CN104155520B - 一种适用于舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测方法及装置，属于舰船电气工程技术领域。本发明的装置包括电压传感器、电流传感器、机箱接线端子、信号调理电路、数据采集卡和工业控制计算机。接线端子、数据采集卡和信号调理电路安装于工控机内部，工控机通过标准串行口获得输入数据，再利用虚拟仪器的LabVIEW软件将采集进来的信号按变比还原和记录原始信号；能完成对基波、谐波和间谐波的频率、幅值和相位等参数的全面检测；检测结果直接显示在工控机的液晶屏上。本发明采用频率跟踪算法、基波和谐波提取算法及其间谐波检测算法实现基波、谐波和间谐波分离检测。

Description

一种适用于舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测方法和 装置

技术领域

本发明属于舰船电气工程技术领域，特别涉及一种谐波和间谐波参数检测检测方法及装置。

背景技术

近年来随着电力电子技术的迅速发展，大量非线性负荷如整流电源、频率变换器、调速变流器和通用变频器等装置接入到舰船电力系统，使得舰船电网的谐波和间谐波问题日益严重。由于舰船电力系统是一个独立的小容量电网，谐波和间谐波的产生不仅会严重降低舰船电网电能质量，还可能威胁到整个舰船电力系统的安全运行，对舰船电力系统的谐波和间谐波问题进行分析、研究，并采取相应的抑制措施已非常迫切。

舰船电力系统的谐波和间谐波治理除采用从源头上进行控制的方式外，常采用加装无源滤波器、有源滤波器和有源功率因数校正器等方式来进行抑制。多种谐波治理方式常常会综合使用，如常用的混合滤波器会采用无源滤波器来完成主要次谐波的滤波功能并使其承担大部分的无功容量补偿，而采用有源滤波器来完成次要次谐波和间谐波的进一步滤除和承担小部分的无功容量补偿。在混合治理方式中，首要的要求是对基波、谐波和间谐波实现检测分离，这样才可有针对性的设计滤波器参数，实现谐波和间谐波的最优控制。

目前，舰船电力系统常采用基于傅里叶变换或瞬时无功理论的方法来检测谐波或间谐波，基于傅里叶变换的检测方法在采样时间有限的情况下频率分辨率低，基于瞬时无功理论的检测方法一般只考虑了基波信号的分离，上述两种检测方法无法实现基波、谐波和间谐波的分离检测；

上述两种方法均采用的是锁相环结构，硬件实现方式复杂，且锁相环的性能会受到谐波、间谐波和三相不平衡的影响；

此外，基于瞬时无功理论的检测方法主要针对三相交流电网提出，不适用于单相交流电网和可能直流电网。

发明内容

本发明的目的是克服现有检测方法和装置的不足，提出一种适用于舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测方法和装置，能实现对基波、谐波和间谐波的单独检测和评估，以为无源滤波器、有源滤波器和有源功率因数校正器等滤波手段的优化设计提供分析手段。

一种舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测方法，包括以下步骤：

第一步：对舰船电网电压或电流信号进行采样；

第二步：对第一步中的采样信号进行均值滤波分离直流分量，并得到只含交流分量的信号；

第三步：根据已知的交流分量基波频率对第二步中得到的只含交流分量的信号进行窄带带通滤波得到只含基频分量的信号；

第四步：对第三步中得到的只含基频分量的信号采用频率跟踪算法计算实时的基波频率；

第五步：根据第四步中的基波频率由并行的子陷波结构从只含交流分量的信号中提取基波和各次谐波分量，利用最小二乘法计算基波和各次谐波的幅值和相位，即采用基波和谐波提取算法；

第六步：将第五步中得到的基波和谐波分量从只含交流分量的信号中去除，得到只含间谐波分量的信号，对该信号进行参数谱估计得到间谐波频率，利用最小二乘法计算各间谐波的幅值和相位，即采用间谐波检测算法。

所述频率跟踪算法的原理为：

假若一电压信号可表示为：

式中：T_s为采样时间间隔，k为采样点的序号,ω₀为额定基波角频率，ω_d为基波角频率偏移量，A为基波幅值，为基波相位，N为采样点数。

基于傅里叶变换可将该电压信号变换为两个正交分量，即：

式中：N₀＝f_s/f₀为额定基波频率f₀下的每周期采样点数。

通过三角函数变换可将上式化简为：

式中：T₀为基波周期，式(3)和式(4)中的第一项均为与角频率偏移量相关的分量，第二项均为高频分量且幅值衰减了sin(ω_dT₀/2)/(2ω₀+ω_d)倍，若将式(3)和式(4)所示信号通过低通滤波器，将得到只含第一项分量的信号，即：

