电能质量谐波分析仪的谐波分析方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103983852 A (43)申请公布日 2014.08.13 CN 103983852 A (21)申请号 201410233481.0 (22)申请日 2011.10.21 201110322629.4 2011.10.21 G01R 23/16(2006.01) (71)申请人 江苏理工学院 地址 213001 江苏省常州市钟楼区中吴大道 1801 号 (72)发明人 傅中君 周根元 (74)专利代理机构 常州市江海阳光知识产权代 理有限公司 32214 代理人 陆文俊 (54) 发明名称 电能质量谐波分析仪的谐波分析方法 (57) 摘要 本发明公开了一种在准。

2、同步 DFT 基础上改 进实现的电能质量谐波分析仪的谐波分析方法。 所述谐波分析方法包括 ： 采样电网中需要进行 谐波分析的电信号 X， 并等间隔采样 W+2 个采样 点数据 ； 应用准同步 DFT 进行谐波分析时根据 信号频率的漂移 改变频域抽样的位置， 即所 述频域抽样位置为 2/N。计算出所述电信 号 X 的各次谐波的幅值和初相角 最后， 分别计算出所述电压信号 V 和电流信号 I 的高次谐波的幅值 Pk与基波 P1的 幅值百分比和相角差 ， 并输出显示。 (62)分案原申请数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发。

3、明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 (10)申请公布号 CN 103983852 A CN 103983852 A 1/1 页 2 1. 一种电能质量谐波分析仪的谐波分析方法， 其特征在于包括以下步骤 ： （1） 、 电能质量谐波分析仪的 CPU 单元采样电网中需要谐波分析的电信号 X， 并等间隔 采样 W+2 个采样点数据 ： f(i),i=0,1,w+1 ； （2） 、 CPU 单元从所述电信号 X 的采样点 i=0 开始应用准同步 DFT 公式 ： 分析 W+1 个数据获得基波信息和； 然后， CPU 单元从所述电信号 X 的采样点 i=1 开始应用准同步 DFT 公式 ： ， 分析。

4、 W+1 个数据获得基波信息 ； 应用公式 ：， 计算所述电信号 X 的频率漂移， 频率漂移是根据相邻采样点基波相角差与理想周 期内采样点数 N 的固定关系而获得的， 频率漂移用于修正基波的频率 f1和高次谐波的频 率 fk； 应用公式 ：， 分别得出所述电信号 X 的基波和高次谐 波的； （3） 、 CPU 单元分别计算出所述电信号 X 的基波和高次谐波的幅值和初相角 （4） 、 CPU 单元分别计算出所述电信号 X 的高次谐波的幅值 Pk与基波 P1的幅值百分比 和相角差， 并输出显示。 权 利 要 求 书 CN 103983852 A 2 1/5 页 3 电能质量谐波分析仪的谐波分析方法。

5、 0001 本申请是申请号为 ： 201110322629.4， 发明创造名称为 一种电能质量谐波分析仪 的谐波分析方法 ， 申请日为 ： 2011 年 10 月 21 日的发明专利申请的分案申请。 技术领域 0002 本发明涉及电能质量谐波分析的技术领域， 具体是一种高精度的谐波分析方法。 背景技术 0003 谐波分析技术在电能质量监控、 电子产品生产检验、 电器设备监控等众多领域应 用广泛， 是进行电网监控、 质量检验、 设备监控的重要技术手段。 0004 供电电网中， 谐波现象的产生主要是由于大容量电力设备、 用电整流或换流设备 以及其他非线性负荷造成的。近年来随着电力电子技术的飞速发展。

6、， 许多工业企业引进大 量的冲击性负载、 不对称负载以及非线性负载， 它们在接入电网时不可避免地出现谐波污 染现象。 因此， 对供电电网的电压、 电流信号进行谐波分析， 可以更好地观察电网污染情况， 进而为电网补偿和净化提供理论依据。 0005 目前谐波分析应用最广泛的技术是离散傅里叶变换 （DFT）和快速傅里叶变换 （FFT） 。准同步采样技术和 DFT 技术相结合的谐波分析技术 （即 ： 准同步 DFT 谐波分析技术） 能够提高谐波分析的精度， 其算式为 ： ， 式中 ： k 为需要获得的谐波的次数 （如基波 k=1， 3 次谐波 k=3） ； sin 和 cos 分别为正弦 和余弦函数 。

7、； 而 ak和 bk分别为 k 次谐波的实部和虚部 ； n 为迭代次数 ； W 由积分方法决定， 采用复化梯形积分方法时， W=nN ； 为一次加权系数 ；， 为所有加权系数之和 ； f(i) 为分析波形的第 i 个采样值 ； N 为周期内采样次数。 0006 在工程应用中， 谐波分析总是进行有限点的采样和难以做到严格意义的同步采 样。这样， 在应用准同步 DFT 进行谐波分析时， 就会存在由于截断效应导致的长范围泄漏和 由于栅栏效应导致的短范围泄漏， 使得分析结果精度不高， 甚至不可信。 发明内容 0007 本发明要解决的技术问题是提供一种精度较高的电能质量谐波分析仪的谐波分 析方法， 以有。

