CN108918963A - 一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法和仪表 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法和仪表。所述方法包括根据测量时用电设备的工况参数，在谐波数据集中查询得到对应工况下各次谐波对应的波形和根据各次谐波对应的波形，分析得到各次谐波的电力参数等步骤；所述仪表包括测量装置、输入装置、存储器和处理器。本发明事先将基波和各次谐波的波形存储在谐波数据集中，在实际用于测量谐波时，可以从谐波数据集中读取与需要测量的某一次数谐波有关的波形，作为测量结果，这样便可以免去使用电路来实现波形分解或者使用复杂的算法进行频谱分析，适用于任何生产环境，因此同时具备快速、简单、方便、精确和普适的优点。本发明广泛应用于电子电力技术领域。

Description

一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法和仪表

技术领域

本发明涉及电子电力技术领域，尤其是一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法和仪表。

背景技术

在供电技术中，谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，谐波会对电机、变压器、电容器等电气设备造成损坏，还会降低电网供电质量。谐波的存在会使得用电企业的无功补偿难以进行，不能进行有效的无功补偿，进一步地降低供电质量和用电质量，还会使用电企业遭受供电部门的罚款。因此，供电部门和用电企业普遍非常重视对供电线路中谐波的测量，通常使用电力质量检测仪表来监测供电线路中存在的各次谐波成分。各次谐波成分可以用其绝对强度来表示，也可以用其在供电线路总电流中所占的百分比或者其他数据来表示。

现有的谐波测量方法包括硬件测量法、基于傅里叶变换的测量法和基于瞬时无功功率的测量法等。其中硬件测量法是利用多个具有不同频率特性的滤波器对供电线路中的电流进行滤波，然后将各滤波器的输出结果的测量值作为对应各次谐波的测量结果，硬件测量法成本低容易实现，但其精度和可靠性依赖于所用的滤波器等硬件，难以获得精确的频率特性，而且所测量的电压和电流不能过大。基于傅里叶变换的测量法是应用最广泛的方法，其采集一定时间的电流波形，并通过快速傅里叶变换等方法得到分析结果，随着处理器技术的进步，复杂的快速傅里叶变换能够在很短的时间内完成，但是应用傅里叶变换要求测量时的采样频率和被测量的信号频率严格同步，否则就会出现频谱泄漏效应和栅栏效应，严重影响测量精度。基于瞬时无功功率的测量法要求供电环境处于特定状态，否则将不能应用。由此可见，现有的谐波测量技术都不同时具备快速、简单、方便、精确和普适的优点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的第一目的和第二目的在于提供一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法，第三目的在于提供一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的仪表。

本发明所采取的第一技术方案是：

一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法，包括以下步骤：

根据测量时用电设备的工况参数，在谐波数据集中查询得到对应工况下各次谐波对应的波形；所述谐波数据集中存有预先测得的各种工况下基波和各次谐波对应的波形；

根据各次谐波对应的波形，分析得到各次谐波的电力参数；所述电力参数包括电压强度、电流强度和/或其百分比含量。

本发明所采取的第二技术方案是：

一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法，包括以下步骤：

以测量到的供电线路中的电力波形，减去谐波数据集中对应工况下除待测目标谐波对应的波形外的所有其他波形，从而得到结果波形；所述谐波数据集中存有预先测得的各种工况下基波和各次谐波对应的波形；

