CN103229062B

CN103229062B - 总谐波失真的测量方法

Info

Publication number: CN103229062B
Application number: CN201180057491.8A
Authority: CN
Inventors: 库尔特·H·科普利; 多诺万·尤金·维尔克森
Original assignee: Schneider Electric USA Inc
Current assignee: Schneider Electric USA Inc
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: WO2012044975A1; CN103229062A; US20120081104A1; US8680842B2

Abstract

一种测量配电系统中的总谐波失真的方法。配电系统被定期地采样，以产生一组数据。通过使用窄带滤波算法对数据进行滤波，以测量在基波和其他谐波频率中的能量。由于滤波，谐波频率中的能量可以在没有来自宽带噪声的干扰的情况下被测量，这提供了在较低的电流或电压电平下对于总谐波失真的测量的改善。提供了一种方法，以对在多通过配置中的被识别的频率的能量求和，使得只有所有被监控的频率的子集被滤波并在每个通过时被汇总，平衡在随后的通过中被滤波和测量。在所有子集被测量后，计算总谐波失真。

Description

总谐波失真的测量方法

技术领域

本公开内容通常涉及配电系统中的总谐波失真的测量，并且更特别的，涉及使用频谱被滤波的成分估计配电系统中的总谐波失真的多通过方法。

背景技术

具有基频的信号的总谐波失真（THD）是存在于基频中的特定的谐波中的能量的总量相对于基频中的能量的量。基频的谐波是基频的整数倍。THD通常通过确定两个量来估计：宽带频谱中的能量和存在于基频处的能量。当信号为相对于任何宽带背景噪声为强的，这种估计技术对某些应用是足够的。在宽带频谱中的能量估计可通过对感兴趣的信号的测量值的时间序列集采取快速傅立叶变换（FFT）以及对于FFT中的每个由此得到的二进制序列进行平方求和来获得。即，THD通常根据表达式1来估计。

[表达式1]

THD=（（宽带²–H₁ ²）^1/2）/H₁）×100％

在表达式1中，宽带²包括谐波含量和非谐波含量（宽带噪声）。H₁ ²的值是信号在基频（也被称为一次谐波）处的能量。当信号为相对于背景噪声很强时，表达式1在估计信号中的THD时效果很好，因为对于宽带²的主要贡献来自于基频的谐波频率。在表达式1中，从宽带²中减去H₁ ²以使在基频的其它谐波中的能量的估计成为分子，虽然其不希望还包括来自宽带噪声的能量。在相对于宽带背景噪声（非谐波含量）为低的信号水平上，表达式1提供了用于估计真正的THD的不是很好的方法，因为对宽带²的显著的贡献是来自宽带背景噪声。在相对于宽带背景噪声为低的信号水平上，在表达式1的右手侧的分子是基频的其它谐波中的能量的较差估计，以及因此表达式1提供了THD的较差估计。在具有拥有基频的电压或电流的交流（AC）电路中，低电流水平可能提供相对于背景的宽带噪声并不大的信号。因此，很难准确地测量在低电流水平上的AC电路中的THD。例如，难以准确地测量在功率计中在低于功率计的标称电流水平的20%的电流水平处的THD。在宽带噪声通常保持不变时，THD中的误差随着电流减小而增加。

在配电系统中的总谐波失真（THD）的测量是所期望的，因为多种电器件及设备对于所供给的电流或电压的谐波含量是敏感的。非线性的电负载例如荧光灯照明中使用的电子镇流器、以及依赖于整流器来创建直流电流以操作内部电路的电子组件，通常增加了在配电系统中的THD，因为非线性负载不均匀地抽取电流，而是在抽取和不抽取电流之间快速切换，以便实现直流整流。在配电系统中的谐波含量也可以被配电系统的电抗或来自连接到配电系统的组件的电抗放大。

配电系统中的高THD值可以在配电系统自身上以及在连接到其的任何电子产品上具有有害影响。例如，在配电系统的电流中的高THD值可能会导致中性线上抽取过量的电流。在另外的示例中，在配电系统的电压中的高THD值可能会导致过度的、且具有潜在的破坏性的电压被施加到连接到配电系统的组件。在配电系统中，安装有三条供电线，每条线具有电流和电压的波形，且在每条线上的波形相对于其它线具有120度的相位偏移，基频的三次谐波是特别感兴趣的。三次谐波是基频的3倍的奇数整数倍的那些谐波。在三线配电系统中，三次谐波是特别感兴趣的，因为三条不同的线的120度的相位偏移导致附加了三次谐波。因此，对于基频为60赫兹的配电系统，第一个三次谐波在180赫兹处，以及等等。对于基频为50赫兹的配电系统，第一个三次谐波为150赫兹，以及等等。

此外，准确确定THD可能会在配电系统以外的其中模拟信号要求被监控的其它配电系统的应用中被感兴趣。例如，音频系统被设计成满足THD公差，以便改善声音质量且可能减少反馈。

