一种基于谐波检测的用电安全监控方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于谐波检测的用电安全监控方法。
【背景技术】
[0002]现代电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通等各种领域得到广泛应用，但由于电力电子装置是一种非线性时变拓扑负荷，其产生的谐波和无功注入电网，会使设备容量和线路损耗增加，造成发配电设备利用率的下降，影响供电质量，对电力系统的安全稳定运行构成潜在威胁。目前，谐波污染、电磁干扰和功率因子降低已成为电力系统的三大公害，因此，研究和分析谐波产生的原因，为抑制电力系统的谐波干扰提供好的检测方法，对提高电网运行质量满足用户需求具有重要的实际意义。而现在，工业生产中使用的电动机的保护装置，能够监测电动机运行过程中的线路电流和电压，并能够在发生异常状况时予以跳闸保护和报警预警。但是并没有实时模拟出运行过程中的电流和电压曲线图，从而不能直观的观察到运行回路中是否产生影响电能质量的谐波。
[0003]电力系统谐波分析通常都是通过快速傅立叶变换(FFT)实现的，但是这种方法存在栅栏效应和频谱泄漏，使计算出的谐波参数即频率、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。
【发明内容】
[0004]为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种基于谐波检测的用电安全监控方法，谐波参数计算精度高，安全监控直观准确。
[0005]本发明是通过以下措施实现的:
本发明的一种基于谐波检测的用电安全监控方法，包括以下步骤:
步骤1，对被测信号进行采样，同时采用频率跟踪，保证采样周期和信号周期同步；
步骤2，采用数字低通滤波的方法求取信号周期，然后在一个周期的时间内均匀提取2*N个数据点，其中N-1为最高次谐波阶数；
步骤3，采用同步采样SRFFT求出各谐波参数；
步骤4，结合步骤3得出的谐波参数，模拟出被测信号的曲线，并显示出来。
[0006]步骤I中对被测信号进行过采样，采样频率=F*2*N*K，其中F是信号的基波频率，N-1为最高次谐波阶数，K是采样倍率，且K大于9，采用相邻两点用直线拟合的方法求中间值，每组数据采样要保证大于两个信号基波周期。
[0007]数字低通滤波采用IIR滤波器，用MATLAB语言对IIR滤波器进行辅助设计，求出指定指标的滤波器系数，采用椭圆滤波器模型设计IIR数字滤波器。
[0008]滤波求周期是指对只剩基波成分的波形用周期法求取基波周期。
[0009]均匀提取2*N个点是指在一个整周期的时间里用直线拟合插值的方法均匀求取2*N个数据点的值，N-1为最高次谐波阶数。
[0010]本发明的有益效果是:本发明采用SRFFT求出各谐波参数，具有很高的计算精度，即使对于幅值较小的偶次谐波也能准确地求出其各项参数，尤其是对于提高相位计算的精度更为明显。而且能够直观地显示出来，方便监测。
【具体实施方式】
[0011]本发明的一种基于谐波检测的用电安全监控方法，首先对被测信号进行采样，同时采用频率跟踪，保证采样周期和信号周期同步。对被测信号进行过采样采样频率=F*2*N*K，其中F是信号的基波频率，N-1为最高次谐波阶数，K是采样倍率，且K大于9，采用相邻两点用直线拟合的方法求中间值，每组数据采样要保证大于两个信号基波周期。然后并进行模数转换，按所测信号估计的最大周期值，保证每组数据能采样到两个信号周期的数据。设计IIR数字滤波器对数据进行滤波，将基波以外的谐波成分全部滤除。在对数据进行滤波前，先用数字滤波器的采样频率对原始数据进行重采样，使用一个固定的频率进行重采样是为了使滤波器在设计时容易获得稳定系数和在滤波时能在较短的时间内稳定下来。由于对数据进行滤波只是为了求基波周期，所以对滤波器的幅频特性和相频特性就没有太高的要求，只要滤波后基波的周期不变就可以了。最经典的数字滤波器为FIR滤波器和IIR滤波器，但在相同的性能指标下，FIR滤波器的阶数要比IIR滤波器高得多，为了减小计算量，这里选择IIR滤波器。用MATLAB语言对IIR滤波器进行辅助设计，求出指定指标的滤波器系数。这里用椭圆滤波器模型设计IIR数字滤波器，因为它的阶数最小且容易获得稳定的滤波系统。在设计滤波器时，为了使滤波器一直工作在较稳定的状态下，这里不是对每组数据单独进行滤波，而是把上一组数据滤波前后的M(M为滤波器长度)数据作为下一组的初始值，这样就相当于只是对一组很长的数据进行较稳定的滤波，避免了每组数据都需要等待一个较长的过渡期。
