、电流各次谐波向量，计算采样窗口a的三相电压、电流各次谐波向量；由采样窗口c、a三相电压、电流谐波向量计算谐波增量及谐波阻抗，谐波阻抗测量结果存储、显示及上传，结束。 

一种谐波阻抗测量装置，包括电压互感器，电流互感器分别与低通滤波器，电压、电流 程控放大器，模/数转换器，MCU或DSP控制器，显示操作接口依次电连接；其特征在于：还包括采样频率与系统频率同步电路和相位与系统周期同步电路，采样频率与系统频率同步电路包括限幅放大器、带通滤波器、过零点检测电路、锁相倍频回路、N分频器和同步采样脉冲回路；限幅放大器、带通滤波器、过零点检测电路、锁相倍频回路和N分频器依次电连接，过零点检测电路与MCU或DSP控制器连接，同步采样脉冲回路与锁相倍频回路、MCU或DSP控制器分别连接；相位与系统周期同步电路包括放大电路a、一阶低通滤波器、二阶高通滤波器、相位调整电路、放大电路b和信号过零点检测电路依次电连接。 

本发明的工作原理是：为获取扰动产生前后参考相位，引入上一级或相邻母线的电压信号 

作为参考向量，以该点电压信号的过零点作为扰动前后采样的起始点，即以该电压信号作为扰动前后采样窗口c、a的采样参考相位，而该参考相位必须与系统周期T₀同步、采样频率必须与系统频率同步，即所谓“双同步增量法”。本发明主要解决了如下问题。 

1)消除参考相位漂移引入的误差 

及 均以 

的相角 作为参考相位 

由图2可见，采样窗口c、a的参考相位分别为 

及 

对电压(电流类似) 

显然若f_0a≠f_0c、t_a≠t_c，则 

因此系统频率波动会引起参考相位 

发生 

的变化： 

例如Δf＝0.01Hz， 

一般 

很小，以弧度表示可近似为 

谐波阻抗测量误差： 

由(4)式可见，参考相位偏移会引起极大的测量误差。各次谐波的ΔZ_sh/Z_sh随 

的变化曲线示于图3。图3中从上到下的各直线分别对应h＝17、h＝15、h＝13、h＝11、h＝7、h＝5、h＝3和h＝1。可见谐波次数越高，误差越大。如 

ΔU_h/E_sh h＝2％，ΔZ_sh/Z_sh≈13％(h＝11)。 

2)消除频率变化引入的误差 

一般利用离散傅立叶变换(DFT)先计算出各次谐波电压、电流的增量矢量，再由(6)式计算谐波阻抗。若电网频率为f₀(＝1/T₀)，由于频率波动，采样频率f_i不能精确跟踪f₀的变化则会引起谐波幅值测量误差： 

ΔC_h/C_h≈nπ|ΔT₀/T₀|    (5) 

其中，ΔC_h/C_h为h次谐波幅值的相对误差，ΔC_h/C_h与频率偏差ΔT₀＝1/Δf₀及h成正比。例如ΔT₀/T₀＝0.64％，对5次谐波ΔC₅/C₅≈10％；因此若f_i不能精确跟踪f₀的变化，对谐波阻抗的测量精度影响很大。 

本发明的核心是“双同步增量法”，参考相位引入上一级或相邻母线的电压信号仅是一种辅助手段，并非必要。 

本发明的有益效果是：通过本发明提出的“双同步增量法”，解决了“增量法”中由基准参考相位及系统频率波动等引起的误差问题；装置原理简单、易于实施；所提方法及测量装置达到工程实用水平，可有效解决了电力生产中的谐波阻抗测量难题。 

附图说明

图1为“增量法”谐波等值电路示意图。 

图2为“增量法”采样窗口示意图。 

图3为“增量法”各次谐波的ΔZ_sh/Z_sh随 

的变化曲线。 

图4为本发明实施例谐波阻抗测量装置原理图。 

图5为本发明实施例同步信号波形图。 

图6为本发明实施例相位与系统周期同步电路原理图。 

图7为本发明实施例采样频率与系统频率同步电路原理图。 

图8为本发明实施例工作流程示意图。 

图9为本发明实施例1试验系统示意图。 

图10为本发明实施例1的Z_h＝f(h)曲线示意图。 

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。 

图4中标记的说明：1-电压互感器(TV)，2-电流互感器(TA)，3-低通滤波器，4-程控放大器，5-六路模/数转换器，6-MCU或DSP控制器，7-显示操作接口，8-限幅放大器，9-带通滤波器，10-过零点检测电路，11-锁相倍频回路，12-N分频器，13-同步采样脉冲回路。 