根据所述结果波形，分析得到待测目标谐波的电力参数；所述电力参数包括电压强度、电流强度和/或其百分比含量；

改变待测目标谐波后重新依次执行上述两步骤，从而分析得到各次谐波的电力参数。

进一步地，通过以下步骤测得所述谐波数据集：

根据工况参数，控制用电设备进入正常生产状态；所述用电设备由供电线路供电；

测量一段时间内各时刻供电线路中基波和各次谐波的电力参数，从而得到基波和各次谐波对应的波形；

将当前工况参数下基波和各次谐波对应的波形记录到数据集中；

改变工况参数后重新依次执行上述三步骤，从而测得各种工况下基波和各次谐波对应的波形，所得数据集为谐波数据集。

进一步地，所述工况参数包括各用电设备的负荷状态和工作时序。

进一步地，所述各次谐波包括2-31次谐波。

进一步地，在组成谐波数据集之前，还对各次谐波对应的波形做以下步骤的处理：

剔除所有偶数次谐波对应的波形。

进一步地，在组成谐波数据集之前，还对各次谐波对应的波形做以下步骤的处理：

将3次谐波对应的波形分别减去5次谐波、7次谐波和9次谐波对应的波形，将所得波形替换原来的波形以作为3次谐波对应的波形；

将5次谐波对应的波形分别减去7次谐波和9次谐波对应的波形，将所得波形替换原来的波形以作为5次谐波对应的波形；

将7次谐波对应的波形减去9次谐波对应的波形，将所得波形替换原来的波形以作为7次谐波对应的波形。

进一步地，在进行3次谐波、5次谐波、7次谐波和9次谐波对应的波形之间的减法之前，先对3次谐波、5次谐波、7次谐波和9次谐波对应的波形做移相处理，从而使其相位统一。

进一步地，在组成谐波数据集之前，还对各次谐波对应的波形做以下步骤的处理：

将各次谐波对应的波形分别用具有对应相同幅度和相位的正弦波代替。

本发明所采取的第三技术方案是：

一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的仪表，包括测量装置、输入装置、存储器和处理器；

所述测量装置用于测量供电线路中的电力波形并将其发送给处理器；

所述输入装置用于供用户输入当前工况参数并将工况参数发送给处理器；

所述存储器用于存储谐波数据集以及至少一个程序；所述谐波数据集中存有预先测得的各种工况下基波和各次谐波对应的波形；

所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行权利要求1-9任一项所述方法。

本发明的有益效果是：本发明事先将基波和各次谐波的波形存储在谐波数据集中，在实际用于测量谐波时，可以从谐波数据集中读取与需要测量的某一次数谐波有关的波形，作为测量结果，这样便可以免去使用电路来实现波形分解或者使用复杂的算法进行频谱分析，适用于任何生产环境，因此同时具备快速、简单、方便、精确和适用范围广的优点。

附图说明

图1为本发明实施例1方法的流程图；

图2为本发明实施例2方法的流程图；

图3为本发明实施例2方法的原理图，图中1为测得的电力波形，2为查询得到的基波波形，3为查询得到的3次谐波波形，4为为查询得到的4次谐波波形。

具体实施方式

谐波分析的任务是测量供电线路中各次谐波的电力参数，在实际应用中，电力系统的工频为50Hz，需要检测的是2-31次谐波的电压强度、电流强度和/或这些谐波所占的百分比含量等电力参数，这些电力参数可以直接从波形中分析出来。更高次数的谐波，由于占比很低，对供电用电的影响较小，分析已无意义。因此谐波分析本质上就是化整为零，将电力波形分解成基波和各次谐波的波形。

本发明提供了两种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法，基本原理是事先将基波和各次谐波的波形存储在谐波数据集中，在实际用于测量谐波时，可以从谐波数据集中读取与需要测量的某一次数谐波有关的波形，作为测量结果，这样便可以免去使用电路来实现波形分解或者使用复杂的算法进行频谱分析。

由于供电线路中电力波形的谐波成分与用电设备的工况，也就是用电设备的工作状态密切相关，而工况可以用各用电设备的负荷状态和工作时序等工况参数表示，因此本发明方法所用的谐波数据集中各波形除了对应各次谐波之外，还用测得该波形时各用电设备的工况参数信息标记。在应用本发明方法从谐波数据集查找或读取波形时，需要考虑相应的工况。

谐波数据集可以如下格式存储：

其中，各种工况可以分别表示为各主要谐波源设备在不同生产工艺中的工作状态。例如，工况1可以用如下工况参数表示：100kVA整流器于0000s-0015s启动，1号晶闸管于0010s启动并达到最大负荷50kw，2号晶闸管全程断路等；工况2可以用如下工况参数表示：1号电机-10号电机以10s为间隔依次全功率启动运行直至生产过程结束等。

以下通过实施例对两种方法做进一步说明。

实施例1

本发明第一种方法，如图1所示，包括以下步骤：

根据测量时用电设备的工况参数，在谐波数据集中查询得到对应工况下各次谐波对应的波形；所述谐波数据集中存有预先测得的各种工况下基波和各次谐波对应的波形；

根据各次谐波对应的波形，分析得到各次谐波的电力参数；所述电力参数包括电压强度、电流强度和/或其百分比含量。

由于用电企业在生产过程中的工艺一般是固定的，也就是各用电设备的工况具有一定的稳定性，因此谐波数据集需要足够完善，即其所记录的工况及其对应的各次谐波波形需要尽可能多，以使得无论用电设备的何种工况下，都能马上快速地查到各次谐波的波形。

