CN112462138A - 一种谐波测量方法及系统 - Google Patents

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CN112462138A CN202011145552.3A CN202011145552A CN112462138A CN 112462138 A CN112462138 A CN 112462138A CN 202011145552 A CN202011145552 A CN 202011145552A CN 112462138 A CN112462138 A CN 112462138A
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李培宜
孙攀
陈贻骜
温富光
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R23/00—Arrangements for measuring frequencies; Arrangements for analysing frequency spectra
    • G01R23/16—Spectrum analysis; Fourier analysis

Abstract

本发明公开了一种谐波测量方法，包括根据采样的电压，计算基波频率；根据基波频率，计算每周波的采样点数N；根据采样点数N，计算出2～13次电压谐波幅值和电流谐波幅值；同一电压或电流通道取N个同次谐波幅值的平均值作为该次谐波测量结果。同时公开了相应的系统。本发明先计算出基波频率，再依据基波频率求取每周波采样点数N，进而计算出各采样通道多次谐波幅值，谐波计算结果求取平均值，大大减小了测量误差。

Description

一种谐波测量方法及系统
技术领域
本发明涉及一种谐波测量方法及系统，属于电力系统二次设备领域。
背景技术
基于嵌入式的微机测控装置目前已广泛应用在电力系统变电站、发电厂等场所，从而实现了变电站无人值守和少人值守。电力系统具有时变和非线性特性。测控装置的测量精度，对维护电力系统安全、稳定运行有着重要意义。
电力系统要求测控装置长时间可靠运行，测控装置必须采用嵌入式，这就决定了测控装置性能有限，不可能进行运算量巨大的运算任务。谐波会降低供电设备的寿命，增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热；同时谐波会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，导致可靠性降低，容易造成系统事故，故谐波的监测尤为重要。
谐波测量常用的FFT算法，虽然可精确测量谐波幅值，但由于运算量巨大，在嵌入式装置中未能很好应用。故目前大多数测控装置，在电力系统频率偏移50Hz时，测量出的谐波幅值误差过大，一般大于5％。
发明内容
本发明提供了一种谐波测量方法及系统，解决了在频率偏移时，测量出的谐波幅值误差过大的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种谐波测量方法，包括，
根据采样的电压，计算基波频率；
根据基波频率，计算每周波的采样点数N；
根据采样点数N，计算出电压谐波幅值和电流谐波幅值；
计算N个电压谐波幅值的平均值和N个电流谐波幅值的平均值，将平均值作为谐波测量结果。
根据采样的电压，利用傅氏算法计算基波频率。
计算基波频率的公式为，
Figure BDA0002739613540000021
其中，f为基波频率，fo为额定频率，ΔAng为经历时间t采样电压对应的正序电压角度变化；
ΔAng＝Δω*t
其中，Δω为正序电压角速度。
根据采样点数N，利用傅氏算法计算出电压谐波幅值和电流谐波幅值。
谐波幅值的计算公式为，
Figure BDA0002739613540000022
其中，
Figure BDA0002739613540000023
为谐波幅值，x(k)为采样电压或电流，k为采样点序号，ω0为额定角速度，Δt为采样间隔，m为谐波次数。
根据采样点数N，利用傅氏算法计算出I1～I2次电压谐波幅值和I1～I2次电流谐波幅值；计算同一电压通道N个Ii次电压谐波幅值的平均值，计算同一电流通道N个Ii次电流谐波幅值的平均值，将N个Ii次电压谐波幅值的平均值和电流谐波幅值的平均值作为Ii次谐波测量结果，其中，I1≤Ii≤I2。
I1～I2次为2～13次。
响应于电力系统频率偏移，每周波的采样点数四舍五入取整。
一种谐波测量系统，包括，
基波频率模块：根据采样的电压，计算基波频率；
每周波采样点数修正模块：根据基波频率，计算每周波的采样点数N；
多次谐波幅值模块：根据采样点数N，计算出电压谐波幅值和电流谐波幅值；
平均模块：计算N个电压谐波幅值的平均值和N个电流谐波幅值的平均值，将平均值作为谐波测量结果。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行谐波测量方法。
本发明所达到的有益效果：本发明先计算出基波频率，再依据基波频率求取每周波采样点数N，进而计算出各采样点的多次谐波幅值，谐波计算结果求取平均值，大大减小了测量误差。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为基波频率计算的原理示意图；
图3为电力系统频率45HZ，2次谐波幅值误差图；
图4为电力系统频率45HZ，13次谐波幅值误差图；
图5为电力系统频率55HZ，2次谐波幅值误差图；
图6为电力系统频率55HZ，13次谐波幅值误差图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种谐波测量方法，包括以下步骤：
步骤1，对电压和电流采样，采样率为4800Hz。
步骤2，根据采样的电压，利用傅氏算法计算基波频率。
采样电压对应的基波电压可用下式描述：
Figure BDA0002739613540000041
其中，Xm为电压有效值，ω0为额定角速度，为2*π*50，k为采样点序号，Δω为偏移角速度，Δt为采样间隔，为1/4800，φ0为初始相角。
电压采用傅氏算法计算出的实部(Rm)、虚部(Im)如下：
Figure BDA0002739613540000042
Figure BDA0002739613540000043
其中，实部、虚部中包含频率为Δf的分量，
Figure BDA0002739613540000044
