CN103592513B - 电力信号谐波分析方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力信号谐波分析方法，包括：(1)选择一相电压或电流，利用高频率的计数时钟对工频信号进行计数，经过若干个周期，得到总共的计数值，再除以周期数量，得到工频信号的平均计数值；(2)确定采样周期的计数步长作为采样周期的时间间隔；(3)通过电路检测获得工频信号的起始点；以及(4)采取DFT方式进行付立叶变换，只计算感兴趣的谐波分量的幅值和相角。

Description

电力信号谐波分析方法和装置

技术领域

本发明涉及一种电力信号处理方法，特别涉及一种电力信号谐波分析方法和装置。

背景技术

现有技术中，对电力信号进行谐波分析，一般有两种方式：1、锁相环同步采样分析；2、加窗插值分析。

上述两种方式，都是通过采集同步信号，或者通过加窗插值得到一个信号序列，然后进行FFT变换，得到各谐波分量。

锁相环要求对电力信号同步，其中可能涉及到极高的倍频，其增加了电路设计的困难程度。

FFT变换计算出所有谐波值，但实际上只需测量其中部分谐波，无形中增加了计算量。

因此，提供一种能够准确计算工频信号频率且计算量小的电力信号谐波分析方法成为业内急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力信号谐波分析方法和装置，其能够准确计算工频信号频率并且能够有效降低计算量。

根据本发明，提供一种电力信号谐波分析方法，包括：(1)选择一相电压，利用高频率的计数时钟对工频信号进行计数，经过若干个周期，得到总共的计数值，再除以周期数量，得到工频信号的平均计数值；(2)确定采样周期的计数步长作为采样周期的时间间隔；(3)通过电路检测获得工频信号的起始点；以及(4)采取DFT方式进行付立叶变换，只计算感兴趣的谐波分量的幅值和相角。

优选地，本发明提供一种电力信号谐波分析方法，包括：(1)选择一相电压，利用高频率的计数时钟对工频信号进行计数，经过若干个周期，得到总共的计数值，再除以周期数量，得到工频信号的平均计数值；(2)确定采样周期的计数步长作为采样周期的时间间隔；(3)通过电路检测获得工频信号的正弦波的上升段的过零点作为工频信号的起始点；以及(4)采取DFT方式进行付立叶变换，只计算感兴趣的谐波分量的幅值和相角。

更优选地，本发明提供一种电力信号谐波分析方法，包括：(1)选择一相电压，利用高频率的计数时钟，在工频信号的过零点开始进行计数，经过若干个过零周期，得到总共的计数值，再除以周期数量，得到工频信号的平均计数值；(2)确定采样周期的计数步长作为采样周期的时间间隔；(3)通过电路检测获得工频信号的正弦波的上升段的过零点作为工频信号的起始点；以及(4)采取DFT方式进行付立叶变换，只计算感兴趣的谐波分量的幅值和相角。

其中，离散傅里叶变换(DiscreteFourierTransform，缩写为DFT)，是傅里叶变换在时域和频域上都呈离散的形式，将信号的时域采样变换为其DTFT的频域采样。在形式上，变换两端(时域和频域上)的序列是有限长的，而实际上这两组序列都应当被认为是离散周期信号的主值序列。即使对有限长的离散信号作DFT，也应当将其看作其周期延拓的变换。在实际应用中通常采用快速傅里叶变换计算DFT。

可选择地，从ADC输出的起始点开始进行计数，计数长度为2N个起始点，计数值为S，计数频率为fc，则所测试到的信号频率为fc·N/S。

优选地，从ADC输出的过零点开始进行计数，计数长度为2N个过零点，计数值为S，计数频率为fc，则所测试到的信号频率为fc·N/S。

其中，ADC，Analog-to-DigitalConverter的缩写，指模/数转换器或者模拟/数字转换器。是指将连续变量的模拟信号转换为离散的数字信号的器件。

优选地，在工频信号的过零点开始进行计数，经过若干个过零周期，得到总共的计数值。

可选择地，设定采样频率为工频的M倍，即每周期采样M点，则以fc为计数频率，确定采样步长为S/N/M。

可选择地，M值的范围为100～150。

可选择地，每周波采样M点，一共采样P个周波，得到共M＊P点实数序列。

可选择地，P值的范围为5～15。

优选地，M值为128，P值为8，对所得到的1024点序列，采取DFT方式进行付立叶变换，公式如下：

$X\left(k\right)=DFT\[x\left(n\right)\]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}nk}$