上述分量满足下式的差分关系：

基于上式可得到ω_d的瞬时表达式：

傅里叶变换采用递推的形式来计算，即

U_s(kT_s)＝U_s((k-1)T_s)+T_su(kT_s)sin(kω₀T_s)

-T_su((k-N₀)T_s)sin((k-N₀)ω₀T_s) (8)

U_c(kT_s)＝U_c((k-1)T_s)+T_su(kT_s)cos(kω₀T_s)

-T_su((k-N₀)T_s)cos((k-N₀)ω₀T_s)

由式(7)得到实时的基波角频率偏移量ω_d后，即可计算得到实时的基波角频率ω₀+ω_d。

一种舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测装置，包括电压传感器、电流传感器、机箱接线端子、信号调理电路、数据采集卡和工业控制计算机。

上述装置中，接线端子、数据采集卡和信号调理电路全部安装于工业控制计算机内部，工业控制计算机从电压传感器、电流传感器获得输入数据后将采集进来的信号按变比还原和记录原始信号，利用检测算法完成对基波、谐波和间谐波的频率、幅值和相位的全面检测；然后对数据分析结果进行保存，并实现离线分析及报表生成功能；所述检测算法由如下功能模块实现，包括均值滤波模块、第一运算模块、窄带带通滤波模块、频率跟踪模块、基波和谐波分量提取模块、第二运算模块和参数谱估计模块；输入信号通过均值滤波模块进行均值滤波后分离直流分量，通过第一运算模块得到只含交流分量的信号，然后根据已知的交流分量基波频率对只含交流分量的信号利用窄带带通滤波模块进行窄带带通滤波得到只含基频分量的信号，利用频率跟踪模块计算实时的基波频率，基波和谐波分量提取模块根据基波频率由并行的子陷波结构从只含交流分量的信号中提取基波和各次谐波分量，第二运算模块将基波和谐波分量从只含交流分量的信号中去除，得到只含间谐波分量的信号，参数谱估计模块对该信号进行参数谱估计得到间谐波频率，最后利用最小二乘法计算各间谐波的幅值和相位，各间谐波的幅值和相位直接显示在工业控制计算机的液晶屏上。

所述电压传感器和电流传感器分别采用WB系列电压传感器WBV411D07和电流传感器WBI411D47进行电压和电流信号的获取。

所述信号调理电路将信号转换到便于数据采集卡处理的量程范围内，并兼顾滤除频率高于20kHz的噪声，实现抗频谱混叠滤波。

所述数据采集卡采用美国国家仪器公司(NI)的16位高性能PCI数据采集卡PCI-6251，PCI-6251具有16路16位模拟输入通道，总采样速率为1.25MS/s，能满足一般测量装置进行8路(3路电压信号、3路电流信号以及电压电流各一路备用)测量的要求。

有益效果：

1、本发明针对单个信号输入设计，既适用于三相交流电网也适用于单相交流电网的谐波和间谐波检测，此外，窄带带通滤波模块、频率跟踪模块以及基波和谐波提取分量模块可构成一独立系统，在含多个基频的电网中可对该独立系统进行扩展，因此能够适用于含有多个基频的直流电网的谐波和间谐波检测；

2、本发明能实现基波、谐波与间谐波三者的分离检测，便于对三者实现单独分析评估和治理；

3、与已有频率跟踪算法相比，本发明的频率跟踪算法计算原理更为简单，软硬件实现均较容易。由式(3)和(4)还可以看出，本跟踪算法具有一定的低通滤波能力，所以本频率跟踪算法能在窄带滤波的基础上进一步地抑制谐波和间谐波的影响，计算得到的基波频率精度较高。且本频率跟踪算法采用递推方式进行计算，所以计算量很小，实时性非常好。