图6中标记的说明：14-放大电路a，15-一阶低通滤波器，16-二阶高通滤波器，17-相位调整电路，18-放大电路b。 

图9中标记的说明：19-10kV母线，20-400kV母线，21-六脉冲整流器，22-电阻负荷，23-谐波阻抗测量装置。 

本发明实施例谐波阻抗测量装置组成原理示于附图4：三相电流、电流信号经过精密电压TV1、电流TA2衰减调理后进入低通滤波器3，滤除高于采样截止频率的分量；再经六路程控放大器4放大至接近模/数转换器A/D的满度输入，然后进入六路模/数转换器5将模拟信号转换成数字信号；A/D启动转换由同步信号的过零点控制(附图5)，在fi的控制下六路模/数转换器5同时采集，确保三相电压、电流信号无延时同步采样。 

在窗口c到来时刻，由同步信号的过零点启动A/D开始采集三相电压、电流信号M个周波；随之测量仪器发出产生扰动命令，并延时P个周波，以避开被测点的电压波动；延时时刻到，测量仪器再次在同步信号的过零点启动A/D采集三相电压、电流信号M个周波(附图5)。 

本发明实施例谐波阻抗方法提出同步之一，是使参考相位与系统周期T₀同步，以解决参考相位随频率变化而漂移的问题。使c、a两个采样窗口之间的时间间隔t_ac为系统周期(同步信号)T₀的整数倍，取同步信号的过零点作为参考相位(采样起始点)。即： 

t_ac＝P×T₀    (6) 

式中P≥1，一般取10～20。如此，即使系统频率f₀变化，但每个工频周期T₀的电角度均为2π，使t_ac＝P×(2π)×T₀，由正弦函数的周期性： 

由上式可见，如此可确保系统频率波动前后具有同一参考相位 

相位与系统周期同步产生回路示于附图6。由如下电路组成：放大电路a14，一阶低通滤波器15，二阶高通滤波器16，相位调整电路17，放大电路b18和信号过零点检测电路10依次电连接。 

本发明实施例谐波阻抗方法提出同步之二，通过硬件锁相倍频回路11，跟踪系统频率变化，采样频率由锁相倍频回路11产生，使采样频率f_i与跟踪系统频率f₀的变化。解决系统频率f₀变化引起的“泄漏效应”引入的误差，即使A/D的采样频率f_i与系统频率f₀同步： 

f_i＝M×N×f₀    (10) 

上式中N为每周期的采样点数，M为采用窗口宽度。当系统频率f₀变化时，每个采样点的采样周期τ_i＝1/f_i随f₀的变化自动调节采样周期τ_i＝T₀/N的大小，确保在一个采样窗口内的采样数据为系统周期的整数倍。 

采样频率f_i与系统频率f₀同步产生回路示于附图7，由如下电路组成：限幅放大器8，带通滤波器9，过零点检测电路10，锁相倍频回路11，N分频器12和同步采样脉冲回路13；限幅放大器8、带通滤波器9、过零点检测电路10、锁相倍频回路11和N分频器12依次电连接，过零点检测电路10与MCU或DSP控制器6连接，同步采样脉冲回路13与锁相倍频回路11、MCU或DSP控制器6分别连接； 

本发明实施例谐波阻抗方法实施流程图示于附图8，其步骤依次包括：开始，初始化，同步信号过零点检测、同步信号过零点时刻到，进入采样窗口c，采样M个周波、扰动产生命令信号、延时P个周期、同步信号过零点检测、同步信号过零点时刻到，进入采样窗口a，采样M个周波、计算采样窗口c的三相电压、电流的各次谐波向量，计算采样窗口a的三相电压、电流各次谐波向量；由采样窗口c、a三相电压、电流的各次谐波向量计算各次谐波向量增量及各次谐波的阻抗，谐波阻抗测量结果存储、显示及上传，结束。 

