CN111308197A - 基于分块fft的谐波测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于分块FFT的谐波测量方法及装置。涉及FFT的谐波测量方法及装置的改进。在IEC标准下，其能够监测一个时域内包含2的整数次幂和非2的整数次幂的谐波能量。对于电网信号进行实时采样，将采样所得的信号发送至处理器；将所述所得的信号采用分块FFT算法进行谐波参数估计分析，得出谐波数据，本发明在IEC标准下，本发明能够监测一个时域内包含2的整数次幂和非2的整数次幂的谐波能量，同时，具有实时性强、谐波测量准确等特点，相较传统的谐波测量方法和装置突出了准确性、实时性和可变动性的特点。

Description

基于分块FFT的谐波测量方法及装置

技术领域

本发明属于电力线路中谐波分析技术领域。尤其涉及FFT的谐波测量方法及装置的改进。

背景技术

随着电力行业的大范围运用，很多电网运行的问题也接踵而来，其中最为要紧的就是谐波问题。电网运行不可避免会产生谐波问题，所以治理谐波问题也就成了电网安全、稳定运行的基本标准。尤其是即使监测到了谐波，也需要大量的人力去获得监测报表。久而久之，是对生产工作成本的增加，收益却并不显著。类似于报表中的柱状图、95值等数据，尽管相对准确，却投入太多，日、周、月报表累积就足以制造一个巨大的工作量。若是人工算法效率过低，就会影响到电力系统中对谐波的分析的准确性和实时性，进而大大降低了对谐波治理的效率。

一般谐波计算方法，采取的都是普通FFT计算方法。根据IEC标准规定，谐波和间谐波共500个频点，第k个频点的幅值为C_k(k＝1,2,…,500)，500个频点中的基波和整次谐波为‘第n次谐波’(n＝k/10、n＝1,2,….50)，第n次谐波子群为第n次谐波幅值与相邻的两个频点幅值的‘方和值’：

第n次谐波子群就是第n次谐波的能量与其主要泄露能量之和，也在IEC中有规定，在误差≤0.03％时，整次谐波的能量泄漏聚集在整次谐波附近。仿真表明，谐波子群能够收集到90％以上的频谱泄露，所以谐波子群的平方根就是更为准确的整次谐波幅值。

IEC标准定义第n次间谐波子群为：

其实由此处可以看到，第n次间谐波收到的是第n次谐波和第n+1次谐波之间的谐波能量，又因为间谐波相较于整次谐波更加微弱，可以得出结论：观测间谐波子群是监测分析间谐波的重要方法，但是有利有弊。

优点1：间谐波一般较微弱，并且往往不在0.1次分辨率的频点上；

优点2：三相电压三和相电流间谐波幅值有6×450个数据导致网络通信压力大，而间谐波子群只有6×49个数据，因此网络通信压力减轻；

缺点1：子群无法探知相角；

缺点2：某一次间谐波的信息表现得不很明朗。

由此得知，一般的FFT算法虽然按照IEC标准可以满足k＝10n，即2的整数次幂的10周波采样形式的谐波测量计算，得出第n次谐波子群为第n次谐波幅值与相邻的两个频点幅值的‘方和值’，即谐波的幅值大小，但是却无法对非2的整数次幂谐波，即非整次谐波和间谐波进行精确计算，并且现在市场的谐波监测标准中也加入了如是的需求，因此普通的FFT算法已经不完全适用于本发明的装置。

发明内容

本发明针对以上问题，提供了一种基于分块FFT算法的谐波测量方法及装置，在IEC标准下，其能够监测一个时域内包含2的整数次幂和非2的整数次幂的谐波能量，具有实时性强、谐波测量准确等特点，相较传统的谐波测量装置突出了准确性、实时性和可变动性的特点。

本发明的技术方案:

基于分块FFT的谐波测量方法，对于电网信号进行实时采样，将采样所得的信号发送至处理器；将所述所得的信号采用分块FFT算法进行谐波参数估计分析，得出谐波数据，

所述分块FFT算法包含以下步骤：

1)、电信号X输入；

分块FFT算法的采样周期是为T，采样间隔为

X为一正弦波形式；

2)、内部矩阵计算；

X＝Fy/N (1)

式中：

y＝[y(0) y(1) … y(N-1)]^T (3)

X＝[X(0) X(1) … X(N-1)]^T (4)

