基于周期优化和数据重构的交流电力谐波向量测量方法与流程

本发明属于仪器仪表技术领域，特别是涉及基于周期优化和数据重构的交流电力谐波向量测量方法。

背景技术：

(1)谐波辨识及关键技术

谐波辨识是谐波治理的基础，谐波辨识的主要内容是辨识谐波源、确定谐波传输特性和谐波相序特性；辨识谐波源的基本方法是功率方向法，即当负荷注入系统谐波功率为正值时，则判定该负荷存在谐波源。

辨识谐波源的关键技术是准确地测量谐波功率大小与功率因数角，即准确地测量同测量点、同相、同次谐波电压和谐波电流的幅值与相位差。

确定谐波传输特性的基本方法是阻抗比较法：若谐波电流源传输阻抗大于供电母线系统阻抗，则谐波电流传输网络存在并联谐振特性；若谐波电流源传输阻抗小于供电母线系统阻抗，则谐波电流传输网络具有滤波特性；若谐波电压源传输阻抗小于供电母线负载阻抗，则谐波电压传输网络存在串联谐振特性；若谐波电压源传输阻抗大于供电母线负载阻抗，则谐波电压传输网络具有衰减特性。

为了有效地治理谐波，必须将谐波电流传输网络中存在并联谐振特性变为滤波特性，将谐波电压传输网络中存在串联谐振特性变为衰减特性，这就需要准确地测量谐波阻抗的幅值与阻抗角。

确定谐波传输特性和治理谐波的关键技术是准确地测量谐波阻抗的幅值与阻抗角，即准确地测量同测量点、同相、同次谐波电压和谐波电流的幅值与相位差。

确定谐波的相序特性的基本方法是对称分量法，其关键是要准确地测量同测量点、不同相间、同次谐波电压(或电流)的幅值与相位差。

总之，谐波辨识的关键技术是准确地测量同测量点同相、同次谐波电压和谐波电流的幅值与相位差，准确地测量同测量点、不同相间、同次谐波电压(或电流)的幅值与相位差。简单地说，谐波辨识的关键技术是高精度谐波向量(幅值与相位)测量技术。

(2)现有技术

①基于同步数据采集和数据截取的交流电力谐波向量测量方法

在20世纪90年代，由于多通道数据采集单元硬件成本占整机成本高，采用多通道同步数据采集单元成本远大于采用多通道异步采集单元成本，对于同步要求不高的仪器一般采用多通道异步采集单元。到了21世纪初，多通道数据采集单元硬件成本大幅度降低，采用多通道同步数据采集单元还是采用多通道异步数据采集单元对整机成本影响不大。为了实现多通道同步数据采集，现在多采用同步数据采集单元,并采用矩形窗口截取数据，即图1所示的“基于多通道同步数据采集和矩形窗口数据截取的交流电力谐波向量测量方法”，其优点是能实现单通道高速数据采集，且数据处理简单，适用于测量50khz以上的多通道信号。

如附图1，其为现有技术中基于同步数据采集和矩形窗口数据截取的交流电力谐波向量测量流程图，图中：

u(t):相电压模拟信号，i(t):线电流模拟信号，t:时间；

xg(n):g通道采集数据，g＝0、1、...、g-1为通道编号，g为信号通道总数，n为数据采集序号；

t1q为t＝tq时(对应n＝nq)的基波运行周期；

pg(n):t＝tq时(对应n＝nq)整序后的矩形窗口截取的数据，n＝0、1、...、n-1，n为矩形窗口截取数据总数。

uh:复数相电压，u0：相电压直流分量，uh：相电压交流分量有效值，h＝1为基波分量，hmax≥h≥2为测量通带内谐波次数的范围,hmax为测量通带最高谐波次数，αh：相电压交流分量相位角；

ih:复数相电流，i0：相电流直流分量，ih：相电流交流分量有效值，h＝1为基波分量，hmax≥h≥2为测量通带内谐波次数的范围,hmax为测量通带最高谐波次数，βh：相电流交流分量相位角；