例如在实际过程中，出现“100kVA整流器于0000s-0015s启动，1号晶闸管于0010s启动并达到最大负荷50kw，2号晶闸管全程断路”这一工况，为了测得此时各次谐波的电力参数，可以从谐波数据集中查找工况1所标记的基波以及1-31次谐波波形，并由此算出各次谐波的电压强度、电流强度和/或其百分比含量等参数。

实施例2

本发明第二种方法，如图2所示，包括以下步骤：

以测量到的供电线路中的电力波形，减去谐波数据集中对应工况下除待测目标谐波对应的波形外的所有其他波形，从而得到结果波形；所述谐波数据集中存有预先测得的各种工况下基波和各次谐波对应的波形；

根据所述结果波形，分析得到待测目标谐波的电力参数；所述电力参数包括电压强度、电流强度和/或其百分比含量；

改变待测目标谐波后重新依次执行上述两步骤，从而分析得到各次谐波的电力参数。

第二种方法与第一种方法是相似的，同样是通过查询数据集的手段来实现快速计算。第一种方法中，将查询结果直接作为最终测量结果，会导致测量谐波数据集时产生的误差被完全保留地转移到了对供电线路进行实测的过程。第二种方法对此作出的改良是考虑谐波数据集中对应工况下所有次数谐波波形的影响。

例如在“100kVA整流器于0000s-0015s启动，1号晶闸管于0010s启动并达到最大负荷50kw，2号晶闸管全程断路”这一工况，也就是谐波数据集的工况1下，为了测得2次谐波的波形，可以通过以下步骤进行：以2次谐波为待测目标谐波，读取波数据集中标记为工况1的、除2次谐波对应的波形外的所有其他波形，也就是基波波形、3次谐波波形、4次谐波波形……31次谐波波形，然后将所测得的供电线路中的电力波形，依次减去上述的基波波形、3次谐波波形、4次谐波波形……31次谐波波形，所得的结果波形便是所要测得的2次谐波的波形。

改变待测目标谐波，例如将待测目标谐波确定为3次谐波，重复以上步骤，也就是读取波数据集中标记为工况1的基波波形、2次谐波波形、4次谐波波形……31次谐波波形，并用所测得的供电线路中的电力波形减去它们，所得的结果波形便是所要测得的3次谐波的波形。

按照上述方法，可以计算出其他次数谐波对应的波形，最终可以得到所有次数谐波对应的波形。

本发明第二种方法考虑了更多的波形，也就是综合考虑了谐波数据集本身测量过程中各种正负误差，使得它们之间可以相互抵消，避免本发明第一种方法仅考虑单一波形的高误差的缺点。

图3示意了利用本发明第二种方法来测量2次谐波的波形的原理。图中1为测量到的供电线路中的电力波形，为了求得2次谐波的波形，根据当时的工况，从数据集中查询得到基波波形2、3次谐波波形3和4次谐波波形4，更高次谐波的波形没有在图3中展示，在不影响理解的前提下，省去对更高次谐波波形的描述。将测得的电力波形1、查询得到的基波波形2、3次谐波波形3和4次谐波波形4置于同一坐标系中，即可通过波形合成的方法，即用电力波形1减去基波波形2、3次谐波波形3和4次谐波波形4，即可得到2次谐波波形。

