CN102759659A - 一种电力系统中电气信号谐波瞬时值的提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力系统中电气信号谐波瞬时值的提取方法，属于电力信号检测技术领域。本发明方法首先对电气信号进行采样，然后计算出采样值与上一工频周期响应采样值之差，同时计算出采样值与一中间变量的差，根据这两个值计算出新的中间变量，利用该中间变量便可以计算出不同谐波的瞬时值。本发明方法的优点是：计算量小，计算过程中仅需乘法和加减法；不需要特定的采样频率，便于应用；同时响应速度快，仅需一个工频周期便可以计算出变化后的谐波。

Description

一种电力系统中电气信号谐波瞬时值的提取方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统中电气信号谐波瞬时值的提取方法，属于电力信号检测技术领域。

背景技术

提取电力系统电气信号中的在电能质量的检测和改善方面具有非常重要的实际应用价值。

按照国家的相关标准，电网公司要为用户提供优质的电能，同时，用户要保正自己的用电质量满足要求。在诸多电能质量问题中，谐波是最为常见的电能质量问题。谐波问题又可分为电流谐波和电压谐波两个方面。电网中谐波的危害是十分严重的。谐波可以使电气设备过热、产生振动和噪声，降低电气设备的利用率，并加速绝缘材料的老化，甚至能够引发故障并损坏设备。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，致使谐波放大，造成电容器等设备的损坏，甚至会发生爆炸和火灾。谐波还会引起机电保护装置和自动装置的误动作，影响电能计量的精度，干扰通信设备和电子设备的正常工作。

谐波提取、检测的意义首先体现在对供电质量和用电质量的检测上。谐波的检测用来可以判断谐波来源以及是否满足国家相关标准，并使相关责任方承担相应的责任。谐波提取的意义主要体现在谐波补偿方面。传统的谐波补偿装置基于电感-电容（LC）调谐滤波器。该型滤波器的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，谐波被放大，甚至会导致严重的事故。目前，抑制谐波的主要趋势是采用有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）。有源电力滤波器是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流或电压，由补偿装置产生谐波电流或电压的反电流或电压抵消掉负荷产生的谐波电流或来自电网的谐波电压，从而提高用电质量和供电质量。

显见，谐波的提取是有源电力滤波器工作的基础，谐波提取的准确性和实时性从根本上决定了有源电力滤波器的补偿效果。现在常用的谐波提取算法有离散傅里叶变换（Discreet Fourier Transform，DFT）、快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）和在同步旋转域（dq坐标系）内采用低通滤波。离散傅里叶变换方法的主要缺陷在于计算量较大，在实际应用中往往难以实现。快速傅里叶变换的缺点在于其采样频率必须是工频的2n倍，这就在很大程度上限制了快速傅里叶变换的应用范围。在同步旋转域采用低通滤波器的缺点也是计算量大，在采样频率较高且需要提取较多次谐波成分时，该方法难以实现谐波的实时检测，往往利用若干个采样周期检测一次谐波的策略来减少每个采样周期的计算量，而且为了提高谐波提取的精度，往往降低其响应速度，从而会降低有源电力滤波器补偿的动态效果。

电网中常见的另外一个电能质量问题就是负荷无功功率。若负荷无功功率过大，不仅会导致系统供电电压偏低、造成额外的网损，甚至会诱发电压崩溃，造成大面积停电。静止同步补偿器（STATCOM）是一种新型的无功补偿设备，具有响应速度快、占地面积小等优点。在负载电流波形畸变的情况下，负载电流中基波瞬时值的提取对于静止同步补偿器具有重要的应用价值。基波可视为次数为1的谐波。通常情况下，静止同步补偿器仅补偿负荷的无功电流，即仅发出基波无功电流。但是某些负荷不仅吸收大量无功功率，同时还会产生大量的谐波电流，如电弧炉、电气化铁路等。在这些应用场合下，需要迅速、准确地提取出负荷电流的基波瞬时值，进而计算出负荷电流基波无功电流的瞬时值。因此，提高基波电流瞬时值的提取速度对提高静止无功发生器的动态性能具有重要意义。

发明内容

本发明目的是提出一种电力系统中电气信号谐波瞬时值的提取方法，以克服已有技术的缺点，减少谐波检测所需的计算量。

本发明提出的电力系统中电气信号谐波瞬时值的提取方法，包括以下各步骤：

（1）设在每个工频周期，对电力系统中的电气信号等间隔采样N个点，从采样点中待提取第i、k、…、h次谐波，其中i、k、…、h为大于0且小于N/2的整数，采集电力系统当前的电压信号或电流信号，记为x₀，记当前采样的第前一个采样值为x₁，依次类推，第前N个采样值为x_N，使x₁、…、x_N的初始值为0；

（2）设定一个增益系数K₁，K₁=2/N，计算中间变量a₁，a₁=K₁×(x₀－x_N)；

（3）设定一个增益系数K₂，K₂的取值范围为1×10^-7~1×10^-4，设定一个中间变量Y，使Y的初始值为0，计算中间变量a₂，a₂=K₂×(x₀－Y)；

（4）根据上述步骤（2）计算得到的a₁与上述步骤（3）计算得到的a₂，得到中间变量a₃，a₃=a₁+a₂；

（5）对于待提取的第i次谐波，设两个常数G_ci和G_si，其中G_ci＝cos(2iπ/N)，G_si＝sin(2iπ/N)，设两个中间变量v_i和w_i，使两个中间变量v_i和w_i的初始值均为0，通过计算得到第i次谐波的瞬时值y_i，y_i=a₃+v_i，计算y_i×G_ci－w_i×G_si得到新的v_i，计算y_i×G_si＋w_i×G_ci得到新的w_i；

