专利名称：一种高精度快速计算电力谐波参数的方法
技术领域：
本发明涉及一种电网电压和电流波形畸变的分析和自动监测算法，特别是一种高精度快速计算电力谐波参数的方法。
背景技术：
随着电力电子技术和器件的发展，非线性负荷在电力系统中的应用越来越广泛，电力系统谐波污染日益严重，谐波已成为影响电能质量的主要问题。对谐波分量参数的高精度估计将有利于电能质量的评估和采取相应的必要治理措施。快速傅立叶变换是谐波分析最快捷的工具，快速傅立叶变换英文缩写为FFT。 但是，FFT精确分析频谱的前提是保证对信号的同步采样和整周期截断。实际电网频率通常是在工频附近波动的，因此而造成非同步采样和非整数周期截断，这将产生频谱泄漏和谱间干扰，使谱分析产生误差。解决这一问题通常有2种办法一种是通过锁相环技术(硬件或软件)来解决同步采样和整数周期截断问题。由于电网频率并非恒定值，而锁相环响应需要时间，因而不能保证完全同步采样。普遍采用的另一种办法是通过选择谱能量主要集中在主瓣，旁瓣普能量小、且幅值衰减快的窗函数，以减小谱间干扰，即频谱的长范围泄漏；通过在频域内插值或双谱线拟合来修正，以减小栅栏效应，进而提高谐波估计精度。采用加窗插值法都有效地提高了谐波估计的精度，但随着插值修正曲线拟合函数的阶次增高及谐波含有次数的增多，谐波估计精度提高的同时计算量大量增加。
发明内容
本发明的目的是提供一种高精度快速计算电力谐波参数的方法，解决现有技术中随着插值修正曲线拟合函数的阶次增高及谐波含有次数的增多，谐波估计精度提高的同时计算量大量增加的问题。为了实现上述目的，本发明的技术方案是利用数字信号在时域中“收缩”，经傅立叶变换后在频域中“伸展”的性质，通过2次FFT精确计算出电力谐波的频率，进而再通过对称窗函数频域内插值的方法计算出电力各次谐波的幅值和相位；
采取以下步骤来实现
步骤a.以采样周期为Ts采
样被分析电力信号即电压或电流信号得:制，根据测量精度要求，选择对称窗函数《C ) elQ. JV-IJ截断已被采样的电力信号得J^(Ji)=I(Ji) τΚ")丨#为窗函数的数据截断
长度，并对截断信号&O*)进行快速傅立叶变换得
⑷产fce
,从同一起始点截断 Μ=Ν/2 长度数据，WiK") If-IIif=JVTi，也同样进行 FFT 得
xIefD1M-Il ，
上式中，JWO :屜0 )的快速傅立叶变换值；WCilAm-ωβ):所选对称窗函数*<m)
的快速傅立叶变换值。步骤c.用式I计算出基波和各次谐波的频率Ρ , = ^- Λ-&Ψ^/πντ.Ν式！
式I中F为谐波次数；Λ是基波频率；和G分别为的P次谐波的峰值谱线Αψ_=ψ·_ψ·为Ie(納I』}在P次谐波处的峰值谱线的相位差。*^和&分别为χ,,^ιιτ. 在j 次谐波处的峰值谱线\和匕的相位；
步骤d.依据“步骤c”计算出的基波和各次谐波的频率值，用式2计算出P次谐波处的峰值谱线的数字角频率*与^次谐波信号的实际数字角频率β ρ=2_ 的差
值毛,，
L = 4 -2ffZ 私式 2
式 2 中&m=2xfM ；
再用·在所加对称窗函数的频域内插值，按式3求得基波和各次谐波的校正系数
Λ式 3式3中所用对称窗函数汉宁窗函数在 =^ij 处的幅值；
步骤e.分别用式4和式5计算出基波和各次谐波的幅值和相位巧
4=禪,)式4
Ψ,=Ψ^-^-^式 5
的虚部和实部分别计算得到。有益效果，由于采用了上述方案，本发明提供了一种傅立叶变换“时域收缩频域延伸”性质测频的方法来精确计算电力谐波参数的新方法。首先用对称窗函数截断已采样的电力谐波信号，并对截断信号进行快速傅立叶变换(简称FFT)，而后用同一窗函数从同一起始点再对已采样的电力谐波信号截断一半长度的已采样电力信号，也进行FFT。依据2次FFT的相位差角等于零精确计算出基波和各次谐波的频率，进而用在对称窗函数频域内插值的方法计算出基波和各次谐波的校正系数，最后，计算出各次电力谐波的幅值和相位。解决了现有技术中随着插值修正曲线拟合函数的阶次增高及谐波含有次数的增多，谐波估计精度提高的同时计算量大量增加的问题，达到了本发明的目的。优点本发明是一种用于电网电压和电流波形畸变的分析和电力谐波参数自动监测算法，应用于各种电网电压和电流波形畸变的分析仪器和自动监测装置。本发明与其它现有的各种加窗FFT插值校正分析方法在计算耗时上有明显优势，计算量大大减少，特别适合于具有FFT硬件的DSP信号处理器上应用，是一种具有实用价值的电力谐波高精度计