4、本发明在基波频率确定的情况下，通过并行的子陷波结构能有效的分离基波和谐波分量，能保证在后续分析幅值较小的间谐波时受幅值较大的基波和谐波影响小；

5.本发明采用高分辨率的参数谱估计方法对间谐波分量进行单独分析，频率相近的间谐波能有效地分离；

6.本发明采用的数字算法原理简单，计算量小，易于LABVIEW软件实现。

附图说明

图1为本发明的系统流程框图；

图2为本发明装置的硬件结构图；

图3为本发明中频率跟踪算法的数字实现原理框图；

图4为本发明中正弦信号陷波结构的数字实现原框图；

图5为本发明中并行子陷波结构的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明的检测算法由如下功能模块实现，包括均值滤波模块、第一运算模块、窄带带通滤波模块、频率跟踪模块、基波和谐波分量提取模块、第二运算模块和参数谱估计模块；虚线框中的窄带带通滤波模块、频率跟踪模块以及基波和谐波提取分量模块可构成一独立系统，在含多个基频的电网中可对该独立系统进行扩展。

均值滤波模块用于提取信号中的直流分量，从原始信号中去除直流信号，即可得只含谐波和间谐波分量的交流信号。窄带带通滤波模块用于提取交流信号中与设定频率相近的基频分量，在LabVIEW软件中实现时，利用Mathscript节点调用双线性变换函数计算数字带通滤波器系数，使带通滤波器的通带范围可根据设置的频率自适应调整。频率跟踪模块利用频率跟踪算法求得所提取基频分量的实时频率。基波和谐波提取分量模块根据所得的实时的基波频率，通过基波和谐波提取算法提取基波和谐波分量。间谐波参数谱估计模块用于对去除了基波和谐波分量只含间谐波分量的交流信号做谱估计分析，分离得到频率接近、幅值较小但相当的间谐波，参数谱估计也基于Mathscript节点实现。

如附图2所示，本发明的舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测装置，包括电压传感器、电流传感器、机箱接线端子、信号调理电路、数据采集卡和工业控制计算机。接线端子、数据采集卡和信号调理电路全部安装于工业控制计算机内部，工业控制计算机通过标准串行口获得输入数据，再利用虚拟仪器的LabVIEW软件将采集进来的信号按变比还原和记录原始信号；检测算法完全基于LabVIEW软件实现，能完成对基波、谐波和间谐波的频率、幅值和相位等参数的全面检测；利用二进制格式文件对数据分析结果进行保存，并实现离线分析及报表生成等功能；检测结果直接显示在工业控制计算机自带的8.4寸液晶屏上。

在本发明中，频率跟踪算法、基波和谐波提取算法及其间谐波检测算法是实现基波、谐波和间谐波分离检测技术的基础，各算法的实现原理如下。

1、频率跟踪算法

假若一电压信号可表示为：

式中：T_s为采样时间间隔，k为采样点的序号，ω₀为额定基波角频率，ω_d为基波角频率偏移量，A为基波幅值，为基波相位，N为采样点数。

基于傅里叶变换可将该电压信号变换为两个正交分量，即：

式中：N₀＝f_s/f₀为额定基波频率f₀下的每周期采样点数。

通过三角函数变换可将上式化简为：

式中：T₀为基波周期，式(3)和式(4)中的第一项均为与角频率偏移量相关的分量，第二项均为高频分量且幅值衰减了sin(ω_dT₀/2)/(2ω₀+ω_d)倍。若将式(3)和式(4)所示信号通过低通滤波器，将得到只含第一项分量的信号，即：

上述分量满足下式的差分关系：

基于上式可得到ω_d的瞬时表达式：

傅里叶变换采用递推的形式来计算，即

U_s(kT_s)＝U_s((k-1)T_s)+T_su(kT_s)sin(kω₀T_s)

-T_su((k-N₀)T_s)sin((k-N₀)ω₀T_s) (8)

U_c(kT_s)＝U_c((k-1)T_s)+T_su(kT_s)cos(kω₀T_s)

-T_su((k-N₀)T_s)cos((k-N₀)ω₀T_s)

上述频率跟踪算法的数字实现原理如附图3所示。

2、基波和谐波分量提取算法

根据正弦函数的性质，对已知频率的某一单频信号有

选择状态变量为y(t)＝[y₁(t) y₂(t)]^T，则u(t)的估计值可表示为

信号估计误差为

根据最小方差原则，可定义代价函数为

根据梯度下降法可得误差减小的方向为：

式中：为调整算法稳定性和收敛速度的因子。

将式(12)代入式(13)可得：

对y做旋转变换，得到

则可推导得到二阶动态系统的变形式为：

若令μ₁＝μ₂＝μ，则上式可简化为

即

式(18)即为单位频率分量的正弦跟踪算法，其作用相当于一个陷波器。基于式(18)得到的数字实现原理框图如附图4所示。附图4框中所示即为一个完整的陷波结构，可对其进行扩展，得到如附图5所示的并联陷波结构，可同时测量基波和谐波。在基波频率确定后，这种并联结构将只会提取由基波频率确定的基波和谐波分量，使得间谐波分量可以有效分离。该步得到的误差信号即为去除了基波和谐波，只含间谐波分量的信号。

