CN105259472A - 电能质量监测装置的谐波源定位方法和电能质量监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电能质量监测装置的谐波源定位方法和电能质量监测装置，所述方法包括步骤：采集电网中的实时信号；根据预设算法对所述实时信号进行谐波分析；根据谐波分析的数据以及网络的拓扑结构确定第一量测节点；根据第一量测节点稀疏表示各节点的谐波注入电流；根据各节点的谐波注入电流确定第二量测节点；根据第二量测节点稀疏表示各节点的谐波注入电流，得到各谐波源所在的节点。本发明在电能质量监测装置中运用基于改进稀疏表示法的谐波源定位算法，从而实现多谐波源的精准定位，为供电公司划分各谐波源谐波责任和采用经济手段惩罚谐波问题提供的充分的理论基础以及数据支持。

Description

电能质量监测装置的谐波源定位方法和电能质量监测装置

技术领域

本发明涉及电力***技术领域，特别是涉及一种电能质量监测装置的谐波源定位方法、用于谐波源定位的电能质量监测装置。

背景技术

随着大量电力电子装置等非线性元件的应用，电力***中的谐波污染问题日益严重。谐波会导致供电电压的波形畸变，并存在发生谐振的危险，致使电网出现大范围、大幅度的过电压和过电流问题。因此有效控制电网中的谐波水平是亟待解决的问题，而准确合理地定位谐波源是有效治理谐波的重要前提。

目前，诸多电力企业相继建设了电能质量监测装置。现有的电能质量监测装置可实时、定时监测现场设备的各电参量及开关量状态，包括三相电压、电流、功率、功率因数、频率、谐波、不平衡度、电流K系数、电流波形因子、电压波峰系数、电能、温度、开关位置、设备运行状态等，由此可得出各关键节点电能质量的变化情况。但在实施中，还存在以下不足之处：

在含有多个谐波源的配电网中，公共耦合点(PCC)处的谐波畸变电压往往是由多个谐波源共同作用产生的。目前电能质量监测装置仅能得到电能质量的监测数据，只是进行电能质量分析。在含有多个谐波源的配电***中，当发生由谐波引起的电能质量问题时，电能质量监测装置无法准确识别“问题”谐波源。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种电能质量监测装置的谐波源定位方法和电能质量监测装置，能够使电能质量监测装置准确定位多谐波源。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电能质量监测装置的谐波源定位方法，包括步骤：

采集电网中的实时信号；

根据预设算法对所述实时信号进行谐波分析；

根据谐波分析的数据以及网络的拓扑结构确定第一量测节点；

根据第一量测节点稀疏表示各节点的谐波注入电流；

根据各节点的谐波注入电流确定第二量测节点；

根据第二量测节点稀疏表示各节点的谐波注入电流，得到各谐波源所在的节点。

一种用于谐波源定位的电能质量监测装置，包括：

信号采集模块，用于采集电网中的实时信号；

谐波分析模块，用于根据预设算法对所述实时信号进行谐波分析；

第一量测节点确定模块，用于根据谐波分析的数据以及网络的拓扑结构确定第一量测节点；

谐波注入电流确定模块，用于根据第一量测节点稀疏表示各节点的谐波注入电流；

第一量测节点确定模块，用于根据各节点的谐波注入电流确定第二量测节点；

各谐波源定位模块，用于根据第二量测节点稀疏表示各节点的谐波注入电流，得到各谐波源所在的节点。

本发明电能质量监测装置的谐波源定位方法和电能质量监测装置，为了排除非谐波源干扰电流的影响，采用2次稀疏表示法来对多谐波源进行定位：通过初次的稀疏表示法得到谐波源电流估计结果，缩小谐波源的嫌疑区域；然后根据初次的谐波源电流估计结果进行量测节点的相应调整，进行二次稀疏表示，从而根据第二次稀疏表示的各个节点的谐波电流大小得到多谐波源的准确位置。本发明在电能质量监测装置中运用基于改进稀疏表示法的谐波源定位算法，从而实现多谐波源的精准定位，为供电公司划分各谐波源谐波责任和采用经济手段惩罚谐波问题提供的充分的理论基础以及数据支持。

