CN111487463A - 一种间谐波检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种间谐波检测系统及方法，包括：振动模块，与待测供电网连接，其包括铁芯，用于将待测供电网电压转换成铁芯振动位移；数据采集模块安装于所述振动模块上，用于采集铁芯振动位移，并将其转换成铁芯振动位移电信号；数据处理模块与数据采集模块连接，用于对铁芯振动位移电信号滤波后进行分析，获取铁芯振动位移频谱，根据铁芯振动位移频谱、预设间谐波频谱数据库及预设间谐波电压频率公式，检测待测供电网中是否含有间谐波，生成间谐波检测结果。本发明通过采集铁芯振动位移，并对其频谱进行分析，从而实现对待测供电网中间谐波的检测，提高了间谐波检测的准确度，和检测系统集成度，降低了实施难度和成本。

Description

一种间谐波检测系统及方法

技术领域

本发明涉及电气信息检测技术领域，具体涉及一种间谐波检测系统及方法。

背景技术

随着交-直流输电工程迅速发展,电力电子技术在电力设备中应用越来越广泛，我国电力系统形式和规模都发生着巨大改变。但与过去电力设备和装置基本运行在正弦工况下不同，现在越来越多的设备都可能工作在在非正弦工况中，因此近些年来国内外研究人员越来越多地将目光投向了电力系统间谐波问题，即指任何频率不是基频整数倍的谐波。间谐波会给包括变压器、电抗器等含铁心绕组类设备带来影响，使铁心提前饱和、导致励磁电流畸变严重，同时铁心的磁滞损耗和涡流损耗迅速增加、转化成的热量导致局部过热，减少使用寿命，并产生更高的振动和噪声。然而目前对于间谐波的检测主要通过对含铁心绕组类设备运行状态下电流波形的分析，获取难度大，并且难以准确判断。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的通过对于间谐波检测中，对含铁心绕组类设备运行状态下电流波形的分析，获取难度大，并且难以准确判断的缺陷，从而提供一种间谐波检测系统及方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种间谐波检测系统，包括：振动模块，与待测供电网连接，其包括铁芯，用于将待测供电网电压转换成铁芯振动位移；数据采集模块，安装于振动模块上，用于采集铁芯振动位移，并将其转换成铁芯振动位移电信号；数据处理模块，与数据采集模块连接，用于对铁芯振动位移电信号滤波后进行分析，获取铁芯振动位移频谱，根据铁芯振动位移频谱、预设间谐波频谱数据库及预设间谐波电压频率公式，检测待测供电网中是否含有间谐波，并生成间谐波检测结果。

在一实施例中，间谐波检测系统还包括：显示模块，与数据处理模块连接，用于显示间谐波检测结果，间谐波检测结果包括铁芯振动位移、铁芯振动位移频谱及间谐波电压频率。

在一实施例中，数据采集模块包括：振动传感器，吸附在铁芯上，用于获取铁芯振动位移；数据转换单元，用于将铁芯振动位移转换成铁芯振动位移电信号。

在一实施例中，数据处理模块包括：预设间谐波频谱数据库，预设间谐波频谱数据库预存含铁心绕组类设备在正常工况和含不同频率间谐波电压时，铁心振动位移波形和频谱分析结果。

在一实施例中，数据处理模块将铁芯振动位移及铁芯振动位移频谱，与预设间谐波频谱数据库中预存的铁心振动位移波形和频谱分析结果进行匹配，当匹配失败，则根据铁芯振动位移频谱及预设间谐波电压频率公式，获取间谐波电压频率；当匹配成功时，获取与铁芯振动位移及铁芯振动位移频谱匹配的间谐波电压频率。

在一实施例中，数据采集模块根据待测供电网中的变压器容量大小确定测量精度。

第二方面，本发明实施例提供一种间谐波检测方法，包括：将振动模块与待测供电网连接，采集铁芯振动位移；将铁芯振动位移转换成铁芯振动位移电信号；对铁芯振动位移电信号滤波后进行分析，获取铁芯振动位移频谱，根据铁芯振动位移频谱、预设间谐波频谱数据库及预设间谐波电压频率公式，检测待测供电网中是否含有间谐波，并生成间谐波检测结果。

在一实施例中，对铁芯振动位移电信号滤波后进行分析，获取铁芯振动位移频谱的过程，包括：对铁芯振动位移电信号进行滤波处理；对滤波后的铁芯振动位移电信号进行傅里叶分析，获取铁芯振动位移频谱。