在频率已知的情况下，用最小二乘法计算基波或谐波的幅值和相位。利用时间序列将式(10)变为矩阵形式，有

可得到y₁(t)和y₂(t)的最小二乘估计式为

则有

可利用一段区间的采样值来计算幅值和相位，也可采用递推形式计算实时的幅值和相位。

3、间谐波检测算法

对只含间谐波的误差信号采用自回归谱估计方法进行频率估计，以分离幅值相当、频率接近的间谐波，自回归谱估计采用加窗的Burg算法，详细步骤如下：

1)初始化自回归估计谱方法参数，包括模型阶数、前向和后向预测误差的平均功率和循环次数等；

2)计算反射系数；

3)根据Levinson-Durbin递推公式计算前向预测滤波器系数及预测误差功率；

4)更新前向预测误差与后向预测误差；

5)若循环次数小于设定的模型阶数，返回2)；

6)由功率谱公式计算间谐波分量的功率谱，利用极值搜索法提取间谐波频率；

7)根据间谐波频率利用最小二乘法计算间谐波信号的幅值和相位参数。

前向预测误差与后向预测误差的递推计算式为：

式中：m为阶数，K_m为反射系数，计算式为：

式中的窗函数w_m(n)为：

用于计算前向预测滤波器系数及预测误差功率Levinson-Durbin递推公式为：

式中：a_m,i为第i次循环的自回归谱模型系数，由其可求最终的AR功率谱：

式中：p为设定的模型阶数，σ²为方差。

利用功率谱即可进行间谐波频率计算，在间谐波频率已知后即可通过最小二乘法计算间谐波的幅值和相位。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测方法，其特征在于，包括以下检测步骤：

第一步：对舰船电网电压或电流信号进行采样；

第二步：对第一步中的采样信号进行均值滤波分离直流分量，并得到只含交流分量的信号；

第三步：根据已知的交流分量基波频率对第二步中得到的只含交流分量的信号进行窄带带通滤波得到只含基频分量的信号；

第四步：对第三步中得到的只含基频分量的信号采用频率跟踪算法计算实时的基波频率；所述频率跟踪算法的原理为：

假若一电压信号可表示为：

式中：T_s为采样时间间隔，k为采样点的序号,ω₀为额定基波角频率，ω_d为基波角频率偏移量，A为基波幅值，为基波相位,N为采样点数；

基于傅里叶变换可将该电压信号变换为两个正交分量，即：

$\begin{array}{c}{U}_s\left({\mathrm{kT}}_s\right)=T_s\underset{l=k-N_0+1}{\overset{k}{\Σ}}u\left({\mathrm{lT}}_s\right)\sin \left({\mathrm{l\ω}}_0{T}_s\right)\\ U_c\left({\mathrm{kT}}_s\right)=T_s\underset{l=k-N_0+1}{\overset{k}{\Σ}}u\left({\mathrm{lT}}_s\right)\cos \left({\mathrm{l\ω}}_0{T}_s\right)\end{array}---\left(2\right)$

式中：N₀＝f_s/f₀为额定基波频率下的每周期采样点数，k为整数，从N₀开始取值；

通过三角函数变换可将上式化简为：

T₀为基波周期,式(3)和式(4)中的第一项均为与角频率偏移量相关的分量，第二项均为高频分量且幅值衰减了sin(ω_dT₀/2)/(2ω₀+ω_d)倍，若将式(3)和式(4)所示信号通过低通滤波器，将得到只含第一项分量的信号，即：

上述分量满足下式的差分关系：

$\frac{\∂L_c\left(t\right)}{\∂t}{L}_s\left(t\right)-\frac{\∂L_s\left(t\right)}{\∂t}{L}_c\left(t\right){|}_{t={\mathrm{kT}}_s}={\mathrm{\ω}}_d\left(L_s^2\right(t)+L_c^2(t\left)\right){|}_{t={\mathrm{kT}}_s}---\left(6\right)$

