CN1046982A - 电力系统谐波测量方法和测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统谐波测量方法和测量分析仪器，它通过等间隔地连续地给出谐波分析结果的方法，测出系统谐波的时域频域特性和定量的统计参数，并且，它把系统的谐波电流和电压进行统一地处理分析，求得待测系统内部的谐波电气结构和谐波参数；它还通过对采集的电压电流信号鉴别，排除来自测量系统内外的干扰。本发明通过等间隔地连续地显示出的谐波动态分析结果，可以对系统谐波作在线实时监测。

Description

本发明属于电力系统谐波测量方法和测量仪器。它适用于工频50、60赫兹的电力系统及电气设备，以下统称为系统;谐波是指谐波电流、谐波电压和谐波阻抗，以下统称为谐波。

迄今的电力系统谐波测量方法和仪器，多是随机性采样一个或数个周波，给出采样点的频谱分析结果。它适用于具有平稳性质的谐波的测量（不随时间变化或很少变化）。而电力系统的大多数情况下的谐波，在时域和频域都有复杂的变化，已有的这种测量方法和测量仪不能测出谐波的时域频域特性;个别的仪器有给出测量过程中发生的谐波最大值的。也有一种采用谐波滤波电路，连续输出谐波模拟量的谐波测量仪器，但它的测量精度很差，不能作为精确仪器满足分析需要。

迄今的电力系统测量方法和仪器，没有把待测系统的谐波电流、电压作为系统谐波在频域时域的统一的量进行测量分析，而是分别地、孤立地给出采样点的电流和电压的频谱分析，也有给出采样点谐波电压、电流值的相乘或相除结果的。

迄今的电力系统谐波测量方法和仪器，给出的是采样点的全信号的分析结果，它不区分信号中含有的干扰信号。

本电力系统测量方法和测量仪的发明目的是，测出在时域频域都有复杂变化的电力系统谐波的时域频域特性和谐波的定量的统计参数;本发明的目的还在于排除测量干扰，提高测量精度;本发明的目的还在于把待测系统作为时域频域上统一的谐波系统测量分析，对谐波电流、电压作为谐波系统的统一的量，全面的求出系统的谐波电气结构和谐波参数。本发明的目的还在于对电力系统的谐波进行实时监测，使电力系统及其滤波装置安全经济地运行。

发明内容（一）：一种测量电力系统和电气设备谐波的时域频域特性的方法：

一种采用连续记录系统电压和电流值，等间隔地连续地付立叶级数分析，等间隔地连续地给出分析结果的测量方法，它能测出系统的谐波时域频域特性和定量的统计参数，能排除测量干扰，能对待测电力系统作出测量分析。

本发明方法内容之一是：现有的方法是随机性采样，给出采样点的分析结果，本发明采用等间隔地连续地取样、分析，并等间隔地连续地给出分析结果。因而它能显示和绘出谐波的时域频域特性曲线。该曲线是由等间隔的点组成曲线显示和打印机出来的。一种实现等间隔地连续地给出谐波分析结果、并绘出系统谐波时域频域特性的方法是：（a）经连续记录系统的电流和电压值，转变为数据量，应用微机等间隔地连续地采样、并进行付立叶级数运算分析。等间隔的间隔时间是可选的，间隔时间的单位是点或秒，等间隔的最小间隔为一个点，如一周期采样为128点连续采样，作第一次分析是1至128点，间隔一个点作第二次分析是2至129点，余类推。最大间隔不作规定。（b）利用图形打印机把等间隔的连续的谐波分析结果转换到时间域，绘出谐波的时间曲线。也就是说，图形打印机的一个座标轴（X轴）代表时间轴，时间轴的步进速度与微机分析一次的速度一致，步进所表示的时间间隔与等间隔的间隔时间一致，图形打印机的另一个轴（Y轴）的行走幅度与显示器上光标的位置成正比例，而光标跟踪显示器上的分析数值，因而Y轴对应于谐波分析的幅值。（c）利用显示器显示谐波分析的时域频域特性：让显示器的水平轴作为时间轴，显示器的竖轴对应于谐波分析的幅值把等间隔地连续地给出的谐波动态分析结果在高清晰度显示屏（CRT）上加以显示。

本发明方法的内容之二是：已有的方法只是给出采样点的谐波参数，而本发明则对等间隔地连续地给出地谐波分析结果中某时间段的数据进行数学统计，给出该时间段内的谐波的统计参数。时间段的长短根据需要决定。时间段的长度单位为秒。一种进行数学统计的方法是把该时间段内的等间隔连续给出的数据送入微机，应用微机的常规统计方法和统计内容，统计出谐波的统计参数，例如：该时间段内发生的谐波最大值、最小值、平均值、有效值，达到指定数据的持续时间、间隔时间、冲击次数等。

