CN110687350A - 一种电网电压电流谐波分析方法及其*** - Google Patents

一种电网电压电流谐波分析方法及其*** Download PDF

Info

Publication number
CN110687350A
CN110687350A CN201910862090.8A CN201910862090A CN110687350A CN 110687350 A CN110687350 A CN 110687350A CN 201910862090 A CN201910862090 A CN 201910862090A CN 110687350 A CN110687350 A CN 110687350A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sampling
virtual
frequency spectrum
virtual sampling
frequency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201910862090.8A
Other languages
English (en)
Inventor
秦云
杨梦琪
骆英
徐晨光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jiangsu University
Original Assignee
Jiangsu University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jiangsu University filed Critical Jiangsu University
Priority to CN201910862090.8A priority Critical patent/CN110687350A/zh
Publication of CN110687350A publication Critical patent/CN110687350A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Testing Of Short-Circuits, Discontinuities, Leakage, Or Incorrect Line Connections (AREA)

Abstract

一种电网电压电流谐波分析方法及其***，AD转换器对输入电压信号进行采样，二次虚拟采样单元以虚拟采样周期s对第一次采样数据进行二次采样，频谱分析单元利用FFT算法对数据进行分析得到电压信号的频谱，频谱泄漏估算单元扫描并累加频谱中工频信号及其谐波以外的所有谱线，即得到频谱总能量泄漏d，虚拟采样周期调节单元根据频谱泄漏对虚拟采样周期s进行调整；本发明利用简单的固定硬件电路，实现对工频信号频率漂移的自适应，进而保证分析结果的频谱泄漏最小。