发明内容

提供了用于确定具有基频的信号的总谐波失真（THD）的方法。在本公开内容的实现中，可以通过测量信号以形成一组测量值，然后使用施加于感兴趣的频率处（即基频和谐波频率）的被测量信号的窄带滤波算法来分析该组测量值，从而确定THD。在配置中，窄带滤波算法可以是Goertzel算法。所选择的窄带算法可以有利地具有被调节的频率响应，使得该频率响应的峰值的中心为感兴趣的频率，或包含感兴趣的频率。在实现中，响应于每个感兴趣的频率的窄带算法可以被施加到该组测量值。特征频带定义了对于算法是最敏感的范围。在示例性配置中，窄带滤波算法的特征频带可以具有0.5和5赫兹之间的频率范围。

另外，窄带滤波器的频率响应可以根据数字信号处理领域中可用的方法进行调节。滤波算法的频率响应可以有选择地被调节以在给定特定实现的要求和性能的情况下实现期望的结果。例如，该组测量值可以在应用窄带滤波算法之前被加权，以使得边带中的算法的频率响应最小化，或以其他方式对算法的频率响应进行整形或调节。

通过窄带滤波算法分析该组测量值改进了确定THD的效率和准确性。当信号相对于宽带背景噪声很低时，通过例如Goertzel算法对该组测量值进行滤波，宽带背景噪声被滤除，且THD的确定比传统方法更精确。本公开内容的实现使用的窄带滤波算法为具有由1赫兹频带为特征的频率响应的Goertzel算法。通过Goertzel算法分析该组测量值允许配置比传统的快速傅立叶变换（FFT）使用更少的存储器。随着测量样本的取得，Goertzel算法可以被迭代执行。另一方面，在算法开始之前，FFT需要一组完整的测量样本被存储在存储器中。Goertzel算法还比传统的单频离散傅立叶变换（DFT）或比传统的FFT需要更少的计算。Goertzel算法通过对于该组测量值中的每个测量值执行单一的乘法和加法运算来操作，并可随着该组测量值的取得而被施加到该组测量值，因此消除了对整组测量值同时存储在存储器中的需求。另外，Goertzel算法不依赖于为2的幂的一组测量值样本的数量。虽然本公开内容的实现可以参照Goertzel算法的应用被描述，但本公开内容并不局限于此，并适用于利用包括DFT的任何窄带滤波算法的类似方法。

一个或多个实现根据多通过方法提供了确定THD的方法。在利用多通过方法的配置中，在一组被识别的频率处被测量的信号的幅度在子集中被确定。信号的THD以例如每秒一次的基本速率被确定。在每个所识别的频率处被测量的信号的幅度可以以低于基本速率的速率被确定。例如，在配置中，被测量的信号在所识别的频率的一半处的幅度可以每隔一秒被确定，而其余的幅度在介于中间的秒中被计算。因为所识别的频率的整组幅度在由本发明的一个或多个实施方案所提供的方法的多次通过之后被确定，该方法可以被认为是多通过方法。根据本公开内容的一个或多个实现，可以使用比同时计算感兴趣的每个被识别的频率的成分所需要的计算能力更小的计算能力来确定信号的THD，因为所提供的方法的任何一个循环或通过期间，只有一个幅度子集被确定。

本发明提供了一种用于估计交流AC电路中的总谐波失真的方法，所述交流AC电路接收具有基频的电流或电压，所述方法包括：

测量由所述AC电路接收的电流或电压，以产生一组测量值；

通过确定在被测量的电流或电压的谐波频率处被测量的电流的幅度或被测量的电压的幅度，对所述一组测量值进行滤波，其中所述谐波频率是所述基频的整数倍；

根据包括所确定的幅度的函数，计算所述总谐波失真；以及

将所述总谐波失真存储在存储器中。

其中所述确定可以通过将离散傅立叶变换或窄带算法施加到所述一组测量值而执行，所述离散傅立叶变换或窄带算法可具有包括所述谐波频率的频率响应。

其中所述确定可以通过将Goertzel算法施加到所述一组测量值而执行，所述Goertzel算法可具有包括所述谐波频率的频率响应。

其中所述频率响应的中心可位于所述谐波频率。

其中所述频率响应可以以不超过1赫兹的频带为特征。

其中所述谐波频率可以是多个谐波频率。

其中对电流或电压的测量可持续所述基频的60个周期。

其中对电流或电压的测量可持续所述基频的50个周期。

所述方法还可包括：测量由所述AC电路接收的电流或电压，以产生后续的一组测量值；通过确定在被测量的电流或电压的其它谐波频率处被测量的电流的幅度或被测量的电压的幅度，对所述后续的一组测量值进行滤波，其中所述其它谐波频率可以是所述基频的整数倍；根据包括与所述其它谐波频率相关的被确定的幅度的函数，更新所述总谐波失真；以及将所更新的总谐波失真存储在所述存储器中。

其中所述其它谐波频率可不同于所述谐波频率。

其中所述更新所述总谐波失真可以根据包括与所述其它谐波频率相关的所述被确定的幅度的函数而执行。

其中所述谐波频率可以是多个频率，所述多个频率可包括所述基频的奇数倍，并且其中所述其它谐波频率可以是其它多个频率，所述其它多个频率可包括所述基频的偶数倍。

本发明还提供了一种用于估计交流AC电路中的总谐波失真的方法，所述交流AC电路接收具有基频的电流或电压，所述方法包括：

测量由所述AC电路接收的电流或电压，以产生第一组测量值；

通过确定在被测量的电流或电压的第一组谐波频率处被测量的电流的第一组幅度或被测量的电压的第一组幅度，对所述第一组测量值进行滤波，其中所述第一组谐波频率包括所述基频的整数倍；

