CN117169590A - 一种基于软件变采样率的电力谐波分析的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于软件变采样率的电力谐波分析的方法和装置，用于电力电压和电流谐波测量。所述包括：以第一采样周期采样被分析的电压信号得到V(n)，并对V(n)进行测频；通过变采样滤波器将V(n)变换为V`(m)，V`(m)对应的采样周期为第二采样周期；对V`(m)做点数为N的快速傅里叶变换，并取绝对值；根据所述绝对值得到谐波的幅度。本发明能够提高精度，减少计算量，适于各种计算机、DSP或FPGA实现。

Description

一种基于软件变采样率的电力谐波分析的方法和装置

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，具体的说是一种基于软件变采样率的电力谐波分析的方法和装置，用于电力电压和电流谐波测量。

背景技术

随着电力电子技术和器件的发展，非线性负荷在电力系统中的应用越来越广泛，电力谐波污染成为影响电能质量的主要问题之一。对于谐波的测量是谐波治理的重要条件，高精度的谐波检测是现代电能质量监测必不可少的组成部分。

常用谐波测量方法是快速傅立叶变换，简称FFT变换(快速傅里叶变换)。但是，由于电网频率是在工频附近小幅波动，因此会造成非同步采样，导致测量误差增大，这种非同步采样造成的误差增大效应称为频谱泄漏。低成本的方案往往采用加窗或插值等方法减小误差，但效果有限。而采用纯硬件实现的同步采样采用锁相环技术，成本高，响应速度慢。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种基于软件变采样率的电力谐波分析的方法和装置，解决现有技术中精度不足的问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于软件变采样率的电力谐波分析的方法，包括以下步骤：

以第一采样周期采样被分析的电压信号得到V(n)，并对V(n)进行测频；

通过变采样滤波器将V(n)变换为V`(m)，V`(m)对应的采样周期为第二采样周期；

对V`(m)做点数为N的快速傅里叶变换，并取绝对值；

根据所述绝对值得到谐波的幅度。

所述第二采样周期T2满足：

式中，T1为第一采样周期，N为快速傅里叶变换的点数，需满足2的整数次幂，g为基波所在的快速傅里叶变换点序号，f为对V(n)进行测频得到的频率。

所述对V`(m)做点数为N的快速傅里叶变换，并取绝对值为：

D(k)＝|X(k)|，k∈[0,N-1]

式中，X(k)是V`(m)的快速傅里叶变换。

所述谐波的幅度为：

式中，A(i)是i次谐波的幅度，g为基波所在的快速傅里叶变换点序号。

所述对V(n)进行测频采用任意测频算法。

一种基于软件变采样率的电力谐波分析，包括：

第一采样模块，用于以第一采样周期采样被分析的电压信号得到V(n)；

测频模块，用于对V(n)进行测频；

变采样滤波器，用于将V(n)变换为V`(m)，V`(m)对应的采样周期为第二采样周期；

处理模块，用于对V`(m)做点数为N的快速傅里叶变换，并取绝对值确定模块，用于根据所述绝对值得到谐波的幅度。

本发明具有以下优点及有益效果：

1、本发明仅通过软件计算就可以实现同步采样，大大提高精度又无需增加硬件成本。

2、本发明可以选取合适的N值，FFT计算量小于常规方法。

3、适于各种计算机、DSP或FPGA实现。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例的计算原理框图；

图3为本发明实施例的装置结构图；

图4为变采样滤波器的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1和图2所示，一种基于软件变采样率的电力谐波分析的方法，首先对AD采样的电力信号，测量频率f，随后根据测得的频率将电力信号变采样至整数倍周期的对应采样点数，是2的整数次幂，然后做FFT变换，即可得到各次谐波的精确值。具体的说，包括以下步骤：

步骤a.以第一采样周期T1采样被分析的电压信号得到V(n)，用任意测频算法得到频率f，n为采样周期为T1时的电压采样序号。

步骤b.通过变采样滤波器将V(n)变换为V`(m)，V`(m)对应的采样周期为第二采样周期T2，m为采样周期为T2时的电压采样序号，变采样滤波器的输入是V(n)和f，T2满足：

式中，N为快速傅里叶变换的点数，需满足2的整数次幂，g为基波所在的快速傅里叶变换点序号。

步骤c.将V`(m)做点数为N的快速傅里叶变换，并取绝对值。

D(k)＝|X(k)|，k∈[0,N-1]