在一实施例中，根据铁芯振动位移频谱、预设间谐波频谱数据库及预设间谐波电压频率公式，检测待测供电网中是否含有间谐波，并生成间谐波检测结果的过程，包括：根据铁芯振动位移频谱，获取待测供电网的间谐波频率；将铁芯振动位移频谱与铁芯振动位移，与预设间谐波频谱数据库预存含铁心绕组类设备在正常工况和含不同频率间谐波电压时，铁心振动位移波形及其相应的频谱分析结果进行匹配；当铁芯振动位移频谱与铁芯振动位移，与预设间谐波频谱数据库中数据匹配失败，则根据待测供电网的间谐波频率及预设间谐波电压频率公式，获取间谐波电压频率；当铁芯振动位移频谱与铁芯振动位移，与预设间谐波频谱数据库中数据匹配成功时，获取与铁芯振动位移及铁芯振动位移频谱匹配的间谐波电压频率。

在一实施例中，预设间谐波电压频率公式为：

式中，f_v表示铁心振动频谱中存在的间谐波频率分量，f_ih表示间谐波电压频率，f₀表示基波电压频率。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的间谐波检测系统及方法，通过采集铁芯振动位移，并对其频谱进行分析，从而实现对待测供电网中间谐波的检测，提高了间谐波检测的准确度，和检测系统集成度，降低了实施难度和成本。

2.本发明提供的间谐波检测系统及方法，通过根据预设预设间谐波频谱数据库及预设间谐波电压频率公式，检测铁芯位移振动频谱中是否含有间谐波，在变压器振动噪声异常增大时，能够快速地分析是否存在间谐波激励，从而能够针对性地进行故障诊断和降噪处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的间谐波检测系统的一个具体示例的组成图；

图2为本发明实施例提供的振动模块的一个具体示例的组成图；

图3为本发明实施例提供的间谐波检测系统的另一个具体示例的组成图；

图4为本发明实施例提供的间谐波检测方法的一个具体示例的流程图；

图5为本发明实施例提供的获取铁芯振动位移频谱的一个具体示例的流程图；

图6为本发明实施例提供的生成间谐波检测结果的一个具体示例的流程图；

图7为本发明实施例提供的激励电压不含间谐波时，基波电压为45V情况下，1s内铁心振动位移的时域波形图；

图8为本发明实施例提供的含有5Hz间谐波时，基波电压为45V情况下，1s内铁心振动位移的时域波形图；

图9为本发明实施例提供的激励电压不含间谐波时，基波电压为45V情况下，1s内铁心振动位移频谱；

图10为本发明实施例提供的含有5Hz间谐波时，基波电压为45V情况下，1s内铁心振动位移频谱。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本发明实施例提供一种间谐波检测系统，应用于，如图1所示，包括：

振动模块11，与待测供电网2连接，其包括铁芯，用于将待测供电网电压转换成铁芯振动位移。

当待测供电网中不含有间谐波时，通过磁场以及固体力学理论分析，在铁芯的振动位移频谱中只含有二次基波频率的分量，即当基波频率为50Hz时，铁芯的振动频谱中只含有100Hz分量。而当变压器等设备工作在含间谐波工况下，导致铁芯中磁通密度含有间谐波分量，根据铁芯材料的磁致伸缩特性，铁芯振动位移频谱除了含有二倍基波频率的分量，同时整数次谐波之间含有成对存在的间谐波分量时，可以确定变压器工作在含有间谐波的工况中，因此可以根据铁芯振动位移频谱确定待测供电网中是否含有间谐波。

本发明实施例将振动模块与待测供电网连接，通过采集振动模块铁芯由于待测供电网而产生的振动位移，来间接检测待测供电网中是否含有间谐波，从而降低了电气参数采集的难度。相对于现有的间谐波的检测通过对含铁心绕组类设备运行状态下电流波形的分析，其获取难度大不能准确判断的方法，具有易获取，及利用铁芯振动位移频谱对供电网中的间谐波分析准确度更高的优势。

本发明实施例采取选取牌号为B27R085的硅钢片制成铁心模型，两铁心柱上绕组匝数均为30匝，模型尺寸见图2，同时可以在铁轭中部和两侧的不同测点，以避免对于待测供电网中是否含有间谐波的误判。需要说明的是，振动模块可以根据需求制作成任意尺寸及形状等。