算的算法。
图I为本发明定时采样、非整周期截断后的离散频谱。图2为本发明汉宁窗函数离散频谱图。
具体实施方式
实施例I :利用数字信号在时域中“收缩”，经傅立叶变换后在频域中“伸展”的性质，通过2次FFT精确计算出电力谐波的频率，进而再通过对称窗函数频域内插值的方法计算出电力各次谐波的幅值和相位；
采取以下步骤来实现
步骤a.以采样周期为笔采样被分析电力信号即电压或电流信号得，根据测量精度要求，选择对称窗函数《00 epuv-ii截断已被采样的电力信号得*ep jv-il，#为窗函数的数据截断长度，并对截断信号&( )进行快速傅立叶变换得
所述的对称窗函数是汉宁、海明、布莱克或纳托尔窗函数；
多频电力谐波信号可表示如下
权利要求
1.一种高精度快速计算电力谐波参数的方法，其特征是方法采用如下步骤步骤a.以采样周期为2；采样被分析电力信号即电压或电流信号得，根据测量精度要求，选择对称窗函数《C ) epi.JV-1]截断已被采样的电力信号得:τ ( ) *ε[0,ΛΤ-1Ι, #为窗函数的数据截断长度，并对截断信号\0*)进行快速傅立叶变换得 L Σ』,帅"’jte[om; 所述的对称窗函数是汉宁、海明、布莱克、莱夫或纳托尔窗函数； 步骤b.对已采样数据< )再用“步骤a”所用的同一窗函数τφφ Ερ.Μ-Ι，从同一起始点截断Μ=Ν/2长度数据，得=X(B)-W(*) MepiM-IlM=JVZa ,也同样进行FFT得 Jf Η)=ν4.^(2 40- . ^Ptg’1J ’ 步骤C.用式I计算出基波和各次谐波的频率 ^ZwyrmN式 ι 式I中| 为谐波次数；石是基波频率！^^和匕分别为^句亂^^的沪次谐波的峰值谱线；= Ψ·_Ψβ为和IeW在P次谐波处的峰值谱线的相位差； ^和Ψβ分别为在P次谐波处的峰值谱线4P和1P的相位；步骤d.依据“步骤C”计算出的基波和各次谐波的频率值，用式2计算出P次谐波处的峰值谱线的数字角频率与次谐波信号的实际数字角频率气· =1瓦揽的差值么,，Sajt =2spf^s式 2 式 2 中|5#|<05Δ , Αα = 2π/Μ ; 再用·在所加对称窗函数的频域内插值，按式3求得基波和各次谐波的校正系数β广式3式3中,Ρ#)所用对称窗函数在 = ^jl处的幅值； 步骤e.分别用式4和式5计算出基波和各次谐波的幅值4和相位愁 4=4 W式 4Ψ·(况-1V2式 5 P^fo &是由xjigfpjyy的虚部和实部分别计算得到。
全文摘要
一种高精度快速计算电力谐波参数的方法，属于电网电压和电流波形畸变的分析和自动监测算法。首先用对称窗函数截断已采样的电力谐波信号，并对截断信号进行快速傅立叶变换(简称FFT)，而后用同一窗函数从同一起始点截断一半长度采样数据，也进行FFT。依据2次FFT的相位差角为零精确计算出基波和各次谐波的频率，进而用在对称窗函数频域内插值的方法计算出基波和各次谐波的校正系数，最后，计算出各次电力谐波的幅值和相位。本发明与其它加窗FFT插值校正分析方法在计算耗时上有明显优势，计算量大大减少，最适合用于具有硬件FFT的DSP数字信号处理器，是一种具有实用价值的电力谐波高精度计算的算法。
文档编号G01R23/16GK102818930SQ20121032014
公开日2012年12月12日 申请日期2012年9月3日 优先权日2012年9月3日
发明者唐轶, 刘昊, 谷露, 李建华, 孙瑜欣, 于正华, 于琪, 王飞, 黄巧娜, 王猛 申请人:中国矿业大学