专利名称：一种谐波电流检测仪及检测方法
技术领域：
本发明涉及一种谐波和无功电流分量的精确快速检测仪表及检测方法，具体是采用一 种LMS/LMF (最小均方算法/最小四阶矩算法，下同)自适应算法的谐波电流检测仪及其 DSP (数字信号处理器，下同)检测方法，属于电流信号检测技术处理领域。
背景技术：
随着电力电子装置的广泛应用，由其产生的谐波已成为污染电力系统的严重公害之一。 许多国家和地区制定了各自的谐波标准，我国也在1993年通过了《电能质量公用电网谐波》 (GB/T-14594-93)标准，用以限制供电系统及用电设备的谐波污染。对谐波进行有效抑制 的效果在很大程度上取决于谐波检测的动态响应特性和稳态性能。
常规的谐波电流检测方法有(1)提取基波分量法，该方法误差大、实时性差、对电 路元件参数十分敏感。(2)基于FFT的傅立叶分析法，该方法计算量大、实时性不好、对 非整数次谐波存在频谱泄漏和栅栏现象。(3)基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法， 是目前应用最广泛的检测方法之一，其中/7-《法仅适用于电网电压无畸变情况下谐波和无 功电流的检测，zp-^法在电网电压畸变时也同样有效，具有较好的检测速度和精确度，但 检测电路相对复杂。
基于LMS的自适应谐波检测因计算简单以及良好的自适应性和鲁棒性，近来逐渐得到 广泛的重视。在此基本算法的基础上，不少新的算法被提出，如归一化解相关LMS算法 (NDLMS算法)，仿射投影算法(APA算法)等，这些算法虽然能得到较好的稳态效果， 但是计算比较繁琐，NDLMS算法需要引入相关原理，并采用输入向量的正交分量来更新 权系数，虽然能提高收敛精度，但算法复杂，而APA算法是归一化最小均方误差算法(NLMS 算法)的多维推广，其计算复杂度要比一般LMS算法高很多。更重要的是一般自适应算法 普遍存在检测速度与稳态误差需要折中考虑的问题，不能很好地解决动态响应速度和稳态 性能的矛盾。
近年来，基于DSP、微控制器(MCU)和可编程逻辑器件(PLD)等实现的谐波检测 与传统的模拟实现相比，易于实现先进控制，且降低了电路成本，易实现大规模产品生产， 但是，非线性负载电流中含有较高的频率成分，会造成负载电流采样信号的延时和失真， 对数字化谐波实时检测提出了挑战，为了改善数字控制带来的时间延迟影响， 一般釆用DSP 设计方案，通过增强数据采样和处理速率，以弱化延迟影响。 发明内容本发明的目的在于针对现有谐波检测技术的不足，提供一种结构简单、实用性强的采 用改进LMS/LMF自适应算法的谐波电流检测仪及其检测方法，能够实现精度较高、实时 性较强的谐波检测。
本发明谐波电流检测仪是通过以下技术方案实现的电网电流、电网电压信号的输出 连接传感器，传感器的输出依次连接抗混叠滤波电路、采样保持A/D转换电路和数字信号 处理器；电网电压信号的输出经过零比较器、锁相环同步脉冲产生电路连接数字信号处理 器，数字信号处理器分别外接彩色液晶显示器、铁电存储器、键盘电路和时钟电路。
本发明谐波电流检测方法是通过以下技术方案实现的传感器将测量的电压和电流信 号经过抗混叠滤波电路进入采样保持A/D转换电路；锁相环同步脉冲产生电路提供转换信 号给采样保持A/D转换电路；数字信号处理器采用LMS/LMF自适应谐波电流检测算法检 测出负载电流中的谐波电流值；键盘电路和彩色液晶显示器实现人机对话，铁电存储器存 储数据；所述LMS/LMF自适应谐波电流检测算法按如下步骤
1) 初始化权值、误差和步长，计算式为,+ 1) = ,) + 2//(") /、(2")t,