（6）利用与步骤（5）相同的方法，计算第k、…、h次谐波的瞬时值y_k、…、y_h，并得到新的v_k、…、v_h和w_k、…、w_h；

（7）求上述步骤（5）和步骤（6）中新的v_i、v_k、…、v_h之和，并将该和赋值予中间变量Y；

（8）利用步骤（5）和（6）中的新的v_i、v_k、…、v_h，w_k、…、w_h以及步骤（7）得到的中间变量Y，重复上述步骤（1）～（7），实现对电力系统中电气信号谐波成分瞬时值的提取。

本发明提出的一种电力系统中电气信号谐波成分瞬时值的提取方法，其优点是：

1、本发明方法的计算量小，计算过程中所需的三角函数为固定值，可以离线求解，使得计算过程中只包含乘法和加减法，减小了计算过程中的计算量；单独提取某一次谐波信号仅需4+2次乘法运算，若要提取n次不同的谐波，共需4n+2次乘法计算。

2、本发明方法所需采样频率不受特定限制，便于应用，采样频率可以为工频的任意整数倍，但要大于被采样电气信号中最高次谐波频率的两倍。

3、本发明方法的响应速度快，动态过程仅需一个工频周期便可准确地计算出变化后的谐波。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是在幅值为1的基波上突然注入幅值为0.1的5次谐波和幅值为0.05的13次谐波的仿真结果。

具体实施方式

本发明提出的一种电力系统中电气信号谐波成分瞬时值的提取方法，其流程框图如图1所示，该方法包括以下各步骤：

（1）设在每个工频周期，对电力系统中的电气信号等间隔采样N个点，从采样点中待提取第i、k、…、h次谐波，其中i、k、…、h为大于0且小于N/2的整数，采集电力系统当前的电压信号或电流信号，记为x₀，记当前采样的第前一个采样值为x₁，依次类推，第前N个采样值为x_N，使x₁、…、x_N的初始值为0；

（2）设定一个增益系数K₁，K₁=2/N，计算中间变量a₁，a₁=K₁×(x₀－x_N)；

（3）设定一个增益系数K₂，K₂的取值范围为1×10^-7~1×10^-4，设定一个中间变量Y，使Y的初始值为0，计算中间变量a₂，a₂=K₂×(x₀－Y)；

（4）根据上述步骤（2）计算得到的a₁与上述步骤（3）计算得到的a₂，得到中间变量a₃，a₃=a₁+a₂；

（5）对于待提取的第i次谐波，设两个常数G_ci和G_si，其中G_ci＝cos(2iπ/N)，G_si＝sin(2iπ/N)，设两个中间变量v_i和w_i，使两个中间变量v_i和w_i的初始值均为0，通过计算得到第i次谐波的瞬时值y_i，y_i=a₃＋v_i，计算y_i×G_ci－w_i×G_si得到新的v_i，计算y_i×G_si＋w_i×G_ci得到新的w_i；

（6）利用与步骤（5）相同的方法，计算第k、…、h次谐波的瞬时值y_k、…、y_h，并得到新的v_k、…、v_h和w_k、…、w_h；

（7）求上述步骤（5）和步骤（6）中新的v_i、v_k、…、v_h之和，并将该和赋值予中间变量Y；

（8）利用步骤（5）和（6）中的新的v_i、v_k、…、v_h，w_k、…、w_h以及步骤（7）得到的中间变量Y，重复上述步骤（1）～（7），实现对电力系统中电气信号谐波成分瞬时值的提取。

图2为本发明的仿真结果，仿真中在20ms时刻，在原理幅值为1的正弦信号上突然加上幅值为0.1的5次谐波和幅值为0.05的13次谐波。从图2可知利用本发明方法可以准确迅速地提取出谐波信号的瞬时值。

Claims (1)

1.一种电力系统中电气信号谐波瞬时值的提取方法，其特征在于该方法包括以下各步骤：

（1）设在每个工频周期，对电力系统中的电气信号等间隔采样N个点，从采样点中待提取第i、k、…、h次谐波，其中i、k、…、h为大于0且小于N/2的整数，采集电力系统当前的电压信号或电流信号，记为x₀，记当前采样的第前一个采样值为x₁，依次类推，第前N个采样值为x_N，使x₁、…、x_N的初始值为0；

（2）设定一个增益系数K₁，K₁=2/N，计算中间变量a₁，a₁=K₁×(x₀－x_N)；

（3）设定一个增益系数K₂，K₂的取值范围为1×10^-7~1×10^-4，设定一个中间变量Y，使Y的初始值为0，计算中间变量a₂，a₂=K₂×(x₀－Y)；

（4）根据上述步骤（2）计算得到的a₁与上述步骤（3）计算得到的a₂，得到中间变量a₃，a₃=a₁+a₂；

（5）对于待提取的第i次谐波，设两个常数G_ci和G_si，其中G_ci＝cos(2iπ/N)，G_si＝sin(2iπ/N)，设两个中间变量v_i和w_i，使两个中间变量v_i和w_i的初始值均为0，通过计算得到第i次谐波的瞬时值y_i，y_i=a₃＋v_i，计算y_i×G_ci－w_i×G_si得到新的v_i，计算y_i×G_si＋w_i×G_ci得到新的w_i；

（6）利用与步骤（5）相同的方法，计算第k、…、h次谐波的瞬时值y_k、…、y_h，并得到新的v_k、…、v_h和w_k、…、w_h；

（7）求上述步骤（5）和步骤（6）中新的v_i、v_k、…、v_h之和，并将该和赋值予中间变量Y；

（8）利用步骤（5）和（6）中的新的v_i、v_k、…、v_h，w_k、…、w_h以及步骤（7）得到的中间变量Y，重复上述步骤（1）～（7），实现对电力系统中电气信号谐波成分瞬时值的提取。

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