CN106526318B - 基于频谱分离的间谐波峰值波动闪变的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于频谱分离的间谐波峰值波动闪变的检测装置,具体包括电压传感器(1)、信号调理电路(2)、数据采集卡(3)、闪变检测分析模块(4)和工控机(5)。同时本发明还提供了一种基于频谱分离的间谐波峰值波动闪变的检测方法，本发明所述的装置和方法能实现对高频的单个间谐波、间谐波对以及多个间谐波引起的电压峰值波动闪变的检测。

Description

基于频谱分离的间谐波峰值波动闪变的检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种间谐波闪变检测装置及方法，具体涉及一种基于频谱分离的间谐波峰值波动闪变的检测装置及方法。

背景技术

在当前智能电网的大环境下，越来越多的电力电子装置、波动电源以及波动负荷在电力系统中被广泛使用，由此带来的间谐波问题变得愈发突出。间谐波不仅具有谐波带来的危害，还会引发电压波动与闪变。电压闪变指电压波动造成灯光不稳定的人眼视感反应，反映了电压波动引起的灯光闪烁对人视感产生的影响。

间谐波引发的闪变检测是间谐波问题的研究重点之一。目前常用的闪变检测方法是GB 12326-2008《电能质量-电压波动和闪变》推荐的IEC闪变测量方法。该方法存在两大问题：一是其关注的是低频间谐波引起电压有效值波动导致的闪变，并未关注高频间谐波引起电压峰值波动导致的闪变，测量频段范围不足；二是其关注的是一对低频间谐波叠加的特例—调幅波信号引起电压波动导致的闪变，并未关注不同频段间谐波相位对电压波动的影响，间谐波对引发闪变测量的适用性不足。

鉴于电压峰值波动对高频间谐波以及间谐波对的敏感性、电压波动和闪变的广泛危害性以及现有检测方法的不足，有必要研究高频间谐波引发电压峰值波动的闪变检测方法，特别是间谐波对和多个间谐波引起的闪变检测。

发明内容

本发明提供一种基于频谱分离的间谐波峰值波动闪变的检测装置及方法，能够有效检测高频的单个间谐波、间谐波对和多个间谐波引起电压峰值波动而导致的闪变效应。

本发明的具体技术方案是提供了一种基于频谱分离的间谐波峰值波动闪变的检测装置,具体包括电压传感器、信号调理电路、数据采集卡、闪变检测分析模块和工控机，其特征在于：

其中：信号调理电路和数据采集卡全部安装于工控机内部，工控机通过标准串行口获得输入数据，然后利用工控机内的闪变检测分析模块完成对单个间谐波、间谐波对和多个间谐波引起的峰值波动闪变效应的检测，检测和分析结果显示在工控机自带的8.4寸液晶屏上，数据文件以二进制格式文件保存于工控机中。

本发明还提供了一种基于频谱分离的间谐波峰值波动闪变的检测装置进行检测的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：通过电压传感器、信号调理电路、数据采集卡对电网电压信号进行适配和采样，得到电压采样信号序列；

步骤2：通过闪变检测分析模块的插值FFT基波分析步骤，采用加汉宁窗的插值FFT算法对电压采样信号序列进行分析，提取得到基波信号的幅值、基波频率和基波相位；

步骤3：通过闪变检测分析模块的样条插值重采样步骤，根据步骤2得到的基波频率、原始采样序列和采样间隔，利用三次样条插值方法重构一个相对基频同步的新电压采样序列；

步骤4：通过闪变检测分析模块的插值FFT谐波分析步骤，利用加汉宁窗的插值FFT算法对新电压采样序列分析提取得到谐波信号的幅值、频率和相位，并基于步骤2和4得到的基波分量参数和谐波分量参数，将基波信号和谐波信号从原始信号中去掉，得到间谐波信号；

步骤5：通过闪变检测分析模块的基波倍频时域同步信号构建步骤，基于步骤2得到的基波分量参数，重构得到倍频同步信号；

步骤6：通过闪变检测分析模块的信号调制解调步骤，根据步骤4得到的间谐波信号和步骤5重构得到的倍频同步信号，分频段对间谐波信号进行调制解调，得到含电压拍频分量的信号；

步骤7：通过闪变检测分析模块的插值FFT拍频信号分析步骤，利用加汉宁窗的插值FFT算法对步骤6得到的含电压拍频分量的信号进行分析，提取得到拍频分量的相对幅值和频率，并计算瞬时闪变视感度；

步骤8：通过闪变检测分析模块的统计评价步骤和结果显示报表打印步骤，对瞬时闪变视感度进行统计计算得到长时闪变值和短时闪变值，并进行结果显示和报表打印。

本发明的有益效果在于：本发明能够有效检测高频的单个间谐波、间谐波对和多个间谐波引起电压峰值波动而导致的闪变效应。

附图说明

图1为本发明所示检测装置的原理框图。

图2为本发明所述检测方法的步骤框图；

图3为IEC闪变测量方法的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本实施例提供了一种基于频谱分离的间谐波峰值波动闪变的检测装置,具体包括电压传感器1、信号调理电路2、数据采集卡3、闪变检测分析模块4和工控机5。