其中，频谱分辨率f₀/8，频谱的第8，16，...，8m个分量分别是基波，二次谐波，...，m次谐波；

对应幅值为

相角为m＝8，16，...，8i...，(i＝1，2，3...)。

其中，计算出的幅值和相角是基于基波的相对值。

本发明还提供一种电力信号谐波分析装置，包括：工频信号平均计数值获取装置，工频信号平均计数值获取装置选择一相电压，利用高频率的计数时钟对工频信号进行计数，经过若干个周期，得到总共的计数值，再除以周期数量，得到工频信号的平均计数值；采样周期时间间隔确定装置，采样周期时间间隔确定装置以采样周期的计数步长作为采样周期的时间间隔；工频信号起始点检测装置，工频信号起始点检测装置通过电路检测获得工频信号的起始点；以及计算分析装置，计算分析装置采取DFT方式进行付立叶变换，只计算感兴趣的谐波分量的幅值和相角。

优选地，提供一种电力信号谐波分析装置，包括：工频信号平均计数值获取装置，工频信号平均计数值获取装置选择一相电压，利用高频率的计数时钟对工频信号进行计数，经过若干个周期，得到总共的计数值，再除以周期数量，得到工频信号的平均计数值；采样周期时间间隔确定装置，采样周期时间间隔确定装置以采样周期的计数步长作为采样周期的时间间隔；工频信号起始点检测装置，工频信号起始点检测装置通过电路检测获得工频信号的正弦波的上升段的过零点作为工频信号的起始点；以及计算分析装置，计算分析装置采取DFT方式进行付立叶变换，只计算感兴趣的谐波分量的幅值和相角。

其中，工频信号平均计数值获取装置从ADC输出的过零点开始进行计数，计数长度为2N个过零点，计数值为S，计数频率为fc，则所测试到的信号频率为fc·N/S。

其中，采样周期时间间隔确定装置设定采样频率为工频的M倍，即每周期采样M点，则以fc为计数频率，确定采样步长为S/N/M。

其中，计算分析装置设定每周波采样M点，一共采样P个周波，得到共M＊P点实数序列。

本发明的有益效果是：(1)采用独特的采样同步方式；(2)采用DFT方式，只对感兴趣的谐波进行计算。因此，在保证准确计算工频信号频率的同时，有效降低了计算量。

具体实施方式

本发明公开一种电力信号谐波分析方法和装置，其特点是采用独特的采样同步方式，并采用DFT方式只对感兴趣的谐波进行计算。

谐波分析所使用的采样点，需要与电力信号同频同相，也就是同步采样信号，本发明首先进行频率测量，然后在周期起始点开始采样，即可满足上述要求。

要测量工频信号的周期，利用高频率的计数时钟，在工频信号的过零点开始进行计数，经过多个过零周期，例如100个、1000个周期，得到总共的计数值，再除以周期数量，得到一个工频信号的平均计数值，而计数时钟是比较准确的，这样就可计算得到比较准确的工频信号的频率。

在确定工频频率后，即可得到采样周期的计数步长，此为采样周期的时间间隔。

为了达到采样与工频信号同频同相，需要确定工频信号的起始点，以正弦波的上升段的过零点为起始点，该点是可以通过电路检测到的。

这样，在起始点和时间周期都确定的情况下，即可采集到需要的信号序列。

谐波分析只有部分谐波是有价值的，而付立叶变换分析可能会产生许多谐波的结果，例如以1024点FFT为例，该FFT变换能够同时分析出1024个谐波值，但仅仅其中几十个是有用的，例如51个，那么其余的谐波值就是多余的，而且计算量很大。

因此，我们希望通过DFT计算感兴趣的部分，以此来降低计算量。

下面是该算法的一个具体实施方案。

1.市电频率测量

选择一相电压来进行测量，从ADC输出的过零点开始进行计数，计数长度为2N个过零点，计数值为S，计数频率为fc，则所测试到的市电频率为fc·N/S。

2.采样频率的确定

假设采样频率为工频的128倍，即每周期采样128点，则以fc为计数频率，确定采样或是抽取数据的时钟的步长为S/N/128。

3.采样时钟相位的确定

为做到采样数据与市电同频同相，需要确定采样输出或是抽取数据的初始位置位于市电的过零点。

4.采样长度的确定

每周波采样128点，一共采样8个周波，得到共1024点实数序列。

5.谐波计算

对所得到的1024点序列，采取DFT方式进行付立叶变换，只计算感兴趣的谐波分量的幅值和相角。

$X\left(k\right)=DFT\[x\left(n\right)\]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}nk}$