数据采集模块12，安装于振动模块上，用于采集铁芯振动位移，并将其转换成铁芯振动位移电信号。

如图3所示，数据采集模块包括：振动传感器121，吸附在铁芯上，用于获取铁芯振动位移。数据转换单元122，用于将铁芯振动位移转换成铁芯振动位移电信号。

数据采集模块安装在铁芯上，数据采集模块包括吸附在铁芯上的振动传感器(可以为测振仪等机器状态监测仪器)，并且可以根据待测供电网中变压器容量等电气参数选择合适的测量精度，此外，数据采集模块中包括数据采集系统，将采集的铁芯振动位移转换成铁芯振动位移电信号，以便数据处理模块进行数据分析。

数据处理模块13，与数据采集模块连接，用于对铁芯振动位移电信号滤波后进行分析，获取铁芯振动位移频谱，根据铁芯振动位移频谱、预设间谐波频谱数据库及预设间谐波电压频率公式，检测待测供电网中是否含有间谐波，并生成间谐波检测结果。

为了减少干扰信号，数据处理模块利用内部的滤波程序对铁芯振动位移电信号进行滤波处理，通过对滤波后的铁芯振动位移电信号进行傅里叶分析，获取铁芯振动位移频谱。

数据处理模块包括：预设间谐波频谱数据库，预设间谐波频谱数据库预存含铁心绕组类设备在正常工况和含不同频率间谐波电压时，铁心振动位移波形和频谱分析结果。

数据处理模块将铁芯振动位移及铁芯振动位移频谱，与预设间谐波频谱数据库中预存的铁心振动位移波形和频谱分析结果进行匹配，当匹配失败，则根据铁芯振动位移频谱及预设间谐波电压频率公式，获取间谐波电压频率；当匹配成功时，获取与铁芯振动位移及铁芯振动位移频谱匹配的间谐波电压频率。

在获取铁芯振动位移频谱后，数据处理模块首先将铁芯振动位移及铁芯振动位移频谱与预设间谐波频谱数据库中数据进行匹配，当匹配成功，即预设间谐波频谱数据库中含有数据处理模块获取的铁芯振动位移及铁芯振动位移频谱，则直接获取铁芯振动位移及铁芯振动位移频谱对应的间谐波电压频率；当匹配失败，即预设间谐波频谱数据库中没有数据处理模块获取的铁芯振动位移及铁芯振动位移频谱，则根据数据处理模块获取的铁芯振动位移频谱，分析频谱中是否有间谐波，当含有间谐波时，获取其间谐波频率，之后再根据预设间谐波电压频率公式，获取间谐波电压频率。

预设间谐波电压频率公式为：

式中，f_v表示铁心振动频谱中存在的间谐波频率分量，f_ih表示间谐波电压频率，f₀表示基波电压频率。

在一具体实施例中，如图3所示，间谐波检测系统还包括：

显示模块14，与数据处理模块连接，用于显示间谐波检测结果，间谐波检测结果包括铁芯振动位移、铁芯振动位移频谱及间谐波电压频率。

本发明实施例设置显示模块，通过将间谐波检测结果实时显示，以便在变压器振动噪声异常增大时，能够快速地分析是否存在间谐波激励，从而能够针对性地进行故障诊断和降噪处理。

本发明提供的间谐波检测系统通过采集铁芯振动位移，并对其频谱进行分析，从而实现对待测供电网中间谐波的检测，提高了间谐波检测的准确度，和检测系统集成度，降低了实施难度和成本；通过根据预设预设间谐波频谱数据库及预设间谐波电压频率公式，检测铁芯位移振动频谱中是否含有间谐波，在变压器振动噪声异常增大时，能够快速地分析是否存在间谐波激励，从而能够针对性地进行故障诊断和降噪处理。

实施例2

本发明实施例提供一种间谐波检测方法，如图4所示，包括：

步骤S11：将振动模块与待测供电网连接，采集铁芯振动位移。

本发明实施例将待测供电网与振动模块中的铁芯连接，通过采集铁芯振动位移，间接检测待测供电网中是否含有间谐波，减小了采集电气参数的难度。

步骤S12：将铁芯振动位移转换成铁芯振动位移电信号。

步骤S13：对铁芯振动位移电信号滤波后进行分析，获取铁芯振动位移频谱，根据铁芯振动位移频谱、预设间谐波频谱数据库及预设间谐波电压频率公式，检测待测供电网中是否含有间谐波，并生成间谐波检测结果。