将被确定的第一组幅度存储在存储器中；

测量由所述AC电路接收的电流或电压，以产生第二组测量值；

通过确定在被测量的电流或电压的第二组谐波频率处被测量的电流的第二组幅度或被测量的电压的第二组幅度，对所述第二组测量值进行滤波，其中所述第二组谐波频率包括所述基频的整数倍；

将被确定的第二组幅度存储在所述存储器中；以及

根据包括至少一些在被确定的第一组幅度中的幅度和在被确定的第二组幅度中的幅度的函数，计算总谐波失真。

其中确定所述第一组幅度可通过将Goertzel算法施加到所述第一组测量值而执行，至少一些所述Goertzel算法可具有包括在所述第一组谐波频率中的频率之一的频率响应，以及其中确定所述第二组幅度可通过将Goertzel算法施加到所述第二组测量值而执行，至少一些所述Goertzel算法可具有包括在所述第二组谐波频率中的频率之一的频率响应。

其中确定第一组幅度可通过将Goertzel算法施加到所述第一组测量值而执行，至少一些所述Goertzel算法可具有中心位于所述第一组谐波频率中的频率之一上的频率响应，以及其中确定第二组幅度可通过将Goertzel算法施加到所述第二组测量值而执行，至少一些所述Goertzel算法可具有中心位于所述第二组谐波频率中的频率之一上的频率响应。

其中所述第一组谐波频率可包括所述基频的奇数倍，以及其中所述第二组谐波频率可包括所述基频的偶数倍。

所述的方法还可包括：响应于对所述第二组测量值进行滤波：测量所述AC电路的电压或电流，以产生第三组测量值；通过确定在第三组谐波频率处被测量的电流的第三组幅度或被测量的电压的第三组幅度，对所述第三组测量值进行滤波，其中所述第三组谐波频率可包括所述基频的整数倍；将被确定的第三组幅度存储在所述存储器中；以及通过根据包括被确定的第三组幅度中的至少一些幅度的函数计算新的值来更新所述总谐波失真，并将更新的总谐波失真的值存储在所述存储器中。

其中存储所述第三组幅度可通过将预先存储在所述存储器中的所述第一组幅度替换为所述第三组幅度而执行。

其中所述第三组谐波频率可包括与所述第一组频率中的一频率相同的至少一个频率。

其中所述第三组谐波频率可以为所述第一组谐波频率。

鉴于各种实施方案和/或方面的详细描述，本公开内容的上述及额外的方面和实现对于那些在本技术领域的普通技术人员将是明显的，所述各种实施方案和/或方面将参照附图进行，在下面提供其简要的描述。

附图说明

本公开内容的上述和其它的优点将在阅读下面的详细描述和参考附图后变得显而易见。

图1是详细说明了用于利用滤波器来确定信号的谐波含量以确定信号的总谐波失真（THD）的序列的流程图的图示。

图2示出了详细说明了用于确定THD同时计算在每个通过中来自单组测量值的被测试的信号在多个谐波频率处的幅度的序列的流程图。

图3示出了详细说明了用于总谐波失真的每三次更新后根据计算感兴趣的各谐波频率和基频的成分的多通过方法来确定和更新THD的序列的流程图。

图4示出了详细说明了根据在基频上零盲区(zeroblind)且计算在THD的每个更新之间感兴趣的谐波的一半的多通过方法，用于确定和更新THD的序列的流程图。

图5示出了详细说明了根据在基频上零盲区且在奇次谐波和偶次谐波之间交替的多通过方法，用于确定和更新THD的序列的流程图。

具体实施方式

图1是详细说明了用于确定交流（AC）电路中的电流或电压的总谐波失真（THD）的示例性序列的流程图100的图示。在实施方案中，在流程图100中所示的方法可能是有用的，例如，如果在电能计量系统中实现，以检测在配电系统中的电流或电压的THD。此外，由流程图100被示出的该方法可在如下实例中被使用：其中具有基频的信号的THD寻求被确定。流程图100包括第一块或模块110、第二块120、第三块130、第四块140，和第五块150。在第一块110中，从信号收集一组测量值。在第二块120中，谐波频率被识别。在第三块130中，在识别的谐波频率处的信号的成分通过对所收集的样本进行滤波并仅检查所识别的谐波频率处的信号的成分的Goertzel算法或其它方法的操作被确定。在第四块140中，信号在所识别的谐波频率处的幅度被保存到存储器中。在第五块150中，根据包括保存的幅度的函数来计算THD。

