CN109358223A - 一种滑动窗dft谐波电流检测方法及装置、存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种滑动窗DFT谐波电流检测方法及装置、存储介质，属于电网谐波检测技术领域。本发明包括确定谐波电流信号的采样值；根据所述采样值，获取傅里叶分解表达式中实部系数和虚部系数；对所述实部系数分析处理；对所述虚部系数分析处理；获得滑动窗DFT变换的系数迭代表达式，根据最新的采样点数据和一个周期前的采样点数据进行迭代计算，进行谐波电流检测。本发明通过明确输入信号的采样值，不需要对整个周期内的所有采样值进行计算，从而减少了离散傅里叶法的计算量以及计算时间，且分别对傅里叶分解表达式中的实部系数和虚部系数队进行了分析处理，从而提高谐波检测实时性的同时，也保证了谐波检测的准确性。
Description
技术领域
本发明属于电网谐波检测技术领域，具体地说，涉及一种滑动窗DFT谐波电流检测方法 及装置、存储介质。
背景技术
选择性谐波电流检测技术作为并联型APF的关键技术，谐波电流检测的优劣直接影响了 APF的补偿性能。常用的选择性谐波电流检测方法可分为时域检测方法和频域检测方法两大 类。
在频域法中，随着高性能数字处理器等的发展，使得基于传统的离散傅里叶法(DFT)、 快速傅里叶法(FFT)等频域检测方法得以运用，提高了谐波电流检测速度，改善了有源滤 波器的补偿效果。
其中离散傅里叶法(DFT)：先对整个周期内的谐波电流信号进行采样和计算，得到电 流中各次谐波的幅值及相位信息，实现过程如下所示：
简化得到：
X(k)＝Xγ+j·Xi
其中：N为样本长度；x(n)为第n个点的输入电流的采样值；X(k)为第k次谐波的傅里叶 展开的复数值；∣X(k)∣为第k次谐波的幅值；为k次谐波的相角；k为谐波次数。
该方法测量的谐波功能较多，且使用方便、精度较高。但是该方法的缺陷是：计算时间 长且量大，从而使得检测结果实时性较差。
中国专利公开号：CN105656044A，公开日：2016年06月08日；公开了一种基于快速傅里叶变换的抑制电流谐波的方法，该技术方案可以提取任意次谐波和满足条件的各次谐波 分量之和，当负载谐波电流超出APF的补偿容量时，可以选择只补偿其中危害比较大的特征 次谐波；可以对满足条件的谐波实施反傅里叶变换(IFFT)，然后提取该部分谐波含量之和， 以方便与无源滤波器配合使用的场合，APF只补偿所需谐波。但是该发明的不足之处在于： 该技术方案并未改善原有离散傅里叶法中存在的缺陷，只是将其进行了选择，导致使用该技 术方案并不能改善检测结果实时性差的问题。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有离散傅里叶法计算时间长且量大，从而谐波电流检测结果实时性差的问题，本 发明提供一种滑动窗DFT谐波电流检测方法及装置、存储介质；本发明不需要对整个周期内 的所有采样值进行计算，从而减少了离散傅里叶法的计算量以及计算时间，提高了谐波检测 的实时性。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种滑动窗DFT谐波电流检测方法，所述方法步骤如下：
确定谐波电流信号的采样值；
根据所述采样值，获取傅里叶分解表达式中实部系数和虚部系数；
对所述实部系数分析处理；
对所述虚部系数分析处理；
获得滑动窗DFT变换的系数迭代表达式，根据最新的采样点数据和一个周期前的采样点 数据进行迭代计算，进行谐波电流检测。
更进一步地，所述确定谐波电流信号的采样值之前，还包括以下步骤：
设置存储空间；
将所述谐波电流信号进行存储。
更进一步地，所述设置存储空间，具体包括：
确定一个周期内谐波电流信号的采样点数；
设置空间大小为所述一个周期内采样点数的存储空间。
更进一步地，所述明确谐波电流信号的采样值，具体包括：
确定当前采样时刻；
确定所述当前采样时刻一个周期前的采样时刻；
确定所述当前采样时刻的采样值和所述当前采样时刻一个周期前的采样时刻的采样值。
更进一步地，所述获取傅里叶分解表达式中实部系数和虚部系数，具体包括：
根据周期连续信号的傅里叶展开公式：
其中：n为谐波电流的次数；An为实部系数；Bn为虚部系数；t为时间系数；ω为角频率；
确定实部系数An和虚部系数Bn的公式如下：
其中：T为周期；
根据所述采样值，可以得出如下公式：
其中：k为当前采样时刻；m为自然数；Ts为采样周期；N为一个周期的采样点数。
更进一步地，对所述实部系数分析处理，具体包括：