本发明方法的内容之三：它除了保留已有测量方法把待测系统的电流和电压分别地（不是统一地）进行测量和分析给出结果外，本发明方法还把待测系统当作一个科学上未知内部特征的统一的“黑匣子”对待，即把流入系统的谐波电流作为系统的输入量，把由该谐波电流在系统造成的谐波电压作为该系统的输出量，进行统一地动态地谐波分析，给出待测系统内部的谐波电气结构和多项谐波参数。一种统一的动态地谐波分析方法是，用求传递函数运算的方法，等间隔地连续地测出系统内部的谐波电气结构和谐波参数;一种是，在微机显示屏上等间隔地连续地显示对输入量、输出量的动态运算结果，显示屏的水平轴作为时间轴、频率轴给出系统谐波的时域频域特性。

本发明方法的内容之四：现有的方法和仪器是随机的采样，对采样内容和它所反映谐波实质及干扰不能作区别。本发明方法是要对采集的电流和电压信号进行鉴别，鉴别出来自测量系统内外的干扰，以提高测量精度。具体作法是，从等间隔地连续地给出的时域频域特征中，排除发生在测量系统内的干扰和计算上的误差;利用信息的相关和相干关系，鉴别出来自测量系统外部的干扰。本方法也把发生谐波电流的电气设备注入到系统的谐波电流利用作为谐波电流源，对系统进行谐波测量和分析，利用这种鉴别测量误差的方法提高测量的精度和可靠性。

发明内容（二）：一种测量电力系统和电气设备谐波的测量仪。

应用发明内容（一）所述的方法，可以设计制造出多种测量系统谐波的仪器。举例的测量仪，由CPU微处理器、存储器、电流电压独立的信号采集系统、模数转换器及其相应的软件构成的微机化电力系统谐波测量仪，它装有小型数据打印机，供打印谐波分析结果用，仪器内部除了有与当前的谐波测量仪大致相同的通用计算分析部件外，还装有按本发明方法要求的特殊电路和附属设备，其中包括图形打印机、高清晰度显示屏（CRT）、统计电路、白噪音信号发生器以及新增控制按键等。

测量仪的特征是之一是：谐波测量仪的电流输入端子与流入系统的谐波电流相连，电压输入端子与系统的谐波电压相连，等间隔地连续地分析输入和输出的关系，求出系统内部谐波电气结构和谐波参数，例如：利用机内装有的传递函数运算、快速付立叶运算部件和相应的软件，等间隔地连续地分析输入和输出的关系，就可测出系统内部的动态谐波阻抗，以及作相关和相干运算。

测量仪的特征之二是：利用机内微机和增加的控制软件，使图形打印机的打印与机内微机的运算同步运行，把等间隔地连续地谐波分析结果转换到时间域，测出系统谐波的时域频域特性，给出系统谐波的时间曲线。更具体地说，是在同步信号的控制下，使图形打印机的时间座标轴（X轴）的步进速度与微机计算分析一次的速度一致，而时间轴的步进的间隔时间与所选的等间隔的间隔时间一致，图形打印机的另一个轴（Y轴）的绘制幅度与显示器上的光标的位置成正比例，而光标跟踪分析数值，因而Y轴对应于谐波分析幅值。

使用测量仪装有的高清晰度显示屏（CRT），把显示屏的水平轴定为谐波次数（频率）或是时间，Y轴为谐波运算结果，等间隔地连续地显示系统的谐波阻抗（分别的显示谐波阻抗的模值、实部、虚部、相位以及信息的相干、相关）。

利用在显示屏上等间隔地连续地显示运算结果可作为系统谐波实时在线的监测器使用，例如：显示系统的输出与输入的传递函数的运算结果，可作为对系统动态的谐波阻抗的监测器使用。

本测量仪的特征之三是：用仪器内装有的统计电路对谐波时域特性进行统计，给出某段时间内的谐波的统计参数。如：机内装有常规的统计电路，并用常规的统计方法，统计出等间隔地连续给出谐波分析结果中的某指定时间段内发生的多种常用谐波参数。

本测量仪内还装有白噪音信号发生器，用于测量电力系统谐波滤波装置的静态特性。

此外，本测量仪还有新增控制按键：传递函数运算键、传递函数运算选择键（模值、实部、虚部、相位）、相干运算键、相关运算键等。

它也可以附有软、硬盘记录器和磁带机进行记录。

本发明方法和测量仪的优点是：它能测出系统谐波的时域频域特性和统计结果，由现有方法和测量仪的随机性的定性的测量，提高到定量的精确地测量，它的另一优点是简易可行，各种电路部件都有成品，没有特殊要求制作的部件和电路。