Description

一种电网电压电流谐波分析方法及其***
技术领域
本发明属于电网信号检测与信号分析技术领域，尤其是一种电网电压电流谐波分析方法及其***。
背景技术
电网信号的谐波分析是电力***供电质量监测的重要内容，广泛应用于输变电、配电等各个环节。当前，电网信号在线谐波分析的基本方式是快速傅立叶变换(FFT)算法。该算法应用中有一个基本限制，输入数据的数量必须为2N。但电网频率并非恒定，当前我国电网标准中允许电网频率最大存在0.5Hz的误差。因此在一定采样周期条件下，采样数据对应的2N次采样的时间窗口可能并非输入信号周期的整数倍，特别是电网信号频率发生波动时，即便是精心调整后的采样***也会与输入信号失配。利用这样的采样数据进行FFT必定会产生一定的频谱泄漏，造成谐波分析误差。
为了减小频谱泄漏，提高分析精度，常见的解决方法包括：利用一定的采样窗函数替代简单的矩形窗函数。通常可选的窗函数有汉宁窗、海明窗、开赛窗等，针对不同的信号形式，合理选择窗函数的形式可在一定程度上改善频谱泄漏，提高分析精度，但并不能从根本上解决频谱泄漏的问题，性能改善的程度有限。
利用锁相环(PLL)的窄带跟踪能力获得与输入信号基波分量同频的基准信号，并做2N/m倍频后作为采样触发信号，保证2N次采样窗口的时间总是输入信号基波周期的m倍，以此获得最小的频谱泄漏。此方法可从根本上解决频谱泄漏的问题，但PLL结构较复杂，增加了***成本。当输入信号频率发生变化时PLL的跟踪速度较低，频谱分析的动态误差较大，同时由于PLL频率跟踪速度和范围的限制，当输入信号频率变化范围较大时将出现失锁，丧失自动跟踪能力。
发明内容
针对现有技术谐波分析过程中都存在缺点和局限性，本发明所提出的一种电网电压电流谐波分析方法及其***，通过对采样数据进行二次等效采样实现同步采样的谐波分析，利用简单的固定硬件电路，实现对工频信号频率漂移的自适应，进而保证分析结果的频谱泄漏最小。
本发明所采用的技术方案如下：
一种电网电压电流谐波分析方法，包括以下步骤：
S1，利用固定频率采样信号控制AD转换器对输入电压信号进行采样，第一次采样数据为D＝[D0,D1,…,Dn-1]；
S2，二次虚拟采样单元以虚拟采样周期s对第一次采样数据进行二次采样，虚拟采样后得到的数据为
Figure BDA0002200099410000021
S3，频谱分析单元利用FFT算法对数据
Figure BDA0002200099410000022
进行分析得到电压信号的频谱
P＝[P0,P1,…,Pm-1]；
S4，频谱泄漏估算单元扫描并累加频谱中工频信号及其谐波以外的所有谱线，即得到频谱总能量泄漏d；
S5，虚拟采样周期调节单元根据总能量泄漏对虚拟采样周期s进行调整；
S6，虚拟采样周期s调整后，重复步骤S1-S5，循环的终止条件为|sk|＜Δsth，其中，Δsth为预先设置的误差限值。
进一步，所述虚拟采样根据下式进行虚拟采样：
Figure BDA0002200099410000023
Figure BDA0002200099410000024
其中，
Figure BDA0002200099410000025
为第i个虚拟采样数据，i＝1,2,…,m-1，m为2的整数次幂；int(·)为取整函数，Dint(is)和Dint(is)+1分别为第一次采样数据中的数据，其序号分别为is的取整结果和取整加1。
进一步，计算频谱总能量泄漏d的方法为：
Figure BDA0002200099410000026
其中，Pj为第j条谱线幅值，k为正整数，工频基波信号应位于第l条谱线；
进一步，调整虚拟采样周期s的方法为：
Δsk＝sign[(dk-1-dk)×Δsk-1]×α×dk
sk＝sk-1+Δsk
其中，Δsk为虚拟采样周期的第k次调整量，sk为第k次调整后的虚拟采样周期，dk为第k次虚拟采样数据的频谱泄漏，α为调整系数，sign(·)为符号函数；
