CN202102051U - 一种电网间谐波测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电网间谐波测量仪，测量仪包括三个电压互感器、三个电流互感器、近似同步采样单元、HHT-FFT计算单元；近似同步采样单元包括信号调理电路、模数转换器、锁相环电路、过零检测器、DSP处理器；由锁相环电路实现电网频率跟踪，由过零检测器配合DSP精确测频：以恒定采样频率对电网电压(电流)波形采样，由锁相环电路跟踪电网频率，锁相环电路的输出作为模数转换器的采样时钟；然后用HHT-FFT计算单元提取信号的包络，对包络信号进行FFT分析，最后计算出电网的谐波与间谐波信息；本实用新型用于实际电网时，测量谐波与间谐波精度和实时性都满足IEC的要求。

Description

一种电网间谐波测量仪

技术领域

本实用新型涉及电力系统间谐波测量仪器，属于电能质量监测技术领域。

背景技术

谐波监测仪在电力系统的应用由来已久，但能测间谐波的谐波监测仪不多，能实时在线监测谐波和间谐波的谐波监测仪更不多。随着对电能质量要求的提高，电力系统间谐波测量是电力系统电能质量监测的重要内容之一。IEC61000-4-7标准和绝大多数谐波测量仪，对间谐波的测量仍然延用FFT(FastFourier Transform，快速傅立叶变换)方法。FFT方法测量电网整次谐波在同步误差较小的情况下是比较合理比较准确的，但是，用传统的FFT方法测量电网间谐波就不太合理、不太准确了，主要原因在于：

(1)传统的FFT方法会算出许多虚假间谐波。FFT方法的频谱泄漏总是存在的，当同步偏差很小时，整次谐波之间的相互泄漏所占比例较小，但是，整次谐波向间谐波频点的泄漏可能是真实间谐波的许多倍，因为电网中的间谐波一般比整次谐波微弱锝多。

(2)电网间谐波的个数和次数往往是未知的、变化的。

(3)要做到每个间谐波都在间谐波的分辨率上，FFT的一个数据窗口必须无限宽。

现有的间谐波分析法还有：小波分析法、AR(autoregressive model，自回归模型)法、神经网络法、Pisarenko谐波分解法、Prony算法、SVD(singularvaluedecomposision，奇异值分解)法及其改进算法、支持向量机、特征空间求根法、快速傅里叶变换法等等。

小波变换具有良好的时频特性，在谐波和间谐波检测中取得了良好的应用效果，但小波分析可能存在混频现象，当谐波与间谐波频率较近时仍很难精确检测；用自回归模型确定扰动频率分布，分辨率得到了提高，但AR模型阶数对谱分辨率有一定影响，且易受噪声干扰；用神经网络分离频率相近的间谐波，但学习时间长；Pisarenko分解法、Prony法和SVD改进算法、特征空间求根法等均有较高的频率分辨率，但易受噪声影响。

现有技术大多致力于提高频率检测精度，大多都适合离线测量，不能满足实时性的需求，如果遇到电网电压或电流的突变或异常事故出现，这些方法不能实时的反应现场的突发问题，因此无法及时处理突发和异常事故。

电力系统间谐波检测，还需要考虑到的一些特点和待解决的一些问题：

(1)含量小，对频谱泄漏影响较敏感，易被谐波频谱所淹没，如何准确检测间谐波的频率特征值。

(2)当间谐波数量较多时，如何抑制其频谱之间的干扰。

(3)当间谐波频率与谐波频率特别是基频非常接近时，一定的采样窗口长度下，如何区分出间谐波的成分。

(4)如何区分真正的间谐波还是谐波的频谱泄漏造成虚假的间谐波。

因此，目前对间谐波分析的研究重点主要为：①如何判定间谐波是否存在；②若间谐波存在，如何准确检测出主导间谐波成分。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对现有的谐波测量仪很难精确测量间谐波的问题，提出一种电网间谐波测量仪。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种电网间谐波测量仪，包括三个电压互感器、三个电流互感器、近似同步采样单元、HHT-FFT计算单元；所述近似同步采样单元包括信号调理电路、模数转换器、锁相环电路、过零检测器、DSP处理器；所述HHT-FFT计算单元包括PFGA和存储器；其中，