f为基波频率，f0为额定频率。
利用采样的三相电压得出正序电压，利用正序电压角度变化，计算出基波频率；
正序电压计算吐下：
Figure BDA0002739613540000045
其中，
Figure BDA0002739613540000046
为正序电压，
Figure BDA0002739613540000047
为三相电压，参数α＝ej120°。
如图2所示，正序电压的角速度为Δω，经历时间t正序电压角度变化为ΔAng＝Δω*t。
计算基波频率的公式为：
Figure BDA0002739613540000051
其中，f为基波频率，fo为额定频率。
基波频率为50Hz时，ΔAng＝0；基波频率为45Hz时，ΔAng＝-2*π*5*t；基波频率为55Hz时，ΔAng＝2*π*5*t。
步骤3，根据基波频率，计算每周波的采样点数N；响应于电力系统频率偏移，每周波的采样点数四舍五入取整(50*96)/f；响应于电力系统额定频率，N＝96(4800/50)。
电力系统频率偏移只需考虑45～55Hz，N的取值范围只可能为87～107，共有21个取值。为减少谐波测量过程中的计算量，初始化时，将N的21个取值对应的正、余弦系数存成表。
步骤4，根据采样点数N，查找正、余弦系数存成表，利用傅氏算法计算出I1～I2次电压谐波幅值和I1～I2次电流谐波幅值，I1～I2次谐波幅值具体为2～13次谐波幅值，即电压的2～13次谐波幅值、电流的2～13次谐波幅值。
Figure BDA0002739613540000052
其中，
Figure BDA0002739613540000053
为谐波幅值，x(k)为采样电压或电流，k为采样点序号，ω0为额定角速度，Δt为采样间隔，m为谐波次数。
步骤5，计算N个电压谐波幅值的平均值和N个电流谐波幅值的平均值，将平均值作为谐波测量结果。
即计算同一电压通道N个Ii次电压谐波幅值的平均值，计算同一电流通道N个Ii次电流谐波幅值的平均值，将N个Ii次电压谐波幅值的平均值和电流谐波幅值的平均值作为Ii次谐波测量结果，其中，I1≤Ii≤I2。
N的四舍五入取整，存在非同步采样，为减少误差，N个谐波计算结果取平均值作为谐波测量结果。
图3为电力系统频率45HZ，2次谐波幅值误差图，图4为电力系统频率45HZ，13次谐波幅值误差图，图5为电力系统频率55HZ，2次谐波幅值误差图，图6为电力系统频率55HZ，13次谐波幅值误差图，从中可以看出上述方法的测量的谐波幅值误差不大于0.2％。
本发明先计算出基波频率，再依据基波频率求取每周波采样点数N，进而计算出各采样点的多次谐波幅值，谐波计算结果求取平均值，大大减小了测量误差，谐波幅值的误差不大于0.2％。
上述方法一种谐波测量系统，包括，
基波频率模块：根据采样的电压，计算基波频率；
每周波采样点数修正模块：根据基波频率，计算每周波的采样点数N；
多次谐波幅值模块：根据采样点数N，计算出电压谐波幅值和电流谐波幅值；
平均模块：计算N个电压谐波幅值的平均值和N个电流谐波幅值的平均值，将平均值作为谐波测量结果。
上述系统装载在测控装置中，即未明显增加CPU负载，也没有对测控装置中其他功能造成影响，可提高谐波监测水平，从而提高了电力系统安全、稳定运行水平。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行谐波测量方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行谐波测量方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种谐波测量方法，其特征在于：包括，
根据采样的电压，计算基波频率；
根据基波频率，计算每周波的采样点数N；
根据采样点数N，计算出电压谐波幅值和电流谐波幅值；
计算N个电压谐波幅值的平均值和N个电流谐波幅值的平均值，将平均值作为谐波测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种谐波测量方法，其特征在于：根据采样的电压，利用傅氏算法计算基波频率。
3.根据权利要求2所述的一种谐波测量方法，其特征在于：计算基波频率的公式为，
Figure FDA0002739613530000011
其中，f为基波频率，fo为额定频率，ΔAng为经历时间t采样电压对应的正序电压角度变化；
ΔAng＝Δω*t
其中，Δω为正序电压角速度。
4.根据权利要求1所述的一种谐波测量方法，其特征在于：根据采样点数N，利用傅氏算法计算出电压谐波幅值和电流谐波幅值。
5.根据权利要求4所述的一种谐波测量方法，其特征在于：谐波幅值的计算公式为，
Figure FDA0002739613530000012
其中，
Figure FDA0002739613530000021
为谐波幅值，x(k)为采样电压或电流，k为采样点序号，ω0为额定角速度，Δt为采样间隔，m为谐波次数。
6.根据权利要求4所述的一种谐波测量方法，其特征在于：根据采样点数N，利用傅氏算法计算出I1～I2次电压谐波幅值和I1～I2次电流谐波幅值；计算同一电压通道N个Ii次电压谐波幅值的平均值，计算同一电流通道N个Ii次电流谐波幅值的平均值，将N个Ii次电压谐波幅值的平均值和电流谐波幅值的平均值作为Ii次谐波测量结果，其中，I1≤Ii≤I2。
7.根据权利要求6所述的一种谐波测量方法，其特征在于：I1～I2次为2～13次。
8.根据权利要求1所述的一种谐波测量方法，其特征在于：响应于电力系统频率偏移，每周波的采样点数四舍五入取整。
9.一种谐波测量系统，其特征在于：包括，
基波频率模块：根据采样的电压，计算基波频率；
每周波采样点数修正模块：根据基波频率，计算每周波的采样点数N；
多次谐波幅值模块：根据采样点数N，计算出电压谐波幅值和电流谐波幅值；
平均模块：计算N个电压谐波幅值的平均值和N个电流谐波幅值的平均值，将平均值作为谐波测量结果。
10.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至8所述的方法中的任一方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114665496A (zh) * 2022-03-31 2022-06-24 广东电网有限责任公司广州供电局 一种柔性直流输电系统的高频谐波保护方法及装置
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