基于上述电网电压电流谐波分析方法，本发明还提出了一种电网电压电流谐波分析***，包括依次连接的AD转换器、一次采样数据缓冲区、二次虚拟采样单元、二次采样数据缓冲区和频谱分析单元，所述频谱分析单元通过依次连接的频谱泄露估算单元、虚拟采样周期调节单元连接二次虚拟采样单元，虚拟采样周期调节单元根据频谱泄露估算单元计算出的频谱泄漏，对虚拟采样周期s调整。
本发明的有益效果：
1、本发明所提出的一种电网电压电流谐波分析方法，通过引入二次虚拟采样，分析过程中不断自动修正虚拟采样频率，跟踪输入信号的频率偏移，从而实现信号的同步采样，获得频谱泄漏最小的频谱分析结果。
2、本发明不需要额外的信号基波频率检测或锁相环节，只需要采样率固定的简单AD转换硬件电路，***就可以自动选择最佳的二次采样率，以适应信号的频率漂移，即保证采样率为信号基波频率的整数倍，一个完整的采样窗口总是包含整数个信号基波和谐波周期，获得频谱泄露最小的频谱分析结果。
3、本发明的方法算法简单，易于实现，与传统基于锁相环的同步采样谐波分析和采用窗函数进行频谱修正的方法相比，采用该方法***结构简单，可以自动跟踪工频信号的频率漂移，具有更广泛的适用领域。
附图说明
图1为谐波分析方法流程框体；
图2为谐波分析***基本结构。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提出的一种电网电压电流谐波分析***，为了实现本发明分析方法的硬件***如图2所示，MCU作为数据处理核心，采用STM32F407，具体的，MCU片载12位AD转换器；利用MCU片载AD转换器对输入信号进行采样。AD转换器的输入信号为被测电网信号，AD转换器的输出连接一次采样数据缓冲区的输入；一次采样数据缓冲区的输出连接二次虚拟采样单元的输入；二次虚拟采样单元的输出连接二次采样数据缓冲区的输入；二次采样数据缓冲区的输出连接频谱分析单元的输入；频谱分析单元的输出连接频谱泄露估算单元的输入，频谱泄露估算单元的输出连接虚拟采样周期调节单元的输入；虚拟采样周期调节单元的输出连接二次虚拟采样单元的控制端，通过二次虚拟采样单元、二次采样数据缓冲区、频谱分析单元、频谱泄露估算单元和虚拟采样周期调节单元之间所形成的闭环，可以实现整个***根据频谱总能量泄漏对虚拟采样周期s进行调整，最终输出信号谐波分析结果。其中，一次采样数据缓冲区和二次采样数据缓冲区分别用于对AD转换器和二次虚拟采样单元采集的信号数据进行存储；在谐波分析***初始化过程对所需ADC、定时器、内存等硬件外设进行设置，ADC1采样率设置为约3.2kHz，采样窗口时间为50ms。
如图1，一种电网电压电流谐波分析方法，具体过程如下：
S1，利用固定频率采样信号控制AD转换器对输入电压信号进行采样，在保证采样率满足采样定理基本要求的条件下完成160次采样，并使采样窗口时间大于信号基频周期2倍，第一次采样数据为D＝[D0,D1,…,D159]。
S2，完成采样160次后，初始虚拟采样周期s设置为1，二次虚拟采样单元以虚拟采样周期s对第一次采样数据进行二次采样，根据下式进行二次采样：
Figure BDA0002200099410000041
二次虚拟采样后得到128个二次采样数据并存入二次采样数据缓冲区，其中，128为2的整数次幂,int(·)为取整函数，Dint(is)和Dint(is)+1分别为为第一次采样数据中的数据，其序号分别为is的取整结果和取整加1。
S3，将二次采样数据代入频谱分析单元，频谱分析单元利用FFT算法对数据进行分析得到电压信号的频谱P＝[P0,P1,…,P127]；
S4，频谱泄漏估算单元扫描并累加频谱中工频信号及其谐波以外的所有谱线，即得到频谱总能量泄漏d；
根据设定条件，工频基波信号应位于第l条谱线，频谱中所有k×l谱线即工频信号及其谐波分量，k为正整数，令l>1。频谱泄漏估算单元扫描并累加频谱中工频信号及其谐波以外的所有谱线即得到频谱总能量泄漏：在本实施例中，工频基波分量将处于第2条谱线，则第0条谱线以外所有偶数谱线即工频信号及其谐波分量。计算总能量泄露，具体如下：
Figure BDA0002200099410000044
