一种电网谐波治理和无功补偿系统及方法与流程

本发明涉及电网谐波治理技术领域，具体涉及一种电网谐波治理和无功补偿系统及方法。

背景技术：

随着我国国民经济的快速提升，电力电子技术正在迅速发展，换流装置在各领域广泛应用。由于换流装置等非线性负荷日益增加，如：水和食盐电解的硅整流装置、电气化铁路中的电力机车、直流拖动用硅整流电源、电弧炉、直流输电换流站、各种广泛应用的变频调速装置、交流调压装置等等。上述非线性负荷造成电力系统电压、电流波形畸变，给电力系统安全经济运行造成严重危害：例如，引起保护及安全自动装置误动、引起电动机附加损耗、发热和机械振动、导致补偿电容器过热、给电能计量及常规仪表带来误差、对通讯线路产生干扰等危害。

我国为加强对谐波的监测、管理及治理，于1994年正式颁布了gb/t14549-93国家标准《电能质量--公用电网谐波》。针对目前国内谐波分析装置的使用情况，以及装置在运行过程中出现的问题，现有的装置一般只测量3-21次奇次谐波，只能在三相平衡的情况下正常运行，且现有的装置只有测量谐波功能，没有谐波治理、无功补偿、运行保护等功能。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种电网谐波治理和无功补偿系统及方法，以解决现有的谐波检测装置不能自动对谐波进行治理和无功补偿的问题。

为此，本发明提供了如下技术方案：

本发明提供了一种电网谐波治理和无功补偿系统，包括：信号采集装置，用于采集电网中的电信号；处理装置，用于根据所述电信号计算第一电参量值；根据所述第一电参量值判断是否需要调整电网中的谐波含量；当需要调整电网中的谐波含量时，根据所述第一电参量值发出用于调整电网中谐波含量的第一控制信号；计算谐波含量调整后的电网中的第二电参量值；根据所述第二电参量值判断是否需要对电网进行无功补偿；当需要对电网进行无功补偿时，根据所述第二电参量值发出用于对电网进行无功补偿的第二控制信号；控制装置，并联连接谐波治理装置和无功补偿装置，用于根据所述第一控制信号控制所述谐波治理装置调整电网中的谐波含量，还用于根据所述第二控制信号控制所述无功补偿装置对电网进行无功补偿。

可选地，所述电网谐波治理和无功补偿系统还包括：检测装置，用于采集用电设备周围环境参数，并将所述环境参数发送至所述处理装置。

可选地，所述处理装置用于根据所述第一电参量值、所述第二电参量值或所述环境参数发出报警信号或第三控制信号，所述第三控制信号用于控制电网中电源开关的闭合和断开，其中，所述第一电参量值为电网中的谐波含量，所述第二电参量值为电网中的功率因数。

可选地，所述信号采集装置包括：电压输入电路，用于采集实时电压信号；电流输入电路，用于采集实时电流信号；滤波电路，其输入端并联连接所述电压输入电路与所述电流输入电路，用于滤除所述电压信号和所述电流信号中的纹波。

可选地，所述信号采集装置还包括：外部开关量输入电路，用于采集和发出电网中触点的开关量信号；第一电气隔离电路，连接至所述处理装置，用于将所述开关量信号进行光电隔离。

可选地，所述电网谐波治理和无功补偿系统，还包括ad采样电路，用于将所述电信号进行模数转换，将转换后的数字量信号发送至所述处理装置。

可选地，所述处理装置包括：数字信号处理电路，用于接收所述数字量信号，对所述数字量信号进行计算得到所述第一电参量值和所述第二电参量值；分析电路，用于对所述第一电参量值和所述第二电参量值进行存储与分析，根据分析结果发出报警信号；谐波治理和无功补偿电路，用于根据所述分析结果，发出用于所述第一控制信号，和/或所述第二控制信号。

可选地，所述控制装置为同步开关，所述同步开关通过控制所述谐波治理装置中电抗器和电容器的投切实现谐波治理，通过控制所述无功补偿装置中电容器的投切实现无功补偿。

可选地，当所述功率因数为正值时，所述同步开关控制切除第一预定数量的无功补偿装置中的补偿电容；当所述功率因数为负值时，所述同步开关控制投入第二预定数量的无功补偿装置中的补偿电容。

可选地，所述电网谐波治理和无功补偿系统还包括：同步开关状态检测装置，连接所述同步开关，用于检测并发送所述同步开关的工作状态信号；第二电气隔离电路，连接至所述处理装置，用于对所述同步开关的工作状态信号进行光电隔离。

