CN113608023A - 采样频率自适应的谐波检测方法及*** - Google Patents

采样频率自适应的谐波检测方法及*** Download PDF

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张帝
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Abstract

本发明涉及智能电网技术领域，公开一种采样频率自适应的谐波检测方法及***，以匹配IEC规定并提升整体的自适应性。本发明方法包括：利用DSP的AD转换器，采集电压和电流信号，根据IEC谐波检测标准，分别缓存10周期数据；针对缓存的数据点数N0，依据2m或2m的整数倍，确定要重采样的目标点数N；根据N0和N的关系，确定相应的重采样算法将N0点数据重采至N点；将重采样后的N个数据进行FFT运算，利用DSP的FFT函数快速求得，得到频率间隔为5Hz的各频率分量的实部和虚部结果，并求得各频率分量的幅值信息；根据IEC标准中的子组算法计算各次谐波含量，50Hz的整数倍谐波检测的相位作为该次谐波的相位。

Description

采样频率自适应的谐波检测方法及***
技术领域
本发明涉及智能电网技术领域，尤其涉及一种采样频率自适应的谐波检测方法及***。
背景技术
电能质量领域包括电能质量治理和电能质量监测，对于电能质量治理装置而言，具备电能质量监测功能也必不可少。由于台区中存在开关器件和相关的设备，比如公变台区有电视机、空调等设备，专变台区有电弧炉等，因此线路中避免不了存在谐波电流。对于电能质量监测装置而言，设备主要具备监测功能，可以使用高速采样频率和高采样位数，保证检测精度。对于电能质量治理装置而言，在产品设计时主要以电能质量的治理功能为主，一些采样频率或者控制频率要考虑到治理功能。但是电能质量监测功能同样重要，在电能质量监测的参数中，谐波由于其频率高、变化复杂以及检测运算复杂度高等因素，成为比较难实现的检测参数。
现有的行业内电能质量治理设备对于谐波检测的方法以SDFT和SOGI等算法为主，存在与IEC规定的方法不兼容的技术问题。
发明内容
本发明目的在于公开一种采样频率自适应的谐波检测方法及***，以匹配IEC规定并提升整体的自适应性。
为达上述目的，本发明公开一种采样频率自适应的谐波检测方法，包括以下步骤：
步骤1：利用DSP的AD转换器，采集电压和电流信号，并缓存至数组里，根据IEC谐波检测标准，分别缓存10周期数据；
步骤2：针对缓存的数据点数N0，依据2m或2m的整数倍，确定要重采样的目标点数N；
步骤3：根据N0和N的关系，确定相应的重采样算法将N0点数据重采至N点；
步骤4：将重采样后的N个数据进行FFT运算，利用DSP的FFT函数快速求得，得到频率间隔为5Hz的各频率分量的实部和虚部结果，并求得各频率分量的幅值信息；
步骤5：根据IEC标准中的子组算法计算各次谐波含量，50Hz的整数倍谐波检测的相位作为该次谐波的相位。
优选地，当N0小于N时，所述步骤4具体包括：通过均匀抽点的方式，做至少两个低点数的FFT，再根据所需检测的频率，提取对应频率的低点数FFT计算结果，根据抽取的顺序依次乘以对应的系数，再将这几个乘系数后的结果相加得到等效为高点数FFT得到的该频率的结果。
优选地，当重采样点数不为2m时，对缓存数据进行分包处理，使得每一小包数据量为2m，然后对每一小包进行低点数FFT计算。
可选地，所述步骤1具体包括：对电压电流信号每个周期采样102.4个点，使得每10个周期采样1024个点。进一步地，所述步骤1以等间隔对缓存数据时进行缓存。
为达上述目的，本发明还公开一种采样频率自适应的谐波检测***，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
本发明具有以下有益效果：
能结合内存使用量以及谐波检测需求的矛盾因素，对于一些谐波检测次数不是很高的工况下，缓存数据时可以隔几个点进行缓存，这样既能满足检测需求，又能提高内存效率。
考虑到采样频率不确定性，因此N选择最接近于N0的2m的整数倍，而N与N0之间的关系不确定，因此重采样功能包含升点数重采样和降点数重采样。
为保证FFT运算速度、FFT的运算精度以及内存使用量的平衡，或在重采样点数不为2m时，可以对缓存数据进行分包处理，每一小包数据量为2m，因此每一小包进行FFT运算，对运算后的数据进行处理，可以得到高点数重采样数据的FFT的运算结果。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是发明实施例中一种采样频率自适应的谐波检测方法流程图。
图2是发明实施例中从高点数到低点数的重采样示意图。
图3是发明实施例中从低点数到高点数的重采样示意图。
图4是发明实施例中从低点数FFT转换至高点数FFT的算法流程图。