附图说明：

附图1：是本发明的方法和仪器的电流、电压端子的接法。其中：（a）常规接法：对电流、电压分别地单独地进行谐波分析;（b）为新增接法：即把电流作为系统的输入，把电压作为系统的输出，进行统一地分析，例如：用以求出系统的动态谐波阻抗的时域特性等。

附图2：本发明测量仪的方框图。其中：1-图形打印机-计算机同步控制PD;2-微机运算、付立叶运算、传递函数运算部分FF;3-输入信号采集系统RC;4-白噪音信号发生器CC;5-图形打印机PR;6-显示器SC;7-统计电路TF。

实施例：

仪器的外围设备与现有通用电力系统谐波测量仪相比，增加有高清晰度显示器（CRT）、图形打印机PR[图2（5）]分别用于显示、打印出测量和分析结果。

仪器的内部电路，除仍使用现有的通用电力系统谐波分析仪的通用电路外，新增加的电路和控制，主要的是增加的图形打印、显示器用的，而运算和控制部分仍使用已有的微机或计算控制系统，并按附图2所示联接组装。

计算与图形打印同步控制PD[图2（1）]：仍然使用原有的微机增加控制软件，控制图形打印机的时间轴和幅值轴与计算机计算同步，图形打印机时间轴（X轴）的每一步的速度，与计算机分析一次化费的时间一致并同步运行;图形打印机的幅值轴（Y轴）幅值与显示屏的光标位置成正比例，即幅值对应于谐波分析的幅值。按照国际标准接线连接打印机和微机的输出。等间隔的间隔时间的选择，由软件实现。

显示器SC[图2（6）]：由于是用于等间隔地连续地显示输出结果，由点组成为曲线，应选高清晰度显示器（CRT），显示器由微机控制，用国际标准接口，显示器的水平轴（X轴）和竖轴（Y轴）的接法与通用示波器的电路是相似的，即它的水平轴作为时间轴或频率轴，而竖轴作为计算的结果输出。显示器在此为多种用途而设，用于显示系统谐波的时域频域特性、系统内部的谐波参数及电气结构，例如，显示频谱、波形、李沙育图、三维图、谐波阻抗-谐波次数图、相干系数-谐波次数图、阻抗的实部、虚部、平面图等。

传递函数运算和付立叶分析电路FF[图2（2）]：这是由微机的控制软件与通用的运算部件组成的，运算的内容和方法与常用的信息分析处理相同，作传递函数运算时的连线，是把电流与它的输入端相连，把电压与它的输出端相连接，如附图1（b）所示，求传递函数给出输入和输出间的动态关系，如谐波阻抗的模值、实部、虚部和相位等。

统计电路TF[图2（7）]：为通用统计电路，对时域频域曲线的数据进行常规的统计计算，给出谐波的定量的统计结果，如：指定时间段内发生的谐波最大值、最小值、平均值、有效值，达到指定数值的持续时间、间隔时间、冲击次数等。时间段的长短可根据需要来决定。

输入信号采集系统RC[图2（3）]：包括通道切换、量程切换、采样保持、模数转换等电路构成，均为通用电路。

白噪音信号发生器CC[图2（4）]：是单独地装入机内的，当调试滤波装置的静态工作点时使用。此外还装有正弦波、三角波信号发生器及输出端子。

仪器新增控制按键：传递函数运算键、传递函数运算选择键（模值、实部、虚部、相位）、相干运算键、相关运算键等。

以上的各部位均有内部的微机协调工作，各功能关系的切换一般地是由微机的软件完成，而显示、打印等功能有开关切换。

可以附有软、硬盘记录器或磁带记录器进行记录。

利用在显示器上等间隔地连续地显示的谐波动态分析结果，可作为系统谐波的在线实时监测器使用。如：一种用法是把等间隔地连续显示的输出与输入的传递函数的运算结果，作为对系统动态的谐波阻抗的监测器使用。

Claims (2)

1、一种电力系统谐波测量方法：

1.1采用连续记录系统的电流和电压值，转变为数据量，应用微机等间隔地连续地进行付立叶级数运算分析谐波，

1.2通过采样一个或数个电流和电压周期波，给出采样的电压和电流的频谱分析结果，也给出采样的谐波电压与谐波电流的商及相位，给出测量过程中发生的谐波最大值，

1.3对所测的系统电流和电压在同一时刻采样，但分别地进行各自的谐波分析，

1.4可采用软、硬盘记录器或磁带记录器进行记录，

其特征在于：

1.5等间隔地连续地给出谐波分析结果，测出系统谐波的时域频域特性，

1.5.1利用图形打印机把等间隔的连续的谐波分析结果转换到时间域，绘出谐波的时间曲线，图形打印机的一个座标轴是时间轴，时间轴的步进速度与微机分析一次的速度一致，步进所表示的间隔时间与等间隔的间隔时间一致，图形打印机的另一个轴的行走幅度与显示器上光标的位置成正比例，而光标跟踪显示器上的分析数值，