可选地，所述电网谐波治理和无功补偿系统还包括：通讯模块，一个输出端连接所述同步开关，用于将所述环境参数发送至所述处理装置，和发送所述处理装置的运算过程及结果；服务器，用于接收所述处理装置的运算过程及结果；移动终端，用于显示所述处理装置的运算过程及结果，及输入控制指令至通讯模块。

可选地，所述电网谐波治理和无功补偿系统，还包括指示装置，连接至所述处理装置，用于根据所述处理装置发出的第一控制信号，和/或第二控制信号指示报警信息。

可选地，所述指示装置还用于输入对所述处理装置进行控制的控制信号。

本发明还提供了一种电网谐波治理和无功补偿方法，包括：获取电网中的电信号；根据所述电信号计算第一电参量值；根据所述第一电参量值判断是否需要调整电网中的谐波含量；当需要调整电网中的谐波含量时，根据所述第一电参量值发出用于调整电网中谐波含量的第一控制信号；计算谐波含量调整后的电网中的第二电参量值；根据所述第二电参量值判断是否需要对电网进行无功补偿；当需要对电网进行无功补偿时，根据所述第二电参量值发出用于对电网进行无功补偿的第二控制信号。

可选地，当不需要调整电网中的谐波含量时，计算电网中的第二电参量值，根据所述第二电参量值判断是否需要对电网进行无功补偿；当需要对电网进行无功补偿时，根据所述第二电参量值发出用于对电网进行无功补偿的第二控制信号。

可选地，所述第一电参量值为电网中的谐波含量；所述第二电参量值为电网中的功率因数。

本发明还提供了一种电网谐波治理和无功补偿方法，包括：获取电网中的电信号；根据所述电信号计算第一电参量值；根据所述第一电参量值判断是否需要调整电网中的谐波含量；当需要调整电网中的谐波含量时，根据所述第一电参量值发出用于调整电网中谐波含量的第一控制信号；计算谐波含量调整后的电网中的第二电参量值；根据所述第二电参量值判断是否需要对电网进行无功补偿；当需要对电网进行无功补偿时，根据所述第二电参量值发出用于对电网进行无功补偿的第二控制信号。

可选地，当不需要调整电网中的谐波含量时，计算电网中的第二电参量值，根据所述第二电参量值判断是否需要对电网进行无功补偿；当需要对电网进行无功补偿时，根据所述第二电参量值发出用于对电网进行无功补偿的第二控制信号。

可选地，所述第一电参量值为电网中的谐波含量；所述第二电参量值为电网中的功率因数。

本发明具有如下优点：

1.本发明提供了一种电网谐波治理和无功补偿系统，该系统通过信号采集装置采集电网中的电信号，处理装置根据该信号计算第一电参量值，并根据第一电参量值判断是否需要调整电网中的谐波含量，当需要调整电网中的谐波含量时，根据第一电参量值发出用于调整电网中谐波含量的第一控制信号，计算谐波含量调整后的电网中的第二电参量值，根据调整后的电网中的第二电参量值判断是否需要对电网进行无功补偿；当需要对电网进行无功补偿时，根据第二电参量值发出用于对电网进行无功补偿的第二控制信号；控制装置并联连接谐波治理装置和无功补偿装置，根据第一控制信号控制谐波治理装置调整电网中的谐波含量，根据第二控制信号控制无功补偿装置对电网进行无功补偿。通过本发明提供的电网谐波治理和无功补偿系统，将谐波检测、谐波治理、无功补偿集成为一整体装置，安装在配电柜的输出端，以及时检测和控制电网中的谐波含量和对无功功率进行补偿，避免由于电网中的非线性负荷造成电力系统出现电压、电流波形畸变，给电力系统安全经济运行造成严重危害的现象，解决了现有的谐波检测装置不能自动对谐波进行治理和无功补偿的问题。

2.本发明提供了一种电网谐波治理和无功补偿系统，其检测装置采集用电设备周围环境参数，并将该环境参数发送至处理装置，处理装置根据该环境参数或第一电参量值、第二电参量值发出报警信号或第三控制信号，该第三控制信号用于控制电网中电源开关的闭合和断开，其中，第一电参量值为电网中的谐波含量，第二电参量值为电网中的功率因数。本发明提供的电网谐波治理和无功补偿系统，通过采集用电设备周围的温度、湿度、水位等环境参数，处理装置对这些环境参数进行分析，例如当开关控制箱、断路器触点的温度超过设定温度时，发出紧急报警信号或采取保护措施，如切断电源开关，能够对电子器件和设备进行保护。