确定所述当前采样时刻一个周期前的采样时刻；
根据所述当前采样时刻傅里叶分解表达式中实部系数，求解所述一个周期前的采样时刻 傅里叶分解表达式中实部系数；
明确所述当前采样时刻傅里叶分解表达式中实部系数与所述一个周期前的采样时刻傅里 叶分解表达式中实部系数之间的关系；
根据周期信号固有恒等式：
其中：n为谐波电流的次数；k为自然数；N为一个周期的采样点数；
将所述当前采样时刻与所述前一采样时刻实部系数之间的关系进一步明确。
更进一步地，对所述虚部系数分析处理，具体包括：
确定所述当前采样时刻一个周期前的采样时刻；
根据所述当前采样时刻傅里叶分解表达式中虚部系数，求解所述一个周期前的采样时刻 傅里叶分解表达式中虚部系数；
明确所述当前采样时刻傅里叶分解表达式中虚部系数与所述一个周期前的采样时刻傅里 叶分解表达式中虚部系数之间的关系；
根据周期信号固有恒等式，将所述当前采样时刻与所述前一采样时刻虚部系数之间的关 系进一步明确。
一种谐波电流检测装置，所述谐波电流检测装置包括：
第一获取模块，用于获取所述谐波电流信号的采样值；
第二获取模块，用于根据所述采样值获取傅里叶分解表达式中实部系数和虚部系数；
第一处理模块，用于处理所述傅里叶分解表达式中实部系数；
第二处理模块，用于处理所述傅里叶分解表达式中虚部系数。
一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被设置为运行时执 行所述一种滑动窗DFT谐波电流检测方法。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过明确输入信号的采样值，不需要对整个周期内的所有采样值进行计算， 从而减少了离散傅里叶法的计算量以及计算时间，且分别对傅里叶分解表达式中的实部系数 和虚部系数队进行了分析处理，从而提高谐波检测实时性的同时，也保证了谐波检测的准确 性；
(2)本发明根据具体的采样点数设置存储空间，将需要使用的所有输入信号都存储在存 储空间中，从而可以将输入信号统一进行分析处理，减少了不必要的紊乱，明确了计算对象， 也避免了不必要的查找，提高了工作效率；
(3)本发明通过采样时刻确定输入信号，再通过输入信号确定相应的采样值，过程简洁， 目的明确，减少了不必要的步骤；
(4)本发明通过当前时刻傅里叶分解表达式中实部系数与当前时刻的前一时刻傅里叶分 解表达式中实部系数的计算，可以得出二者实部系数之间存在的联系，同样的也可得到二者 虚部系数之间存在的联系，通过彼此之间的联系，可以更快速的得到相应谐波电流的信息， 提高了谐波电流检测的实时性；
(5)本发明根据滑动窗DFT谐波电流检测方法设置了谐波电流检测装置以及存储介质， 从而扩大了该谐波电流检测方法的，使该谐波电流检测方法得到了更全面的应用。
附图说明
图1为本发明实施例1中检测方法的流程图；
图2为本发明实施例2中的滑动窗DFT谐波电流检测方法在z变换域中的控制框图；
图3为本发明实施例2中的滑动窗DFT谐波电流检测波形图；
图4为本发明实施例3中的检测装置的原理框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附 图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，所描述的实施例是本发明 一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细 描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等 是用于区别类似的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。
实施例1
本实施例提供了一种滑动窗DFT谐波电流检测方法，图1是本实施例的滑动窗DFT谐 波电流检测方法的流程图，如图1所示，该流程包括以下步骤：
步骤S101：为了得到有源电力滤波器中电流的各次谐波幅值和相位值，将所有需要检测 的谐波电流信号进行统计，确定出一个周期内需要进行检测的谐波电流信号的幅值和相位值 的采样点数，此时只需计算当前的采样点，而不对整个周期内的采样点均进行计算。
步骤S102：根据步骤S101中确定的一个周期内的幅值及相位值的采样点数的大小，设 置一个与该采样点数同样大小的存储空间，并将有源电力滤波器中的谐波电流信号存储在该 存储空间中。
步骤S103：根据有源电力滤波器中谐波电流信号的实际运行轨迹，确定出最新的采样时 刻，和该最新采样时刻的一个周期前采样时刻。