如图5所示，对铁芯振动位移电信号滤波后进行分析，获取铁芯振动位移频谱的过程，包括：

步骤S21：对铁芯振动位移电信号进行滤波处理。

步骤S22：对滤波后的铁芯振动位移电信号进行傅里叶分析，获取铁芯振动位移频谱。

将铁芯振动位移转换为铁芯振动位移电信号，然后对其进行滤波处理去除干扰信号，对滤波后的铁芯振动位移电信号进行傅里叶分析，获取铁芯振动位移频谱。

对于获取的铁芯振动位移频谱首先将其与预设间谐波频谱数据库进行匹配。当预设间谐波频谱数据库中含有获取的铁芯振动位移及铁芯振动位移频谱，则直接获取铁芯振动位移及铁芯振动位移频谱对应的间谐波电压频率；当预设间谐波频谱数据库中没有获取的铁芯振动位移及铁芯振动位移频谱，则根据数据处理模块获取的铁芯振动位移频谱，分析频谱中是否有间谐波，当含有间谐波时，获取其间谐波频率，之后再根据预设间谐波电压频率公式，获取间谐波电压频率。其中预设间谐波电压频率公式如实施例1中式(1)所示。

分析频谱中是否有间谐波的依据为铁芯振动位移频谱除了含有二倍基波频率的分量，同时整数次谐波之间含有成对存在的间谐波分量时，可以确定频谱中是否有间谐波。

在一具体实施例中，如图6所示，根据铁芯振动位移频谱、预设间谐波频谱数据库及预设间谐波电压频率公式，检测待测供电网中是否含有间谐波，并生成间谐波检测结果的过程，包括：

步骤S31：根据铁芯振动位移频谱，获取待测供电网的间谐波频率。

步骤S32：将铁芯振动位移频谱与铁芯振动位移，与预设间谐波频谱数据库预存含铁心绕组类设备在正常工况和含不同频率间谐波电压时，铁心振动位移波形及其相应的频谱分析结果进行匹配。

步骤S33：当铁芯振动位移频谱与铁芯振动位移，与预设间谐波频谱数据库中数据匹配失败，则根据待测供电网的间谐波频率及预设间谐波电压频率公式，获取间谐波电压频率。

步骤S34：当铁芯振动位移频谱与铁芯振动位移，与预设间谐波频谱数据库中数据匹配成功时，获取与铁芯振动位移及铁芯振动位移频谱匹配的间谐波电压频率。

预设间谐波频谱数据库预存含铁心绕组类设备在正常工况和含不同频率间谐波电压时，铁心振动位移波形及其相应的频谱分析结果，是通过外接计算机编辑的不同激励电压，将激励电压与铁芯连接，然后建立的铁芯振动位移波形与所施加激励电压对应数据库，为之后可以更加快速准确判断激励类型提供数据支持。激励电压表达式如式(2)所示：

v(t)＝V₁[sin(2πf₁t)+msin(2πf_iht)] (2)

其中，V₁为电压幅值，f₁为基频频率50Hz，f_ih为间谐波电压频率，m表示间谐波含量。

本发明实施例对上述方法及装置进行了验证，将间谐波含有率设定为3％，即m＝0.03。根据可能产生的间谐波频率，取f_ih分别为：2、5、7、10、15、17、20、25、30、40、45、53，将电压幅值V₁从0逐渐增大至50V。图7、图8分别为激励电压不含间谐波和含有5Hz间谐波时，基波电压为45V情况下，1s内铁心振动位移的时域波形图。从时域图中可见，当激励电压中含有间谐波时，振动位移在时域上形成以2f₀为单次振动频率，以2f_ih为包络的周期图像。

图9、图10分别为图7、图8相对应的铁芯振动位移频谱。由图9可知，正常情况下，通过磁场以及固体力学理论分析，在铁心的振动频谱中应该只含有二次基波频率的分量，主要组成是二倍基波频率的分量，即100Hz分量。由图10可知，基频偶数倍周围的间谐波频率出现在90、110、190、210、290、310、390、410Hz处，基频奇数倍周围的间谐波频率出现在45、55、145、155、245、255、345、355、445、455Hz处。