3.本发明提供了一种电网谐波治理和无功补偿方法，该方法包括获取电网中的电信号，根据该电信号计算第一电参量值，根据该第一电参量值判断是否需要调整电网中的谐波含量，当需要调整电网中的谐波含量时，根据第一电参量值发出用于调整电网中谐波含量的第一控制信号，计算谐波含量调整后的电网中的第二电参量值，根据调整后的电网中的第二电参量值判断是否需要对电网进行无功补偿，当需要对电网进行无功补偿时，根据第二电参量值发出用于对电网进行无功补偿的第二控制信号。通过本发明提供的电网谐波治理和无功补偿方法，能够自动对电网中的谐波含量和无功功率进行控制调整，极大地保护了用电设备安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的电网谐波治理和无功补偿系统的一个结构框图；

图2是根据本发明实施例的电网谐波治理和无功补偿系统的另一个结构框图；

图3是根据本发明实施例的处理装置的主程序流程图；

图4是根据本发明实施例处理装置的谐波算法示意图；

图5是根据本发明优实施例的谐波治理和无功补偿判断示意图；

图6是根据本发明实施例的谐波治理装置的基本电路图；

图7是根据本发明实施例的无功补偿装置的基本电路图；

图8是根据本发明实施例的电网谐波治理和无功补偿方法的流程图；

图9是根据本发明实施例的电网谐波治理和无功补偿方法的计算机设备的硬件结构示意图；

附图标记：10-信号采集装置，101-电压输入电路，102-电流输入电路，103-滤波电路，104-外部开关量输入电路，105-第一电气隔离电路，20-处理装置，201-数字信号处理电路，202-分析电路，203-谐波治理和无功补偿电路，30-控制装置，40-谐波治理装置，50-无功补偿装置，60-检测装置，70-ad采样电路，80-同步开关状态检测装置，90-第二电气隔离电路，11-通讯模块，12-服务器，13-移动终端，14-指示装置，15-开关量报警装置，151-第三电气隔离电路，152-开关量与报警输出电路，16-存储装置，17-系统管理装置，910-处理器，920-存储器，930-输入装置，940-输出装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

在本实施例中提供了一种电网谐波治理和无功补偿系统，图1是根据本发明实施例的电网谐波治理和无功补偿系统的一个结构框图，如图1所示，该系统包括信号采集装置10、处理装置20、控制装置30、谐波治理装置40及无功补偿装置50，信号采集装置10用于采集电网中的电信号，处理装置20用于根据采集到的电信号计算第一电参量值(电网中的谐波含量值)，然后根据电网中的谐波含量值判断是否需要调整电网中的谐波含量，当需要调整电网中的谐波含量时，根据该谐波含量值发出用于调整电网中谐波含量的第一控制信号，计算谐波含量调整后的电网中的第二电参量值(电网中的功率因数值)，根据该功率因数值判断是否需要对电网进行无功补偿，当需要对电网进行无功补偿时，根据该功率因数值发出用于对电网进行无功补偿的第二控制信号，控制装置30并联连接谐波治理装置40和无功补偿装置50，控制装置30根据上述第一控制信号控制谐波治理装置40调整电网中的谐波含量，根据第二控制信号控制无功补偿装置50对电网进行无功补偿。通过本发明实施例提供的电网谐波治理和无功补偿系统，将谐波检测、谐波治理、无功补偿集成为一整体装置，安装在配电柜的输出端，以及时检测和控制电网中的谐波含量和对无功功率进行补偿，避免由于电网中的非线性负荷造成电力系统出现电压、电流波形畸变，给电力系统安全经济运行造成严重危害的现象，解决了现有的谐波检测装置不能自动对谐波进行治理和无功补偿的问题。

上述具体实施方式中的电网谐波治理和无功补偿系统，如图2所示，还包括检测装置60，该检测装置60用于采集用电设备周围环境参数，并将该环境参数发送至处理装置20，处理装置20根据计算的第一电参量值、第二电参量值或者环境参数发出报警信号，或者发出第三控制信号，该第三控制信号可用于控制电网中电源开关的闭合和断开。具体地，如图2所示，该检测装置60包括多路检测输入电路601和采样与检测模块602，通过多路检测输入电路601，可以采集温度、湿度、水位、烟感等信号，用以测量配电房或者配电柜的环境是否正常，如遇紧急异常状态发出报警信息、采取保护措施，如切断电源等，温度采样信号可用于采集电抗器、电力电容、开关触点、电缆接头、环境温度等方面的温度测量，温度监控的范围与属性可通过处理装置20进行定义，以此来保护电力设备设施。