式中W(")为权值、//(")为变步长、e(")为误差反馈信号、X(w)为参考输入信号、^ 为阀值；
利用归一化的当前误差信号和上一次的误差信号e("-1)的自相关估计进行步长迭 代，计算式为= —+ — —1)|),
式中p(w)为"时刻误差信号的时间均值估计、e(")为误差反馈信号、S(")为"时刻 待检测负载电流、/i(")为"时刻步长、/ 、 A:、 a、 ；K为系数；
2) 读取参考输入信号A:(")和采样数据；
3) 根据步骤l)的公式来调整权值W(");
4) 当电压同步中断未到来时，w值加1，重复上述2) ~3)步操作，不断调整权值使 之接近最优值；
5) 当电压同步中断到来时，保存分离出来的谐波数据，发送检测到的数据；根据定时 器计数来调整计算步长/i，把"复位为0，转至第2)步继续执行
本发明的有益效果是
1)改变传统自适应算法的权值更新方式和步长迭代，利用改进的LMS/LMF算法进行权值更新，步长迭代时，采用归一化的当前误差信号与上一次的误差信号的自相关估计， 有效地避免了信噪比较低带来的影响，使得算法的收敛速度变快，获得较快的动态响应速 度，并能取得更好的稳态效果；
2) 在具体算法实现上利用TMS320F2812芯片来实现，DSP程序简单易行，可以连续、 长期对被测信号进行检测。
3) 整个检测仪硬件电路简单、体积较小、便于携带，并且可以存储数据，形成样本数 据库，便于实际应用。
以下结合附图和具体实施方式
对本发明进一步详细说明。
图1为本发明的硬件电路原理框图
图2为本发明的改进LMS/LMF自适应谐波电流检测算法的原理框图 图3本发明的DSP主程序流程图 图4本发明的谐波检测算法实现流程图 图5本发明的算法权值变化波形图 图6本发明的算法谐波电流变化波形图
具体实施例方式
如图1所示，将电网电流、电网电压信号输出连接传感器1,传感器1的输出依次串 接抗混叠滤波电路2、采样保持A/D转换电路3、数字信号处理器4。电网电压信号的输出 依次串接过零比较器5、锁相环同步脉冲产生电路6和数字信号处理器4。铁电存储器8、 时钟电路9、彩色液晶显示器10和键盘电路7分别接数字信号处理器4。
使用交流电压、交流电流的传感器1采集模拟信号，采用LEM公司的LAP-58P电流 互感器和LV100电压互感器，传感器1实时测量的非线性电压和电流模拟信号经过抗混叠 滤波电路2，进入采样保持A/D转换电路3变为数字信号，该采样保持A/D转换电路3可 以选用ADS7864对六路信号进行采样，可分析三相电压和三相电流基波和各次谐波的相 位，完成模拟ft号向数字信号的转换，与一般MAX125等A/D转换器相比，简化电路设计, 增强了可靠性。锁相环同步脉冲产生电路6为采样保持A/D转换电路3提供转换信号，采 用由硬件锁相环技术组成的同步脉冲发生电路，对电网频率进行自动跟踪，实现每个周波
6准确采样，锁相环是完成两个电信号的自动控制系统，能实现对输入信号的频率和相位进 行自动跟踪，使N个采样点均匀分布在电网的一个整波内，消除了同步误差，实现了无相 位差的同步采样。本发明采用的改进的LMS/LMF自适应谐波电流检测算法由数字信号处 理器4实现，该数字信号处理器4采用TMS320F2812芯片作为主控芯片，检测出负载电流 中的谐波电流值，包括对命令文件、头文件和库文件等进行编写和修改，然后根据模块化 的设计编写主程序、A/D转换子程序、自适应算法子程序、LCD的子程序、键盘处理子程 序、串行通讯服务程序等主要软件。数字信号处理器4外接的键盘电路7和彩色液晶显示 器10以实现人机对话，可采用扩展的4x4的16键小键盘，键盘扫描采用中断扫描方式， 当键盘上有键闭合时，向DSP发出中断请求，DSP在中断服务子程序中对键盘进行处理， 液晶显示具有尺寸小、功耗低、可靠性高、成本低等优点。外接的铁电存储器8便于存储 数据，存储速度与RAM相当，且可掉电保存数据。