式中，X(k)是V`(m)的快速傅里叶变换。

步骤d.取谐波的幅度。

式中，A(i)是i次谐波的幅度，N为快速傅里叶变换的点数。

实施例：直接用分压器或从电压互感器PT二次侧取得电网的电压信号，经过抗混叠滤波器送达AD采样处。具体步骤如下：

步骤a、以采样周期为0.5ms采样被分析的电压信号的V(n)，用任意测频算法得到频率f。

步骤b、通过变采样滤波器将V(n)变换为V`(m)，V`(m)对应的采样周期为第二采样周期T2，T2满足：

步骤c、将V`(m)做点数为N的FFT变换，取绝对值。

D(k)＝|X(k)|，k∈[0,N-1]

式中，X(k)是V`(m)的FFT变换。

步骤d、取谐波的幅度

式中，A(i)是i次谐波的幅度。

表1谐波计算结果比较表

常规方法在频率偏差的时候，误差比较大。如表1所示，比如我们关心的二次谐波，在频率50.5时，常规方法的误差为9.9217％，而本申请方法的误差仅为0.9404％。且本申请的方法在各种频率偏差下，误差比较恒定，大多在1％左右，能够大大提高测量精度。

如图3所示，一种自相关滤波计算电力供电频率的装置，包括：

第一采样模块，用于以第一采样周期采样被分析的电压信号得到V(n)；

测频模块，用于对V(n)进行测频；

变采样滤波器，用于将V(n)变换为V`(m)，V`(m)对应的采样周期为第二采样周期；

处理模块，用于对V`(m)做点数为N的快速傅里叶变换，并取绝对值

确定模块，用于根据所述绝对值得到谐波的幅度。

变采样滤波器可以将采样周期T1的离散信号变换为采样周期为T2的离散信号，可参考信息工程大学学报2009年9月陈采莲的《采样率转换中Farrow滤波器实现结构研究》和海南热带海洋学院海洋信息工程学院谢海霞所著的《分数倍采样率滤波器的研究与实现》。

变采样滤波器的原理如图4所示：

步骤A，逐步求解y(mT2)，即按T2重采样的离散序列，

式中，x(kT1)为按T1采样的离散序列，x_a(t)为时间轴上的冲击响应，δ(t)为单位冲击响应函数，为

式中，y(t)为通过理想滤波器重构的信号，h_c(t)为理想低通滤波器原型，

式中，为求整运算，即不大于/>的最大整数，

步骤B，用拉格朗日插值拟合h_c，得

式中，n为拉格朗日插值的阶数，N为滤波器的阶数。c_i(n)为拉格朗日多项式系数。

步骤C，式2代入式1，得到变采样滤波器的公式为：

Claims (6)

1.一种基于软件变采样率的电力谐波分析的方法，其特征在于，包括以下步骤：

以第一采样周期采样被分析的电压信号得到V(n)，并对V(n)进行测频；

通过变采样滤波器将V(n)变换为V`(m)，V`(m)对应的采样周期为第二采样周期；

对V`(m)做点数为N的快速傅里叶变换，并取绝对值；

根据所述绝对值得到谐波的幅度。

2.根据权利要求1所述的一种基于软件变采样率的电力谐波分析的方法，其特征在于，所述第二采样周期T2满足：

式中，T1为第一采样周期，N为快速傅里叶变换的点数，需满足2的整数次幂，g为基波所在的快速傅里叶变换点序号，f为对V(n)进行测频得到的频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于软件变采样率的电力谐波分析的方法，其特征在于，所述对V`(m)做点数为N的快速傅里叶变换，并取绝对值为：

D(k)＝|X(k)|，k∈[0,N-1]

式中，X(k)是V`(m)的快速傅里叶变换。

4.根据权利要求3所述的一种基于软件变采样率的电力谐波分析的方法，其特征在于，所述谐波的幅度为：

式中，A(i)是i次谐波的幅度，g为基波所在的快速傅里叶变换点序号。

5.根据权利要求1所述的一种基于软件变采样率的电力谐波分析的方法，其特征在于，所述对V(n)进行测频采用任意测频算法。

6.一种基于软件变采样率的电力谐波分析的装置，其特征在于，包括：

第一采样模块，用于以第一采样周期采样被分析的电压信号得到V(n)；

测频模块，用于对V(n)进行测频；

变采样滤波器，用于将V(n)变换为V`(m)，V`(m)对应的采样周期为第二采样周期；

处理模块，用于对V`(m)做点数为N的快速傅里叶变换，并取绝对值

确定模块，用于根据所述绝对值得到谐波的幅度。