上述具体实施方式中的信号采集装置10，如图2所示，包括电压输入电路101、电流输入电路102及滤波电路103，该电压输入电路101用于采集实时电压信号，电流输入电路102用于实时采集电流信号，滤波电路103的输入端并联连接电压输入电路101与电流输入电路102，用于滤除电压信号和电流信号中的纹波。为了保护该电网谐波治理和无功补偿系统，需要将实时高电压和电流分别通过电压输入电路101和电流输入电路102转化为低电压、小电流信号，并经过滤波电路103滤除干扰之后变成符合后续芯片要求的输入信号，避免过高的电压和电流输入系统后，损坏装置。

如图2所示，该信号采集装置还包括外部开关量输入电路104和第一电气隔离电路105，该外部开关量输入电路104用于采集和发出电网中的开关量信号，该第一电气隔离电路105连接至ad采样电路70，用于将开关量信号进行电气隔离，ad采样电路70将输入的电信号转换进行模拟量/数字量变换，将转换后的数字量信号发送至处理装置20。具体地，外部开关量主要包括断路器和隔离开关的辅助触点、保护投退压板、重合闸方式选择开关的触点等输入电路，由于上述开关量具有高压、强干扰等特点，该电网谐波治理和无功补偿系统是弱电控制装置，而外部开关量的输入是强电信号，因此，开关量需要通过第一电气隔离电路105进行光电隔离之后，从电路上把干扰源和容易干扰的部分隔离开来，使该保护系统和用电设备现场仅仅保持光信号的联系，而不产生电信号的联系，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被阻挡在输入端的一侧，才能输入到处理装置20中进行分析处理。

上述具体实施方式中的电网谐波治理和无功补偿系统，如图2所示，其处理装置20包括数字信号处理电路201、分析电路202及谐波治理和无功补偿电路203，这三个电路是集成在控制单元mcu(stm32f407)中的算法、软件，该数字信号处理电路201(digitalsignalprocessing，dsp)，用于接收ad采样电路70输出的数字量信号，对该数字量信号进行计算得到第一电参量值和第二电参量值，分析电路202用于对谐波含量值和功率因数进行存储与运算分析，得到电压、电流、功率、谐波数据的各类电参量值，将这些值进行存储与分析，根据分析结果发出报警信号或控制信号，谐波治理和无功补偿电路203根据该分析结果，发出调整电网中谐波含量的第一控制信号，和/或对电网进行无功补偿的第二控制信号。

上述具体实施方式中的控制装置30为同步开关，该同步开关通过控制谐波治理装置40中电抗器和电容器的投切实现谐波治理，通过控制无功补偿装置中电容器的投切实现无功补偿，控制单元mcu根据电网中的谐波含量判断是否需要进行谐波治理及治理第几次等进行运算，例如第3次谐波的谐波含量超标，控制单元mcu发出第一控制信号，控制该次谐波的同步开关闭合，投入一定数量的电抗器和电力电容器，对该次谐波进行治理。然后再计算治理后的电网中的功率因数值，判断是否需要进行无功补偿，投切电容量，例如电路中投入一定量的电感后，电流变小，功率因数会向感性方向偏移，mcu控制同步开关投入第二预定数量的无功补偿装置中的补偿电容，从而对无功功率进行补偿，当功率因数为正值时，mcu需要控制同步开关切除第一预订数量的无功补偿装置中的补偿电容，该功率因数值的范围一般在-0.95至+0.95之间。

为了对同步开关进行保护，上述具体实施方式中的电网谐波治理和无功补偿系统还包括同步开关状态检测装置80和第二电气隔离电路90，该同步开关状态检测装置80连接同步开关，用于检测并发送同步开关的工作状态信号，第二电气隔离电路90连接在同步开关状态检测装置80和处理装置20之间，用于对同步开关的工作状态进行光电隔离。具体地，由于同步开关工作在冲击电流大、尖峰电压高的用电环境中，损坏的可能性较大，使用寿命较短，所以需要经常检测其工作状态，以便mc对其状态进行分析，及时维护，使设备运行处于可靠的状态，同步开关状态检测装置80取样同步开关输出端的信号，经过电气隔离对信号进行处理后输入mcu，由软件判断其逻辑是否正确，以此来分析同步开关是否损坏或性能发生改变。第二电气隔离电路90的工作原理和第一电气隔离电路105的工作原理相同，电信号进行光电隔离，第二电气隔离电路90是对同步开关状态检测的检测输入mcu的信号进行光电隔离。