在第一块110中，收集一组测量值。在第一块110中被收集的测量值可包括电力输送系统的线中的电流，或在电力输送系统中的两条供电线之间的电压电势，或在电力输送系统中的供电线和中性线或其它基准线的之间的电压电势。在一个示例配置中，可以根据奈奎斯特定理的限制，以足够实现感兴趣的频率的检查的速率进行测量。例如，可以可选地以基频的每个周期32次采样的速率进行测量，使得在基频为60赫兹时，以每秒1920次采样的速率进行测量，以及当基频在50赫兹时，以每秒1600次的采样的速率进行测量。可以任选地在一个实现中使用基频的每个周期的其它测量速率。在第二块120中识别的感兴趣的频率可以是AC电路的基频或基频的整数倍。在示例性配置中，AC电路的基频可以是60赫兹或50赫兹，以及在第二块120中所识别的频率可以是60赫兹或50赫兹的整数倍。

在第三块130期间，该组测量值被分析，以确定在第二块120中在所识别的谐波频率处的信号的成分。可以通过对该组测量值施加Goertzel算法来实现第三块130。Goertzel算法有利地使得实现分析该组测量值，而不将在第一块110中采集的整组测量值同时存储在存储器中。相反，可以例如通过仅将最近测量的样本在任何给定的时间存储在存储器中来实现第3块130。此外，Goertzel算法可用于计算能力受限的配置中。Goertzel算法允许利用比在离散傅立叶变换（DFT）或快速傅立叶变换（FFT）中采取的更少的计算操作来确定测得的信号在所识别的频率处的成分。在示例性的配置中，可以通过在该组测量值中在每个样本上执行一个乘法运算和一个或两个加法运算来实现Goertzel算法。第三块130中确定的信号的谐波含量可以是在被识别的频率下测得的信号的幅度，并且被识别的频率可以是基频的谐波频率。

在图1中所示的流程图100的第四块140中，在第三块130中确定的幅度被存储在存储器中。在第五块150中，根据包括存储在第四块140中的幅度的函数计算THD。THD可以根据表达式2被计算：

[表达式2]

THD²=((H₂ ²+H₃ ²+...)/H₁ ²)

表达式2中，H₂和H₃分别是被测量的信号在第二和第三被识别的谐波频率处的幅度，H₁是被测量的信号在基频处的幅度。表达式2中的省略号表示了所测得的信号在额外被识别的谐波频率处的幅度可任选地被包括在除了明确地包括在表达式2中的两项之外的分子中。例如，THD的估计可以可选地根据表达式2，仅使用在分子中单一的被识别的谐波频率被估计。可选地，可以根据表达式2描述的函数来计算THD，在表达式2中，分子中的H₁是总信号的幅度而不是信号在基频处的幅度。根据表达式2确定THD的准确性通过仅包括被测量的信号在额外被识别的谐波频率处的幅度被改善。

在配置中，被测量的信号在额外的谐波频率处的幅度是通过重复流程图100的第一块110到第四块140而被测量，同时在第二块120的每个重复中识别不同的谐波频率，并分别将所确定的幅度存储在第四块140中，使得所确定的幅度可用于在第五块150期间根据表达式2的确定。可选择地，被测量的信号在多个被识别的谐波频率处的幅度可以根据在图2中所示出的流程图200从单个的一组测量值来确定。

现在转到图2，其示出了流程图200，所述流程图200详细说明了用于确定THD同时计算在每个通过中来自单组测量值的所测得的被测试的信号在多个谐波频率处的幅度的示例性序列。流程图200包括收集一组测量值的第一块110。图2中示出的流程图200还包括第二块220、第一确定230、第二确定232和最后确定234、第四块240和第五块250。第二块220相似于来自图1中示出的流程图100的第二块120，除了在第二块220中识别了多个谐波频率而不是只识别了一个谐波频率。第二块220中识别的多个谐波频率可以被认为是一组谐波频率。在配置中，在第二块220中识别的该组谐波频率的每个可以是在第一块110中被测量的AC电路中的电压或电流的基波频率的整数倍。

流程图200包括确定被测量的信号在第二块220中所识别的一组谐波频率中的每个处的幅度。在流程图200中示出的是由第一确定230、第二确定232和最后确定234所实现的幅度的确定。在示例中，被测量的信号的幅度被发现与在第二块220中识别的每个谐波频率相对应，以及因此，被测量的信号的多个幅度被确定，其中，多个幅度中的每一个对应于在第二块220中所识别的一组谐波频率中的一个。多个幅度可以被考虑为一组幅度。在第一确定230中，将具有被调到第一谐波频率的频率响应的Goertzel算法施加到一组测量值，以及确定被测量的信号在第一被识别的谐波频率处的幅度。类似于示于图1中的流程图100中的第三块130，可以根据在数字信号处理领域中可用的方法可选地调节Goertzel算法或类似算法的频率响应。被施加到第一确定230中的一组测量值的Goertzel算法的频率响应可以具有特征频带，其包括第一被识别的谐波频率，以及其定义了0.5赫兹和5赫兹之间的频率范围。例如，在第一确定230中所选择的算法的频率响应的特征频带可以可选地不超过1赫兹。