三个电压互感器和三个电流互感器的输入端分别接电网的三相输出端，三个电压互感器的输出端分别接信号调理电路、锁相环电路和过零检测器的输入端，三个电流互感器的输出端分别接信号调理电路的输入端，过零检测器的输出端接DSP处理器的输入端，信号调理电路的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器与DSP处理器双向通信，DSP处理器依次串接FPGA、存储器。

进一步的，本实用新型的电网间谐波测量仪，还包括显示与通信单元，所述显示与通信单元与HHT-FFT计算单元双向通信。

其中锁相环电路PLL实现电网频率跟踪，由过零检测器配合DSP精确测频：以恒定采样频率f_S对电网电压(电流)波形采样，由锁相环电路PLL跟踪电网频率，锁相环电路PLL的输出作为模数转换器的采样时钟，使采样尽可能得逼近同步采样。

HHT-FF计算单元的基本特征：

(1)根据产生虚假间谐波的原因——主要来自整次谐波向间谐波频点的泄漏，然后寻找抑制虚假间谐波的方法。

(2)HHT方法与FFT方法相结合，提出了间谐波分析的一种新方法——“HHT-FFT算法”，即用HHT分离包络与工频载波，用FFT分别对包络和工频载波进行频谱分析。

(3)用于实际电网时，HHT-FFT算法测量谐波与间谐波精度和实时性都满足IEC的要求。

本实用新型采用上述技术方案具有以下有益效果：

本实用新型用IEC推荐的锁相环电路和过零检测电路实现电网频率的实时检测，从而实现电网电压电流信号的近似同步采样，减少同步误差，本实用新型采用“HHT-FFT”实现间谐波的测量。这种方案即使在电网频率不断波动的情况下，也能实现同步偏差小于万分之一、甚至更小。减少了采样同步偏差就直接减少了谐波测量误差。对于包络信号利用flash计算出来存在数据存储器里，供DSP实时计算谐波测量值查表，这样大大节省了运算时间，提高了谐波分析的实时性。

附图说明

图1是本实用新型的间谐波测量仪的结构框图。

图2是本实用新型的间谐波测量方法的实施结构图。

具体实施方式

下面结合附图对实用新型的技术方案进行详细说明：

如图1所示，本实用新型的间谐波测量仪包括两大特殊单元：

(1)近似同步单元：由锁相环电路(PLL)实现电网频率跟踪，由过零检测器配合DSP精确测频：以恒定采样频率f_S对电网电压(电流)波形采样，由PLL电路跟踪电网频率，PLL电路的输出作为ADC的采样时钟，使采样尽可能得逼近同步采样。

(2)HHT-FFT计算单元：用HHT提取信号的包络，对包络信号进行FFT分析，然后计算出电网的谐波与间谐波信息。

如图2所示，近似同步采样单元包括信号调理电路、模数转换器、过零检测器、锁相环电路和DSP，HHT-FFT计算单元包括PFGA和存储器，HHT-FFT间谐波测量仪还包括三个电压互感器和三个电流互感器，其中三个电压互感器和三个电流互感器的输入端分别接电网的三相输出端，三个电压互感器的输出端分别接信号调理电路、PLL电路和过零检测器的输入端，三个电流互感器的输出端分别接信号调理电路的输入端，过零检测器的输出端接DSP的输入端，DSP依次串接FPGA、存储器，信号调理电路连接模数转换器，模数转换器与DSP双向通信。

本实用新型的电网间谐波测量仪，还包括显示与通信单元，所述显示与通信单元与HHT-FFT计算单元双向通信。其中显示单元为LCD显示屏，通信单元包括小键盘、RS485、RS232两种接口。