上述具体实施方式中的电网谐波治理和无功补偿系统，如图2所示，还包括通讯模块11、服务器12及移动终端13，通讯模块11包含wifi、rj45网络接口、rs485接口，通过wifi、rj45接口将该电网谐波治理和无功补偿系统接入到互联网或服务器中，通过这些发展成熟的、公用及普及的通信网络可无线传输与共享数据，rs485接口用于本地在没有网络的环境下，进行数据的传输，同时检测装置60采集的温度等环境参数可通过通讯模块11传输至处理装置20即mcu中，进行分析运算和保护控制，通讯模块11还可将处理装置20的运算过程及结果发送至服务器12，服务器12接收后，可将其发送至移动终端13进行显示，而在移动终端13上同时也可以远程输入控制指令，该控制指令通过通讯模块11可发送至同步开关，从而达到远程进行谐波治理和无功补偿的目的。

上述具体实施方式中的电网谐波治理和无功补偿系统，如图2所示，还包括指示装置14，该指示装置14连接至处理装置20，用于根据处理装置20发出的第一控制信号和/或第二控制信号指示报警信息。具体地，该指示装置14包括触摸屏输入、点阵彩色液晶屏、按键和指示灯，触摸屏输入和按键可以输入对处理装置20进行控制的控制信号，点阵彩色液晶屏可以显示整个系统或处理装置20的内容，在处理装置20发出报警信号时，通过指示灯的闪亮来提示报警信息。

如图2所示，上述具体实施方式中的电网谐波治理和无功补偿系统，还包括开关量报警装置15、存储装置16及系统管理装置17，该开关量报警装置15包括第三电气隔离电路151和开关量与报警输出电路152，该存储装置16包括数据存储器、sd卡及rtc(时钟芯片)，主要用于将mcu的计算出的电参量值进行存储，便于后期查询使用，系统管理装置17包括电源、系统时钟管理，主要用于对mcu进行供电和提供备用电源。

本发明实施例还提供了一个上述电网谐波治理和无功补偿系统的具体实施过程，处理装置20的运算速度要求较高，通常可以采用8位，16位或者32位的mcu，但是本实施例要实现大量的浮点运算，占用大量的内存，因为一个浮点数要占用四个字节，且运算速度比较慢，很难在规定的时间内完成，因此选择32位的stm32f407作为核心mcu处理器件，该芯片的flash闪存空间有1mb，256kb的sram空间，168mhz是该芯片的时钟频率，该芯片具有如下的优点：在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；程序空间与数据空间是分开的，可以同时访问指令和数据；芯片内具有快速ram，通常可通过独立的数据总线在两块之间同一时间进行访问；具有很低的开销又或者无开销的循环及跳转的硬件支持；具有快速的中断处理和硬件的输入输出支持；多个硬件地址产生器能够在单周期内操作；多个操作可以被并行执行；可以重叠执行流水线，完成取指、译码和执行等这些操作。

首先对电网的三相电压、电流信号进行处理，电压、电流经过高精度电流互感器，把大信号转换为小信号，然后通过一个抗混叠滤波器，调理后的信号送入ad芯片进行a/d采样。微控制器stm32f407实时处理采样数据，采用高精度算法对电压、电流信号进行谐波分析，得到各次谐波分量有效值、频率和相位信息，利用这些信息还可以计算各次谐波功率，同时计算出电压、电流有效值，有功、无功功率，累积电量，电网频率及功率因数等电网参数，计算结果通过液晶显示面板显示，相关控制参数可以触摸输入，也能与外部进行通讯。其中，各个模块如图2所示，其具体功能上述具体实施方式中已经描述，在此不在赘述。

处理装置20，即mcu的软件程序中，主程序主要是先调用初始化模块，不断的判断各种状态、调用各功能模块的子程序。其中，主程序是整个程序的主题部分，也是程序的核心，其为一个无结束的循环程序，始终在程序的各个功能模块之间循环，如果某一功能模块符合执行的条件，就调用该功能的子程序，执行之后立即返回到主程序，周而复始。

在系统通电之后，系统由主程序main()函数入口，初始化硬件和软件的运行环境,主体程序主要包括以下几个功能模块，具体的流程如图3所示，mcu及各种外部设备的输入/输出初始化；读取维持系统运行的基本参数，并设置外设运行环境；ad数据采样：读取ad芯片的各类采样数据并运算、存贮；显示模块：显示实时的电压、电流、功率等数据与波形，用柱状图显示各次谐波的分量；参数设置：仪器可以通过液晶显示屏、触摸屏显示与设置各类参数，并进行保存；500ms事件处理：包含通信、按键、停电、数据存贮、谐波治理、无功补偿、综合保护、停电检测及处理等模块。

mcu在进行谐波检测时，以嵌入式系统芯片stm32f407作为系统核心处理器，能可靠有效测量配电网各次谐波。本发明实施例能对电网电压和电流进行基波及2至31次谐波的实时监测和分析，并通过标准通信规约上传数据至后台监控系统，满足用户对谐波监测的要求，同时通过外置的电抗器、电力电容器、同步开关等设备实现谐波治理与无功补偿。