抗混叠滤波器：在误差分配中，图1和图2中(图2为本发明提出的基于多通道异步数据采集和矩形窗口重构数据的交流电力谐波向量测量方法的流程图)的抗混叠滤波器产生的幅值与随机相位误差与其它单元产生的幅值与随机相位误差相比较可忽略不计。

在本发明专利的所有申请文件中，所有涉及测量误差的讨论，不包含信号输入电路所产生的误差。

(3)现有技术存在的问题

对于带宽不大于6khz的多通道电力向量谐波分析，存在如下两个问题：

①同步数据采集周期长使相位测量误差大

多通道同步数据采集相对于异步数据采集的数据采集周期长，每个数据对应时间的不确定范围大，等值通道间同步误差大，因此谐波相位和谐波相位差的测量误差大，而且谐波次数越高，谐波相位的测量误差越大。缩短数据采集周期又会使数据量太大，占用计算机的存储资源和时间资源太多。

②矩形窗口截取数据产生的频谱泄漏使谐波幅值测量误差大

由于电力信号基波运行周期t1q是变化的，而通道数据采集周期ts是不变的，宽度为t1q的矩形窗口截取数据总数和频率跟踪误差都是变化的，而且ts越大|λf|越大，频谱泄漏越严重，谐波幅值的测量误差越大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于周期优化和数据重构的交流电力谐波向量测量方法，通过基于周期优化和数据重构对交流电力谐波向量进行测量，提高了谐波向量测量精度：重构无频率跟踪误差的通道数据，从而减小了谐波幅值的泄漏误差；重构无同步误差的通道数据，从而减小了通道间相位差误差。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为基于周期优化和数据重构的交流电力谐波向量测量方法，包括以下步骤：ss01、多通道异步数据采集；ss02、计算基波运行周期；ss03、矩形窗口重构数据；ss04、傅里叶变换；ss05、数据输出；

其中，ss01多通道异步数据采集后进行多通道异步数据采集周期优化，包括以下子步骤：

stp11、计算同步数据采集装置的数据采集周期tst

式中:f1为电力系统基波频率；hmax为感兴趣的最高频率谐波次数；kc为截频系数，n为傅里叶变换单周期窗口内的数据总数，kc＝612；

stp12、测试同步通道间基波相位差的测量误差δ1t(°)；

使标准信号发生器输出50hz正弦波电压信号，电压幅值为数据采集装置输入量程的80％左右，将该同一信号接入数据采集装置的所有通道；待测试系统正常工作后，纪录每次测量时所有通道信号的相位数据，按相位值大小排序，相位最大值与最小值之差作为通道间基波相位差误差的本次测试值；连续测量30次，其中最大值即δ1t；

其中，通道间基波相位差误差的测量值为δ1t；通道基波相位测量误差的估算值为通道间h次谐波相位差的估算值为hδ1t；通道基波相位测量误差的估算值为

stp13、优化多通道异步数据装置的数据采集周期ts；

(1)计算条件

基波通道间相位误差限值为δ1l；

谐波次数为hmax时谐波通道间相位误差限值为δhl；

(2)优化ts

在和中取较小值作为ts的值；

式中：

g为数据采集通道总数；tss为满足采样定理的多通道异步数据采集周期；t1s为满足δ1l要求的多通道异步数据采集周期；ths为满足δhl要求的多通道异步数据采集周期；

其中，ss03矩形窗口数据重构，包括以下子步骤：

stp21、整序和计算电网基波运行周期t1q

(1)输入：x(n)，g，ts；其中，x(n)为系统多通道巡回采集数据，n＝0、1、...、∞为x(n)的多通道巡回采集数据序号；g为信号通道总数；ts为系统巡回数据采集周期；

(2)整序：g为信号通道编号，g＝0、1、...、g-1；

xg(n)＝x(ng+g)

式中：xg(n)为通道数据，n＝0、1、...、∞为xg(n)的数据序号；

(3)计算tq时刻的t1q

tq为约定分析计算时间点

选择测量通道中的一个交流电压信号通道计算t1q；

式中：tsg为通道采样周期，tsg＝gts；nq为tq时刻对应的通道数据序号；n1为nq前距离第e个零点左边最近的xg(n)的单通道数据序号；n2为nq后距离第e+1个零点右边最近的xg(n)的单通道数据序号；e为(n2-n1)tsg时间内周期数；