1.5.2等间隔的间隔时间是可选的，等间隔的最小间隔为一个点(如一个周期采样为128点连续采样，作第一次分析是1至128点，间隔一个点作第二次分析是2至129点，余类推)，

1.6对等间隔地连续地给出的谐波分析结果中的某时间段的数据进行数学统计，给出谐波的统计参数，

1.6.1应用微机的常规统计方法和统计内容，统计出该时间段内发生的谐波参数(谐波最大值、最小值、平均值、有效值，达到指定数值的持续时间、间隔时间、冲击次数等)，时间段的长短根据需要决定，

1.7把待测谐波的系统作为科学上的未知内部特征的统一的“黑匣子”，即把流入系统的谐波电流作为系统的输入量，把由该谐波电流在系统造成的谐波电压作为该系统的输出量，进行统一的动态的谐波分析，给出待测系统内部的谐波电气结构和谐波参数，

1.7.1用求传递函数运算的方法等间隔地连续地测出系统内部的谐波电气结构和谐波参数，

1.7.2在微机显示屏上等间隔连续显示对输入量输出量的动态运算结果，显示屏的水平轴作为时间轴或频率轴给出系统谐波的时域频域特性，

1.8对测量采集的电流和电压信号进行鉴别，鉴别出来自测量系统内外的干扰，以提高测量精度，

1.8.1从等间隔连续地给出的谐波的时域频域特征中，排除发生在测量系统内的干扰和计算上发生的误差，

1.8.2利用信息的相关和相干关系，鉴别出来自测量系统外部的干扰，

1.8.3把发生谐波电流的电气设备注入到系统的谐波电流利用作为谐波电流源，对系统进行谐波测量和分析，利用这种鉴别测量误差的方法提高测量的精度和可靠性。

2、依照权利要求1所述的方法设计制造的电力系统谐波测量仪：

2.1由CPU微处理器、存储器和电流电压独立的信号采集系统、模数转换器及其相应的软件构成的微机化测量仪，

2.2装有小型数据打印机，打印采样波的谐波分析结果，

2.3有电压输入端和电流输入端，分别地对电压、电流进行测量和频谱分析，

2.4可采用软、硬盘记录器或磁带记录器进行记录，

其特征在于：

2.5其电流输入端与流入系统的谐波电流相连，电压输入端与系统的谐波电压相连，等间隔地连续地分析其输入量和输出量间的关系，求出系统内部谐波电气结构和谐波参数，

2.5.1机内装有传递函数运算、快速付立叶运算部件和相应的软件（PF），等间隔的连续的分析输入和输出关系，测出系统内部的动态谐波阻抗以及作相关和相干运算，

2.6有同步控制，使图形打印机的打印与机内的微机的运算同步运行，把等间隔的连续的谐波分析结果，转换到时间域，测出系统谐波的时域频域特性，给出系统谐波的时间曲线，

2.6.1图形打印机的一个座标轴是时间轴，时间轴的步进速度与微机计算分析一次的速度一致，时间轴的步进所表示的间隔时间与所选的等间隔的间隔时间一致，图形打印机的另一个轴的绘制幅度与显示器上光标的位置成正比例，而光标跟踪分析数值，

2.6.2装有高清晰度显示屏（CRT），其水平轴定为谐波次数（频率）或是时间，竖轴为谐波运算结果，等间隔地连续地显示系统的谐波阻抗（分别地显示谐波阻抗的模值、实部、虚部、相位以及信息的相干、相关），

2.7装有统计电路对谐波时域特性进行统计，给出谐波的统计参数，

2.7.1机内装有常规的统计电路并用常规的统计方法，统计出等间隔的连续给出的某指定时间段内发生的谐波参数（谐波最大值、最小值、平均值、有效值，达到指定数值的持续时间、间隔时间、冲击次数等），

2.8有新增控制按键：传递函数运算键、传递函数运算选择键（模值、实部、虚部、相位）、相干运算键、相关运算键，

2.9仪器内装有白噪音信号发生器，用于测量电力系统谐波滤波装置的静态特性，

2.10利用在显示器上等间隔地连续地显示的谐波动态分析结果，作为系统谐波的在线实时监测器使用，

2.10.1等间隔地连续地显示出系统的输出与输入的传递函数运算结果，作为对系统动态谐波阻抗的监测器使用。

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