谐波算法是mcu的核心，是mcu通过实时读取ad采样芯片的数据(三路电压通道、四路电流通道)，在dsp中通过一定的算法，将ad采样数据转换成对应的谐波数据的过程。

针对嵌入式电力系统谐波检测中存在的频谱泄漏、栅栏效应影响、谐波参数检测准确度较低等问题，以提高电力系统谐波分析准确度和实时性为目的，本发明实施例采用新型窗函数与改进fft谐波检测算法，内容如下：建立余弦混合卷积窗和余弦自卷积窗，深入研究余弦卷积窗的频域性能；建立基于窗函数的改进fft谐波分析方法；推导基于窗函数的离散频谱相位差校正计算式，对包含高次谐波和弱幅值分量的信号进行仿真研究和分析。为了有效抑制频谱泄漏、增加谐波分析的准确性、提高运算结果的精度：该算法采用具有优良旁瓣性能的自卷积窗，结合自卷积窗的时域特性、频域特性，运用频谱相位差校正算法对采用自卷积窗加权后的信号进行分析，可实现信号参数的高准确度分析、运算，本发明实施例中的谐波检测算法示意图如图4所示。

电力系统的谐波分析，通常都是通过快速傅立叶变换(fft)实现的，但是应用fft算法分析周期信号频谱的前提是要求对信号进行同步采样，即要求采样长度与信号周期成整数倍关系，但实际电网频率通常总会在额定频率(50hz)附近波动。因此，fft必然存在栅栏效应和泄漏现象，使算出的信号参数即频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大，无法满足准确的谐波测量要求。为了提高fft算法的精度，v.k.jain等提出了一种插值算法，对fft的计算结果进行修正，可以有效地提高计算精度。在此基础上，t.grandke又利用海宁(haning)窗减少泄漏，进一步提高了计算精度。离散频谱分析算法内容如下：

a.信号离散化：对时域连续的信号x(t)进行离散化，获得无限长离散序列x(m)(m为整数，且m∈[0,+∞])；

b.信号截短：对x(m)进行分段截短，得到两段长度均为n离散序列x1(n1)(n1∈[0,n-1])和(n2∈[l,n+l-1])，其中n为截短后的序列长度，一般取值为n＝2ⁱ(i为自然数)，l为信号时域平移长度，一般取值为0＜l≤n；

c.自卷积窗加权傅里叶变换：采用长度为n的hanning自卷积窗分别对截短后的序列x1(n1)和x2(n2)进行加权，并进行离散傅里叶变换，分别得到离散频谱x1(k)和x2(k)(k∈[0,n-1])；

d.离散频谱峰值参数确定：在第h次谐波频率附近，即在hk0附近，搜索其局部频谱峰值，即找到离散频谱中局部幅值最大谱线kh，并确定其幅值|x1(kh)|、|x2(kh)|，相位φ1(kh)＝arg[x1(kh)]、φ2(kh)＝arg[x2(kh)]；

e.谐波参数求解：利用离散频谱相位差特性进行频率偏差量δkh的校正，并结合自卷积窗的频谱函数，获取第h次谐波的频率、幅值、初相角等的估计值。

以包含多项整数次谐波的时域信号分析为例，信号的时域表达式为：

式中，h为信号所含有谐波的最高次数；h为谐波次数；f0为基波频率；ah和分别为第h次谐波的幅值与初相角。

对信号x(t)以采样频率fs进行离散化，得到无限长离散序列：

不失一般性，仅考虑第h次谐波，x1(n1)的离散频谱可写为：

wr(*)为矩形窗的频谱函数：

设第h次谐波在两段序列的离散频谱中所对应的谱线之间的相位差为即：

考虑到fh＝hf0＝hk0δf，且hk0＝kh-δkh，式(4)可写为：

根据式(6)，可得第h次谐波的频率偏差量为：

第h次谐波的幅值和初相角分别为：

根据得到的第h次谐波的幅值和初相角来判断该次谐波含量是否超标。

该电网谐波治理和无功补偿系统可满足的要求为：电源电压：交流80v～275v，45hz～65hz，电源功率消耗：p≤5w；电压测量范围：交流0v～418v；电流测量范围：0a～5a；测量误差不超过±1％；实时监测基波及2～31次谐波电压幅值、电流幅值、畸变率和波形，波形实时显示；提供rs-232c、rs-485、rj-45三种通讯接口；多路开关量输入和报警输出；人机交互采用7寸彩色点阵界面液晶屏，电容触摸输入，汉字化信息显示，菜单选项操作，现场参数设置，方便用户操作；控制功能：装置根据监测到的功率因数、各次谐波的数据进行无功补偿、与谐波治理；综合保护功能：当电网发生谐波超标(无法治理)、高电压、超负荷、缺相等现象时、装置发出报警信息或断开主控制开关、以保护用电设备。

