CN111025015B - 一种谐波检测方法、装置、设备和存储介质 - Google Patents

一种谐波检测方法、装置、设备和存储介质 Download PDF

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CN111025015B CN201911398154.XA CN201911398154A CN111025015B CN 111025015 B CN111025015 B CN 111025015B CN 201911398154 A CN201911398154 A CN 201911398154A CN 111025015 B CN111025015 B CN 111025015B
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    • Y02E40/40—Arrangements for reducing harmonics

Abstract

本申请公开了一种谐波检测方法、装置、设备和存储介质，在获取了电流连续信号之后，先以fs的采样频率对电流连续信号进行采样，再对电流连续信号进行截取得到信号片段，然后再在频域中根据卷积定理将信号片段与余弦组合窗函数相乘得到谐波信号，通过余弦组合窗函数和快速傅里叶变换能有效提高算法的检测精度，短范围和长范围的频谱泄漏都得到了很好的抑制，降低了电力系统影响因素的复杂性和减少混杂在谐波中的噪声从而解决了现有的电力谐波检测方法容易因为电力系统影响因素的复杂性和混杂在谐波中的噪声多种多样，而不能对幅值微小的高次谐波进行有效检测的技术问题。

Description

一种谐波检测方法、装置、设备和存储介质
技术领域
本申请涉及电力检测技术领域，尤其涉及一种谐波检测方法、装置、设备和存储介质。
背景技术
电力系统是由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。随着电子技术的发展,越来越多的非线性负载引入电力系统，因此而产生的谐波对电力系统的干扰越来越严重。电力系统谐波问题的研究已经被逐渐重视，电力谐波检测是电力谐波研究分析的出发点。
现有的电力谐波检测方法容易因为电力系统影响因素的复杂性和混杂在谐波中的噪声多种多样，而不能对幅值微小的高次谐波进行有效检测。
发明内容
本申请提供了一种谐波检测方法、装置、设备和存储介质，用于解决现有的电力谐波检测方法容易因为电力系统影响因素的复杂性和混杂在谐波中的噪声多种多样，而不能对幅值微小的高次谐波进行有效检测的技术问题。
有鉴于此，本申请第一方面提供了一种谐波检测方法，包括：
获取电力系统的电流连续信号；
以fs的采样频率对所述电流连续信号进行采样得到离散序列，所述电流连续信号的基波频率为f0，所述离散序列为：
x(n)＝x(nTs)；
其中，n的取值为0、1、2…N-1个点；Ts为所述电流连续信号的周期；x为所述电流连续信号；
截取采样后的所述电流连续信号得到信号片段；
在频域中，根据卷积定理将所述信号片段与余弦组合窗函数相乘得到谐波信号，所述余弦组合窗函数为：
Figure GDA0003690821950000021
所述余弦组合窗函数的性能优化的约束条件为：
Figure GDA0003690821950000022
Figure GDA0003690821950000023
其中，k为窗函数的项数，bi为实常系数，i为自然数，N为以所述fs的采样频率对信号进行N点采样；
将所述谐波信号通过快速傅里叶变换计算所述谐波信号的频谱；
分析所述频谱，得到所述谐波信号的频率、幅值和相位。
可选地，所述在频域中，根据卷积定理将所述信号片段与余弦组合窗函数相乘得到谐波信号，包括：
以同步采样法的方式使得所述信号片段的频率和采样频率同步；
通过相位比较器将所述信号片段的频率与锁相环输出的同步反馈信号的频率，所述信号片段的相位与所述同步反馈信号的相位进行比较；
将进行比较后的所述信号片段进行滤波；
锁定并跟踪滤波后的所述信号片段的频率的变化，控制压控振荡器的频率直至所述信号片段的频率与所述同步反馈信号的频率同步，得到同步信号；
运用所述同步信号控制采样和加窗，得到谐波信号。
可选地，所述余弦组合窗函数包括Hanning窗函数；
所述Hanning窗函数的采样序为：
Figure GDA0003690821950000024