在配置中，一组测量值被滤波，以当具有被调到第一被识别的谐波频率的频率响应的Goertzel算法或类似的窄带滤波算法被施加到一组测量值时，仅检查被测量的信号在第一被识别的谐波频率处的成分。第二确定232和最后确定234类似于第一确定230，除了在第二确定232中确定被测量的信号在第二被识别的谐波频率处的幅度，以及在最后确定234中确定被测量的信号在被识别的谐波频率组中的最后被识别的谐波频率处的幅度。第一被识别的谐波频率的幅度可以被称为H_a；第二被识别的谐波频率的幅度可以被称为H_b；最后被识别的谐波频率的幅度可以被称为H_n，其中n是在第二块220中所识别的谐波频率的数量。

在实现中，第一确定230、第二确定232、以及任何额外的确定、直到最后确定234在第一块110中所收集的测量值的相同组上被执行。例如，与在图1中示出的流程图100相反，没有必要重复在第一块110中的测量集合以便确定被测量的信号在多个被识别的谐波频率处的幅度。在配置中，流程图200可以包括确定被测量的信号在五个被识别的谐波频率处的五个幅度，或确定被测量的信号在七个被识别的谐波频率处的七个幅度。

在图2中所示的流程图200的第四块240中，在第三块中确定的幅度被存储在存储器中。在第五块250中，THD可以根据包括存储在第四块240中的幅度的函数被计算。通过根据表达式2，通过使表达式2的右侧的分子为保存在第四块240中的每个幅度的平方的总和来计算THD，可以实现第五块。然后通过对表达式两侧取平方根来找到THD。

在图1中示出的流程图100的第三块130中，或在图2中示出的流程图200的确定块（230、232、234）中，Goertzel算法可能被替换为用于检查信号在特定的被识别的频率处的成分的另外的合适的窄带算法。例如，离散傅立叶变换（DFT）可以被用于计算被测量的信号在第二块120中被识别的谐波频率处的幅度。第三块130中使用的Goertzel算法或其它合适的窄带算法有利地具有被调到在第二块120中被识别的谐波频率的频率响应。在实施方案中，Goertzel算法的频率响应可以由中心在第二块120中被识别的谐波频率处的峰值所描述。可选的是，Goertzel算法的频率响应可以由包括在第二块120中被识别的谐波频率的峰值所描述。在第三块130中被施加的Goertzel算法的频率响应的峰值可以被描述为具有定义了其中算法是最敏感的范围的特征频带。在示例性配置中，例如，Goertzel算法的特征频带可能具有0.5赫兹到5赫兹的频率范围。在配置中，在第三块130中被施加的Goertzel算法的特征频带不超过1赫兹。窄带滤波算法的特征频带可以部分地由在第一块110中收集的测量值的数量和在第一块110中收集测量值的速率所确定。例如，一组测量值可以在施加Goertzel算法或类似算法之前被加权，以便最小化所选择的算法在边带中的频率响应，或以其他方式整形或调节算法的频率响应。

图3、4和5提供了在图2中示出的流程图200中示出的方法的示例，其中15个谐波频率已被识别出，以及15个谐波频率被发现是由基频乘以1到15的整数倍。然而，如上所述，本公开内容的实现并不限于只检查十五个被识别的谐波频率。此外，本公开内容的各个方面，可以选择性地利用被发现为由基频乘以不连续的整数而形成的谐波频率。图3、4和5每个也分别提供表示根据将在下面讨论的多通过方法确定信号的THD的方法的流程图（300、400、500）。

现在转到图3，示出了示例性的流程图300，其中详细介绍了用于THD的每三次更新后根据计算感兴趣的每个谐波和基频的成分的多通过方法确定和更新THD的序列。图3中示出的流程图300包括测量块305、第一通过块310、第二通过块320、第三通过块330、确定块340和更新块350。在测量块305中，类似于图1中示出的流程图100的第一块110，信号被测量以收集一组测量值。测量块305中收集的测量值可以是交流（AC）电路中的电压或电流。第一通过块310类似于在图2中示出的流程图200中所示的第二块220、第三块和第四块240的组合。在第一通过块310中，一组测量值被分析以确定被测量的信号在一次的四个被识别的谐波处和在基频处的幅度。被测量的信号在第一通过块310中在感兴趣的被识别的频率处的幅度的确定类似于图1中示出的流程图100中的第三块130而被实现。

在操作中，第一通过块310可以被实现为在测量块305中收集一组测量值。通过将具有对应于基频和一次的四个被识别的谐波频率的频率响应的Goertzel算法施加到在测量块305中收集的一组测量值来实现第一通过块310。Goertzel算法可以在整组测量值被收集之前可选地开始被计算。在第一通过块310中施加的Goertzel算法可以可选地通过少至仅一次的测量值而开始被计算。虽然流程图300示出了测量块305出现在第一通过块310之前，在配置中，可以在测量块305中一组测量值仍正在被收集的同时进行在第一通过块310中进行的一些计算。

确定块340确定THD的值，并且确定块340以与图2中示出的流程图200中的第五块250类似的方式被实现。确定块340通过根据表达式2评估THD而被实现。在配置中，在跟随第一通过块310的确定块340中确定的THD的值仅基于被测量的信号在一次的四个谐波的频率处的幅度和被测量的信号在基频处的幅度被确定。在报告THD块350中，在确定块340中计算的THD的值可以可选地被报告到监控器。例如，在其中希望定期监控配电系统的THD的示例性配置中，通过传递在确定块340中确定的THD的值来实现报告THD块350。

