CN112180161A - 一种非同步高采样率采样条件下谐波间谐波群测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在非同步采样条件高采样率下谐波间谐波群的测量方法，以下步骤：S1、对输入电压或电流信号进行采样、得到离散信号序列并进行数据预处理；S2、对采样信号进行非同步采样，加Hanning窗进行DFT变换；S3、获取并分析采样信号频谱关系，得到采样信号的基波角频率、各次谐波与间谐波所对应的角频率，以及谐波与间谐波个数；S4、进行谐波群和间谐波群分组，按照本发明谐波间谐波均方根值计算公式进行谐波有效值计算。最后根据算例验证，本发明大大提高了非同步采样条件下谐波间谐波群测量的精度。

Description

一种非同步高采样率采样条件下谐波间谐波群测量方法

技术领域

本发明涉及电能质量测量的技术领域，具体是一种非同步高采样率采样条件下谐波间谐波群测量方法。

背景技术

电能质量监测是建设先进智能电网的重要一环，其中谐波、间谐波参数是衡量电能质量优劣的一项重要指标。

随着现代电力电子技术的发展,非线性电力负荷在电力系统中大大增加。这些非线性负荷都会引起电网电压畸变,产生电网谐波。电网谐波对继电保护、计算机、测量和计量仪器以及通信系统等都有不利和不可预知的影响。谐波“污染”大大增加了电网中发生谐振的可能,从而产生过电压或过电流,降低了电网的可靠性,增加了电网损失,降低了电气设备的效率和利用率,使电气设备运行不正常,加速绝缘老化,缩短设备的使用寿命等许多不良后果。所以对谐波的实时准确测量才能反映出电网的运行状态,并依此分析出电网的电能质量,对影响电能质量的环节进行相应的处理。

IEC61000-4-7标准中规定，对于50Hz系统，同步采样时使用10个基频周波的矩形窗，非同步条件下采用10个基频周波的Hanning窗。对于同步采样的矩形加窗情况，IEC给出了谐波群、谐波子群、间谐波群、间谐波子群的概念；而在非同步条件下，IEC没有给出具体的分析方法和计算公式。故在考虑到谐波、间谐波各自影响和相互影响以及IEC规定的非同步条件下采用加Hanning窗的情况下，提出一种在非同步高采样率采样条件下谐波间谐波群具体分析方法和计算公式，提高测量精度和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在非同步采样条件高采样率下谐波与间谐波群的分析测量方法，包括以下步骤：

S1：预处理：对样本信号进行采样，通过电压互感器和电流互感器从交流电网上获取电网电压和电网电流的样本数据，然后通过A/D转换器将样本数据由模拟信号转换为离散的数字信号，执行S2；

S2：对转换为数字信号的采样信号加Hanning窗减小频谱泄漏，使用插值方法消除栅栏效应，再进行非同步采样后进行DFT变换得到频谱关系，执行S3；

S3：从经DFT变换后得到的频谱关系中得到采样信号的基波角频率、各次谐波与间谐波所对应的角频率，以及谐波与间谐波个数，执行S4；

S4、进行谐波群间谐波群的分组以及进行谐波有效值计算。

进一步的，所述的所述S1包括以下步骤：

S11：获取交流电网某一时段T内的电压电流数据，经过电压互感器和电流互感器后转换成电压信号，执行S12；

S12：对上述电压信号进行采样，采样频率为非同步高采样率，然后通过A/D转换器得到离散采样信号序列，执行S13；

S13：对所述离散采样信号序列进行数据预处理。

进一步的，所述S13中的数据预处理包括对离散采样信号序列进行降噪及白化处理。

进一步的，所述S2中，对采样信号加Hanning窗进行DFT变换，对所述信号进行加窗DFT变换后，在谱线k处的频谱值为：

式中β_i＝f_i/Δf为单位化频率值，Δf为采样窗长为N时对应的频率分辨率，W(*)表示对应加窗的窗谱函数；

一般采样窗口长度N＞＞1,Hanning窗谱函数为：

则谱线k处的频谱值为：

进一步的，所述S3还包括以下步骤：

S31得到采样信号频谱关系，执行S32；

S32对采样信号频谱关系进行分析，得到基波角频率、各次谐波和间谐波的角频率以及谐波和间谐波的个数。

进一步的，所述S4还包括以下步骤：

S41对采样信号频谱进行分组，分为谐波群和间谐波群，执行S42；

S42根据谐波群有效值计算模型获取谐波有效值，由于时域加窗会引起信号能量的衰减，根据帕塞瓦尔定理(Parseval’s relation)，时域信号的总能量等于其频域信号的总能量，引入Hanning窗的能量恢复系数K_e＝8/3；具体的，谐波群Y_g,h有效值定义：