图2为本发明的改进LMS/LMF自适应谐波电流检测算法的原理框图，以下以一相为 例加以说明
(1) 信号实时迭代运算
将/Jw)中基波分量U")作为期望信号，所有谐波的总和&(n)作为输入干扰信号。误差 反馈信号e(")控制权值『(w)的迭代过程，权值『(")跟踪最佳权系数IT的变化，此时输出
信号y(w)也跟踪U")的变化。将:K")从^(")中扣除，就可得到谐波电流、(")。对于每一点 的采样过程中，计算量很少。
(2) 权值调整
LMS/LMF算法是一种结合了 LMS与LMF两者优点的算法，计算量较之一般LMS算 法增加不多，却同时兼有LMS与LMF算法的优点，即收敛速度比一般的LMS算法好，稳 定性比LMF算法好。采用变步长的LMS/LMF算法能够获得更好的收敛速度和稳态效果， 计算式为+1) = JPF(") + 2p(") /、(2") t, 。
通过选取0.015作为阀值J^，使该算法自动地在基于电流误差量的两种状态下切换， 当6(")2大于或等于&时，步长趋近基本的LMS算法步长；反之，步长趋近LMF算法的步 长///^，只要适当地设置//, ^的改变不会引起收敛过程的振荡。
(3) 步长迭代
利用归一化的当前误差信号和上一次的误差信号e(w-1)的自相关估计来进行步长 迭代，采用误差信号的时间均值估计来实现，这样做能尽可能地排除噪声的干扰，计算式为/ (") = "; ("-1) + ^:(1 —1)/(IS(")I)(IS(" —1)|) ， /<"+ 1) = "//(") +;t 2(")，式中 M")为w时刻误差信号的时间均值估计、e(")为误差反馈信号、S(")为"时刻待检测负载
电流、M")为"时刻步长、〃、h "、 r为系数。
在更新/z(")中使用p(")具有两个优点 、自相关误差通常接近最佳值的衡量标准； ②、在更新/i(")时，排除了不相关噪声序列的影响。在自适应初始阶段，自相关估计误差 y(w)较大，导致较大的步长M")，当接近最佳值时，自相关误差/0)接近于零，导致一 个较小的步长，由于较大的初始M")值，产生了快速收敛，同时由于后期M")较小，导致 在最佳值附近产生较小失调，即使有噪声存在也是如此，因此得出上述步长更新公式。
式中系数)t的作用是在控制步长时，增加"")和e("-l)自相关值的影响，使得/^(w)增 大，增强了算法跟踪信号变化的能力；a主要控制权值『(")的收敛速度；/ 用以控制过去 信号对现在状态的影响，越早的数据遗忘度越大，对现在的影响也就越小；/对收敛速度 和稳态误差均有较大影响，通常选取较小的值来保证均方误差收敛且失调较小。在本发明 中，每个共频基波的采样点取200，因为谐波的最低次数为2次，其周期为电网基波周期 的1/2，所以只要选取时间窗的宽度为T/2，即可将e(n)中的噪声信号滤除，这样时间窗的 宽度为100， 1-" = 0.01, / = 0.99。当〃选定后，"和y是成反比的，调节a或者r，具有 等效的作用。
如图3所示的DSP主程序流程图，主程序负责将不同功能的子程序组织在一起。主程 序先完成DSP系统的初始化，根据外部启动信号开启A/D转换进行预采样，设定AD采样 周期，完成周期信号的采样；准备好等待上位机开始检测命令，若接受到命令，调用中断 子程序，使用周期中断，读取A/D采样数据，若没有接受到命令，则继续等待上位机的检 测命令。通过改进的LMS/LMF谐波电流检测算法子程序实现基波和谐波电流的检测，并 发送数据后停止检测并关闭周期中断程序，若未停止检测则重新读取A/D采样数据。