跟随着更新块350，流程图300的第一通过被完成，以及流程图300的第二通过被启动。测量块305被重复以启动流程图300的第二通过。在第二通过期间，被测量的信号在二次的五个被识别的谐波频率处的幅度在第二通过块320中被确定。第二通过块320类似于第一通过块310，不同的是确定被测量的信号在二次的五个被识别的谐波频率处的幅度，而不是确定信号在基频处和在一次的四个谐波频率处的幅度。在第二通过块320的期间，通过施加其频率响应的峰值在二次的五个谐波频率处或附近的Goertzel算法，来分析一组测量值。一旦被测量的信号在二次的五个被识别的谐波频率处的幅度被确定，并被存储在第二通过块320中，确定块340被再次实施。在流程图300第二通过期间，基于所保存的、在第一通过块310中确定的被测量的信号在基频处的幅度和所存储的、在第一通过块310中和第二通过块320中确定的被测量的信号在一次的九个谐波频率处的幅度，根据表达式2实现确定块340。因此，在第二通过期间在确定块340中计算的THD的值比在第一通过期间在确定块340中计算的THD的值是THD的更好的估计，因为在第二通过期间，存在更多的被存储的幅度来包括在表达式2的评估中。

跟随第二通过中的确定块340，报告THD块350报告最近计算出的THD的值，并通过再次重复测量块305启动第三通过。在第三通过期间，在第三通过块330中确定被测量的信号在三次的五个被识别的谐波频率处的幅度。第三通过块330类似于第二通过块320，除了确定被测量的信号在三次的五个被识别的谐波频率处的幅度，而不是确定信号在二次的五个被识别的谐波频率处的幅度。在第三通过块330期间，通过施加其频率响应的峰值在或接近三次的五个被识别的谐波频率中的每一个的Goertzel算法，来分析一组测量值的组。第三通过块330中所确定的幅度被存储在存储器中，以完成第三通过块330。跟随着第三通过块330，再次执行确定块340。在第三通过期间，确定块340计算比在第一通过或第二通过期间所计算的THD更精确的估计值，因为在第三通过期间，存在所保存的、信号在十四个不同的被识别的谐波频率处和在基频处的幅值，其比在第一通过期间或第二通过期间可获得的更多。确定块340使用在流程图300的三个不同的通过期间确定的和存储的幅度，根据表达式2，评估THD。在第三通过中，例如，确定块340基于以下项，根据表达式2，来确定THD：一次的四个幅度和基波，其在第一通过期间由第一组收集的测量值被计算并被保存；二次的五个幅度，其在第二通过期间由第二组测量值被计算并被保存；以及三次的五个幅度，其在第三通过期间由第三组测量值被计算并被保存。跟随着确定块340，报告THD块350被完成以完成第三通过。

跟随报告THD块350以完成第三通过，通过在测量块305中收集新的一组测量值来启动第四通过。跟随测量块305，再次执行第一通过块310。在实现中，如在流程图300中由指向第一通过块310的箭头上面的文字所示出的，由第一、第四、第七通过开始的每三次通过，执行第一通过块310。在实现中，被测量的信号在基频处的幅度和信号在一次的四个被识别的谐波频率处的幅度通过替换在第一通过期间被保存在存储器中的幅度，在第四通过期间被存储在存储器中。可选的是，在第四通过期间被存储的幅度不能替换在第一通过期间被保存的幅度，而仅仅是被存储，同时保留先前被存储在存储器中的幅度。在流程图300的第四通过期间，然后使用最近存储的幅度执行确定块340，最近存储的幅度包括被测量的信号在基频和一次的四个被识别的谐波频率处的新的幅度。类似地，如指向第二通过块320的箭头上方的文字所指示的，由第二、第五和第八通过开始的每三次通过，重复第二通过块320。如指向第三通过块330的箭头上方的文字所指示的，由第三、第六和第九通过开始的每三次通过，重复第三通过块330。

当例如没有足够的计算能力来计算被测量的信号在单独的通过期间在所有感兴趣的频率处的幅度时，根据由流程图300中示出的方法计算THD可以提供计算益处。在实现中，图3中的流程图300所示的方法允许计算在测量值的每个收集期间被测量的信号在感兴趣的谐波频率的子集处的幅度，并从而允许以比确定和更新所有幅度的速率更高的速率来确定和更新THD。由流程图300所示的方法可被称为确定和更新THD的多通过方法，因为需要流程图300的多个通过来基于所有的15个感兴趣的幅度来形成THD的确定。

图4示出了流程图400，所述流程图400详细说明了根据在基频上零盲区且计算在THD的每个更新之间感兴趣的谐波的一半的多通过方法，用于确定和更新THD的序列。流程图400提供了根据在图4中所示的流程图300用于确定和更新THD的多通过方法的变体的图示。流程图400包括测量块305、第一通过块410、第二通过块420、每个通过块415、确定块340、和报告THD块350。在流程图400所示的方法的操作中，测量块305被启动。在流程图400中的测量块305类似于流程图300中的测量块305。