8、效改进准同步 DFT 谐波分析技术的分析误差， 获得高精度的谐波分析结果， 从 而提高基于谐波分析理论的电能质量监控设备的可靠性和状态判断的有效性。 0008 为解决上述技术问题， 本发明提供了一种电能质量谐波分析仪的谐波分析方法， 所述电能质量谐波分析仪包括依次相连的 ： 传感器、 信号调理电路、 数据采集电路和 CPU 单 说 明 书 CN 103983852 A 3 2/5 页 4 元 ； 所述谐波分析方法包括如下步骤 ： （1） 所述 CPU 单元采样电网中需要谐波分析的电信号 X， 并等间隔采样 W+2 个采样点数 据 f(i),i=0,1,w+1（W 由所选择的积分方法决定， 本发。

9、明并不指定某一种积分方法， 常用的积分方法有复化梯形积分方法 W=nN、 复化矩形积分方法 W=n(N-1)、 复化辛普森积分 方法 W=n(N-1)/2 等， 可以根据本发明应用的实际情况来选择合适的积分方法。一般以复化 梯形积分方法效果较理想） ； （2） CPU 单元从所述电信号 X 的采样点 i=0 开始应用准同步 DFT 公式 ： 分析 W+1 个数据获得基波信息和； 然后， CPU 单元从所述电信号 X 的采样点 i=1 开始应用准同步 DFT 公式 ： 分析 W+1 个数据获得基波信息； 应用公式计算所述电信号 X 的频率漂移； 应用公式， 分别得出所述电信号 X 的基波和高次谐。

10、 波的； （3） 、 CPU 单元分别计算出所述电信号 X 的基波和高次谐波的幅值和初相角 ； （5） 、 CPU 单元分别计算出所述电信号 X 的高次谐波的幅值 Pk与基波 P1的幅值百分比 和相角差， 并输出显示 （一般采用与该 CPU 单元相连的 LCD 单元显 示） 。 0009 所述电信号 X 一般为电网交流电压信号或电网交流电流信号。 说 明 书 CN 103983852 A 4 3/5 页 5 0010 准同步 DFT 谐波分析可以有效地抑制长范围泄漏， 其频谱泄漏的主要原因是信号 频率漂移导致的短范围泄漏， 而信号频率漂移导致的短范围泄漏的主要特征是谱峰峰值出 现位置随着信号频。

11、率漂移而同步改变， 所以可变栅栏频域采样能够有效根据信号漂移捕捉 谱峰峰值出现的位置， 从而获得高精度的谐波信息。 0011 等间隔采样是根据进行谐波分析的理想信号的周期 T 和频率 f（如工频信号频率 f 为 50Hz， 周期为 20mS） ， 在一个周期内采样 N 点， 即采样频率为 fs=Nf， 且 N 64。 0012 所述的采样 W+2 个采样点数据是根据所选择的积分方法而作相应选择， 若采用复 化梯形积分方法， 则 W=nN ； 若采用复化矩形积分方法， 则 W=n(N-1) ； 若采用复化辛普森积 分方法， 则 W=n(N-1)/2。然后根据采样频率 fs=Nf， 获得采样点数据。

12、序列 f(i),i=0,1, ,w+1， n 3， 最后对该数据序列进行谐波分析。 0013 一次迭代系数由积分方法、 理想周期采样点N和迭代次数n决定， 具体推导过程 参见文献 【戴先中准同步采样应用中的若干问题 J电测与仪表 , 1988, (2): 2-7 】 。 0014 为所有加权系数之和。为 k 次谐波的虚部和实部， 根据就 可以获得谐波幅值和初相角。 0015 信号频率的漂移是根据相邻采样点基波相角差与理想周期内采样点数 N 的固定 关系而获得的， 信号频率的漂移也可用于修正基波和高次谐波的频率 f1和高次谐波的频 率 fk。 0016 本发明主要应用于电能质量谐波分析仪的分析软。

13、件中， 用于改进和提高谐波分析 的质量， 获取高精度的基波和高次谐波的幅值、 相角和频率。 本发明将被分析信号进行采样 和分析， 并把分析结果 （幅值、 相角和频率等） 按照电能质量谐波分析仪的要求输出。本发明 的电能质量谐波分析仪采用的谐波分析方法， 为基于可变栅栏思想的谐波分析技术， 具有 以下技术优势 ： （1） 高精度的谐波分析结果。本发明所述的谐波分析技术获得的分析结果无论是幅值 还是相角误差提高 4 个数量级以上。 0017 （2） 本发明所述的谐波分析技术从根本上解决了准同步 DFT 分析精度低的问题， 而无需进行复杂的反演和修正， 算法简单。 0018 （3） 相对于准同步 D。