X为电压采样序列，从0开始，到N-1，总数为N的采样点中进行计算(N为非负整数，即自然数)，y为向量，F为分块FFT算法得出的修正系数；

3)、设P、H值，降维DFT计算；

设要求的谐波频点数为H，如果存在大于1的整数P和K使得H≤M＝2^P＝N/K，那么只需计算如下降维DFT：

式中

依次取矩阵

的第(iK+1)(i＝0,1,…,M-1)列构成矩阵F₀，取矩阵

的第(iK+2)(i＝0,1,…,M-1)列构成矩阵F₁，…，取矩阵

的第(iK+K)(i＝0,1,…,M-1)列构成矩阵F_K-1。显然，F_k∈R^M×M(k＝0,1,2,…,K-1)，且

4)、根据

与

值求出D_k；

D_k即为矩阵F_k的值

5)、构建向量y_k，代入公式(1)；

X＝Fy/N

6)、得出修正系数F；

F_k＝D_kF₀ k＝0,1,…,K-1 (10)

7)、X与系数F相乘，得出最终

代表输入的每一个采样间隔的电信号在经过一系列的分块FFT算法过后，与系数F向量y_k的乘积的平均值。

基于分块FFT的谐波测量装置，包括ARM核心模块、控制系统模块和最多5个测量模块，所述控制系统模块包括触摸屏、开关量模块和电源模块；所述ARM核心模块内嵌入有分块FFT算法模块，各所述测量模块分别连接所述ARM核心模块；所述ARM核心模块设有通讯接口。

所述测量模块通过DSP芯片与所述ARM核心模块连接。

本发明基于分块FFT算法实现电信号谐波参数估计分析，最终获得

即每一个采样间隔的电信号在经过分块FFT算法过后，与系数F、向量y_k的乘积的平均值。然而普通的FFT算法只是求一个方和值，在开平方根之后误差较大，严格意义上不能当做唯一的结论标准。故在IEC标准下，本发明能够监测一个时域内包含2的整数次幂和非2的整数次幂的谐波能量，同时，具有实时性强、谐波测量准确等特点，相较传统的谐波测量方法和装置突出了准确性、实时性和可变动性的特点。

附图说明

图1是本发明中测量装置的原理框图，

图2是本发明中测量装置的结构框图，

图3是本发明中分块FFT算法的计算流程示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于分块FFT算法的的波测量方法和装置。

下面结合图1—3，对本发明实施的技术方案进行详细、完整的描述。

本发明提供了基于分块FFT的谐波测量方法，首先对于电网信号进行实时采样，将采样所得的信号发送至处理器；将所述所得的信号采用分块FFT算法进行谐波参数估计分析，得出谐波数据，

其中，参见图3，所述分块FFT算法包含以下步骤：

1)首先确定电信号X的输入，保证采样间隔为

共计N个采样点，采样周期为T，并依据基本电信号正弦波公式

2)随后，根据本发明的公式X＝Fy/N进行矩阵运算，得出关于系数F的基本矩阵：

y＝[y(0) y(1) … y(N-1)]^T

X＝[X(0) X(1) … X(N-1)]^T

其中，e为常数≈2.718281828；F为分块FFT算法最终得出的系数；X为电信号；y为构建的向量，亦可以理解为X的反函数；T为采样周期；N∈N

3)然后，设要求的谐波频点数为H，如果存在大于1的整数P和K使得H≤M＝2^P＝N/K，那么只需计算如下降维DFT：

4)之后，依次取矩阵

的第(iK+1)(i＝0,1,…,M-1)列构成矩阵F₀，取矩阵

的第(iK+2)(i＝0,1,…,M-1)列构成矩阵F₁，…，取矩阵

的第(iK+K)(i＝0,1,…,M-1)列构成矩阵F_K-1。

5)而后，得出F_k矩阵的值D_k，由于矩阵公式F_k＝D_kF₀，可以最终推导出

6)最后，依次取向量y的第(iK+1)(i＝0,1,…,M-1)个元素构成向量y₀，取向量y的第(iK+2)(i＝0,1,…,M-1)个元素构成向量y₁，……，取y的第(iK+M)(i＝0,1,…,M-1)个元素构成向量y_M-1。y_k∈R^M×1(k＝0,1,2,…,K-1)，代入公式，得出最终的经分块FFT算法计算后修正过的电信号的值：

