CN107064634A - 电力系统谐波的检测方法 - Google Patents

电力系统谐波的检测方法 Download PDF

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Abstract

一种电力系统谐波的检测方法，测量电网频率，以固定的采样频率采样待测电压或电流通道获得至少3.5个电网周期的采样数据，利用获得的电网频率及待测电压或电流通道的采样数据计算其谐波成分。其步骤为：1)、计算基频成分；2)、从采样数据序列中减除基频成分3)、谐波成分初测；4)、初测谐波成分排序；5)、将各次待测谐波的谐波含有率置零；6)、谐波成分测量；7)、从采样数据序列中消除步骤6中已测的谐波成分；8)、排序表索引+1并判断是否终止；9)、输出：将各次谐波的谐波含有率计算结果输出，返回。本发明方法以固定的频率采样待测电压或电流通道，避免了同步采样所需的硬件开销，结合电网平率的测量结果计算各次谐波。根据各交流成分的能量大小，依照从大到小的次序依次测量、减除，减小了基频、各谐波之间测量的相互影响，满足测量精度的要求。

Description

电力系统谐波的检测方法
技术领域
本发明涉及一种检测方法，尤其是一种电力系统谐波的检测方法。
背景技术
由电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响，谐波已成为电网的一大公害。电网谐波同时也是电力电测综合仪表中较为重要的测量参数。
谐波测量方法经历了由模拟式发展到电子式、数字式、智能化的过程。主要包括基于模拟滤波器的谐波测量方法、基于瞬时无功功率的p-q法和ip-iq法、基于傅立叶变换或小波变换的谐波测量方法、基于神经网络的谐波测量方法、基于Pisarenko法和Music法的谐波测量方法、基于虚拟磁势法的谐波测量方法、基于Kalman滤波、遗传算法、模拟退火算法的谐波测量方法等。同步采样结合快速傅里叶变换的技术路线大都会导致硬件的复杂化及仪表成本的提高，而运算复杂、运算量大的方法又无法适应电力电测仪表中资源有限的处理器。如何在通过较小的成本代价实现电网谐波的测量功能，同时能够较好地适应频率变化的电网环境，是电力电测仪表中实现谐波检测的一大难点。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明创造提供了一种谐波检测方法，通过测量电网频率，并以固定的采样频率采样待测电压或电流通道获得采样数据序列，利用获得的电网频率及待测电压或电流通道的采样数据计算其谐波成分。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种电力系统谐波的检测方法，测量电网频率，以固定的采样频率采样待测电压或电流通道获得至少3.5个电网周期的采样数据，利用获得的电网频率及待测电压或电流通道的采样数据计算其谐波成分。步骤为：
1)、基频成分测量：利用下式计算采样数据序列中的基频成分