跟随测量块305，第一通过块410和每个通过块415被实现。在第一通过块410期间，通过将Goertzel算法施加到具有峰值位于或接近第一组谐波频率中的每个频率的频率响应的第一组测量值，确定被测量的信号在第一组谐波频率处的幅度。在示例性的配置中，第一组谐波频率是通过由基频乘以整数2到8而得到的频率，以及由此得到的谐波频率组可以被称为二次到八次的谐波频率。同样，被测量的信号在二次到八次的谐波频率处的幅度可以被称为第二至第八幅度。如在流程图400上指向第一通过块410的箭头之上的文本所示出的，第一通过块410在流程图400的随后的奇数通过期间被重复。

在第二通过块420期间，通过将Goertzel算法施加到具有峰值位于或接近第二组的谐波频率中的每个频率的频率响应的一组测量值，确定被测量的信号在第二组谐波频率处的幅度。在示例性的配置中，第二组谐波频率是通过由基频乘以整数9到15而得到的频率，以及由此得到的谐波频率组可以被称为九次到十五次的谐波频率。同样，九次到十五次的谐波频率的幅度可以被称为第九到第十五幅度。如在流程图400上指向第二通过块420的箭头之上的文本所示出的，第二通过块420在流程图400的随后的偶数通过期间被重复。

在流程图400的第一通过以及后续的奇数通过期间，每个通过块415与第一通过块410被同时完成。同样地，在流程图400的第二通过和随后的偶数通过期间，每个通过块415与第二通过块420被同时完成。通过将Goertzel算法或其它的窄带滤波算法施加到一组测量值来确定被测量的信号在基频处的幅度，来执行每个通过块415。每个通过块415中被施加到一组测量值的算法有利地具有峰值位于或接近基频的频率响应。在配置中，图4中示出的流程图400所示出的方法允许在每个确定块340之前确定被测量的信号在基频处的幅度。因为被测量的信号在基频处的幅度在流程图400的每个通过期间被测量，流程图400所示的方法可被称为关于被测量的信号在基频处的幅度的变化的零盲区。

图5示出了流程图500，所述流程图500详细说明了根据在基频上零盲区并在奇次谐波和偶次谐波之间交替的多通过方法，用于确定和更新THD的序列。流程图500类似于流程图400，除了来自流程图400的第一通过块410被替换为奇数通过块510，以及来自流程图400的第二通过块420被替换为偶数通过块520。奇数通过块510与第一通过块410不同的是，通过确定被测量的信号在奇次谐波频率处的幅度而不是二次到八次谐波频率处的幅度来实现奇数通过块510。在奇数通过块510中考虑的奇次谐波是通过由基频乘以大于1的奇整数而得到的频率。例如，基频为60赫兹时，最初的几个奇次谐波频率是：180赫兹、300赫兹、420赫兹、540赫兹等等。同样地，偶数通过块520类似于来自流程图400的第二通过块420，除了通过确定被测量的信号在偶次谐波频率处的幅度而不是通过九次到十五次谐波频率处的幅度，来实现偶数通过块520。在偶数通过块520中考虑的偶次谐波频率是通过由基频乘以大于零的偶整数而得到的频率。例如，基波频率为60赫兹时，最初的几个偶次谐波频率是：120赫兹、240赫兹、360赫兹、480赫兹等等。

提供了一种方法，以允许比常规方法所允许的更高效地计算具有基频的信号中的总谐波失真（THD）。提供了一种方法，以提供比常规方法所允许的使用更少的计算资源和使用更少的存储资源来计算信号的THD。提供了一种方法，以通过确定信号在被识别的谐波频率处的成分同时滤除宽带背景噪声，来更精确地计算被测量的信号的THD。本文所公开的算法和方法可以计算出信号电流低至50毫安的AC电路中的具有0.7％或更好的精度的THD的计算，而常规方法确定THD通常产生较大误差。

尽管上述图示的例子已经结合用于在AC电路中监控THD的方法被描述，但本公开内容的各个方面可以被应用在任何期望监控具有基频的信号的谐波含量且特别是THD的场合。

虽然已经示出和描述了本公开内容的特别的实现和应用，但是应当理解，本公开内容不局限于本文所公开的精确结构和组合，以及在不背离所附权利要求中所定义的本发明的精神和范围的情况下，根据前述的描述，各种修改、变化和变体可以是明显的。

Claims

1.一种用于估计交流(AC)电路中的总谐波失真的方法，所述交流(AC)电路接收具有基频的电流或电压，所述方法包括：

测量由所述交流(AC)电路接收的电流或电压，以产生一组测量值；

通过确定在被测量的电流或电压的谐波频率处被测量的电流的幅度或被测量的电压的幅度，对所述一组测量值进行滤波，其中所述谐波频率是所述基频的整数倍，其中所述确定通过将窄带算法施加到所述一组测量值而执行，所述窄带算法具有包括所述谐波频率的频率响应，其中所述频率响应以不超过一赫兹的频带为特征；

根据包括所确定的幅度的函数，计算所述总谐波失真；以及

将所述总谐波失真存储在存储器中。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述窄带算法是离散傅立叶变换，所述离散傅立叶变换具有包括所述谐波频率的频率响应。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述窄带算法是Goertzel算法，所述Goertzel算法具有包括所述谐波频率的频率响应。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述频率响应的中心位于所述谐波频率。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述谐波频率是多个谐波频率。