其中，T为周期，n为采样的点数；
则所述信号片段与所述Hanning窗函数相乘的xN(n)序列为：
xN(n)＝wR(n)·x(n)，n＝0,1,2,…,N-1。
可选地，所述分析所述频谱，得到所述谐波信号的频率、幅值和相位，包括：
从所述频谱中获取每次谐波或间谐波对应的两个直角分量，并通过所述xN(n)序列计算出所述谐波信号的频率、幅值和相位。
本申请第二方面提供了一种谐波检测装置，包括：获取单元、采样单元、截取单元、加窗单元、计算单元和分析单元；
所述获取单元，用于获取电力系统的电流连续信号；
所述采样单元，用于以fs的采样频率对所述电流连续信号进行采样得到离散序列，所述电流连续信号的基波频率为f0，所述离散序列为：
x(n)＝x(nTs)；
其中，n的取值为0、1、2…N-1个点；Ts为所述电流连续信号的周期；x为所述电流连续信号；
所述截取单元，用于截取采样后的所述电流连续信号得到信号片段；
所述加窗单元，用于在频域中，根据卷积定理将所述信号片段与余弦组合窗函数相乘得到谐波信号，所述余弦组合窗函数为：
Figure GDA0003690821950000031
所述余弦组合窗函数的性能优化的约束条件为：
Figure GDA0003690821950000032
/>
Figure GDA0003690821950000033
其中，k为窗函数的项数，bi为实常系数，i为自然数，N为以所述fs的采样频率对信号进行N点采样；
所述计算单元，用于将所述谐波信号通过快速傅里叶变换计算所述谐波信号的频谱；
所述分析单元，用于分析所述频谱，得到所述谐波信号的频率、幅值和相位。
可选地，所述加窗单元包括：同步子单元、第一比较子单元、滤波子单元、监测子单元和控制子单元；
所述同步子单元，用于以同步采样法的方式使得所述信号片段的频率和采样频率同步；
所述第一比较子单元，用于通过相位比较器将所述信号片段的频率与锁相环输出的同步反馈信号的频率，所述信号片段的相位与所述同步反馈信号的相位进行比较；
所述滤波子单元，用于将进行比较后的所述信号片段进行滤波；
所述监测子单元，用于锁定并跟踪滤波后的所述信号片段的频率的变化，控制压控振荡器的频率直至所述信号片段的频率与所述同步反馈信号的频率同步，得到同步信号；
所述控制子单元，用于运用所述同步信号控制采样和加窗，得到谐波信号。
可选地，所述分析单元具体用于：
从所述频谱中获取每次谐波或间谐波对应的两个直角分量，并通过xN(n)序列计算出所述谐波信号的频率、幅值和相位。
本申请第三方面提供了一种谐波检测设备，包括存储器以及处理器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行本申请提供的第一方面所述的谐波检测方法。
本申请第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行本申请提供的第一方面所述的谐波检测方法。
从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：
本申请提供了一种谐波检测方法，包括：获取电力系统的电流连续信号，以fs的采样频率对所述电流连续信号进行采样得到离散序列，所述电流连续信号的基波频率为f0，截取采样后的所述电流连续信号得到信号片段，在频域中，根据卷积定理将所述信号片段与余弦组合窗函数相乘得到谐波信号，将所述谐波信号通过快速傅里叶变换计算所述谐波信号的频谱，分析所述频谱，得到所述谐波信号的频率、幅值和相位。
本申请在获取了电流连续信号之后，先以fs的采样频率对电流连续信号进行采样，再对电流连续信号进行截取得到信号片段，然后再在频域中根据卷积定理将信号片段与余弦组合窗函数相乘得到谐波信号，通过余弦组合窗函数和快速傅里叶变换能有效提高算法的检测精度，短范围和长范围的频谱泄漏都得到了很好的抑制，降低了电力系统影响因素的复杂性和减少混杂在谐波中的噪声从而解决了现有的电力谐波检测方法容易因为电力系统影响因素的复杂性和混杂在谐波中的噪声多种多样，而不能对幅值微小的高次谐波进行有效检测的技术问题。
附图说明
图1为本申请实施例中一种谐波检测方法的一个流程示意图；
图2为本申请实施例中一种谐波检测方法的另一流程示意图；
图3为本申请实施例中一种谐波检测装置的实施例的结构示意图。
具体实施方式