本发明实施例的电网谐波治理和无功补偿系统的测量功能有：对本系统配置3路电压、3路电流，可同时对三相电压、三相电流进行监测；测量电流有效值、基波电流有效值、分次谐波电流有效值；测量电压有效值、基波电压有效值、分次谐波电压有效值、电压总畸变率；总功率因数、基波功率因数；基波视在功率、基波有功功率、基波无功功率；并能够计量并保存正向全波有功总电能、反向全波有功总电能、正向基波有功总电能、反向基波有功总电能、正向谐波总电能、反向谐波总电能；三相电压不平衡度；基波电压(电流)相角；电网频率。

本系统的通讯功能：支持rs232、rs485、tcp/ip等多种通讯方式；多台治理装置和上位机联网可以组成电能质量监测与管理系统；上位机向各监测点发送指令，读取数据或设置参数；可设置的参数包括：监测网点、监测指标、系统参数、通讯参数等；读取各监测点的电能质量数据、波形等；可切换至被监测的任一变电站的任一条线路，显示并统计现场数据。

上述具体实施例的电网谐波治理和无功补偿系统的处理装置20(mcu)具有数据分析、图形输出功能、报表输出功能。

mcu的控制功能：集无功补偿、谐波治理、电力统合保护于一体，具体为：mcu根据功率因数值、各分次谐波含量，进行无功补偿与谐波治理，如图5、图6、图7所示。

mcu首先根据谐波含量判断是否需要进行治理、治理第几次、治理电路的投入会对功率因数造成多少影响、是否需同时切除无功补偿回路等进行运算，之后mcu控制外围电路完成谐波治理操作(通过控制同步开关投入或切除相应数量的电抗器、电力电容器，如图6所示)，再次采样功率因数值、各分次谐波含量，进行下一轮的监测与控制；然后根据功率因数值判断是否需要进行无功功率补偿、补偿电容量是多少(或切除电容量是多少)，之后mcu控制外围电路完成无功补偿操作(通过控制同步开关投入或切除相应数量的电力电容器，如图7所示)，再次采样功率因数值、各分次谐波含量，进行下一轮的监测与控制。

如果功率因数值、各分次谐波含量不在补偿、治理范围之内，则控制电路不动作；在正常工作过程中检测到功率因数值处于感性并且谐波含量未超标时，此时若有谐波正在治理，则需将各级电路逐个切除，每个电路切除后需判断本电路对应的谐波分量是否有超标，如果超标则将本电路再次投入(否则不动作)，逐个检查了各电路之后，再看功率因数值，根据上述判断过程对无功功率进行补偿，如果功率因数值处于容性，切除适当的补偿电路，处于感性时应该投入补偿电容，处于容性时切除补偿电容，在电网中一般的用电设备都是感性的、很少有容性的设备，所以当发现电网容性时，则应该属于过补偿。其中，电网中当某次谐波分量消失时，功率因数会往感性方向飘移(飘移量的大小与对应谐波分量电流值有关)。

(1)谐波治理

国家技术监督局于1993年又发布了中华人民共和国国家标准gb/t14549-93《电能质量公用电网谐波》，根据不同电压等级的公用电网，明确规定出了各次谐波电流的最大允许值见表1。

表1注入公共连接点的谐波电流允许值

根据线路的电流大小、谐波电流的大小、频率、功率因数，经mcu运算后根据最佳的策略、适时控制继电器、投切滤波回路对电网的谐波进行治理。

由于谐波治理是电抗器与电容器组合而成的，其基本电路图如图6所示，所以此谐波治理装置40在电抗器投切时，对功率因数的变化影响较大，投入谐波治理回路会使无功补偿过量、切除时会使无功补偿欠缺，因此谐波治理优于无功补偿，并且当发现电网有谐波发生并需要治理时，在投入相应的谐波治理回路的同时，在必要的情况下同时切除相应的无功补偿电容器(切除谐波治理回路时，同理),装置会在500ms的事件处理中随时更新控制状态，mcu进进行谐波治理与无功补偿的判断过程如图5所示。用户可以根据实际的用电情况(如谐波电流、无功电流、功率因数)进行配置，不同的配置情况通过通信接口，用配套的软件将设备的配置表(用于无功补偿的电力电容的规格、用于谐波治理的电力电容与电抗器的规格)写装置中，装置就能够根据控制策略结合实际的硬件配置做出正确的控制动作；需要注意的是，切除电力电容器可以做到实时，但投入电力电容器时要等到其内部的电荷放完之后，等待1-3分钟再投入电力电容器。