实施例3

本实施例中还介绍了谐波数据集的测量方法。所测得的谐波数据集，既可以用于如实施例1所示的第一种方法，也可以用于如实施例2所示的第二种方法。

进一步作为优选的实施方式，通过以下步骤测得所述谐波数据集：

根据工况参数，控制用电设备进入正常生产状态；所述用电设备由供电线路供电；

测量一段时间内各时刻供电线路中基波和各次谐波的电力参数，从而得到基波和各次谐波对应的波形；

将当前工况参数下基波和各次谐波对应的波形记录到数据集中；

改变工况参数后重新依次执行上述三步骤，从而测得各种工况下基波和各次谐波对应的波形，所得数据集为谐波数据集。

谐波数据集是在应用本发明第一种方法和第二种方法前预先测定的。首先用电企业根据自己的不同工艺流程的生产安排总结成一系列的工况参数，例如上述的工况1和工况2。对于某一特定的工况参数，例如工况1，据此控制用电设备进入正常生产状态，然后测量一段时间内各时刻供电线路中基波和各次谐波的电力参数，实质上是完成各次谐波波形的采样，一般地，基波的频率为50Hz，即1s内有50个周期，各次谐波波形在1s内有更多的周期，在1s内完成波形采样从效率和精确方面可以取得比较好的平衡，也就是谐波数据集中各次谐波波形的长度为1s。这个采样过程可以使用现有技术进行，例如背景技术中提到的硬件测量法和基于傅里叶变换的测量法等。在工况1下测量到的各次谐波对应的波形，标记为工况1并记录到数据集中，完成基波和2-31次谐波波形的采集之后，改变工况参数，例如切换到工况2，再次进行采样，由此反复循环可以测得各种工况下各次谐波的波形，它们组成了谐波数据集。

由于谐波数据集的测量是一次性的，在用电设备工况不发生重大改变的情况下无需进行谐波数据集的变动，因此在测量谐波数据集的过程中，即使使用复杂的现有技术，也不会影响整体方法的高效性。

进一步作为优选的实施方式，所述工况参数包括各用电设备的负荷状态和工作时序。

理论上工况参数越复杂，谐波数据集的数据便越精细，应用本发明方法的测量结果便越精确，事实上工况参数还可以引入用电设备型号、用电设备老化程度和用电设备工作环境温度等数据来进一步描述，但实际过程中，各用电设备的负荷状态和工作时序已具有非常好的代表性，因此可以仅适用负荷状态和工作时序两项指标来描述。

进一步作为优选的实施方式，所述各次谐波包括2-31次谐波。

进一步作为优选的实施方式，在组成谐波数据集之前，还对各次谐波对应的波形做以下步骤的处理：

剔除所有偶数次谐波对应的波形。

在电力系统的谐波分析中，由于偶数次谐波的危害性较低，一般只考虑奇数次谐波的影响，因此为了降低谐波数据集的复杂度，可以将其中的偶数次谐波对应的波形删除，只保留奇数次谐波对应的波形。

进一步作为优选的实施方式，在组成谐波数据集之前，还对各次谐波对应的波形做以下步骤的处理：

将3次谐波对应的波形分别减去5次谐波、7次谐波和9次谐波对应的波形，将所得波形替换原来的波形以作为3次谐波对应的波形；

将5次谐波对应的波形分别减去7次谐波和9次谐波对应的波形，将所得波形替换原来的波形以作为5次谐波对应的波形；

将7次谐波对应的波形减去9次谐波对应的波形，将所得波形替换原来的波形以作为7次谐波对应的波形。

数学形式上，各次谐波的波形都应该是标准的正弦波，但谐波数据集中各个波形毕竟是测量的结果，因此不可能是绝对标准的正弦波，通常情况下，测量到的低次谐波的波形往往会具有高次谐波的成分。在实际生产中，3、5和7次谐波的强度和危害性都很大，对其精确测量的需求也较强，因此为了提高本发明方法的测量结果，可以通过上述处理方法对所测得的3次谐波、5次谐波和7次谐波对应的波形分别进行处理，使得其更加接近标准的正弦波。

对3次谐波波形的整理具体是将其依次减去相同工况下测得的5次谐波、7次谐波和9次谐波对应的波形，以去除其含有的高次谐波成分。应以经过整理后的3次谐波波形存入谐波数据集中。

对5次谐波和7次谐波的整理同理。

进一步作为优选的实施方式，在进行3次谐波、5次谐波、7次谐波和9次谐波对应的波形之间的减法之前，先对3次谐波、5次谐波、7次谐波和9次谐波对应的波形做移相处理，从而使其相位统一。

由于3次谐波、5次谐波、7次谐波和9次谐波对应的各波形是分别测得的一段时间内的波形，其相位可能并不统一。例如3次谐波波形的起始点是其过零点，而5次谐波波形的起始点是其峰值，7次谐波波形的起始点是其过零点与谷值之间的一个点。在做减法运算时，将3次谐波、5次谐波、7次谐波和9次谐波对应的各波形置于同一坐标系下，应当做移相处理，使得所有的波形相位统一，例如各波形的起始点均为过零点等，以使波形整理的结果更加精确。

进一步作为优选的实施方式，在组成谐波数据集之前，还对各次谐波对应的波形做以下步骤的处理：

将各次谐波对应的波形分别用具有对应相同幅度和相位的正弦波代替。

相比起通过将3次谐波、5次谐波、7次谐波和9次谐波做减法运算来实现波形整理，一个更快的方法是，保持波形的相位和幅度不变，直接将各次谐波对应的波形替换为相同频率的正弦波。