其中，fm是经数据处理后的电网频率的测量值，e是电网频率为50Hz时频率测量的均方根误差，fL是经误差补偿后的频率值，N是后续计算所需的整数部分，Nf是后续计算所需的小数部分，FS是采样频率，为向下取整运算，S(k)是以固定采样频率采样待测电压或电流通道获得的采样数据序列的第k个采样数据，S(N)是以固定采样频率采样待测电压或电流通道获得的采样数据序列的第N个采样数据，sin(·)与cos(·)为正弦函数与余弦函数，a1、b1是采样数据序列中基频成分的正交分量，c1是采样数据序列中基频成分的有效值；
2)、从采样数据序列中减除基频成分：
k＝0,1,…,N
3)、谐波成分初测：利用下式依次计算样数据序列中的谐波成分，获得其初测值
其中，n＝2,3,…,Nh，Nh为待测的最高次谐波，an、bn是采样数据序列中第n次谐波的正交分量，cn为第n次谐波的有效值；
4)、谐波成分排序：建立排序表R，利用步骤3中得到的谐波初测值，将各次谐波的次数按其有效值从大到小排序后依次写入排序表，将排序表索引q置为0；
5)、清零：将各次待测谐波的谐波率置零；
HRm＝0
m＝2,3,…,Nh
6)、谐波成分测量：根据排序表R及其当前的索引q，分析第m次谐波成分
m＝R[q]
其中，R[q]为排序表R中的第q个数据，am、bm是采样数据序列中第m次谐波的正交分量，cm为第m次谐波的有效值，HRm是第m次谐波的谐波含有率，如果其数值小于谐波检测设定的阈值则进入步骤9，否则进入步骤7；
7)、从采样数据序列中减除步骤6中已测的第m次谐波成分：
k＝0,1,…,N
8)、判断：排序表索引+1，如果排序表索引超出排序表范围则进入步骤9，否则返回步骤6；
9)、输出：将各次谐波的谐波率计算结果输出，返回。
所述的电网频率的测量值fm是对电网频率测量数据ft经下式迭代处理后得到
其中，α为迭代系数，根据电网频率测量数据ft及当前电网频率测量值输出选取，电网频率测量值迭代更新输出，为迭代初值
其中
计算所需的正弦与余弦函数数值采用查表法获得，建立一个长度为LTbl的正弦函数查找表Tbl，存储一个周期的正弦函数数值，即
p＝0,1,…LTbl-1
LTbl＝2l
其中，p正弦函数查找表Tbl的索引，l为正整数；
对于谐波分析计算所需的第m次谐波的第k个正弦函数数值通过下面的计算获得
其中，为中间变量，用于计算第m次谐波的第k个正弦函数数值在正弦函数查找表Tbl中的索引LONG(·)为数据类型转换运算，将其他类型数据转换为32位的无符号长整形；
对于谐波分析计算所需的第m次谐波的第k个余弦函数数值通过下面的计算获得
本发明提出的电力系统谐波检测方法，采用固定的采样频率采样待测电压或电流通道，结合电网频率的测量结果测量待测通道的谐波。无需附加的硬件，对电网频率的大范围变化亦具有较强的适应性。同时，本发明提出的谐波检测方法可以根据实际仪表条件与检测要求灵活调整参数，适用性强。
附图说明
图1：为本发明框图。
图2：为本发明仿真数据图。
具体实施方式
附图1是以ATT7022C及MSP430F47166为核心的本发明的实施例框图。
三相电流分别经过电流互感器后，通过低温漂精密电阻将电流信号转换为电压信号，经过滤波保护电路后，分别与ATT7022C的三个电流通道相连，三相电压分别经过电阻分压网络及滤波保护电路后，分别与ATT7022C的三个电压通道相连，A相电压经光耦隔离单元后输出至MSP430F47166用于电网频率测量，MSP430F47166的GPIO接口经电平转换后与ATT7022C的SPI接口引脚连接。