再根据步骤S102内存储空间中的谐波电流信号，与确定出的最新采样时刻和该最新采样 时刻的一个周期前采样时刻，确定出最新采样时刻的采样点数据，和该最新采样点的一个周 期前采样时刻的采样点数据。
步骤S104：周期连续信号i(t)的傅里叶展开公式为：
其中：n为谐波电流的次数；An为实部系数；Bn为虚部系数；t为时间系数；ω为角频率。
通过上式，可以确定出实部系数An和虚部系数Bn的公式如下：
其中：T为周期。
若周期连续信号处于离散域中，则：
其中：k为自然数。
根据步骤S103中的确定出的最新采样时刻，可以确定出谐波电流的次数，再根据周期连 续信号i(t)的傅里叶展开公式，可以得出如下公式：
其中：k为谐波电流的次数；Ts为采样周期；N为一个周期的采样点数；n为自然数。
再根据步骤S103中的确定出最新采样时刻的采样点数据，可以得到如下公式：
其中：k为当前采样时刻；m为自然数。
步骤S105：根据步骤S103中确定的最新采样点的一个周期前采样时刻的采样点数据和 步骤S104中确定的实部系数公式，可以获得如下公式：
从而可以得出：
根据周期信号的固有恒等式：
上式中的An(k)可转化成如下公式：
根据上式，可以发现当前采样时刻的实部系数与一个周期前采样时刻的实部系数，两者 之间相差
步骤S106：根据步骤S103中确定的最新采样点的一个周期前采样时刻的采样点数据和 步骤S104中确定的实部系数公式，可以获得如下公式：
从而可以得出：
根据周期信号的固有恒等式，上式中的Bn(k)可转化成如下公式：
根据上式，可以发现当前采样时刻的虚部系数与一个周期前采样时刻的虚部系数，两者 之间相差
根据上述步骤S101-步骤S106可知，其中An(k)和Bn(k)转换后的公式为滑动窗DFT变换 的系数迭代表达式，根据当前时刻的采样点数据和一个周期前的采样点数据的迭代计算，减 小了DFT的计算量和计算时间，从而提高了谐波检测实时性。
图2为本实施例的滑动窗DFT谐波电流检测方法在z变换域中的控制框图，如图2所示， 图中iL(k)为非线性负载电流，iLn(k)为非线性负载电流的第n次谐波分量，根据图2可知，滑 动窗DFT的计算只需计算谐波电流和锁相环相角信息输出。
在本实施例中以具体周期连续信号A为例具体进行验证。
在Maltab中搭建仿真模型，其中仿真的条件为：
iA(t)为3、5、7次谐波电流的合成，各次谐波含量如下所示：
iA(t)＝10 sin(150·2πt)+5 sin(250·2πt)+sin(350·2πt)
其中滑动窗DFT的采样点数为512个点。
图3为本实施例中滑动窗DFT谐波电流检测波形图，其中图3(a)为输入前4次电流同 滑动窗DFT检测出的波形图，图3(b)为输入前7次电流同滑动窗DFT检测出的波形图， 从图3(a)和图3(b)可以观察出两个波形图的幅值和相角均相等，从而验证了滑动窗DFT 在选择性谐波检测中的正确性。
实施例2
本实施例提供了一种谐波电流检测装置，该装置用于实现实施例1中的方法，已经进行 过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组 合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合 的实现也是可能并被构想的。
图2是根据本实施例的检测装置的原理框图，如图2所示，该谐波电流检测装置包括：
第一获取模块，用于获取谐波电流信号的采样值；具体地讲，根据有源电力滤波器中谐 波电流信号的实际运行轨迹，确定出最新的采样时刻，和该最新采样时刻的一个周期前采样 时刻，并确定这两个采样时刻的采样点数据。
第二获取模块，用于根据所述采样值获取傅里叶分解表达式中实部系数和虚部系数；其 具体内容如实施例1中步骤S104所示；方便了第一处理模块中实部系数和第二处理模块中虚 部系数的进一步处理。
第一处理模块，用于处理所述傅里叶分解表达式中实部系数；其具体内容如实施例1中 步骤S105所示；可以确定出当前采样时刻的实部系数与一个周期前采样时刻的实部系数之间 的差值。
第二处理模块，用于处理所述傅里叶分解表达式中虚部系数其具体内容如实施例1中步 骤S106所示；可以确定出当前采样时刻的虚部系数与一个周期前采样时刻的虚部系数之间的 差值。
需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，对于后者，可以通过以 下方式实现，但不限于此：上述模块均位于同一处理器中；或者，上述各个模块以任意组合 的形式分别位于不同的处理器中。
实施例3