实施例4

本发明还公开了一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的仪表，其包括测量装置、输入装置、存储器和处理器；

所述测量装置用于测量供电线路中的电力波形并将其发送给处理器；

所述输入装置用于供用户输入当前工况参数并将工况参数发送给处理器；

所述存储器用于存储谐波数据集以及至少一个程序；所述谐波数据集中存有预先测得的各种工况下各次谐波对应的波形；

所述处理器用于加载所述至少一个程序以实施例1-4所述方法。

本发明仪表通过存储器和处理器来执行必要的程序以实现本发明方法，其中，存储器还用于存储谐波数据集；测量装置属于现有技术，用于测量供电线路中的电力波形；输入装置可以是键盘或者触摸屏等，用于获取用户所输入的工况参数等信息，以供处理器处理。

本发明以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但对本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据测量时用电设备的工况参数，在谐波数据集中查询得到对应工况下各次谐波对应的波形；所述谐波数据集中存有预先测得的各种工况下基波和各次谐波对应的波形；

根据各次谐波对应的波形，分析得到各次谐波的电力参数；所述电力参数包括电压强度、电流强度和/或其百分比含量。

2.一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

以测量到的供电线路中的电力波形，减去谐波数据集中对应工况下除待测目标谐波对应的波形外的所有其他波形，从而得到结果波形；所述谐波数据集中存有预先测得的各种工况下基波和各次谐波对应的波形；

根据所述结果波形，分析得到待测目标谐波的电力参数；所述电力参数包括电压强度、电流强度和/或其百分比含量；

改变待测目标谐波后重新依次执行上述两步骤，从而分析得到各次谐波的电力参数。

3.根据权利要求2所述的一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法，其特征在于，通过以下步骤测得所述谐波数据集：

根据工况参数，控制用电设备进入正常生产状态；所述用电设备由供电线路供电；

测量一段时间内各时刻供电线路中基波和各次谐波的电力参数，从而得到基波和各次谐波对应的波形；

将当前工况参数下基波和各次谐波对应的波形记录到数据集中；

改变工况参数后重新依次执行上述三步骤，从而测得各种工况下基波和各次谐波对应的波形，所得数据集为谐波数据集。

4.根据权利要求3所述的一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法，其特征在于，所述工况参数包括各用电设备的负荷状态和工作时序。

5.根据权利要求2所述的一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法，其特征在于，所述各次谐波包括2-31次谐波。

6.根据权利要求5所述的一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法，其特征在于，在组成谐波数据集之前，还对各次谐波对应的波形做以下步骤的处理：

剔除所有偶数次谐波对应的波形。

7.根据权利要求5所述的一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法，其特征在于，在组成谐波数据集之前，还对各次谐波对应的波形做以下步骤的处理：

将3次谐波对应的波形分别减去5次谐波、7次谐波和9次谐波对应的波形，将所得波形替换原来的波形以作为3次谐波对应的波形；

将5次谐波对应的波形分别减去7次谐波和9次谐波对应的波形，将所得波形替换原来的波形以作为5次谐波对应的波形；

将7次谐波对应的波形减去9次谐波对应的波形，将所得波形替换原来的波形以作为7次谐波对应的波形。

8.根据权利要求7所述的一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法，其特征在于，在进行3次谐波、5次谐波、7次谐波和9次谐波对应的波形之间的减法之前，先对3次谐波、5次谐波、7次谐波和9次谐波对应的波形做移相处理，从而使其相位统一。

9.根据权利要求5所述的一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的方法，其特征在于，在组成谐波数据集之前，还对各次谐波对应的波形做以下步骤的处理：

将各次谐波对应的波形分别用具有对应相同幅度和相位的正弦波代替。

10.一种用于测量供电线路中谐波的电力参数的仪表，其特征在于，包括测量装置、输入装置、存储器和处理器；

所述测量装置用于测量供电线路中的电力波形并将其发送给处理器；

所述输入装置用于供用户输入当前工况参数并将工况参数发送给处理器；

所述存储器用于存储谐波数据集以及至少一个程序；所述谐波数据集中存有预先测得的各种工况下基波和各次谐波对应的波形；

所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行权利要求1-9任一项所述方法。