附图说明

图1为本发明电能质量监测装置的谐波源定位方法实施例的流程示意图；

图2为本发明用于谐波源定位的电能质量监测装置实施例的结构示意图；

图3为本发明信号采集模块实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明要解决的技术问题、采取的技术方案以及达到的技术效果，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细描述。

如图1所示，一种电能质量监测装置的谐波源定位方法，包括步骤：

S110、采集电网中的实时信号；

S120、根据预设算法对所述实时信号进行谐波分析；

S130、根据谐波分析的数据以及网络的拓扑结构确定第一量测节点；

S140、根据第一量测节点稀疏表示各节点的谐波注入电流；

S150、根据各节点的谐波注入电流确定第二量测节点；

S160、根据第二量测节点稀疏表示各节点的谐波注入电流，得到各谐波源所在的节点。

为了为电能质量监测装置的多谐波源的定位提供准确的数据来源，本发明可以对一个变电站下的所有监测回路进行同时监测，确保各个通道的采集时钟同步性。所以，在一个实施例中，步骤S110可以包括：

S1101、通过电压和电流传感器将采集的电压电流转换成电压信号；

S1102、将电压信号通过增益可编程仪用放大器进行放大；

S1103、将放大后的电压信号通过锁相环同步采样电路进行同步采样；

S1104、将同步采样后的电压信号通过抗混叠滤波器进行滤波；

S1105、将滤波后的电压信号通过多通道A/D转换电路进行模数转换；

S1106、将模数转换后的电压信号通过DSP芯片进行实时数据采集。

通过电压和电流传感器将采集的电压电流转换成电压信号，转换后的电压信号幅值较小，峰值约为40mV(毫伏)，不便于测量，因此需要通过增益可编程仪用放大器对电压信号进行放大。目前市场上大部分仪用放大器的共模抑制比在200Hz(赫兹)处就开始衰减，不能满足本发明监测装置的设计要求，所以，本发明采用增益可编程仪用放大器，例如增益可编程高性能仪用放大器AD8221等。可编程仪用放大器可以提供工业上较高的共模抑制比。例如，当增益为1时，AD8221能够在各级保持最小80dB(分贝)的共模抑制比，直至频率达到10kHz(千赫兹)，因而它能很好的抑制宽带干扰和线性失真。

在电网谐波测量中，由于电网频率的变化，若采样频率固定，则会造成非整周期采样，从而引起频谱泄漏，带来测量的附加误差。因此，进行同步采样是准确测量实时信号的关键。同步采样就是将信号的一个周期或多个周期进行均匀离散，在每一离散点处取其信号的瞬时值。在电力***测量中，除了要知道每路信号值大小外，还要知道每路信号之间的相位关系，这就要求采用同步采样技术来获得准确的信息。

本发明采用锁相环同步采样电路进行同步采样，锁相环同步采样电路可以采用现有技术中已有的电路实现。在一个实施例中，所述锁相环同步采样电路可以包括集成锁相环芯片和计数器。集成锁相环芯片可以选用广泛应用的通用性集成锁相环芯片CD4046等，计数器可以采用12级二进制计数器(分频器)CD4040。

为防止混叠现象，同步采样后的电压信号需经过抗混叠滤波器，将高次谐波滤除，以保证50次以内的谐波不受影响，确保测量精度。在一个实施例中，所述抗混叠滤波器可以为有源滤波芯片，例如通用型有源滤波芯片MAX275等。MAX275内含两个独立的二阶有源滤波电路，可分别同时进行低通和带通滤波。

多通道A/D转换电路可以采用现有技术中的模数转换电路，例如AD7665等。多通道A/D转换电路需保证多通道的信号同时高速高精度连续采样。由于采集通道可以多达75个，因此，连续采样速率及如何实现多通道的时钟同步问题尤为关键，否则将无法进行精准地定位分析。另外，电能质量的多个分析指标如闪变源、谐波源定位等均要求所有监测回路的时钟信号同步。在一个实施例中，为了保证多通道监测下的数据采集时钟同步，所述多通道A/D转换电路的主从卡级联。