这种方式的付立叶变换的频谱分辨率f₀/8，所以频谱的第8，16，...，8m个分量分别是基波，二次谐波，...，m次谐波。

对应幅值为

相角为m＝8，16，...，8i...，(i＝1，2，3...)。

本发明还提供一种电力信号谐波分析装置，其包括：工频信号平均计数值获取装置，工频信号平均计数值获取装置选择一相电压，利用高频率的计数时钟对工频信号进行计数，经过若干个周期，得到总共的计数值，再除以周期数量，得到工频信号的平均计数值，工频信号平均计数值获取装置从ADC输出的过零点开始进行计数，计数长度为2N个过零点，计数值为S，计数频率为fc，则所测试到的信号频率为fc·N/S；采样周期时间间隔确定装置，采样周期时间间隔确定装置以采样周期的计数步长作为采样周期的时间间隔，采样周期时间间隔确定装置设定采样频率为工频的M倍，即每周期采样M点，则以fc为计数频率，确定采样步长为S/N/M；工频信号起始点检测装置，工频信号起始点检测装置通过电路检测获得工频信号的正弦波的上升段的过零点作为工频信号的起始点；以及计算分析装置，计算分析装置采取DFT方式进行付立叶变换，只计算感兴趣的谐波分量的幅值和相角，计算分析装置设定每周波采样M点，一共采样P个周波，得到共M＊P点实数序列。

尽管在此已详细描述本发明的优选实施方式，但要理解的是本发明并不局限于这里详细描述和示出的具体结构，在不偏离本发明的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。

Claims (10)

1.一种电力信号谐波分析方法，其特征在于，所述方法包括：

(1)选择一相电压或电流，利用高频率的计数时钟对工频信号进行计数，经过若干个周期，得到总共的计数值，再除以周期数量，得到工频信号的平均计数值；

(2)确定采样周期的计数步长作为采样周期的时间间隔；

(3)采取DFT方式进行付立叶变换，只计算感兴趣的谐波分量的幅值；

(4)通过电路检测获得工频信号的起始点；以及

(5)基于步骤(4)获得的所述起始点，采取DFT方式进行付立叶变换，只计算感兴趣的谐波分量的相角。

2.如权利要求1所述的电力信号谐波分析方法，其特征在于，从ADC输出的起始点开始进行计数，计数长度为2N个起始点，计数值为S，计数频率为fc，则所测试到的信号频率为fc·N/S。

3.如权利要求2所述的电力信号谐波分析方法，其特征在于，设定采样频率为工频的M倍，即每周期采样M点，则以fc为计数频率，确定采样步长为S/N/M。

4.如权利要求3所述的电力信号谐波分析方法，其特征在于，每周波采样M点，一共采样P个周波，得到共M＊P点实数序列。

5.如权利要求4所述的电力信号谐波分析方法，其特征在于，M值为128，P值为8，对所得到的1024点序列，采取DFT方式进行付立叶变换，公式如下：

$X\left(k\right)=DFT\[x\left(n\right)\]=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}x\left(n\right)e^{-j\frac{2\mathrm{\π}}{N}nk}$

其中，频谱分辨率f0/8，频谱的第8，16，…，8m个分量分别是基波，二次谐波，…，m次谐波；

对应幅值为

相角为m＝8，16，…，8i…，(i＝1，2，3…)。

6.如权利要求5所述的电力信号谐波分析方法，其特征在于，计算出的幅值和相角是基于基波的相对值。

7.一种电力信号谐波分析装置，其特征在于，所述装置包括：

工频信号平均计数值获取装置，所述工频信号平均计数值获取装置选择一相电压，利用高频率的计数时钟对工频信号进行计数，经过若干个周期，得到总共的计数值，再除以周期数量，得到工频信号的平均计数值；

采样周期时间间隔确定装置，所述采样周期时间间隔确定装置以采样周期的计数步长作为采样周期的时间间隔；

工频信号起始点检测装置，所述工频信号起始点检测装置通过电路检测获得工频信号的起始点；以及

计算分析装置，所述计算分析装置采取DFT方式进行付立叶变换，只计算感兴趣的谐波分量的幅值，并基于所获得的工频信号的起始点只计算感兴趣的谐波分量的相角。

8.如权利要求7所述的电力信号谐波分析装置，其特征在于，所述工频信号平均计数值获取装置从ADC输出的起始点开始进行计数，计数长度为2N个起始点，计数值为S，计数频率为fc，则所测试到的信号频率为fc·N/S。

9.如权利要求8所述的电力信号谐波分析装置，其特征在于，所述采样周期时间间隔确定装置设定采样频率为工频的M倍，即每周期采样M点，则以fc为计数频率，确定采样步长为S/N/M。

10.如权利要求9所述的电力信号谐波分析装置，其特征在于，所述计算分析装置设定每周波采样M点，一共采样P个周波，得到共M＊P点实数序列。