其中，初始频谱泄露设置为0；
S5，虚拟采样周期调节单元根据总能量泄漏对虚拟采样周期s进行调整，调整虚拟采样周期s的方法为：
Figure BDA0002200099410000051
其中，Δsk为虚拟采样周期的第k次调整量，sk为第k次调整后的虚拟采样周期，dk为第k次虚拟采样数据的频谱泄漏，α为调整系数，sign(·)为符号函数；
S6，虚拟采样周期s调整后，重复步骤S1-S5，循环的终止条件为|sk|＜Δsth，其中，Δsth为预先设置的误差限值。
本发明所提出的电网电压电流谐波分析方法不需要额外的信号基波频率检测或锁相环节，只需要采样率固定的简单AD转换硬件电路，***就可以自动选择最佳的二次采样率，以适应信号的频率漂移，即保证采样率为信号基波频率的整数倍，一个完整的采样窗口总是包含整数个信号基波和谐波周期，获得频谱泄露最小的频谱分析结果。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电网电压电流谐波分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，利用固定频率采样信号控制AD转换器对输入电压信号进行采样，第一次采样数据为D＝[D0,D1,…,Dn-1]；
S2，通过二次虚拟采样单元以虚拟采样周期s对第一次采样数据进行二次采样，虚拟采样后得到的数据为
Figure FDA0002200099400000011
S3，频谱分析单元利用FFT算法对数据
Figure FDA0002200099400000012
进行分析得到电压信号的频谱P＝[P0,P1,…,Pm-1]；
S4，频谱泄漏估算单元扫描并累加频谱中工频信号及其谐波以外的所有谱线，即得到频谱总能量泄漏d；
S5，虚拟采样周期调节单元根据总能量泄漏对虚拟采样周期s进行调整；
S6，虚拟采样周期s调整后，重复步骤S1-S5，循环的终止条件为|sk|＜Δsth，其中，Δsth为预先设置的误差限值。
2.根据权利要求1所述的一种电网电压电流谐波分析方法，其特征在于，所述虚拟采样根据下式进行虚拟采样：
Figure FDA0002200099400000013
其中，
Figure FDA0002200099400000015
为第i个虚拟采样数据，i＝1,2,…,m-1，m为2的整数次幂；int(·)为取整函数，Dint(is)和Dint(is)+1分别为为第一次采样数据中的数据，其序号分别为is的取整结果和取整加1。
3.根据权利要求1所述的一种电网电压电流谐波分析方法，其特征在于，计算频谱总能量泄漏d的方法为：
Figure FDA0002200099400000016
其中，Pj为第j条谱线幅值，k为正整数，工频基波信号应位于第l条谱线。
4.根据权利要求1所述的一种电网电压电流谐波分析方法，其特征在于，调整虚拟采样周期s的方法为：
Δsk＝sign[(dk-1-dk)×Δsk-1]×α×dk
sk＝sk-1+Δsk
其中，Δsk为虚拟采样周期的第k次调整量，sk为第k次调整后的虚拟采样周期，dk为第k次虚拟采样数据的频谱泄漏，α为调整系数，sign(·)为符号函数。
5.一种电网电压电流谐波分析***，其特征在于，包括依次连接的AD转换器、一次采样数据缓冲区、二次虚拟采样单元、二次采样数据缓冲区和频谱分析单元，所述频谱分析单元通过依次连接的频谱泄露估算单元、虚拟采样周期调节单元连接二次虚拟采样单元，虚拟采样周期调节单元根据频谱泄露估算单元计算出的频谱泄漏，对虚拟采样周期s调整。
CN201910862090.8A 2019-09-12 2019-09-12 一种电网电压电流谐波分析方法及其*** Pending CN110687350A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910862090.8A CN110687350A (zh) 2019-09-12 2019-09-12 一种电网电压电流谐波分析方法及其***