代表了输入的每一个采样间隔的电信号在经过一系列的分块FFT算法过后，与系数F、向量y_k的乘积的平均值。本发明输出的最终结果就是经过上式计算后的

因为在N个采样点中，采样间隔为

获得的数据很大，必须通过求和取平均数的方法获得一个更加精确的结果，达到对于非2的整数次幂的谐波的精确谐波计算。而一般的FFT算法，结果如上述公式只是求一个方和值，在开平方根之后误差较大，严格意义上不能当做唯一的结论标准。

上式中，每个F₀ y_k(k＝0,1,2,…,M-1)都可以用标准M维FFT来计算，而D_k是对角矩阵，主要运算量在K次M维FFT。

IEC标准要求500个频点，即H＝500，取

再取K＝5，从而N＝5×512＝2560，2560＝10×256，即每个周波采样256点。这样，半个周波的采样点数就是整数128，虽然2560不是2的整次幂，但是用本发明中分块FFT算法可以实施FFT——做5次512点FFT，而计算量还有所减少。

分块FFT算法与普通的FFT算法比较，普通的FFT算法流程上更加简单，软件设计也更加容易实现，但是计算精度尚有欠缺；而本发明提出的分块FFT算法虽然在内容与形式上更加复杂，但其实加入了降维计算后，计算难度将会大大下降，其次还可以保证谐波计算的精确性，并且能够对一般FFT算法无法计算到的非2次整数幂的谐波(非整次谐波与间谐波)进行分块降维计算，满足市场的需求。

参见图1—2，基于分块FFT的谐波测量装置，包括ARM核心模块、控制系统模块和最多5个测量模块，控制系统模块包括触摸屏、开关量模块和电源模块；ARM核心模块内嵌入有分块FFT算法模块，各所述测量模块分别连接述ARM核心模块；ARM核心模块设有通讯接口。

其中，测量模块还可通过DSP芯片与所述ARM核心模块连接。参见图2，测量模块与信号采集接口连接，经信号采集电路传输至A/D采用板后传输至DSP芯片，由DSP芯片传输至ARM核心模块，电信号经分块FFT算法模块进行谐波参数估计分析，最终结果由触摸屏显示，并通过DSP芯片传输至存储模块进行储存。

Claims (3)

1.基于分块FFT的谐波测量方法，对于电网信号进行实时采样，将采样所得的信号发送至处理器；其特征在于，

将所述所得的信号采用分块FFT算法进行谐波参数估计分析，得出谐波数据，

所述分块FFT算法包含以下步骤：

1)、电信号X输入；

分块FFT算法的采样周期是为T，采样间隔为

X为一正弦波形式；

2)、内部矩阵计算；

X＝Fy/N (1)

式中：

y＝[y(0) y(1) … y(N-1)]^T (3)

X＝[X(0) X(1) … X(N-1)]^T (4)

X为电压采样序列，从0开始，到N-1，总数为N的采样点中进行计算(N为非负整数，即自然数)，y为向量，F为分块FFT算法得出的修正系数；

3)、设P、H值，降维DFT计算；

设要求的谐波频点数为H，如果存在大于1的整数P和K使得H≤M＝2^P＝N/K，那么只需计算如下降维DFT：

式中

依次取矩阵

的第(iK+1)(i＝0,1,…,M-1)列构成矩阵F₀，取矩阵

的第(iK+2)(i＝0,1,…,M-1)列构成矩阵F₁，…，取矩阵

的第(iK+K)(i＝0,1,…,M-1)列构成矩阵F_K-1。显然，F_k∈R^M×M(k＝0,1,2,…,K-1)，且

4)、根据

与

值求出D_k；

D_k即为矩阵F_k的值

5)、构建向量y_k，代入公式(1)；

X＝Fy/N

6)、得出修正系数F；

F_k＝D_kF₀ k＝0,1,…,K-1 (10)

7)、X与系数F相乘，得出最终

代表输入的每一个采样间隔的电信号在经过一系列的分块FFT算法过后，与系数F、向量y_k的乘积的平均值。

2.基于分块FFT的谐波测量装置，其特征在于，包括ARM核心模块、控制系统模块和最多5个测量模块，所述控制系统模块包括触摸屏、开关量模块和电源模块；所述ARM核心模块内嵌入有分块FFT算法模块，各所述测量模块分别连接所述ARM核心模块；所述ARM核心模块设有通讯接口。

3.根据权利要求2所述的基于分块FFT的谐波测量装置，其特征在于，所述测量模块通过DSP芯片与所述ARM核心模块连接。

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