14、FT， 本发明所述的谐波分析技术只需要增加一个采样点就解决 了准同步 DFT 分析误差大的问题， 易于实现。 0019 （4） 应用本发明来改进现有的仪器设备， 技术上是可行， 并且不需要增加任何的硬 件开销就可使分析结果可以提高 4 个数量级以上。 0020 （5） 可变栅栏思想也同样也适用于进行多次迭代而非一次迭代的谐波分析过程， 此时只需要把一次迭代分解成多次迭代实现就可以了。 一次迭代和多次迭代本质上是一样 的， 只是在计算时多次迭代进行分步计算， 而一次迭代是把多次迭代的过程合并到迭代系 数中一次计算完成， 所以本发明同样适用于多次迭代过程。 0021 （6） 本发明应用准同步 DF。

15、T 进行谐波分析时频域抽样的位置根据信号频率的漂移 而改变， 即所述频域抽样位置为2/N， 其中 ：为信号频率的漂移， 无漂移时为1。 本发 明的谐波分析方法基于可变栅栏的思想， 是通过5个分析步骤实现的。 可变栅栏的思想 ： 准 同步 DFT 分析误差的主要原因是信号频率的漂移导致频谱峰值出现的位置与理想位置发 说 明 书 CN 103983852 A 5 4/5 页 6 生偏差， 如果仍然按照 2/N 在频域中以进行抽样的话得到的分析结果极不正确。可变栅 栏指的是 ： 频域抽样的位置的并不是固定的 2/N， 而是根据信号频率的漂移而改变， 即频 率抽样位置为 2/N（ 为信号频率的漂移） 。

16、。频域抽样栅栏随着信号频率的漂移而改 变可以准确估计出高次谐波峰值出现的位置， 进而获取高精度的幅值和相角信息。 具体实施方式 0022 电能质量谐波分析仪主要由传感器、 信号调理电路、 数据采集电路、 CPU、 LCD 单元 及相应的分析软件组成。传感器一般采用电压互感器与电流互感器， 把被测电网的高电压 和大电流信号按一定比例进行转换 ； 信号调理电路将传感器送来的电压、 电流信号变换为 适合数据采集电路采样的电压信号 ； 由数据采集电路将调理后的信号进行采样， 再由 CPU 通过分析软件来完成对谐波的分析与检测。 0023 本发明的电能质量谐波分析仪的谐波分析方法， 包括以下步骤 ： 首。

17、先， CPU 单元采样电网中需要谐波分析的电信号 X， 并等间隔采样 W+2 个采样点， 以 获得所述电信号 X 的离散序列 f(k),k=0,1,w+1。W 由积分方法、 迭代次数 n 和理想周 期内采样点数 N 共同决定。等间隔采样指的是根据进行谐波分析的理想信号的频率 f（如 工频信号频率为 50Hz， 周期为 20mS） 确定采样频率 fs=Nf， 在采样频率 fs的作用下在一个周 期内均匀地采样 N 点。一般地， 周期采样点 N=64 或以上就能获得较好的谐波分析结果， 而 迭代次数 n=3-5 就能获得较理想的谐波分析结果。积分方法有复化梯形积分方法 W=nN、 复 化矩形积分方法。

18、 W=n(N-1)、 辛普森积分方法 W=n(N-1)/2 等多种， 可以根据实际情况进行选 择。 0024 其次， CPU 单元从所述电信号 X 的采样点 i=0 开始应用准同步 DFT 公式 ： 分析 W+1 个数据获得基波信息和。其 中， 一次迭代系数由积分方法、 理想周期采样点 N 和迭代次数 n 决定， 而为所有 加权系数之和。 0025 然后， CPU 单元从所述电信号 X 的采样点 i=1 开始应用准同步 DFT 公式 ： 分析 W+1 个数据获得基波信息 。 说 明 书 CN 103983852 A 6 5/5 页 7 0026 然后， 应用公式计算所述电信号 X 的频率漂 移。

19、。获得频率漂移后， 可以根据采样频率 fs和理想周期内采样点数 N 计算获得被分析 信号的基波和高次谐波的频率 f。 0027 然后， 应用公式， 分别计算所述电信号 X 的基波 和高次谐波的实部和虚部； CPU 单元进而根据公式 ：分别计算出所述电信号 X 的基波和高次谐波的 幅值和初相角 ：。 0028 最后， CPU 单元分别计算出所述电信号 X 的高次谐波的幅值 Pk与基波 P1的幅值百 分比和相角差， 并输出显示 （一般采用与该 CPU 单元相连的 LCD 单 元显示） 。 0029 本技术领域的普通技术人员应当认识到， 以上的实施例仅是用来说明本发明， 而 并非作为对本发明的限定， 本发明还可以变化成更多的方式， 只要在本发明的实质精神范 围内， 对以上所述实施例的变化、 变型都将落在本发明的权利要求书范围内。 说 明 书 CN 103983852 A 7 。