本实用新型检测方法如下：电网三相电流分别经电流互感器和信号调理电路送到模数转换器，电网三相电压分别经电压互感器送到PLL电路和过零检测器，电网三相电压分别经电压互感器和信号调理电路送到模数转换器；由PLL电路跟踪电网频率，PLL电路的输出作为ADC的采样时钟，使采样尽可能得逼近同步采样。过零检测信号送到DSP实现精确测频，10个周波根据测量的电网的实时频率刷新一次采样频率；DSP根据实时采样数据，提取信号包络一次从而获得包络信号；根据所测的采样数据与包络信号，采用HHT-FFT方法进行间谐波检测。根据提取的包络信号进行测频，然后对信号进行FFT分解，得到调制信息；把包络信号和电网信号分离出来，计算出电网的整次谐波信息；利用公式：

$\frac{1}{2}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{D}_l{C}_m\left\{\right[\cos 2\mathrm{\π}(\mathrm{mf}-\mathrm{l\η})t+{\mathrm{\φ}}_m-{\mathrm{\α}}_l]+[\cos 2\mathrm{\π}(\mathrm{mf}+\mathrm{l\η})t+{\mathrm{\φ}}_m+{\mathrm{\α}}_l\left]\right\},$ 计算出电网信号的间谐波信息；公式中，幅值C_m、频率f、相位φ_m、最高谐波次数M都是常数，m、M为正整数，常数D_l和α_l分别为d₁(t)的第l次谐波的幅值和初相角，η为d₁(t)的基波频率，L是d₁(t)所含整次谐波的最高次数。

确保近似同步采样主要由过零检测器和PLL实现：由PLL跟踪电网信号频率，10个电网周波的开始(电网波形过零)采当前数据窗口的第1点，10个电网周波的结束(电网波形过零)停止本数据窗口的采样，这就保证了10个整周波的定时误差小于一个采样周期。10周波刷新一次采样频率。

HHT-FFT的基本特征是：(1)用HHT提取信号包络；(2)现有的谐波分析仪计算闪变信号也需要提取包络，因此不增加计算量。

本实用新型工作步骤和原理是：

实际电网信号的幅值波动常常体现一定的周期性——包括周期振荡、衰减振荡等等。这样，就可以把电网电压(电流)信号描述为：

$y\left(t\right)=[1+d_1\left(t\right)]\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{C}_m\cos (2\mathrm{m\πft}+{\mathrm{\φ}}_m\mathrm{})$

(1)

式中，幅值C_m、频率f、相位φ_m、最高谐波次数M都是常数，m、M为正整数，包络d₁(t)近似为周期信号，这时d₁(t)可描述为：

$d_1\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{D}_l\cos (2\mathrm{l\π\ηt}+{\mathrm{\α}}_l)$

(2)

其中，常数D_l和α_l分别为d₁(t)的第l次谐波的幅值和初相角，η为d₁(t)的基波频率，L是d₁(t)所含整次谐波的最高次数。将式(2)代入式(1)得：

$y\left(t\right)=\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{C}_m\cos (2\mathrm{m\πft}+{\mathrm{\φ}}_m)+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{D}_l\cos (2\mathrm{l\π\ηt}+{\mathrm{\α}}_l)\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{C}_m\cos (2\mathrm{m\πft}+{\mathrm{\φ}}_m)$

$=\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{C}_m\cos (2\mathrm{m\πft}+{\mathrm{\φ}}_m)+$

$+\frac{1}{2}\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{D}_l{C}_m\left\{\right[\cos 2\mathrm{\π}(\mathrm{mf}-\mathrm{l\η})t+{\mathrm{\φ}}_m-{\mathrm{\α}}_l]+[\cos 2\mathrm{\π}(\mathrm{mf}+\mathrm{l\η})t+{\mathrm{\φ}}_m+{\mathrm{\α}}_l\left]\right\}$

(3)

显然，这时电网信号的所有整次谐波频点为mf，m＝0，1，Λ，M，间谐波频点为

(mf±lη)，l＝0，1，Λ，L

(4)

首先，对信号y(t)连续采样10个周波——得到N点采样序列{y(n)}，采样的同步误差应尽量小(按IEC-4-7要求小于0.03％)。

然后，从采样序列{y(n)}中提取包络d₁(n)，提取包络用HHT(Hilbert-HuangTransaction)。由于d₁(t)表示电力系统中所包含的间谐波成份及其大小，所以1+d₁(t)≠0，有了包络d₁(n)，就可以将包络从{y(n)}中分离，分离方法是