式中

表示谱线号i对应的频谱电压有效值；

h——谐波次数，上式表明谐波群利用了5根谱线进行计算，其频谱计算示意图如附图2所示，执行S43；

S43根据间谐波群计算模型获取间谐波有效值，同样，引入Hanning窗的能量恢复系数K_e＝8/3；具体的，间谐波群Y_ig,h有效值定义：

式中

表示谱线号i对应的频谱电压有效值；h为间谐波次数。

本发明的有益效果是：1、本发明通过对经DFT变换后的采样信号进行频谱分析，准确得到了各次谐波与间谐波所对应的频率，避免了基于DFT的算法在求取间谐波频率时产生的频谱混叠、频谱泄露等问题，提高了识别间谐波频率的精度。

2、本发明基于IEC测量标准框架下，提出了在非同步采样时的谐波、间谐波分组测量方法,具有谐波间谐波精确测量的优点。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明的谐波群频谱计算示意图；

图3为本发明的间谐波群频谱计算示意图；

图4为本发明的算例IEC方法(加矩形窗)对应频谱图；

图5为本发明的算例使用本发明方法(加Hanning窗)对应频谱图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为实现在非同步高采样率采样条件下对谐波间谐波的精准测量，本发明提供了一种谐波间谐波群有效值计算方法。

以电网信号为例，如附图1所示为本发明所提供的谐波与间谐波群测量方法流程图。

具体的，本发明提供的一种谐波间谐波群测量方法包括以下步骤：

S1：对数据进行预处理。首先进行样本采样，获取交流电网某一时段T内的电压电流数据，所述数据经过电压互感器和电流互感器后转换成电压信号。对上述电压信号进行采样，所述采样频率为非同步高采样率，然后通过A/D转换器得到离散采样信号序列。对所述离散数字信号序列进行数据预处理。

S2：对采样信号加Hanning窗和使用插值方法来有效的减小频谱泄漏和消除栅栏效应，之后进行10周波DFT变换得到频谱关系。

S3：基于10周波加Hanning窗的DFT频谱变换，根据获得的采样信号频谱关系得到基波角频率，各次谐波和间谐波的角频率，以及谐波和间谐波的个数。进行谐波群间谐波群的分组以及根据计算模型进行有效值计算。

优选地，采样信号的形式如下所示：

式中Δt为单位采样间隔，M为谐波与间谐波的个数，f_i为对应分量的频率，A_i为对应分量波形的幅值、

为对应分量的相位，n＝0、1、…、N-1，N为采样窗口长度。

非同步采样条件下，采样频率fs＝12876Hz，采样周波为Mt＝10周波，每周波采样点数为N＝2560点，基波频率为50.3Hz，各次谐波、间谐波参数理论值如表1所示：

表1同步采样时各谐波间谐波参数理论值

为更好的表现本发明测量谐波间谐波的准确度，在进行非同步采样信号加Hanning窗DFT变换之前，使用IEC方法加矩形窗DFT对谐波间谐波进行测量。

当N＞＞1时矩形窗谱函数的表达式：

同样的，对电网信号进行DFT变换后对应谱线k处的频谱值为：

IEC61000-4-7给出了谐波电压和谐波电流的测量算法，是基于10周波加矩形窗的DFT/FFT频谱分析，并以谐波群和间谐波群的结果形式返回谐波的含量。

谐波群Y_g,h有效值定义如下：

式中

表示谱线号i对应的频谱电压有效值；

h——谐波次数

上式表明谐波群使用了11根谱线。

间谐波群Y_ig,h有效值定义如下：

式中

表示谱线号i对应的频谱电压有效值；

h——间谐波次数，如3次谐波和4次谐波之间的间谐波，取h＝3。

上式表明间谐波群利用了9根谱线。

IEC标准方法测量结果如表2所示：

表2非同步采样时IEC方法(矩形窗)检测结果

其中，群含量为第h次谐波电压含有率HRU_h计算公式：

式中U_h——第h次谐波电压方均根值；

U₁——基波电压方均根值。对应频谱图为图4。

鉴于在非同步条件下，IEC没有给出具体的分析方法和计算公式。定义非同步采样10个基频周波加Hanning窗的50Hz系统谐波群、间谐波群的定义如下。由于时域加窗会引起信号能量的衰减，根据帕塞瓦尔定理(Parseval’s relation)，时域信号的总能量等于其频域信号的总能量，引入Hanning窗的能量恢复系数K_e＝8/3。