本申请实施例提供了一种谐波检测方法、装置、设备和存储介质，用于解决现有的电力谐波检测方法容易因为电力系统影响因素的复杂性和混杂在谐波中的噪声多种多样，而不能对幅值微小的高次谐波进行有效检测的技术问题。
为使得本申请的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
请参阅图1，本申请实施例提供了一种谐波检测方法，包括：
步骤S101、获取电力系统的电流连续信号。
需要说明的是，在检测电力系统中的谐波时，需要获取电力系统的电流连续信号，检测电流连续信号的谐波。
步骤S102、将以fs的采样频率对电流连续信号进行采样得到离散序列。
可以理解的是，电流连续信号的基波频率为f0，离散序列为：
x(n)＝x(nTs)；
其中，n的取值为0、1、2…N-1个点；Ts为电流连续信号的周期；x为电流连续信号。
步骤S103、截取采样后的电流连续信号得到信号片段。
步骤S104、在频域中，根据卷积定理将信号片段与余弦组合窗函数相乘得到谐波信号。
需要说明的是，余弦组合窗函数为：
Figure GDA0003690821950000061
余弦组合窗函数的性能优化的约束条件为：
Figure GDA0003690821950000062
Figure GDA0003690821950000063
其中，k为窗函数的项数，bi为实常系数，i为自然数，N为以fs的采样频率对信号进行N点采样。
还需要说明的是，组合余弦窗函数是电网谐波分析的常用窗函数，它是一系列窗函数的统称，能方便地进行频谱计算.其中，性能优良的已知著名组合余弦窗函数有Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、Blackman---Harris窗和Rife-Ⅵncent(R-H)窗等。
可以理解的是，本实施例中的Hanning窗函数的采样序为：
Figure GDA0003690821950000064
其中，T为周期，n为采样的点数；
则信号片段与Hanning窗函数相乘的xN(n)序列为：
xN(n)＝wR(n)·x(n)，n＝0,1,2,…,N-1。
步骤S105、将谐波信号通过快速傅里叶变换计算谐波信号的频谱。
步骤S106、分析频谱，得到谐波信号的频率、幅值和相位。
本申请实施例在获取了电流连续信号之后，先以fs的采样频率对电流连续信号进行采样，再对电流连续信号进行截取得到信号片段，然后再在频域中根据卷积定理将信号片段与余弦组合窗函数相乘得到谐波信号，通过余弦组合窗函数和快速傅里叶变换能有效提高算法的检测精度，短范围和长范围的频谱泄漏都得到了很好的抑制，降低了电力系统影响因素的复杂性和减少混杂在谐波中的噪声从而解决了现有的电力谐波检测方法容易因为电力系统影响因素的复杂性和混杂在谐波中的噪声多种多样，而不能对幅值微小的高次谐波进行有效检测的技术问题。
以上为本申请提供的一种谐波检测方法的第一个实施例的详细说明，下面为本申请提供的一种谐波检测方法的第二个实施例的详细说明
请参阅图2，本申请实施例提供了一种谐波检测方法，包括：
步骤S201、获取电力系统的电流连续信号。
步骤S202、以fs的采样频率对电流连续信号进行采样得到离散序列。
可以理解的是，电流连续信号的基波频率为f0，离散序列为：
x(n)＝x(nTs)；
其中，n的取值为0、1、2…N-1个点；Ts为电流连续信号的周期；x为电流连续信号。
步骤S203、截取采样后的电流连续信号得到信号片段。
步骤S204、以同步采样法的方式使得信号片段的频率和采样频率同步。
步骤S205、通过相位比较器将信号片段的频率与锁相环输出的同步反馈信号的频率，信号片段的相位与同步反馈信号的相位进行比较。
需要说明的是，信号片段的频率与锁相环输出的同步反馈信号的频率比较后可得到频率差，信号片段的相位与同步反馈信号的相位比较后可得到相位差。
步骤S206、将进行比较后的信号片段进行滤波。
步骤S207、锁定并跟踪滤波后的信号片段的频率的变化，控制压控振荡器的频率直至信号片段的频率与同步反馈信号的频率同步，得到同步信号。
需要说明的是，当信号片段的频率与同步反馈信号的频率不同步时，相位比较器则输出与频率差和相位差有关联的信号，经滤波后控制并改变压控振荡器的频率，直至信号片段的频率与同步反馈信号的频率同步。
步骤S208、运用同步信号控制采样和加窗，得到谐波信号。
需要说明的是，采用余弦组合窗函数对同步信号进行加窗，余弦组合窗函数为：
Figure GDA0003690821950000081