采用主从卡级联时，主卡一般使用内时钟源模式，而从卡使用外时钟源模式。待主卡、从卡按相应的时钟源模式被初始化完成后，先启动所有从卡，由于主卡还没有被启动没有输出时钟信号，所以从卡进入等待状态，直到主卡被启动的同时所有的从卡被启动，即实现了多卡同步启动的功能。当需要的采样通道数大于一个卡的通道数时，使用多卡级联的方式扩展通道数量。

DSP芯片采用现有技术中已有的芯片实现，例如TMS320VC5509ADSP等。DSP芯片除了输入多通道A/D转换电路输出的信号外，还输入经光电隔离后的GPS的分脉冲信号和触发录波的开关量，对输入的数字信号进行电能质量分析(包括频率、频谱、三相不平衡度、电压偏差、闪变、电压变动)及相关数据处理(开关量触发录波和精确对时)，然后将测试结果通过PCI(外设部件互连标准)总线送工控机。另外，在电能质量超标时，DSP芯片输出超标开关量。

在实时信号频谱分析中，一般采用传统的FFT算法，但是在需要计算不同时刻的全部或部分频谱时，FFT算法计算量太大，无法实现多通道监测在一个采集时间间隔内完成频谱分析。所以，在一个实施例中，所述预设算法可以为滑动DFT算法，所述滑动DFT算法包括逐点滑动DFT算法和多点滑动DFT算法；

若连续采集实时信号，根据逐点滑动DFT算法对所述实时信号进行谐波分析；

若断续采集实时信号，根据多点滑动DFT算法对所述实时信号进行谐波分析。

逐点滑动DFT算法和多点滑动DFT算法均可以采用现有技术中已有的算法。滑动DFT算法可以大大降低计算量，特别是可以只针对某些需要的谱线进行计算，提高了频谱分析的灵活性与高效性。

进行频谱分析后，本发明采用二次稀疏表示法对多谐波源进行准确定位。为了更好的理解二次稀疏表示法，下面进行详细说明。

基于稀疏表示法的量测配置算法，就是在确定嫌疑区域同时出现谐波源的数量s的情况下，寻找量测节点集合中满足条件s＝||I’||0<s_spark(W11)/2尽可能小的子集，实现***的完全可观测。得出s_spark的边界条件可简化量测配置问题，即

$s_{spark}\left(W_{11}\right)>\frac{1}{\mathrm{\&mu;}\left(W_{11}\right)}---\left(1\right)$

式(1)表明，配置过程中如能使μ(W₁₁)的值尽可能小，s_spark(W₁₁)的值就会尽可能大，进而极大限度地保证***可观性。量测配置步骤如下：

11)确定同时出现谐波源的最大数量s和量测配置的数量M，形成各次谐波的导纳矩阵；

12)根据网络的拓扑结构和导纳矩阵，确定待选的量测矩阵W11。将W11中的各列向量归一化，并计算出s_spark(W₁₁)和μ(W₁₁)；

13)在待选的量测矩阵中，逐一去掉一个量测节点。如果某量测节点的删除使得s_spark(W₁₁)的增幅最大且μ(W₁₁)的增幅最小，则将该节点排除在量测节点的范围外；

14)重复步骤12)—13)，直到量测配置减少到预先设置的数量；

15)对于所考虑的各次谐波，重复步骤11)—14)。

在稀疏表示法中，不同量测节点的配置会影响定位结果的精确性。若单纯地根据网络的拓扑结构和导纳矩阵来选择量测节点，则忽视了嫌疑区域中其他非谐波源节点存在干扰噪声的实际情况。而干扰噪声的存在，极易导致***不能完全可观，进而使得不能准确定位出谐波源。所以量测节点的选择不仅要根据网络的拓扑结构来尽量满足稀疏表示的唯一性和等价性，而且要根据初次估计的电流结果来尽量使其安装在极有可能为谐波源的节点上。量测配置优化步骤如下：

21)根据上述量测配置算法得到量测节点数量从1增加到p时对应的s_spark(W11)数值区间集合Z_spark；

22)得到Z_spark中大于2s时所需的最小量测节点数量m_s，比较m_s与M的大小。若m_s小于M，则在M个量测节点上，***完全可观，直接采用上述的量测配置算法；若m_s大于M，则在M个量测节点上，***不能达到完全可观，将做以下优化：