6.如权利要求1所述的方法，其中对电流或电压的测量持续所述基频的60个周期。

7.如权利要求1所述的方法，其中对电流或电压的测量持续所述基频的50个周期。

8.如权利要求1所述的方法，还包括：

测量由所述交流(AC)电路接收的电流或电压，以产生后续的一组测量值；

通过确定在被测量的电流或电压的另一谐波频率处被测量的电流的幅度或被测量的电压的幅度，对所述后续的一组测量值进行滤波，其中所述另一谐波频率是所述基频的整数倍；

根据包括与所述另一谐波频率相关的被确定的幅度的函数，更新所述总谐波失真；以及

将所更新的总谐波失真存储在所述存储器中。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述另一谐波频率不同于所述谐波频率。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述更新所述总谐波失真是根据包括与所述另一谐波频率相关的所述被确定的幅度的函数而执行的。

11.如权利要求8所述的方法，其中所述谐波频率是多个频率，所述多个频率包括所述基频的奇数倍，并且其中所述另一谐波频率是另一多个频率，所述另一多个频率包括所述基频的偶数倍。

12.如权利要求1所述的方法，其中所述滤波包括确定在被测量的电流或电压的第一组连续的谐波频率中的每一个处被测量的电流或被测量的电压的对应的幅度，使得所述函数包括所述第一组连续的谐波频率的相应的幅度。

13.如权利要求12所述的方法，还包括：

还通过确定在第二组连续的谐波频率中的每一个处被测量的电流或被测量的电压的对应的幅度，对所述一组测量值进行滤波。

14.如权利要求1所述的方法，其中所述滤波包括通过施加所述窄带算法来确定在被测量的电流或电压的第一个十四个连续的谐波频率中的每一个处被测量的电流或被测量的电压的幅度，所述窄带算法在一定的时间间隔期间具有被调节至所述十四个连续的谐波频率中的相应的谐波频率的频率响应，使得所述窄带算法的频带不超过一赫兹。

15.一种用于估计交流(AC)电路中的总谐波失真的方法，所述交流(AC)电路接收具有基频的电流或电压，所述方法包括：

测量由所述交流(AC)电路接收的电流或电压，以产生第一组测量值；

通过借助将Goertzel算法施加到所述第一组测量值来确定在被测量的电流或电压的第一组谐波频率处被测量的电流的第一组幅度或被测量的电压的第一组幅度，对所述第一组测量值进行滤波，所述Goertzel算法具有包括在所述第一组谐波频率中的相应的谐波频率中的每一个的频率响应，且所述频率响应以不超过1Hz的频带为特征；

将被确定的第一组幅度存储在存储器中；

测量由所述交流(AC)电路接收的电流或电压，以产生第二组测量值；

通过借助将所述Goertzel算法施加到所述第二组测量值来确定在被测量的电流或电压的第二组谐波频率处被测量的电流的第二组幅度或被测量的电压的第二组幅度，对所述第二组测量值进行滤波，所述Goertzel算法的频率响应包括在所述第二组谐波频率中的相应的谐波频率中的每一个；

将被确定的第二组幅度存储在所述存储器中；以及

根据包括在被确定的第一组幅度中的幅度和在被确定的第二组幅度中的幅度中的至少一些的函数，计算总谐波失真。

16.如权利要求15所述的方法，其中施加到所述第一组测量值的所述Goertzel算法具有包括在所述第一组谐波频率中的频率之一的频率响应，以及其中施加到所述第二组测量值的所述Goertzel算法具有包括在所述第二组谐波频率中的频率之一的频率响应。

17.如权利要求15所述的方法，其中施加到所述第一组测量值的所述Goertzel算法具有中心位于所述第一组谐波频率中的频率之一上的频率响应，以及其中施加到所述第二组测量值的所述Goertzel算法具有中心位于所述第二组谐波频率中的频率之一上的频率响应。

18.如权利要求15所述的方法，其中所述第一组谐波频率包括所述基频的奇数倍，以及其中所述第二组谐波频率包括所述基频的偶数倍。

19.如权利要求15所述的方法，还包括：

响应于对所述第二组测量值进行滤波：

测量所述交流(AC)电路的电流或电压，以产生第三组测量值；

通过确定在第三组谐波频率处被测量的电流的第三组幅度或被测量的电压的第三组幅度，对所述第三组测量值进行滤波；

将被确定的第三组幅度存储在所述存储器中；以及

通过根据包括被确定的第三组幅度中的至少一些幅度的函数计算新的值来更新所述总谐波失真，并将更新的总谐波失真的值存储在所述存储器中。

20.如权利要求19所述的方法，其中存储所述第三组幅度是通过将预先存储在所述存储器中的所述第一组幅度替换为所述第三组幅度而执行的。

21.如权利要求19所述的方法，其中所述第三组谐波频率包括与所述第一组谐波频率中的一频率相同的至少一个频率。

22.如权利要求19所述的方法，其中所述第三组谐波频率为所述第一组谐波频率。