余弦组合窗函数的性能优化的约束条件为：
Figure GDA0003690821950000082
Figure GDA0003690821950000083
其中，k为窗函数的项数，bi为实常系数，i为自然数，N为以fs的采样频率对信号进行N点采样。
步骤S209、将谐波信号通过快速傅里叶变换计算谐波信号的频谱。
步骤S210、从频谱中获取每次谐波或间谐波对应的两个直角分量，并通过xN(n)序列计算出谐波信号的频率、幅值和相位。
本申请实施例在获取了电流连续信号之后，先以fs的采样频率对电流连续信号进行采样，再对电流连续信号进行截取得到信号片段，然后再在频域中根据卷积定理将信号片段与余弦组合窗函数相乘得到谐波信号，通过余弦组合窗函数和快速傅里叶变换能有效提高算法的检测精度，短范围和长范围的频谱泄漏都得到了很好的抑制，降低了电力系统影响因素的复杂性和减少混杂在谐波中的噪声从而解决了现有的电力谐波检测方法容易因为电力系统影响因素的复杂性和混杂在谐波中的噪声多种多样，而不能对幅值微小的高次谐波进行有效检测的技术问题。
以上为本申请提供的一种谐波检测方法的第二个实施例的详细说明，下面为本申请提供的一种谐波检测装置的实施例的详细说明。
请参阅图3，本申请实施例提供了一种谐波检测装置，包括：获取单元301、采样单元302、截取单元303、加窗单元304、计算单元305和分析单元306；
获取单元301，用于获取电力系统的电流连续信号。
采样单元302，用于以fs的采样频率对电流连续信号进行采样得到离散序列。
截取单元303、用于截取采样后的电流连续信号得到信号片段。
加窗单元304、用于在频域中，根据卷积定理将信号片段与余弦组合窗函数相乘得到谐波信号。
其中，加窗单元304还包括：同步子单元3041、第一比较子单元3042、滤波子单元3043、监测子单元3044和控制子单元3045；
同步子单元3041，用于以同步采样法的方式使得信号片段的频率和采样频率同步；
第一比较子单元3042，用于通过相位比较器将信号片段的频率与锁相环输出的同步反馈信号的频率，信号片段的相位与同步反馈信号的相位进行比较；
滤波子单元3043，用于将进行比较后的信号片段进行滤波；
监测子单元3044，用于锁定并跟踪滤波后的信号片段的频率的变化，控制压控振荡器的频率直至信号片段的频率与同步反馈信号的频率同步，得到同步信号；
控制子单元3045，用于运用同步信号控制采样和加窗，得到谐波信号。
计算单元305、用于将谐波信号通过快速傅里叶变换计算谐波信号的频谱。
分析单元306、用于分析频谱，得到谐波信号的频率、幅值和相位。
可以理解的是，分析单元306具体用于从频谱中获取每次谐波或间谐波对应的两个直角分量，并通过xN(n)序列计算出谐波信号的频率、幅值和相位。
本申请实施例还提供了一种谐波检测设备，包括处理器以及存储器：其中存储器用于存储程序代码，并将程序代码传输给处理器；处理器用于根据程序代码中的指令执行上述谐波检测方法。
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储程序代码，该程序代码用于执行前述各个实施例的一种谐波检测方法中的任意一种实施方式。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的网络，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个待安装电网网络，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种谐波检测方法，其特征在于，包括：
获取电力系统的电流连续信号；
以fs的采样频率对所述电流连续信号进行采样得到离散序列，所述电流连续信号的基波频率为f0，所述离散序列为：
x(n)＝x(nTs)；
其中，n的取值为0、1、2…N-1个点；Ts为所述电流连续信号的周期；x为所述电流连续信号；
截取采样后的所述电流连续信号得到信号片段；
在频域中，根据卷积定理将所述信号片段与余弦组合窗函数相乘得到谐波信号，具体包括：
以同步采样法的方式使得所述信号片段的频率和采样频率同步；
通过相位比较器将所述信号片段的频率与锁相环输出的同步反馈信号的频率，所述信号片段的相位与所述同步反馈信号的相位进行比较；
将进行比较后的所述信号片段进行滤波；