23)比较Z_spark中大于1时所需的最小量测节点数量m_s-1与M的大小。以此类推，直至Z_spark中大于2(s-n)时所需的最小量测节点数量m_s-n在M以内，得到m_s-n对应的量测节点集合Ω₀；

24)在s个谐波源下，至少需要ms-n+s个量测节点，即M>m_s-n+s。先用量测节点集合Ω₀来稀疏表示整个***节点的谐波注入电I’_M-z，并得出电流数值排名前s的节点集合Ω₁。然后将Ω₀及Ω₁组成M个量测节点，来稀疏表示整个***节点的谐波注入电流I’_M；

25)得出谐波注入电流数值排名前s的节点集合Ω₂，节点集合Ω₂即s个谐波源所在的节点。

基于同一发明构思，本发明还提供一种用于谐波源定位的电能质量监测装置，下面结合附图对本发明装置的具体实施方式做详细描述。

如图2所示，一种用于谐波源定位的电能质量监测装置，包括：

信号采集模块110，用于采集电网中的实时信号；

谐波分析模块120，用于根据预设算法对所述实时信号进行谐波分析；

第一量测节点确定模块130，用于根据谐波分析的数据以及网络的拓扑结构确定第一量测节点；

谐波注入电流确定模块140，用于根据第一量测节点稀疏表示各节点的谐波注入电流；

第一量测节点确定模块150，用于根据各节点的谐波注入电流确定第二量测节点；

各谐波源定位模块160，用于根据第二量测节点稀疏表示各节点的谐波注入电流，得到各谐波源所在的节点。

为了为电能质量监测装置的多谐波源的定位提供准确的数据来源，本发明可以对一个变电站下的所有监测回路进行同时监测，确保各个通道的采集时钟同步性。所以，在一个实施例中，如图3所示，所述信号采集模块110可以包括：

电压信号转换单元1101，用于通过电压和电流传感器将采集的电压电流转换成电压信号；

信号放大单元1102，用于将电压信号通过增益可编程仪用放大器进行放大；

同步采样单元1103，用于将放大后的电压信号通过锁相环同步采样电路进行同步采样；

滤波单元1104，用于将同步采样后的电压信号通过抗混叠滤波器进行滤波；

模数转换单元1105，用于将滤波后的电压信号通过多通道A/D转换电路进行模数转换；

数据采集单元1106，用于将模数转换后的电压信号通过DSP芯片进行实时数据采集。

增益可编程高性能仪用放大器AD8221等，可编程仪用放大器可以提供工业上较高的共模抑制比。锁相环同步采样电路可以采用现有技术中已有的电路实现。在一个实施例中，所述锁相环同步采样电路可以包括集成锁相环芯片和计数器。集成锁相环芯片可以选用广泛应用的通用性集成锁相环芯片CD4046等，计数器可以采用12级二进制计数器(分频器)CD4040。所述抗混叠滤波器可以为有源滤波芯片，例如通用型有源滤波芯片MAX275等。多通道A/D转换电路可以采用现有技术中的模数转换电路，例如AD7665等。在一个实施例中，为了保证多通道监测下的数据采集时钟同步，所述多通道A/D转换电路的主从卡级联。DSP芯片采用现有技术中已有的芯片实现，例如TMS320VC5509ADSP等。

在实时信号频谱分析中，一般采用传统的FFT算法，但是在需要计算不同时刻的全部或部分频谱时，FFT算法计算量太大，无法实现多通道监测在一个采集时间间隔内完成频谱分析。所以，在一个实施例中，所述预设算法可以为滑动DFT算法，所述滑动DFT算法包括逐点滑动DFT算法和多点滑动DFT算法；谐波分析模块120在实时信号为连续采集时，根据逐点滑动DFT算法对所述实时信号进行谐波分析；在实时信号为断续采集时，根据多点滑动DFT算法对所述实时信号进行谐波分析。