MSP430F47166通过ATT7022C的SPI接口设置待测的电压或电流通道，ATT7022C将以3.2KHz的固定采样频率及16bit的分辨率采集预设通道，并将采样数据暂存于片上的240字的存储器中。待ATT7022C数据采集完毕，MSP430F47166通过ATT7022C的SPI接口将ATT7022C存储器中的采样数据读入MSP430F47166的片上存储器中用于谐波分析计算。
MSP430F47166利用来自光耦隔离单元的数字脉冲信号测量电网的频率，并对测量数据采用如下的迭代处理提高频率测量精度
其中
通过频率测量结果与信号源的标称输出频率统计出频率测量的均方根误差e，将之用于频率补偿
结合电网频率测量值与待测电压或电流通道的采样数据经计算基频成分、从采样数据序列中减除基频成分、谐波成分初测、初测谐波成分排序、谐波成分再测量等步骤得到谐波测量结果。
1)、基频成分测量
其中，fm是经数据处理后的电网频率的测量值，e是电网频率为50Hz时频率测量的均方根误差，fL是经误差补偿后的频率值，N是后续计算所需的整数部分，Nf是后续计算所需的小数部分，FS是采样频率，为向下取整运算，S(k)是以固定采样频率采样待测电压或电流通道获得的采样数据序列的第k个采样数据，S(N)是以固定采样频率采样待测电压或电流通道获得的采样数据序列的第N个采样数据，sin(·)与cos(·)为正弦函数与余弦函数，a1、b1是采样数据序列中基频成分的正交分量，c1是采样数据序列中基频成分的有效值；
2)、从采样数据序列中减除基频成分；
k＝0,1,…,N
3)、谐波成分初测
n＝2,3,…,21
其中，n＝2,3,…,Nh，Nh为待测的最高次谐波，an、bn是采样数据序列中第n次谐波的正交分量，cn为第n次谐波的有效值；
4)、建立排序表R，利用步骤3中得到的谐波初测值，将各次谐波的次数按其有效值从大到小排序后依次写入排序表，将排序表索引q置为0；
5)、将各次待测谐波的谐波率置零；
HRm＝0
m＝2,3,…,21
6)、根据排序表R及其当前的索引q，分析第m次谐波成分；
m＝R[q]
其中，R[q]为排序表R中的第q个数据，am、bm是采样数据序列中第m次谐波的正交分量，cm为第m次谐波的有效值，HRm是第m次谐波的谐波含有率，如果其数值小于谐波检测设定的阈值则进入步骤9，否则进入步骤7；
7)、从采样数据序列中减除步骤6中已测的第m次谐波成分：
k＝0,1,…,N
8)、排序表索引+1，如果排序表索引超出排序表范围则进入步骤9，否则返回步骤6；
9)、将各次谐波的谐波含有率计算结果输出，返回。
为提高计算速度，对计算所需的正弦与余弦函数数值采用查表法获得。建立一个长度为1024的正弦函数查找表Tbl，存储一个周期的正弦函数数值，即
p＝0,1,…1023
其中，p正弦函数查找表Tbl的索引；
对于谐波分析计算所需的第m次谐波的第k个正弦函数数值通过下面的计算获得
其中，为中间变量，用于计算第m次谐波的第k个正弦函数数值在正弦函数查找表Tbl中的索引LONG(·)为数据类型转换运算，将其他类型数据转换为32位的无符号长整形；
对于谐波分析计算所需的第m次谐波的第k个余弦函数数值通过下面的计算获得