[0012]用周期法对滤波后的数据求取基波周期值。为了减小上一组数据对下一组数据的影响，这里选择用第四个过零点减去第二个过零点来求取周期。第二个过零点前的时间为过渡时间，保证有一定时间的过渡期，使这种
基波频率求取方法有更强的适应性。
[0013]对原始数据在一个基波周期的时间内均匀提取2*N个点，N-1为最高次谐波阶数。对起始点没有特别要求，只要保证其后有一个完整周期的数据就可以。当要提取的点不在原始数据上，就用直线拟合的方法对原始数据相邻的两点进行拟合。由于原始数据的采样频率非常高，所以用直线拟合的方法来求取仍能得到非常高的精度。用这个方法求取2*N个数据点，避免了软件同步采样时截断误差造成周期误差，减小了最终的频谱泄漏。
[0014]用同步采样法的SRFFT方法求取各谐波成分的值。利用复序列加窗插值分裂基快速傅立叶变换(SRFFT)。该算法能极大地提高FFT计算的精度，从而满足谐波测量中对谐波参数的精度要求。针对电力系统谐波测量的要求，设计数据采集电路。为了消除频率混叠带来的误差，专门设计具有较好性能的低通滤波器和数字滤波器；由于系统频率波动性，设计有硬件电路组成的频率跟踪环节，最终实现采样周期和信号周期同步。并编写A / D转换驱动程序、控制程序和算法子程序，将它们应用于谐波测量单元，从而完成电力系统谐波分析。
[0015]由于上面的2*N个点的数据是在一个整周期的时间里均匀求取的，它几乎达到理想的同步采样，因此用同步采样法来求取谐波参数引起的频谱泄漏就非常小。与准同步采样法相比，这种方法在满足较高精确度要求的同时，实时性与准同步的三到五个信号周期相比提高一倍左右。这种方法可以做到每两个信号周期更新一次数据，且能非常精确地测量出基波的周期。最后结合得出的谐波参数，模拟出被测信号的曲线，并显示出来。这样可以使结果更加直观，便于操作者观察。
[0016]以上所述仅是本专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。
【主权项】
1.一种基于谐波检测的用电安全监控方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤1，对被测信号进行采样，同时采用频率跟踪，保证采样周期和信号周期同步； 步骤2，采用数字低通滤波的方法求取信号周期，然后在一个周期的时间内均匀提取2*N个数据点，其中N-1为最高次谐波阶数； 步骤3，采用同步采样SRFFT求出各谐波参数； 步骤4，结合步骤3得出的谐波参数，模拟出被测信号的曲线，并显示出来。2.根据权利要求1所述的基于谐波检测的用电安全监控方法，其特征在于:步骤I中对被测信号进行过采样，采样频率=F*2*N*K，其中F是信号的基波频率，N-1为最高次谐波阶数，K是采样倍率，且K大于9，采用相邻两点用直线拟合的方法求中间值，每组数据采样要保证大于两个信号基波周期。3.根据权利要求1所述的基于谐波检测的用电安全监控方法，其特征在于:数字低通滤波采用IIR滤波器，用MATLAB语言对IIR滤波器进行辅助设计，求出指定指标的滤波器系数，采用椭圆滤波器模型设计IIR数字滤波器。4.根据权利要求1所述的基于谐波检测的用电安全监控方法，其特征在于:滤波求周期是指对只剩基波成分的波形用周期法求取基波周期。5.根据权利要求1所述的基于谐波检测的用电安全监控方法，其特征在于:均匀提取2*N个点是指在一个整周期的时间里用直线拟合插值的方法均匀求取2*N个数据点的值，N-1为最高次谐波阶数。
【专利摘要】本发明的一种基于谐波检测的用电安全监控方法，包括以下步骤：首先对被测信号进行采样，同时采用频率跟踪，保证采样周期和信号周期同步；然后采用数字低通滤波的方法求取信号周期，然后在一个周期的时间内均匀提取数据点；再然后采用同步采样SRFFT求出各谐波参数；最后结合得出的谐波参数，模拟出被测信号的曲线，并显示出来。本发明的有益效果是：本发明采用SRFFT求出各谐波参数，具有很高的计算精度，而且能够直观地显示出来，方便监测。
【IPC分类】G01R23/16
【公开号】CN105067881
【申请号】CN201510440355
【发明人】宋立景, 巩向前, 宋立宗, 张秀龙
【申请人】淄博格瑞恩电气科技有限公司
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月24日