其中：信号调理电路2和数据采集卡3全部安装于工控机5内部，工控机5通过标准串行口获得输入数据，然后利用工控机5内的闪变检测分析模块4完成对单个间谐波、间谐波对和多个间谐波引起的峰值波动闪变效应的检测，检测和分析结果显示在工控机5自带的8.4寸液晶屏上，数据文件以二进制格式文件保存于工控机5中。

闪变检测分析模块4基于LabVIEW软件实现，闪变检测分析模块4中的检测分析软件具体包括插值FFT基波分析步骤、样条插值重采样步骤、插值FFT谐波分析步骤、基波倍频时域同步信号构建步骤、信号调制解调步骤、插值FFT拍频信号分析步骤、瞬时闪变值频域算法步骤、统计评价步骤和结果显示报表打印步骤。

如图2所示，本发明还提出了一种基于频谱分离的间谐波峰值波动闪变的检测方法。该方法能够有效检测高频的单个间谐波、间谐波对和多个间谐波引发的闪变效应，其具体包括以下步骤：

步骤1：通过电压传感器1、信号调理电路2、数据采集卡3对电网电压信号进行适配和采样，得到采样频率f_s(采样时间间隔T_s＝1/f_s)，采样总时长t_s的电压采样信号序列x(n)，电压采样信号中采样点的总个数为N＝f_s·t_s。

步骤2：通过闪变检测分析模块4的插值FFT基波分析步骤，采用加汉宁窗的插值FFT算法对x(n)进行分析，提取得到基波信号的幅值U、基波频率f₁和基波相位

步骤3：通过闪变检测分析模块4的样条插值重采样步骤，根据步骤2得到的基波频率f₁、原始采样序列x(n)和采样间隔T_s，利用三次样条插值方法重构一个相对基频同步的采样间隔为T_s'的采样序列x_τ(n)，采样点总个数为N₁,满足N₁·T_s'·f₁＝k(k为整数)，即重构序列的采样时间为基波周期的整数倍。

步骤4：通过闪变检测分析模块4的插值FFT谐波分析步骤，利用加汉宁窗的插值FFT算法对x_τ(n)分析提取得到谐波信号的幅值、频率和相位，并基于步骤2和4得到的基波分量参数和谐波分量参数，将基波信号和谐波信号从原始信号中去掉，得到间谐波信号x_ih(n)

步骤5：通过闪变检测分析模块4的基波倍频时域同步信号构建步骤，基于步骤2得到的基波分量参数，重构得到倍频同步信号；

该步骤中倍频同步信号如下：

基波信号

三次倍频信号

五次倍频信号

七次倍频信号

……

式中：n＝1～N

步骤6：通过闪变检测分析模块4的信号调制解调步骤，根据步骤4得到的间谐波信号和步骤5重构得到的倍频同步信号，分频段对间谐波信号进行调制解调，得到含电压拍频分量的信号。

该步骤中，含电压拍频分量的信号如下：

x_b(n)＝x_ih(n)·x₁(n)-x_ih(n)·x₃(n)+x_ih(n)·x₅(n)-x_ih(n)·x₇(n)+…

假若分离所得的间谐波信号为

利用倍频同步信号对间谐波信号进行调制解调的结果为

式中：m_i为某次间谐波相对基波的幅值，M为间谐波个数，f_ih和分别为某次间谐波频率以及该次间谐波的初相位,其中下标ihi表示第i个间谐波分量。

上述各调制解调信号中，频率分量f_ihi-f₁、f_ihi-3f₁、f_ihi-5f₁、……为可能位于人眼敏感频率范围0.05～35Hz内的信号，与间谐波引起的电压峰值波动信号对应。

对间谐波引起的电压峰值波动信号详细推导如下：

假设电压信号仅由基频成分和单个间谐波组成，则有

式中：U为基波电压幅值，m为某次间谐波相对基波的幅值，f₁，f_ih和分别为系统基波频率，基波初相位，某次间谐波频率以及该次间谐波的初相位。

对于含单个间谐波的电压信号，有：

式中：h为间谐波所靠近的奇数次谐波频率次数。

由于m<<1，考虑到与基波峰值的同步，峰值最大值应该在基波到达最大值，即时达到，此时有

式中：拍频分量的相对幅值ΔU_peak＝m，拍频分量频率f_b＝|Δf|＝|f_ih-hf₁|，为相应的拍频信号的相位。

电压峰值波动变动值为：

当h＝4k+1且间谐波频率低于靠近的奇数次谐波频率时，拍频分量的相位为：

当h＝4k+1且间谐波频率高于靠近的奇数次谐波频率时，拍频分量的相位为：

当h＝4k+3且间谐波频率低于靠近的奇数次谐波频率时，拍频分量的相位为：

当h＝4k+3且间谐波频率高于靠近的奇数次谐波频率时，拍频分量的相位为：

以上关系式表明，由于相位关系的影响，同拍频的间谐波信号引起的电压峰值波动要考虑相量叠加，拍频的间谐波对引起的电压峰值波动即可能呈增加趋势也可能呈降低局势。

步骤7：通过闪变检测分析模块4的插值FFT拍频信号分析步骤，利用加汉宁窗的插值FFT算法对含电压拍频分量的信号x_b(n)进行分析，提取得到第i个拍频分量的相对幅值m_bi和频率f_bi，然后根据下式计算瞬时闪变视感度