Claims (3)

1.一种电力系统谐波的检测方法，其特征在于：测量电网频率，以固定的采样频率采样待测电压或电流通道，获得至少3.5个电网周期的采样数据，利用获得的电网频率及待测电压或电流通道的采样数据计算其谐波成分。步骤为：
1)、基频成分测量：利用下式计算采样数据序列中的基频成分
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其中，fm是经数据处理后的电网频率的测量值，e是电网频率为50Hz时频率测量的均方根误差，fL是经误差补偿后的频率值，N是后续计算所需的整数部分，Nf是后续计算所需的小数部分，FS是采样频率，为向下取整运算，S(k)是以固定采样频率采样待测电压或电流通道获得的采样数据序列的第k个采样数据，S(N)是以固定采样频率采样待测电压或电流通道获得的采样数据序列的第N个采样数据，sin(·)与cos(·)为正弦函数与余弦函数，a1、b1是采样数据序列中基频成分的正交分量，c1是采样数据序列中基频成分的有效值；
2)、从采样数据序列中减除基频成分：
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k＝0,1,…,N
3)、谐波成分初测：利用下式依次计算样数据序列中的谐波成分，获得其初测值
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其中，n＝2,3,…,Nh，Nh为待测的最高次谐波，an、bn是采样数据序列中第n次谐波的正交分量，cn为第n次谐波的有效值；
4)、谐波成分排序：建立排序表R，利用步骤3中得到的谐波初测值，将各次谐波的次数按其有效值从大到小排序后依次写入排序表，将排序表索引q置为0；
5)、清零：将各次待测谐波的谐波含有率置零；
HRm＝0
m＝2,3,…,Nh
6)、谐波成分测量：根据排序表R及其当前的索引q，分析第m次谐波成分
m＝R[q]
<mrow> <msub> <mi>a</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;kmf</mi> <mi>L</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>S</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mi>S</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>N</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;Nmf</mi> <mi>L</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>S</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>f</mi> </msub> </mrow>
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其中，R[q]为排序表R中的第q个数据，am、bm是采样数据序列中第m次谐波的正交分量，cm为第m次谐波的有效值，HRm是第m次谐波的谐波含有率，如果其数值小于谐波检测设定的阈值则进入步骤9，否则进入步骤7；
7)、从采样数据序列中减除步骤6中已测的第m次谐波成分：
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k＝0,1,…,N
8)、判断：排序表索引+1，如果排序表索引超出排序表范围则进入步骤9，否则返回步骤6；
9)、输出：将各次谐波的谐波含有率计算结果输出，返回。
2.根据权利要求1所述的一种电力系统谐波的检测方法，其特征在于：所述的电网频率的测量值fm是对电网频率测量数据ft经下式迭代处理后得到的：
<mrow> <msubsup> <mi>f</mi> <mi>m</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>f</mi> <mi>m</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;alpha;f</mi> <mi>t</mi> </msub> </mrow>
其中，α为迭代系数，根据电网频率测量数据ft及当前电网频率测量值输出选取，电网频率测量值迭代更新输出，为迭代初值
<mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mn>0.5</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>f</mi> <mi>m</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>|</mo> <mo>&amp;GreaterEqual;</mo> <mn>0.1</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0.01</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>|</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>t</mi> </msub> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>f</mi> <mi>m</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>|</mo> <mo>&lt;</mo> <mn>0.1</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
<mrow> <msubsup> <mi>f</mi> <mi>m</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>0</mn> <mo>)</mo> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <mn>50.0</mn> </mrow>
3.根据权利要求1所述的一种电力系统谐波的检测方法，其特征在于：所述的正弦与余弦函数数值采用查表法获得，建立一个长度为LTbl的正弦函数查找表Tbl，存储一个周期的正弦函数数值，即
<mrow> <mi>T</mi> <mi>b</mi> <mi>l</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>p</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>=</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;pi;</mi> <mi>p</mi> </mrow> <msub> <mi>L</mi> <mrow> <mi>T</mi> <mi>b</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
p＝0,1,…LTbl-1
LTbl＝2l
其中，p正弦函数查找表Tbl的索引，l为正整数；
对于谐波分析计算所需的第m次谐波的第k个正弦函数数值通过下面的计算获得
<mrow> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <mi>L</mi> <mi>O</mi> <mi>N</mi> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>L</mi> <mi>O</mi> <mi>N</mi> <mi>G</mi> <mo>(</mo> <mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>kmf</mi> <mi>L</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>S</mi> </msub> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <mn>2</mn> <mn>32</mn> </msup> </mrow> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <msup> <mn>2</mn> <mrow> <mn>31</mn> <mo>-</mo> <mi>l</mi> </mrow> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
<mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;kmf</mi> <mi>L</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>S</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>T</mi> <mi>b</mi> <mi>l</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msubsup> <mi>p</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msubsup> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
其中，为中间变量，用于计算第m次谐波的第k个正弦函数数值在正弦函数查找表Tbl中的索引LONG(·)为数据类型转换运算，将其他类型数据转换为32位的无符号长整形；
对于谐波分析计算所需的第m次谐波的第k个余弦函数数值通过下面的计算获得
<mrow> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <mi>L</mi> <mi>O</mi> <mi>N</mi> <mi>G</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>d</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msubsup> <mo>+</mo> <msup> <mn>2</mn> <mn>30</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
<mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;kmf</mi> <mi>L</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>F</mi> <mi>S</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>T</mi> <mi>b</mi> <mi>l</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msubsup> <mi>p</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> </mrow> </msubsup> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>.</mo> </mrow> 3
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