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910862090.8A CN110687350A (zh) 2019-09-12 2019-09-12 一种电网电压电流谐波分析方法及其***

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110687350A true CN110687350A (zh) 2020-01-14

Family

ID=69109168

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910862090.8A Pending CN110687350A (zh) 2019-09-12 2019-09-12 一种电网电压电流谐波分析方法及其***

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110687350A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109725200A (zh) * 2019-01-25 2019-05-07 江苏大学 一种自适应谐波分析***及其分析方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103995181A (zh) * 2014-05-13 2014-08-20 武汉中元华电科技股份有限公司 一种数字化变电站电能质量谐波分析方法
CN105137180A (zh) * 2015-08-24 2015-12-09 三峡大学 基于六项余弦窗四谱线插值的高精度谐波分析方法
CN105334388A (zh) * 2015-11-23 2016-02-17 深圳市海亿达能源科技股份有限公司 一种处理信号的方法及装置
CN106771711A (zh) * 2016-11-23 2017-05-31 南京瑞贻电子科技有限公司 一种基于改进的谐波提取技术的智能录波分析仪及其方法
CN106932642A (zh) * 2017-03-13 2017-07-07 威胜集团有限公司 电力谐波分析方法
CN109342816A (zh) * 2018-12-04 2019-02-15 长园深瑞继保自动化有限公司 电能质量监测中频谱泄露的检测方法
CN109725200A (zh) * 2019-01-25 2019-05-07 江苏大学 一种自适应谐波分析***及其分析方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103995181A (zh) * 2014-05-13 2014-08-20 武汉中元华电科技股份有限公司 一种数字化变电站电能质量谐波分析方法
CN105137180A (zh) * 2015-08-24 2015-12-09 三峡大学 基于六项余弦窗四谱线插值的高精度谐波分析方法
CN105334388A (zh) * 2015-11-23 2016-02-17 深圳市海亿达能源科技股份有限公司 一种处理信号的方法及装置
CN106771711A (zh) * 2016-11-23 2017-05-31 南京瑞贻电子科技有限公司 一种基于改进的谐波提取技术的智能录波分析仪及其方法
CN106932642A (zh) * 2017-03-13 2017-07-07 威胜集团有限公司 电力谐波分析方法
CN109342816A (zh) * 2018-12-04 2019-02-15 长园深瑞继保自动化有限公司 电能质量监测中频谱泄露的检测方法
CN109725200A (zh) * 2019-01-25 2019-05-07 江苏大学 一种自适应谐波分析***及其分析方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TOMAS RADILL,ET.: "Frequency Estimation of Power System Signals Using a New Spectrum Leakage Correction Algorithm", 《IEEE INTERNATIONAL INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT TECHNOLOGY CONFERENCE》 *
倪陈强: "基于虚拟仪器的正弦信号失真度分析仪", 《微计算机信息》 *
唐求等: "电力***谐波及其检测方法研究", 《电子测量与仪器学报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109725200A (zh) * 2019-01-25 2019-05-07 江苏大学 一种自适应谐波分析***及其分析方法
CN109725200B (zh) * 2019-01-25 2021-02-12 江苏大学 一种自适应谐波分析***及其分析方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Schwarzenberg-Czerny Fast and statistically optimal period search in uneven sampled observations
CN109725200B (zh) 一种自适应谐波分析***及其分析方法
CN105224811B (zh) 一种基于反馈迭代式频率跟踪的pmu动态数据处理方法
CN105137185A (zh) 一种基于离散傅里叶变换的频域插值电力谐波分析方法
CN110837003B (zh) 一种基于三角窗的双窗全相位dft同步相量测量方法及***
CN104821826A (zh) 一种宽带矢量信号的自动校正方法及***
CN111896802B (zh) 一种频率自适应的采样方法
CN108896944B (zh) 一种同步测量装置实验室校准仪及其同步相量测量方法
CN102253282A (zh) 纳托尔窗函数连续频谱内插电力谐波参数获取方法
CN110768666B (zh) 基于卡尔曼滤波器的双同步坐标系解耦的锁相环***及方法
CN110687350A (zh) 一种电网电压电流谐波分析方法及其***
CN204945273U (zh) 一种自适应电网频率的电能质量数据采集装置
CN101308175A (zh) 相位谱分析仪
CN112255457B (zh) 适用于自动准同期装置的相角差测量方法
CN103427421B (zh) 基于谐波电压选择补偿的有源滤波器控制方法
CN109100672B (zh) 适用于非侵入式负荷监测的电压电流采样模块的调校方法
CN105137241A (zh) 一种自适应电网频率的电能质量数据采集方法与装置
Jiao et al. An approach for electrical harmonic analysis based on interpolation DFT
CN217181205U (zh) 一种宽带dbf侦察通道校准***
CN113358928B (zh) 一种基于频率测量的差分dft幅值修正算法
CN115378025A (zh) 一种无锁相环的风电变流器并网控制方法、设备及介质
CN104300994A (zh) 低中频接收机的i/q失配补偿电路
CN113541209A (zh) 一种基于三相储能逆变器闭环***的频率自适应锁相方法
CN111896803A (zh) 一种电力***频率检测方法、计算机可读存储介质及装置
CN108508255B (zh) 基于固定采样率的工频交流信号测量方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200114

RJ01 Rejection of invention patent application after publication