本实施例提供了一种存储介质，该存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序 被设置为运行时执行实施例1中的一种滑动窗DFT谐波电流检测方法。
在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(Read-OnlyMemory， 简称为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)、移动硬盘、磁碟 或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示 的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通 技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似 的方法步骤及实施例，均应属于本专利的保护范围。
Claims (9)
1.一种滑动窗DFT谐波电流检测方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
确定谐波电流信号的采样值；
根据所述采样值，获取傅里叶分解表达式中实部系数和虚部系数；
对所述实部系数分析处理；
对所述虚部系数分析处理；
获得滑动窗DFT变换的系数迭代表达式，根据最新的采样点数据和一个周期前的采样点数据进行迭代计算，进行谐波电流检测。
2.根据权利要求1所述的一种滑动窗DFT谐波电流检测方法，其特征在于，所述确定谐波电流信号的采样值之前，还包括以下步骤：
设置存储空间；
将所述谐波电流信号进行存储。
3.根据权利要求2所述的一种滑动窗DFT谐波电流检测方法，其特征在于，所述设置存储空间，具体包括：
确定一个周期内谐波电流信号的采样点数；
设置空间大小为所述一个周期内采样点数的存储空间。
4.根据权利要求1或3所述的一种滑动窗DFT谐波电流检测方法，其特征在于，所述明确谐波电流信号的采样值，具体包括：
确定当前采样时刻；
确定所述当前采样时刻一个周期前的采样时刻；
确定所述当前采样时刻的采样值和所述当前采样时刻一个周期前的采样时刻的采样值。
5.根据权利要求4所述的一种滑动窗DFT谐波电流检测方法，其特征在于，所述获取傅里叶分解表达式中实部系数和虚部系数，具体包括：
根据周期连续信号的傅里叶展开公式：
其中：n为谐波电流的次数；An为实部系数；Bn为虚部系数；t为时间系数；ω为角频率；
确定实部系数An和虚部系数Bn的公式如下：
其中：T为周期；
根据所述采样值，可以得出如下公式：
其中：k为当前采样时刻；m为自然数；Ts为采样周期；N为一个周期的采样点数。
6.根据权利要求5所述的一种滑动窗DFT谐波电流检测方法，其特征在于，对所述实部系数分析处理，具体包括：
确定所述当前采样时刻一个周期前的采样时刻；
根据所述当前采样时刻傅里叶分解表达式中实部系数，求解所述一个周期前的采样时刻傅里叶分解表达式中实部系数；
明确所述当前采样时刻傅里叶分解表达式中实部系数与所述一个周期前的采样时刻傅里叶分解表达式中实部系数之间的关系；
根据周期信号固有恒等式：
其中：n为谐波电流的次数；k为自然数；N为一个周期的采样点数；
将所述当前采样时刻与所述前一采样时刻实部系数之间的关系进一步明确。
7.根据权利要求6所述的一种滑动窗DFT谐波电流检测方法，其特征在于，对所述虚部系数分析处理，具体包括：
确定所述当前采样时刻一个周期前的采样时刻；
根据所述当前采样时刻傅里叶分解表达式中虚部系数，求解所述一个周期前的采样时刻傅里叶分解表达式中虚部系数；
明确所述当前采样时刻傅里叶分解表达式中虚部系数与所述一个周期前的采样时刻傅里叶分解表达式中虚部系数之间的关系；
根据周期信号固有恒等式，将所述当前采样时刻与所述前一采样时刻虚部系数之间的关系进一步明确。
8.一种谐波电流检测装置，其特征在于：所述谐波电流检测装置包括：
第一获取模块，用于获取所述谐波电流信号的采样值；
第二获取模块，用于根据所述采样值获取傅里叶分解表达式中实部系数和虚部系数；
第一处理模块，用于处理所述傅里叶分解表达式中实部系数；
第二处理模块，用于处理所述傅里叶分解表达式中虚部系数。
9.一种存储介质，其特征在于：所述存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1至7任一项中所述的方法。
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