逐点滑动DFT算法和多点滑动DFT算法均可以采用现有技术中已有的算法。滑动DFT算法可以大大降低计算量，特别是可以只针对某些需要的谱线进行计算，提高了频谱分析的灵活性与高效性。

本发明用于谐波源定位的电能质量监测装置其它技术特征与上述方法相同，在此不予赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电能质量监测装置的谐波源定位方法，其特征在于，包括步骤：

采集电网中的实时信号；

根据预设算法对所述实时信号进行谐波分析；

根据谐波分析的数据以及网络的拓扑结构确定第一量测节点；

根据第一量测节点稀疏表示各节点的谐波注入电流；

根据各节点的谐波注入电流确定第二量测节点；

根据第二量测节点稀疏表示各节点的谐波注入电流，得到各谐波源所在的节点。

2.根据权利要求1所述的电能质量监测装置的谐波源定位方法，其特征在于，采集电网中的实时信号的步骤包括：

通过电压和电流传感器将采集的电压电流转换成电压信号；

将电压信号通过增益可编程仪用放大器进行放大；

将放大后的电压信号通过锁相环同步采样电路进行同步采样；

将同步采样后的电压信号通过抗混叠滤波器进行滤波；

将滤波后的电压信号通过多通道A/D转换电路进行模数转换；

将模数转换后的电压信号通过DSP芯片进行实时数据采集。

3.根据权利要求2所述的电能质量监测装置的谐波源定位方法，其特征在于，所述锁相环同步采样电路包括集成锁相环芯片和计数器。

4.根据权利要求2或3所述的电能质量监测装置的谐波源定位方法，其特征在于，所述多通道A/D转换电路的主从卡级联。

5.根据权利要求1所述的电能质量监测装置的谐波源定位方法，其特征在于，所述预设算法为滑动DFT算法，所述滑动DFT算法包括逐点滑动DFT算法和多点滑动DFT算法；

若连续采集实时信号，根据逐点滑动DFT算法对所述实时信号进行谐波分析；

若断续采集实时信号，根据多点滑动DFT算法对所述实时信号进行谐波分析。

6.一种用于谐波源定位的电能质量监测装置，其特征在于，包括：

信号采集模块，用于采集电网中的实时信号；

谐波分析模块，用于根据预设算法对所述实时信号进行谐波分析；

第一量测节点确定模块，用于根据谐波分析的数据以及网络的拓扑结构确定第一量测节点；

谐波注入电流确定模块，用于根据第一量测节点稀疏表示各节点的谐波注入电流；

第一量测节点确定模块，用于根据各节点的谐波注入电流确定第二量测节点；

各谐波源定位模块，用于根据第二量测节点稀疏表示各节点的谐波注入电流，得到各谐波源所在的节点。

7.根据权利要求6所述的用于谐波源定位的电能质量监测装置，其特征在于，所述信号采集模块包括：

电压信号转换单元，用于通过电压和电流传感器将采集的电压电流转换成电压信号；

信号放大单元，用于将电压信号通过增益可编程仪用放大器进行放大；

同步采样单元，用于将放大后的电压信号通过锁相环同步采样电路进行同步采样；

滤波单元，用于将同步采样后的电压信号通过抗混叠滤波器进行滤波；

模数转换单元，用于将滤波后的电压信号通过多通道A/D转换电路进行模数转换；

数据采集单元，用于将模数转换后的电压信号通过DSP芯片进行实时数据采集。

8.根据权利要求7所述的用于谐波源定位的电能质量监测装置，其特征在于，所述锁相环同步采样电路包括集成锁相环芯片和计数器。

9.根据权利要求7或8所述的用于谐波源定位的电能质量监测装置，其特征在于，所述多通道A/D转换电路的主从卡级联。

10.根据权利要求6所述的用于谐波源定位的电能质量监测装置，其特征在于，所述预设算法为滑动DFT算法，所述滑动DFT算法包括逐点滑动DFT算法和多点滑动DFT算法；

谐波分析模块在实时信号为连续采集时，根据逐点滑动DFT算法对所述实时信号进行谐波分析；在实时信号为断续采集时，根据多点滑动DFT算法对所述实时信号进行谐波分析。