锁定并跟踪滤波后的所述信号片段的频率的变化，控制压控振荡器的频率直至所述信号片段的频率与所述同步反馈信号的频率同步，得到同步信号；
运用所述同步信号控制采样和加窗，得到谐波信号；
所述余弦组合窗函数为：
Figure FDA0004047940370000011
所述余弦组合窗函数的性能优化的约束条件为：
Figure FDA0004047940370000012
Figure FDA0004047940370000013
其中，k为窗函数的项数，bi为实常系数，i为自然数，N为以所述fs的采样频率对信号进行N点采样；
将所述谐波信号通过快速傅里叶变换计算所述谐波信号的频谱；
分析所述频谱，得到所述谐波信号的频率、幅值和相位。
2.根据权利要求1所述的谐波检测方法，其特征在于，所述余弦组合窗函数包括Hanning窗函数；
所述Hanning窗函数的采样序为：
Figure FDA0004047940370000021
其中，T为周期，n为采样的点数；
则所述信号片段与所述Hanning窗函数相乘的xN(n)序列为：
xN(n)＝wR(n)·x(n)，n＝0,1,2,…,N-1。
3.根据权利要求2所述的谐波检测方法，其特征在于，所述分析所述频谱，得到所述谐波信号的频率、幅值和相位，包括：
从所述频谱中获取每次谐波或间谐波对应的两个直角分量，并通过所述xN(n)序列计算出所述谐波信号的频率、幅值和相位。
4.一种谐波检测装置，其特征在于，包括：获取单元、采样单元、截取单元、加窗单元、计算单元和分析单元；
所述获取单元，用于获取电力系统的电流连续信号；
所述采样单元，用于以fs的采样频率对所述电流连续信号进行采样得到离散序列，所述电流连续信号的基波频率为f0，所述离散序列为：
x(n)＝x(nTs)；
其中，n的取值为0、1、2…N-1个点；Ts为所述电流连续信号的周期；x为所述电流连续信号；
所述截取单元，用于截取采样后的所述电流连续信号得到信号片段；
所述加窗单元，用于在频域中，根据卷积定理将所述信号片段与余弦组合窗函数相乘得到谐波信号，所述余弦组合窗函数为：
Figure FDA0004047940370000022
所述余弦组合窗函数的性能优化的约束条件为：
Figure FDA0004047940370000023
Figure FDA0004047940370000024
其中，k为窗函数的项数，bi为实常系数，i为自然数，N为以所述fs的采样频率对信号进行N点采样；
所述加窗单元包括：同步子单元、第一比较子单元、滤波子单元、监测子单元和控制子单元；
所述同步子单元，用于以同步采样法的方式使得所述信号片段的频率和采样频率同步；
所述第一比较子单元，用于通过相位比较器将所述信号片段的频率与锁相环输出的同步反馈信号的频率，所述信号片段的相位与所述同步反馈信号的相位进行比较；
所述滤波子单元，用于将进行比较后的所述信号片段进行滤波；
所述监测子单元，用于锁定并跟踪滤波后的所述信号片段的频率的变化，控制压控振荡器的频率直至所述信号片段的频率与所述同步反馈信号的频率同步，得到同步信号；
所述控制子单元，用于运用所述同步信号控制采样和加窗，得到谐波信号；
所述计算单元，用于将所述谐波信号通过快速傅里叶变换计算所述谐波信号的频谱；
所述分析单元，用于分析所述频谱，得到所述谐波信号的频率、幅值和相位。
5.根据权利要求4所述的谐波检测装置，其特征在于，所述分析单元具体用于：
从所述频谱中获取每次谐波或间谐波对应的两个直角分量，并通过xN(n)序列计算出所述谐波信号的频率、幅值和相位；其中，所述余弦组合窗函数包括Hanning窗函数，所述Hanning窗函数的采样序为：
Figure FDA0004047940370000031
其中，T为周期，n采样的点数；
则所述信号片段与所述Hanning窗函数相乘的xN(n)序列为：
xN(n)＝wR(n)·x(n)，n＝0,1,2,…,N-1。
6.一种谐波检测设备，其特征在于，包括存储器以及处理器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1至3中任一项所述的谐波检测方法。
7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1-3任一项所述的谐波检测方法。
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