式中：K为拍频分量个数(K≤M),ΔU_bi为第i个拍频分量的电压峰值波动值(ΔU_bi＝2m_bi)，K(f_bi)为与光源种类相关的视感度加权系数，R(f_bi)为电压波动信号的波形因数，K(f_bi)和R(f_bi)可以查试验结果表得到。

步骤8：通过闪变检测分析模块4的统计评价步骤和结果显示报表打印步骤，对瞬时闪变视感度S(t)进行统计计算得到最终的长时闪变值和短时闪变值并进行结果显示和报表打印。

基于频谱分离的间谐波峰值波动闪变的检测方法通过对IEC闪变测量的改进，使其可以测量高频的单个间谐波、间谐波对和多个间谐波引起的闪变，同时提高测量精度。本发明中，由信号调制解调步骤模拟灯，与如图3所示IEC闪变测量方法的平方解调器步骤对应；由插值FFT拍频信号分析步骤、瞬时闪变值频域算法步骤模拟人眼和脑，与IEC闪变测量方法的0.05～35Hz带通滤波器、视感度加权滤波器、平方、一阶低通滤波器步骤对应。该方法为基于IEC闪变测量方法的改进，其信号调制解调可基于频谱分析的结果提取间谐波引起的电压峰值拍频信号，以模拟荧光灯和LED灯等对高频间谐波敏感的光源；其插值FFT拍频信号分析步骤、瞬时闪变值频域算法步骤可计算不同电压峰值拍频信号对闪变效应的贡献值，以模拟人眼对不同光源不同频率拍频信号的敏感度，模拟人脑对光源光通量波动的记忆效应。

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 (2)

1.一种基于频谱分离的间谐波峰值波动闪变的检测装置,具体包括电压传感器(1)、信号调理电路(2)、数据采集卡(3)、闪变检测分析模块(4)和工控机(5)，其特征在于：

其中：信号调理电路(2)和数据采集卡(3)全部安装于工控机(5)内部，工控机(5)通过标准串行口获得输入数据，然后利用工控机(5)内的闪变检测分析模块(4)完成对单个间谐波、间谐波对和多个间谐波引起的峰值波动闪变效应的检测，检测和分析结果显示在工控机(5)自带的8.4寸液晶屏上，数据文件以二进制格式文件保存于工控机(5)中；

闪变检测分析模块(4)基于LabVIEW软件实现，闪变检测分析模块(4)中执行的程序具体包括以下步骤：步骤1、插值FFT基波分析；步骤2、样条插值重采样；步骤3、插值FFT谐波分析；步骤4、基波倍频时域同步信号构建；步骤5、信号调制解调；步骤6、插值FFT拍频信号分析；步骤7、瞬时闪变值频域算法；步骤8、统计评价；步骤9、结果显示和报表打印。

2.一种利用权利要求1所述的基于频谱分离的间谐波峰值波动闪变的检测装置进行检测的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：通过电压传感器(1)、信号调理电路(2)、数据采集卡(3)对电网电压信号进行适配和采样，得到电压采样信号序列；

步骤2：通过闪变检测分析模块(4)的插值FFT基波分析步骤，采用加汉宁窗的插值FFT算法对电压采样信号序列进行分析，提取得到基波信号的幅值、基波频率和基波相位；

步骤3：通过闪变检测分析模块(4)的样条插值重采样步骤，根据步骤2得到的基波频率、原始采样序列和采样间隔，利用三次样条插值方法重构一个相对基频同步的新电压采样序列；

步骤4：通过闪变检测分析模块(4)的插值FFT谐波分析步骤，利用加汉宁窗的插值FFT算法对新电压采样序列分析提取得到谐波信号的幅值、频率和相位，并基于步骤2和4得到的基波分量参数和谐波分量参数，将基波信号和谐波信号从原始信号中去掉，得到间谐波信号；

步骤5：通过闪变检测分析模块(4)的基波倍频时域同步信号构建步骤，基于步骤2得到的基波分量参数，重构得到倍频同步信号；

步骤6：通过闪变检测分析模块(4)的信号调制解调步骤，根据步骤4得到的间谐波信号和步骤5重构得到的倍频同步信号，分频段对间谐波信号进行调制解调，得到含电压拍频分量的信号；

步骤7：通过闪变检测分析模块(4)的插值FFT拍频信号分析步骤，利用加汉宁窗的插值FFT算法对步骤6得到的含电压拍频分量的信号进行分析，提取得到拍频分量的相对幅值和频率，并计算瞬时闪变视感度；

步骤8：通过闪变检测分析模块(4)的统计评价步骤和结果显示报表打印步骤，对瞬时闪变视感度进行统计计算得到长时闪变值和短时闪变值，并进行结果显示和报表打印。