帕塞瓦尔定理(Parseval’s relation)：

式中所有参数的含义与IEC61000-4-7标准相兼容，Y系列参数均表示信号频域谱线的有效值，K_e为加窗能量恢复系数，对应Hanning窗K_e＝8/3。

谐波间谐波分组测量(Hanning窗)结果如表3所示：

表3非同步采样时谐波间谐波分组测量(Hanning窗)检测结果

对应频谱图为图5。

由表2和表3可以看出，基频非同步采样时，IEC方法中的谐波间谐波群算法误差均比较大，引入过多谱线容易造成频谱混叠的现象，而本项目中的谐波间谐波群测量算法误差很小，结果与真实值更加接近。

综上所述，同步采样或非同步采样时本项目中提出的谐波间谐波分组测量中的Hanning窗子组算法精度较高，且能与IEC标准方法相兼容

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种在非同步采样条件高采样率下谐波与间谐波群的分析测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：预处理：对样本信号进行采样，通过电压互感器和电流互感器从交流电网上获取电网电压和电网电流的样本数据，然后通过A/D转换器将样本数据由模拟信号转换为离散的数字信号，执行S2；

S2：对转换为数字信号的采样信号加Hanning窗减小频谱泄漏，使用插值方法消除栅栏效应，再进行非同步采样后进行DFT变换得到频谱关系，执行S3；

S3：从经DFT变换后得到的频谱关系中得到采样信号的基波角频率、各次谐波与间谐波所对应的角频率，以及谐波与间谐波个数，执行S4；

S4、进行谐波群间谐波群的分组以及进行谐波有效值计算。

2.根据权利要求1所述的一种在非同步采样条件高采样率下谐波与间谐波群的分析测量方法，其特征在于，所述的所述S1包括以下步骤：

S11：获取交流电网某一时段T内的电压电流数据，经过电压互感器和电流互感器后转换成电压信号，执行S12；

S12：对上述电压信号进行采样，采样频率为非同步高采样率，然后通过A/D转换器得到离散采样信号序列，执行S13；

S13：对所述离散采样信号序列进行数据预处理。

3.根据权利要求2所述的一种非同步高采样率采样条件下谐波间谐波群测量方法，其特征在于，所述S13中的数据预处理包括对离散采样信号序列进行降噪及白化处理。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种非同步高采样率采样条件下谐波间谐波群测量方法，其特征在于，所述S2中，对采样信号加Hanning窗进行DFT变换，对所述信号进行加窗DFT变换后，在谱线k处的频谱值为：

式中β_i＝f_i/Δf为单位化频率值，Δf为采样窗长为N时对应的频率分辨率，W(*)表示对应加窗的窗谱函数；

一般采样窗口长度N＞＞1,Hanning窗谱函数为：

则谱线k处的频谱值为：

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种非同步高采样率采样条件下谐波间谐波群测量方法，其特征在于，所述S3还包括以下步骤：

S31得到采样信号频谱关系，执行S32；

S32对采样信号频谱关系进行分析，得到基波角频率、各次谐波和间谐波的角频率以及谐波和间谐波的个数。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种非同步高采样率采样条件下谐波间谐波群测量方法，其特征在于，所述S4还包括以下步骤：

S41对采样信号频谱进行分组，分为谐波群和间谐波群，执行S42；

S42根据谐波群有效值计算模型获取谐波有效值，由于时域加窗会引起信号能量的衰减，根据帕塞瓦尔定理(Parseval’s relation)，时域信号的总能量等于其频域信号的总能量，引入Hanning窗的能量恢复系数K_e＝8/3；具体的，谐波群Y_g,h有效值定义：

式中

表示谱线号i对应的频谱电压有效值；

h——谐波次数，上式表明谐波群利用了5根谱线进行计算，其频谱计算示意图如附图2所示，执行S43；

S43根据间谐波群计算模型获取间谐波有效值，同样，引入Hanning窗的能量恢复系数K_e＝8/3；具体的，间谐波群Y_ig,h有效值定义：

式中

表示谱线号i对应的频谱电压有效值；h为间谐波次数。

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