(4)输出：xg(n)，g，tq，tsg，t1q；

stp22、重构tq时刻无频率跟踪误差的通道数据yg(n)

(1)输入：xg(n)，g，tq，tsg，t1q，n；

(2)计算t＝tq时刻无频率跟踪误差的采样周期tsq；

n为基波周期内的单通道数据重构点的总数

(3)重构tq时刻无频率跟踪误差的通道数据yg(n)

式中：n＝0、1、...、n；

(4)输出：yg(n)，g，tq，tsq，n；

stp23、重构tq时刻无同步误差的通道数据zg(n)

(1)输入：yg(n)，g，tq，tsq，n；

(2)重构tq时刻无同步误差的通道数据zg(n)

式中：n＝1、2、...、n；

(4)输出：zg(n)，g，tq，tsq，n；

stp24、整序并输出重构数据pg(n)

(1)输入：zg(n)，g，tq，tsq,n；

(2)整序重构数据：pg(n)＝zg(n+1)，n＝0、1、...、n-1；

(3)输出：pg(n)，g，tq，tsq,n。

进一步地，所述stp12中的测试装备为两通道12位(或以上)同步数据采集装置，采集周期为tst，实施装置同步数据采集装置包括基波向量分析功能以及标准信号发生器。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过基于周期优化和数据重构对交流电力谐波向量进行测量，提高了谐波向量测量精度：重构无频率跟踪误差的通道数据，从而减小了谐波幅值的泄漏误差；重构无同步误差的通道数据，从而减小了通道间相位差误差；提高电能质量治理工程的技术水平和经济效益；谐波向量测量技术将从根本上解决谐波的辨识问题，从而更加科学地制定电能质量治理方案，使电能质量治理更加经济有效。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为现有技术中基于多通道同步数据采集和矩形窗口截取数据的交流电力谐波向量测量流程图；

图2为本发明提出的基于多通道异步数据采集和矩形窗口数据重构的交流电力谐波向量测量流程图；

图3为本发明提出的矩形窗口数据重构流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2-3，本发明为基于周期优化和数据重构的交流电力谐波向量测量方法，包括以下步骤：ss01、多通道异步数据采集；ss02、计算基波运行周期；ss03、矩形窗口重构数据；ss04、傅里叶变换；ss05、数据输出；

其中，ss01多通道异步数据采集后进行多通道异步数据采集周期优化，包括以下子步骤：

stp11、计算同步数据采集装置的数据采集周期tst

式中:f1为电力系统基波频率；hmax为感兴趣的最高频率谐波次数；kc为截频系数，n为傅里叶变换单周期窗口内的数据总数，kc＝612；

stp12、测试同步通道间基波相位差的测量误差δ1t(°)；

使标准信号发生器输出50hz正弦波电压信号，电压幅值为数据采集装置输入量程的80％左右，将该同一信号接入数据采集装置的所有通道；待测试系统正常工作后，纪录每次测量时所有通道信号的相位数据，按相位值大小排序，相位最大值与最小值之差作为通道间基波相位差误差的本次测试值；连续测量30次，其中最大值即δ1t；

其中，通道间基波相位差误差的测量值为δ1t；通道基波相位测量误差的估算值为通道间h次谐波相位差的估算值为hδ1t；通道基波相位测量误差的估算值为

stp13、优化多通道异步数据装置的数据采集周期ts；

(1)计算条件

基波通道间相位误差限值为δ1l；

谐波次数为hmax时谐波通道间相位误差限值为δhl；

(2)优化ts

在和中取较小值作为ts的值；

式中：

g为数据采集通道总数；tss为满足采样定理的多通道异步数据采集周期；t1s为满足δ1l要求的多通道异步数据采集周期；ths为满足δhl要求的多通道异步数据采集周期；