图4为本发明的谐波检测算法实现流程图，谐波检测算法为本发明的核心技术，具体 实现如下
(1) 初始化权值w、误差和步长；
(2) 读取参考输入信号X(W)和采样数据；
(3) 根据公式W(" + l) = W(") + 2//(")~^~X(")来调整权值W(");
(4) 当电压同步中断没有到来时，w值加1，重复(2) ~ (3)步操作，不断调整权值使之接近最优值；
(5) 当电压同步中断到来时，表示进行了一个基波周期的运算，这时保存分离出来的 谐波数据，以便向上位机发送检测到的数据；同时根据定时器计数来调整计算步长//，把" 复位为0，转至第(2)步继续执行；
(6) 循环执行(2) ~ (5)步操作，不断检测谐波数据，直至程序停止运行。
图5为本发明的算法仿真权值变化波形，图6为本发明的算法的仿真谐波电流变化波 形图。利用幅值为1A，频率为50Hz的方波作为谐波源，采样速率为1600，参考输入信号
和jc2(w)分别代表以电源基波电压^为参考输入，由锁相环输出的标准正弦和余弦信 号采样值，w,和A分别代表参考输入信号A(")和^(w)的权值，K")为自适应滤波器的输 出信号，e(w)为自适应滤波器的误差反馈信号，记^ = [^, w2]f, X(")-[^(w),^07)f,
传统的LMS算法迭代公式可以表示为
y(") = WX(")
= /(w) -权值W迭代公式为 V一2(")二-2eC(") ,+1) = ,) + 2一)X(w)
在本发明中，权值迭代公式采用,+ 1) = ,) + 2//(") ,I")t, X(")，变步长初
始值选取基本与LMS约束条件下相同，即必须小于输入信号的自相关矩阵的最大特征值的 倒数。只要适当的设置//， ^的改变不会引起收敛过程的振荡。经过反复实验，取
^ =0.015。
对于步长迭代，采用； (") = ^7("-1) + ^1 —1)， M" + l) = +
设夂(")="")/(|5(")|)、l) = e(w-1)1)。采用归一化的处理方式，使得对于不 同电网功率等级下算法具有通用性。
相干平均是通过对信号序列取宽度为M的矩形窗，并对窗内数据求取平均实现的。 无疑，窗的宽度M的选取是一个关键问题。由于噪声信号"w)是电网电流中的高次谐波信
9号，是零均值的周期性信号，并且谐波次数最低为2次，其周期为电网基波周期T的1/2 (不考虑间谐波)。因此只要选取矩形窗的宽度为谐波信号的周期T/2，通过对移动的矩形 窗内数据取相干平均，能够彻底将"")从误差信号e(w)中滤除。
采用本算法后，步长/z作为时变量，其数值选取是有范围的，以保证算法的稳定性， 因此在递推过程中，需要对步长进行限幅0<//^ 的选择应保证算法的 稳定性，通常接近定步长LMS算法的临界稳定步长值。/i^的选择应兼顾稳态失调和收敛 速度的要求，通常为一较小的正数，本发明中，选取//_为0.1， //*为0.001。
//的递推过程涉及a、 / 、 y共三个参数的选择，参数-由选用的指数窗的宽度决定， 本发明中的/9为0.99，单独调节参数"或"对整个算法具有等效的作用，但由于通常y的 值很小，而a接近l， y值的微小变化就会对系统的性能产生较大影响，因而本发明中采用
固定"，改变r的方法来调整检测算法的性能，"=0.978， ^=0.000354。
可以看出，本发明的新算法明显提高了检测的动态响应速度，获得较小的稳态误差， 提高了算法的实时快速精确分析。
10
权利要求