图5是发明实施例中谐波检测的子组算法示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开一种采样频率自适应的谐波检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：利用DSP的AD转换器，采集电压和电流信号，并缓存至数组里，根据IEC谐波检测标准，分别缓存10周期数据。
步骤2：针对缓存的数据点数N0，依据2m或2m的整数倍，确定要重采样的目标点数N。
步骤3：根据N0和N的关系，对信号进行不同方案的重采样算法，将N0点数据重采至N点，且保持误差较小。
步骤4：将重采样后的N个数据进行FFT运算，利用DSP的FFT函数快速求得，得到频率间隔为5Hz的各频率分量的实部和虚部结果，并求得各频率分量的幅值信息。
步骤5：根据IEC标准中的子组算法计算各次谐波含量，50Hz的整数倍谐波检测的相位作为该次谐波的相位。
重采样算法示意图见图2和图3，图2是从高点数到低点数的降点数重采样，图3是从低点数到高点数的升点数重采样，二者得到重采样数据的方式都是通过插值的方法，考虑到算法实现的复杂性以及信号的随机性，因此插值采用简单的一阶线性插值方法，降点数重采样方法和升点数重采样方法的区别在于，如图2所示，对于降点数重采样方法而言，n≤k，重采样信号的个数逐次递增，但是所用到的Xk会有不连续的情况；如图3所示，对于升点数重采样方法而言，n≥k，这就使得会出现Yn和Yn+1都在Xk和Xk+1之间的情况，因此两种重采样方案要分别进行实现。
考虑到DSP的实现以及重采样算法对于精度的影响，DSP芯片对于FFT运算所需的缓存和点数的局限性，并且谐波检测的最高次数一般为50次(即2.5kHz左右)，因此根据奈奎斯特采样定理，对电压电流信号每个周期采样102.4个点，即每10个周期采样1024个点就能保证FFT分析至50次谐波。因此，如图4所示，对于一些采样点数为2m的整数倍或者较高的2m个数的信号，可以通过均匀抽点的方式，做多个低点数的FFT，再根据所需检测的频率，提取对应频率的低点数FFT计算结果，根据抽取的顺序依次乘以对应的系数，再将这几个乘系数后的结果相加，即等效为高点数FFT得到的该频率的结果。
图5是子组算法示意图，以基波检测为例，10个基波周期信号的FFT检测得到的是以5Hz为频率间隔的频谱信息，因此不仅仅可以得到50Hz的结果，也可以得到45Hz和55Hz的结果，在计算基波成分时，联合45Hz、50Hz和55Hz检测结果共同计算有效值，即
Figure BDA0003218154050000031
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种采样频率自适应的谐波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用DSP的AD转换器，采集电压和电流信号，并缓存至数组里，根据IEC谐波检测标准，分别缓存10周期数据；
步骤2：针对缓存的数据点数N0，依据2m或2m的整数倍，确定要重采样的目标点数N；
步骤3：根据N0和N的关系，确定相应的重采样算法将N0点数据重采至N点；
步骤4：将重采样后的N个数据进行FFT运算，利用DSP的FFT函数快速求得，得到频率间隔为5Hz的各频率分量的实部和虚部结果，并求得各频率分量的幅值信息；
步骤5：根据IEC标准中的子组算法计算各次谐波含量，50Hz的整数倍谐波检测的相位作为该次谐波的相位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当N0小于N时，所述步骤4具体包括：
通过均匀抽点的方式，做至少两个低点数的FFT，再根据所需检测的频率，提取对应频率的低点数FFT计算结果，根据抽取的顺序依次乘以对应的系数，再将这几个乘系数后的结果相加得到等效为高点数FFT得到的该频率的结果。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：
当重采样点数不为2m时，对缓存数据进行分包处理，使得每一小包数据量为2m，然后对每一小包进行低点数FFT计算。
4.根据权利要求1至3任一所述的方法，其特征在于，所述步骤1具体包括：
对电压电流信号每个周期采样102.4个点，使得每10个周期采样1024个点。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤1还包括：
以等间隔对缓存数据时进行缓存。
6.一种采样频率自适应的谐波检测***，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至5任一所述方法的步骤。
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