$\stackrel{\‾}{y}\left(n\right)=\frac{y\left(n\right)}{1+d_1\left(n\right)},n=\mathrm{1,2},\mathrm{\Λ},N---\left(5\right)$

分离了包络的序列

就只含周期部分：

$\stackrel{\‾}{y}\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{C}_m\sin (2\mathrm{m\πf\τ}+{\mathrm{\φ}}_m)---\left(6\right)$

式中，τ为采样周期。显然对执行FFT或加窗FFT就可得到精确的C_m。

下一步是对包络{d₁(n)}按频率分解，当{d₁(n)}为周期信号时可以用FFT或加窗FFT得到d₁、d₂、...、d_L。最后用公式(3)就可以求出各整次谐波、间谐波的频率、幅值和相位。

以前由于计算机的数据处理能力不高，HHT曾经是难以实施的，如今高速DSP(数据处理器)的出现已经使得直接用HHT-FFT作为谐波分析的工具成为现实。

例如， $y\left(t\right)=[1+\underset{l=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}\frac{d_l}{l}\cos \left(2\mathrm{\πl\ηt}\right)]\×\cos \left(2\mathrm{\πft}\right),$ 其中d_l＝0.1，L＝7，η＝5，f＝50，

DSP定时器工作频率为150MHz，取f_S＝60kHz、S＝10，计算出“采样同步偏差”小于万分之一。下表1是本实用新型和几种常规算法所得到的谐波幅值的仿真结果。

表1(Hatlab仿真结果)，几种算法的数据对比

从给出的信号模型可以计算出信号源中含有(1±l)，l＝0.1，Λ0.7次间谐波，但是如果我们直接对信号源进行FFT运算，采样10个周期，只检测到的0.9次和1.1次间谐波，并且他们的误差非常之大，原因是基波在间谐波上的泄漏造成很大的测量偏差，如果我们对信号包络用HHT提取去除直流成分然后进行加窗FFT运算的得到的结果是调制信号的信息，从仿真结果看，由于间谐波之间也存在一定的干扰，所以测量结果也有一定的误差。具体数据见表1，表1中只列出信号里的三种频率成份，实际信号中还有40、60、90、95、100、105、110hz频率信号数据未列出。从仿真结果看，HHT-FFT算法的精度要高于加窗插值DFT和HHT，总结起来，本实用新型有如下特点：

1)结构简单、易实现——近似同步采样单元可以用过零检测器、PLL和ADC构成，变点HHT-FFT计算器可以用高速DSP加flash存储器构成；

2)很容易做到采样同步偏差小于千分之三、甚至更小；

3)绝大多数电网谐波测量仪对间谐波的测量仍然沿用FFT方法，实际上，用传统的FFT方法测量间谐波是难以测准的，甚至还会计算出许多虚假间谐波。

4)本实用新型的测量仪采用HHT-FFT方法通过把包络和工频载波分离，分别对包络和工频载波实施FFT，就能基本消除整次谐波向间谐波频点的泄漏。

5)本实用新型的测量仪将HHT-FFT方法应用于电网间谐波测量能提供更真实、更精确的间谐波信息。

Claims (2)

1. 一种电网间谐波测量仪，其特征在于：包括三个电压互感器、三个电流互感器、近似同步采样单元、HHT-FFT计算单元；所述近似同步采样单元包括信号调理电路、模数转换器、锁相环电路、过零检测器、DSP处理器；所述HHT-FFT计算单元包括PFGA和存储器；其中，

三个电压互感器和三个电流互感器的输入端分别接电网的三相输出端，三个电压互感器的输出端分别接信号调理电路、锁相环电路和过零检测器的输入端，三个电流互感器的输出端分别接信号调理电路的输入端，过零检测器的输出端接DSP处理器的输入端，信号调理电路的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器与DSP处理器双向通信，DSP处理器依次串接FPGA、存储器。

2.根据权利要求1所述的电网间谐波测量仪，其特征在于：还包括显示与通信单元，所述显示与通信单元与HHT-FFT计算单元双向通信。

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