本发明提供的间谐波检测方法通过采集铁芯振动位移，并对其频谱进行分析，从而实现对待测供电网中间谐波的检测，提高了间谐波检测的准确度，和检测系统集成度，降低了实施难度和成本；通过根据预设预设间谐波频谱数据库及预设间谐波电压频率公式，检测铁芯位移振动频谱中是否含有间谐波，在变压器振动噪声异常增大时，能够快速地分析是否存在间谐波激励，从而能够针对性地进行故障诊断和降噪处理。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种间谐波检测系统，其特征在于，包括：

振动模块，与待测供电网连接，其包括铁芯，用于将待测供电网电压转换成铁芯振动位移；

数据采集模块，安装于所述振动模块上，用于采集铁芯振动位移，并将其转换成铁芯振动位移电信号；

数据处理模块，与数据采集模块连接，用于对铁芯振动位移电信号滤波后进行分析，获取铁芯振动位移频谱，根据铁芯振动位移频谱、预设间谐波频谱数据库及预设间谐波电压频率公式，检测待测供电网中是否含有间谐波，并生成间谐波检测结果。

2.根据权利要求1所述的间谐波检测系统，其特征在于，还包括：

显示模块，与所述数据处理模块连接，用于显示所述间谐波检测结果，所述间谐波检测结果包括铁芯振动位移、铁芯振动位移频谱及间谐波电压频率。

3.根据权利要求2所述的间谐波检测系统，其特征在于，所述数据采集模块包括：

振动传感器，吸附在所述铁芯上，用于获取铁芯振动位移；

数据转换单元，用于将铁芯振动位移转换成铁芯振动位移电信号。

4.根据权利要求3所述的间谐波检测系统，其特征在于，所述数据处理模块包括：预设间谐波频谱数据库，所述预设间谐波频谱数据库预存含铁心绕组类设备在正常工况和含不同频率间谐波电压时，铁心振动位移波形和频谱分析结果。

5.根据权利要求4所述的间谐波检测系统，其特征在于，所述数据处理模块将所述铁芯振动位移及所述铁芯振动位移频谱，与所述预设间谐波频谱数据库中预存的铁心振动位移波形和频谱分析结果进行匹配，当匹配失败，则根据铁芯振动位移频谱及预设间谐波电压频率公式，获取间谐波电压频率；当匹配成功时，获取与所述铁芯振动位移及所述铁芯振动位移频谱匹配的间谐波电压频率。

6.根据权利要求1所述的间谐波检测系统，其特征在于，所述数据采集模块根据待测供电网中的变压器容量大小确定测量精度。

7.一种间谐波检测方法，其特征在于，包括：

将振动模块与待测供电网连接，采集铁芯振动位移；

将铁芯振动位移转换成铁芯振动位移电信号；

对铁芯振动位移电信号滤波后进行分析，获取铁芯振动位移频谱，根据铁芯振动位移频谱、预设间谐波频谱数据库及预设间谐波电压频率公式，检测待测供电网中是否含有间谐波，并生成间谐波检测结果。

8.根据权利要求7所述的间谐波检测方法，其特征在于，所述对铁芯振动位移电信号滤波后进行分析，获取铁芯振动位移频谱的过程，包括：

对所述铁芯振动位移电信号进行滤波处理；

对滤波后的铁芯振动位移电信号进行傅里叶分析，获取铁芯振动位移频谱。

9.根据权利要求7所述的间谐波检测方法，其特征在于，所述根据铁芯振动位移频谱、预设间谐波频谱数据库及预设间谐波电压频率公式，检测待测供电网中是否含有间谐波，并生成间谐波检测结果的过程，包括：

根据所述铁芯振动位移频谱，获取待测供电网的间谐波频率；

将所述铁芯振动位移频谱与所述铁芯振动位移，与预设间谐波频谱数据库预存含铁心绕组类设备在正常工况和含不同频率间谐波电压时，铁心振动位移波形及其相应的频谱分析结果进行匹配；

当所述铁芯振动位移频谱与所述铁芯振动位移，与预设间谐波频谱数据库中数据匹配失败，则根据所述待测供电网的间谐波频率及预设间谐波电压频率公式，获取间谐波电压频率；

当所述铁芯振动位移频谱与所述铁芯振动位移，与预设间谐波频谱数据库中数据匹配成功时，获取与所述铁芯振动位移及所述铁芯振动位移频谱匹配的间谐波电压频率。

10.根据权利要求9所述的间谐波检测方法，其特征在于，所述预设间谐波电压频率公式为：

式中，f_v表示铁心振动频谱中存在的间谐波频率分量，f_ih表示间谐波电压频率，f₀表示基波电压频率。

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