基于上式可得到ω_d的瞬时表达式：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_d\left({\mathrm{kT}}_s\right)=\frac{L_s\left(t\right)\·\∂L_c\left(t\right)/\∂t-L_c\left(t\right)\·\∂L_s\left(t\right)/\∂t}{L_s^2\left(t\right)+L_c^2\left(t\right)}{|}_{t={\mathrm{kT}}_s}\\ =\frac{L_c\left({\mathrm{kT}}_s\right)\·L_s\left(\right(k-1\left)T_s\right))-L_s\left({\mathrm{kT}}_s\right)\·L_c\left(\right(k-1\left)T_s\right))}{T_s\left(L_s^2\right(kT)+L_c^2(kT\left)\right)}\end{array}---\left(7\right)$

傅里叶变换采用递推的形式来计算，即

$\begin{array}{c}{U}_s\left({\mathrm{kT}}_s\right)=U_s\left(\right(k-1\left)T_s\right)+T_{s}u\left({\mathrm{kT}}_s\right)\sin \left({\mathrm{k\ω}}_0{T}_s\right)\\ -T_{s}u\left(\right(k-N_0\left)T_s\right)\sin \left(\right(k-N_0\left){\mathrm{\ω}}_0{T}_s\right)\\ U_c\left({\mathrm{kT}}_s\right)=U_c\left(\right(k-1\left)T_s\right)+T_{s}u\left({\mathrm{kT}}_s\right)\cos \left({\mathrm{k\ω}}_0{T}_s\right)\\ -T_{s}u\left(\right(k-N_0\left)T_s\right)\cos \left(\right(k-N_0\left){\mathrm{\ω}}_0{T}_s\right)\end{array}---\left(8\right)$

k为整数，从N₀开始取值，由式(7)得到实时的基波角频率偏移量ω_d后，即可计算得到实时的基波角频率ω₀+ω_d；

第五步：根据第四步中的基波频率由并行的子陷波结构从只含交流分量的信号中提取基波和各次谐波分量，利用最小二乘法计算基波和各次谐波的幅值和相位，即采用基波和谐波提取算法；

第六步：将第五步中得到的基波和谐波分量从只含交流分量的信号中去除，得到只含间谐波分量的信号，对该信号进行参数谱估计得到间谐波频率，利用最小二乘法计算各间谐波的幅值和相位，即采用间谐波检测算法。

2.一种舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测装置，其特征在于，包括电压传感器、电流传感器、机箱接线端子、信号调理电路、数据采集卡和工业控制计算机；

上述装置中，接线端子、数据采集卡和信号调理电路全部安装于工业控制计算机内部，工业控制计算机从电压传感器、电流传感器获得输入数据后将采集进来的信号按变比还原和记录原始信号，利用检测算法完成对基波、谐波和间谐波的频率、幅值和相位的全面检测；然后对数据分析结果进行保存，并实现离线分析及报表生成功能；所述检测算法由如下功能模块实现，包括均值滤波模块、第一运算模块、窄带带通滤波模块、频率跟踪模块、基波和谐波分量提取模块、第二运算模块和参数谱估计模块；输入信号通过均值滤波模块进行均值滤波后分离直流分量，通过第一运算模块得到只含交流分量的信号，然后根据已知的交流分量基波频率对只含交流分量的信号利用窄带带通滤波模块进行窄带带通滤波得到只含基频分量的信号，利用频率跟踪模块计算实时的基波频率，基波和谐波分量提取模块根据基波频率由并行的子陷波结构从只含交流分量的信号中提取基波和各次谐波分量，第二运算模块将基波和谐波分量从只含交流分量的信号中去除，得到只含间谐波分量的信号，参数谱估计模块对该信号进行参数谱估计得到间谐波频率，最后利用最小二乘法计算各间谐波的幅值和相位，各间谐波的幅值和相位直接显示在工业控制计算机的液晶屏上。

3.如权利要求2所述的舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测装置，其特征在于，所述电压传感器和电流传感器分别采用WB系列电压传感器WBV411D07和电流传感器WBI411D47进行电压和电流信号的获取。

4.如权利要求2所述的舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测装置，其特征在于，所述信号调理电路将信号转换到便于数据采集卡处理的量程范围内，并兼顾滤除频率高于20kHz的噪声，实现抗频谱混叠滤波。

5.如权利要求2所述的舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测装置，其特征在于，所述数据采集卡采用美国国家仪器公司的16位高性能PCI数据采集卡PCI-6251，PCI-6251具有16路16位模拟输入通道，总采样速率为1.25MS/s。