实施例1 

实验系统示于附图9。10kV母线19的短路容量为319MVA；变压器容量为315kVA，阻抗电压为4.2％；400kV母线20的基波阻抗为0.008+j0.023(Ω)。干扰源为六脉冲整流器21，直流电阻负荷22为2台大功率电阻器(100kVA/5Ω/台)。利用该系统进行实测试验，以检验“双同步增量法”及谐波阻抗测量装置23。 

同步信号取该110kV变电站的照明配电变压器220V侧电压信号。试验时先投入一台电阻器，随后投入第二台电阻器，用以产生扰动量，即产生谐波电压、电流增量，分别提取扰动前后的谐波电压、电流信号，由(3)式计算出系统的各次谐波阻抗。由于六脉冲整流器21的特征谐波为6k±1次，系统中其它次数的谐波含量很小，测量结果只对 6k±1次谐波有效。共测量5次，三相5次测量结果的平均值列于附表1，Z_h＝f(h)曲线绘于图10。 

在h≤17内，5次测量结果基本一致；17次以上谐波电压增量很小，故5次测量结果分散性较大；电阻部分亦如此。由于该系统的谐波阻抗主要由变压器阻抗决定，因此Z_h与h基本成线性关系。 

附表1谐波阻抗测量结果 

h	Xah(Ω)	Rbh(Ω)	Xbh(Ω)	Rch(Ω)	Xch(Ω)
						1	0.0258	0.0078	0.0232	0.009	0.0246
5	0.1424	0.0376	0.1312	0.0332	0.1322
						7	0.1878	0.0304	0.1836	0.0456	0.1736
11	0.3002	0.0612	0.2646	0.05	0.2776
						13	0.3504	0.0488	0.3292	0.0632	0.3132
17	0.464	0.0532	0.4048	0.055	0.4184
						19	0.52	0.041	0.4664	0.0658	0.429
23	0.6006	0.1112	0.5872	0.07	0.5884
						25	0.6262	0.1054	0.719	0.0876	0.5528
29	0.7248	0.161	0.66	0.2326	0.698
						31	0.6632	0.1604	0.748	0.1744	0.6734
35	0.9762	0.173	0.9266	0.1424	0.8224
						37	0.8132	0.2106	0.9798	0.1362	0.9114

Claims (3)

1.一种谐波阻抗测量方法，为获取扰动产生前后参考相位，引入上一级或相邻母线的电压信号

作为参考向量，以该点电压信号的过零点作为扰动前后采样的起始点，即以该电压信号作为扰动前后采样窗口c、a的采样参考相位；其特征在于：参考相位与系统周期T₀同步，以解决参考相位随频率变化而漂移的问题，使c、a两个采样窗口之间的时间间隔t_ac为系统周期即同步信号T₀的整数倍，取同步信号的过零点作为参考相位或采样起始点；通过硬件锁相倍频回路，跟踪系统频率的变化，采样频率则由锁相倍频回路产生，使采样频率与系统频率同步。

2.根据权利要求1所述的谐波阻抗测量方法，其特征在于：依次包括如下步骤：开始，初始化，同步信号过零点检测、同步信号过零点时刻到，进入采样窗口c，采样M个周波、扰动产生命令信号、延时P个周期、同步信号过零点检测、同步信号过零点时刻到，进入采样窗口a，采样M个周波、计算采样窗口c的三相电压、电流各次谐波向量，计算采样窗口a的三相电压、电流各次谐波向量；由采样窗口c、a三相电压、电流谐波向量计算谐波增量及谐波阻抗，谐波阻抗测量结果存储、显示及上传，结束。

3.一种谐波阻抗测量装置，包括电压互感器，电流互感器分别与低通滤波器，电压、电流程控放大器，模/数转换器，MCU或DSP控制器，显示操作接口依次电连接；其特征在于：还包括采样频率与系统频率同步电路和相位与系统周期同步电路，采样频率与系统频率同步电路包括限幅放大器、带通滤波器、过零点检测电路、锁相倍频回路、N分频器和同步采样脉冲回路；限幅放大器、带通滤波器、过零点检测电路、锁相倍频回路和N分频器依次电连接，过零点检测电路与MCU或DSP控制器连接，同步采样脉冲回路与锁相倍频回路、MCU或DSP控制器分别连接；相位与系统周期同步电路包括放大电路a、一阶低通滤波器、二阶高通滤波器、相位调整电路、放大电路b和信号过零点检测电路依次电连接。

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