其中，如图3，ss03矩形窗口数据重构，包括以下子步骤：

stp21、整序和计算电网基波运行周期t1q

(1)输入：x(n)，g，ts；其中，x(n)为系统多通道巡回采集数据，n＝0、1、...、∞为x(n)的多通道巡回采集数据序号；g为信号通道总数；ts为系统巡回数据采集周期；

(2)整序：g为信号通道编号，g＝0、1、...、g-1；

xg(n)＝x(ng+g)

式中：xg(n)为通道数据，n＝0、1、...、∞为xg(n)的数据序号；

(3)计算tq时刻的t1q

tq为约定分析计算时间点

选择测量通道中的一个交流电压信号通道计算t1q；

式中：tsg为通道采样周期，tsg＝gts；nq为tq时刻对应的通道数据序号；n1为nq前距离第e个零点左边最近的xg(n)的单通道数据序号；n2为nq后距离第e+1个零点右边最近的xg(n)的单通道数据序号；e为(n2-n1)tsg时间内周期数；

(4)输出：xg(n)，g，tq，tsg，t1q；

stp22、重构tq时刻无频率跟踪误差的通道数据yg(n)

(1)输入：xg(n)，g，tq，tsg，t1q，n；

(2)计算t＝tq时刻无频率跟踪误差的采样周期tsq；

n为基波周期内的单通道数据重构点的总数

(3)重构tq时刻无频率跟踪误差的通道数据yg(n)

式中：n＝0、1、...、n；

(4)输出：yg(n)，g，tq，tsq，n；

stp23、重构tq时刻无同步误差的通道数据zg(n)

(1)输入：yg(n)，g，tq，tsq，n；

(2)重构tq时刻无同步误差的通道数据zg(n)

式中：n＝1、2、...、n；

(4)输出：zg(n)，g，tq，tsq，n；

stp24、整序并输出重构数据pg(n)

(1)输入：zg(n)，g，tq，tsq,n；

(2)整序重构数据：pg(n)＝zg(n+1)，n＝0、1、...、n-1；

(3)输出：pg(n)，g，tq，tsq,n。

进一步地，所述stp12中的测试装备为两通道12位(或以上)同步数据采集装置，采集周期为tst，实施装置同步数据采集装置包括基波向量分析功能以及标准信号发生器。

实施例一：

(1)针对现有技术中已有技术存在的问题，本发明提出一种基于数据采集周期优化和数据重构的交流电力谐波向量测量方法，其流程图如图2所示。现有方法和本发明方法的测量计算功能模块数目相同，所不同的是有两个模块功能实现方法不同：多通道数据采集模块的采集方法不同，前者为同步采集采样，后者为异步采集；多通道数据采集模块的数据采集周期计算方法不同，前者一般不考虑最高次谐波相位测量误差限值，后者则考虑最高次谐波相位测量误差限值等综合因素优化数据采集周期；矩形窗口数据获取模块的获取方法不同，前者为截取方法，后者为重构方法。如表1所示。

表1现有技术与本发明技术的谐波向量测量案例

对带宽不大于6khz的多通道谐波分析仪、傅里叶变换窗口宽度为单周期基波周期为50hz、单通道采样频率为25.6khz时，现有技术与本发明技术的谐波向量测量方法与精度指标对比如表2所示。

表2现有技术与本发明技术的谐波向量测量方法与精度指标对比

结合表1和表2可以看出本发明相比现有技术具有以下优点：

(1)降低了数据采集装置的硬件成本。

(2)提高了谐波向量测量精度。

(3)推动了电力测量的技术进步；谐波向量测量问题是电力向量测量技术的关键和难点，电力向量测量技术是智能电网的关键技术，我国电力向量测量仪器高端市场目前大部分被美国公司占领，本发明技术的应用将使我国电力向量测量仪器的制造技术和电力向量测量技术达到甚至超过国际先进水平。

(4)提高电能质量治理工程的技术水平和经济效益；谐波向量测量技术将从根本上解决谐波的辨识问题，从而更加科学地制定电能质量治理方案，使电能质量治理更加经济有效。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。