1、一种谐波电流检测仪，其特征在于，电网电流、电网电压信号的输出连接传感器(1)，传感器(1)的输出依次连接抗混叠滤波电路(2)、采样保持A/D转换电路(3)和数字信号处理器(4)；电网电压信号的输出经过零比较器(5)、锁相环同步脉冲产生电路(6)连接数字信号处理器(4)，数字信号处理器(4)分别外接彩色液晶显示器(10)、铁电存储器(8)、键盘电路(7)和时钟电路(9)。
2、 根据权利要求1所述的谐波电流检测仪，其特征是数字信号处理器(4)的芯片 为TMS320F2812芯片。
3、 一种谐波电流检测方法，其特征在于按如下步骤，1) 传感器(1)将测量的电压和电流信号经过抗混叠滤波电路(2)进入采样保持A/D 转换电路(3);锁相环同步脉冲产生电路(6)提供转换信号给采样保持A/D转换电路(3);2) 数字信号处理器(4)采用LMS/LMF自适应谐波电流检测算法检测出负载电流中 的谐波电流值；3) 键盘电路(7)和彩色液晶显示器(10)实现人机对话，铁电存储器(8)存储数据。
4、 根据权利要求2所述的谐波电流检测方法，其特征在于所述LMS/LMF自适应谐波电流检测算法按如下步骤l)初始化权值、误差和步长，计算式为,+ 1) = ^(") + 2//(") /、(2")3 X(")，e(") +KA式中W(w)为权值、M")为变步长、e(")为误差反馈信号、AT(")为参考输入信号、^ 为阀值；利用归一化的当前误差信号和上一次的误差信号e("-1)的自相关估计进行步长迭 代，计算式为p(w) = y^(" —1) + *(1 —/ )e(w)e("-l)/(IS(")l)(IS(" —1)|)， //(" +1) = + yp2(w)，式中；7(")为w时刻误差信号的时间均值估计、e(w)为误差反馈信号、S(")为"时刻 待检测负载电流、；U(")为w时刻步长、P、 A:、 o:、 y为系数；2) 读取参考输入信号AT(")和采样数据；3) 根据步骤l)的公式来调整权值W(");4) 当电压同步中断未到来时，w值加1，重复上述2) ~3)步操作，不断调整权值使 之接近最优值；5) 当电压同步中断到来时，保存分离出来的谐波数据，发送检测到的数据；根据定时器计数来调整计算步长//，把"复位为0，转至第2)步继续执行；6)循环执行(2) ~ (5)步操作，不断检测谐波数据，直至程序停止运行。
5、根据权利要求4所述的谐波电流检测方法，其特征在于/^^为0.1; //^为0.001;a=0.978; /=0細354; =0.015。
全文摘要
本发明公开了一种谐波电流检测仪及检测方法，传感器将测量的电压和电流信号经过抗混叠滤波电路进入采样保持A/D转换电路；锁相环同步脉冲产生电路提供转换信号给采样保持A/D转换电路；数字信号处理器采用LMS/LMF自适应谐波电流检测算法检测出负载电流中的谐波电流值；键盘电路和彩色液晶显示器实现人机对话，铁电存储器存储数据；本发明利用改进的LMS/LMF算法进行权值更新，步长迭代时采用归一化的当前误差信号与上一次的误差信号的自相关估计，有效避免了信噪比较低带来的影响，取得更好的稳态效果；在具体算法上利用TMS320F2812芯片来实现，DSP程序简单易行，可连续、长期对被测信号进行检测；整个检测仪硬件电路简单、体积较小、便于携带且可存储数据。
文档编号G01R19/25GK101634669SQ20091018430
公开日2010年1月27日 申请日期2009年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者慧 刘, 颖 刘, 刘国海, 廖志凌, 陈兆岭 申请人:江苏大学