(2)无功补偿

对电网中的无功功率进行补偿，要根据实时的功率因数及设定的范围，适时控制同步开关、投切补偿电力电容器对无功功率进行补偿，以提高电网的功率因数、减少线路损耗、提升供电质量；无功补偿装置50可根据实际的电流大小、功率因数情况，经过运算投切不同容量的电容器，以实现适度补偿、避免投切振荡，造成系统崩损坏，为了节约成本，提升设备使用效率，减小用户投资，无功补偿装置50和谐波治理装置40采用混合配置的方式，无功补偿装置50的基本电路图如图7所示。

投切控制开关有两种方式：

一、主mcu直接控制同步开关，由主控mcu检测本地电网的电压、电流数据，并向同步开关发出投切指令的方式，适合在本地进行无功补偿；

二：由mcu根据测得的用电情况，向同步开关发出投切指令，同步开关自带的mcu检测开关所在电网的电压、电流数据，选择电压、电流的过零情况适时投切开关，适合远程就地无功补偿，mcu与同步开关之间的指令由通信网络传输。

在电容器配置不合理的情况下，装置能够预先自动判别(不投切)，并记录此刻的电网情况、同时发送报警信息到客户端(移动终端或电脑)，通知用户及时采取应对保护措施。

(3)电力统合保护

当电网发生谐波超标(即已经超出该电网谐波治理和无功补偿系统的治理范围时，系统无法治理)、高电压、超负荷、缺相等现象时，如图5所示，该电网谐波治理和无功补偿系统发出报警信息或断开电路中的主控制开关，以保护用电设备。

实施例2

本发明实施例提供了一种电网谐波治理和无功补偿方法，图8是根据本发明实施例的电网谐波治理和无功补偿方法的流程图，如图8所示，该方法包括：

s801：获取电网中的电信号；该电信号包括电流、电压、开关量输入等电信号；

s802：根据该电信号计算第一电参量值；具体地，该第一电参量值为电网中的谐波含量；

s803：根据该第一电参量值判断是否需要调整电网中的谐波含量；

s804：当需要调整电网中的谐波含量时，根据该第一电参量值发出用于调整电网中谐波含量的第一控制信号；

s805：计算谐波含量调整后的电网中的第二电参量值；该第二电参量值为电网中的功率因数值；

s806：根据该第二电参量值判断是否需要对电网进行无功补偿；

s807：当需要对电网进行无功补偿时，根据该第二电参量值发出用于对电网进行无功补偿的第二控制信号。

通过本发明提供的电网谐波治理和无功补偿方法，能够自动对电网中的谐波含量和无功功率进行控制调整，极大地保护了用电设备安全。

上述步骤s804中，当不需要调整电网中的谐波含量时，计算电网中的第二电参量值，根据第二电参量值判断是否需要对电网进行无功补偿，当需要对电网进行无功补偿时，根据第二电参量值发出用于对电网进行无功补偿的第二控制信号。

该方法实施例的具体有益效果同上述装置实施例，在此不再赘述。

实施例3

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的电网谐波治理和无功补偿方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)、随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)、快闪存储器(flashmemory)、硬盘(harddiskdrive，缩写：hdd)或固态硬盘(solid-statedrive，ssd)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

实施例4

图9是根据本发明实施例的电网谐波治理和无功补偿方法的计算机设备的硬件结构示意图，如图9所示，该设备包括一个或多个处理器910以及存储器920，图9中以一个处理器910为例。

执行电网谐波治理和无功补偿方法的设备还可以包括：输入装置930和输出装置940。

处理器910、存储器920、输入装置930和输出装置940可以通过总线或者其他方式连接，图9中以通过总线连接为例。

处理器910可以为中央处理器(centralprocessingunit，cpu)。处理器910还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(digitalsignalprocessor，dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmablegatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器920作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的电网谐波治理和无功补偿方法对应的程序指令/模块。处理器910通过运行存储在存储器920中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行服务器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的电网谐波治理和无功补偿方法。

存储器920可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储电网谐波治理和无功补偿系统的使用所创建的数据等。此外，存储器920可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器920可选包括相对于处理器910远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至电网谐波治理和无功补偿的处理装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置930可接收输入的数字或字符信息，以及产生与电网谐波治理和无功补偿的处理装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置940可包括显示屏等显示设备。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器920中，当被所述一个或者多个处理器910执行时，执行如图9所示的方法。

上述产品可执行本发明实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果以及未在本实施例中详尽描述的技术细节，具体可参见如图9的实施例中的相关描述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。