專利名稱：一種電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)諧波瞬時(shí)值的提取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)諧波瞬時(shí)值的提取方法，屬于電力信號(hào)檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
提取電力系統(tǒng)電氣信號(hào)中的在電能質(zhì)量的檢測和改善方面具有非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 按照國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，電網(wǎng)公司要為用戶提供優(yōu)質(zhì)的電能，同時(shí)，用戶要保正自己的用電質(zhì)量滿足要求。在諸多電能質(zhì)量問題中，諧波是最為常見的電能質(zhì)量問題。諧波問題又可分為電流諧波和電壓諧波兩個(gè)方面。電網(wǎng)中諧波的危害是十分嚴(yán)重的。諧波可以使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，降低電氣設(shè)備的利用率，并加速絕緣材料的老化，甚至能夠引發(fā)故障并損壞設(shè)備。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，致使諧波放大，造成電容器等設(shè)備的損壞，甚至?xí)l(fā)生爆炸和火災(zāi)。諧波還會(huì)引起機(jī)電保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，影響電能計(jì)量的精度，干擾通信設(shè)備和電子設(shè)備的正常工作。諧波提取、檢測的意義首先體現(xiàn)在對(duì)供電質(zhì)量和用電質(zhì)量的檢測上。諧波的檢測用來可以判斷諧波來源以及是否滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并使相關(guān)責(zé)任方承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。諧波提取的意義主要體現(xiàn)在諧波補(bǔ)償方面。傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置基于電感-電容(LC)調(diào)諧濾波器。該型濾波器的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，諧波被放大，甚至?xí)?dǎo)致嚴(yán)重的事故。目前，抑制諧波的主要趨勢(shì)是采用有源電力濾波器(Active Power Filter, APF)。有源電力濾波器是一種電力電子裝置,其基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測出諧波電流或電壓，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生諧波電流或電壓的反電流或電壓抵消掉負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流或來自電網(wǎng)的諧波電壓，從而提高用電質(zhì)量和供電質(zhì)量。顯見，諧波的提取是有源電力濾波器工作的基礎(chǔ)，諧波提取的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性從根本上決定了有源電力濾波器的補(bǔ)償效果?，F(xiàn)在常用的諧波提取算法有離散傅里葉變換(Discreet Fourier Transform,DFT)、快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT^PI在同步旋轉(zhuǎn)域(dq坐標(biāo)系)內(nèi)采用低通濾波。離散傅里葉變換方法的主要缺陷在于計(jì)算量較大，在實(shí)際應(yīng)用中往往難以實(shí)現(xiàn)?？焖俑道锶~變換的缺點(diǎn)在于其采樣頻率必須是工頻的2n倍，這就在很大程度上限制了快速傅里葉變換的應(yīng)用范圍。在同步旋轉(zhuǎn)域采用低通濾波器的缺點(diǎn)也是計(jì)算量大，在采樣頻率較高且需要提取較多次諧波成分時(shí)，該方法難以實(shí)現(xiàn)諧波的實(shí)時(shí)檢測，往往利用若干個(gè)采樣周期檢測一次諧波的策略來減少每個(gè)采樣周期的計(jì)算量，而且為了提高諧波提取的精度，往往降低其響應(yīng)速度，從而會(huì)降低有源電力濾波器補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)效果。電網(wǎng)中常見的另外一個(gè)電能質(zhì)量問題就是負(fù)荷無功功率。若負(fù)荷無功功率過大，不僅會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)供電電壓偏低、造成額外的網(wǎng)損，甚至?xí)T發(fā)電壓崩潰，造成大面積停電。靜止同步補(bǔ)償器(STATC0M)是一種新型的無功補(bǔ)償設(shè)備，具有響應(yīng)速度快、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。在負(fù)載電流波形畸變的情況下，負(fù)載電流中基波瞬時(shí)值的提取對(duì)于靜止同步補(bǔ)償器具有重要的應(yīng)用價(jià)值?；梢暈榇螖?shù)為I的諧波。通常情況下，靜止同步補(bǔ)償器僅補(bǔ)償負(fù)荷的無功電流，即僅發(fā)出基波無功電流。但是某些負(fù)荷不僅吸收大量無功功率，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的諧波電流，如電弧爐、電氣化鐵路等。在這些應(yīng)用場合下，需要迅速、準(zhǔn)確地提取出負(fù)荷電流的基波瞬時(shí)值，進(jìn)而計(jì)算出負(fù)荷電流基波無功電流的瞬時(shí)值。因此，提高基波電流瞬時(shí)值的提取速度對(duì)提高靜止無功發(fā)生器的動(dòng)態(tài)性能具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提出一種電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)諧波瞬時(shí)值的提取方法，以克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)，減少諧波檢測所需的計(jì)算量。本發(fā)明提出的電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)諧波瞬時(shí)值的提取方法，包括以下各步驟(I)設(shè)在每個(gè)工頻周期，對(duì)電力系統(tǒng)中的電氣信號(hào)等間隔采樣N個(gè)點(diǎn)，從采樣點(diǎn)中待提取第i、k、…、h次諧波，其中i、k、…、h為大于0且小于N/2的整數(shù)，采集電力系統(tǒng)當(dāng)前的電壓信號(hào)或電流信號(hào)，記為x。，記當(dāng)前采樣的第前一個(gè)采樣值為X1,依次類推，第前N 個(gè)采樣值為Xn，使Xp…、xN的初始值為0;(2)設(shè)定一個(gè)增益系數(shù)K1, KF2/N，計(jì)算中間變量&1，B1=K1X (x0 — xN)；(3)設(shè)定一個(gè)增益系數(shù)K2，K2的取值范圍為1X10_7 1X10_4，設(shè)定一個(gè)中間變量Y，使Y的初始值為0，計(jì)算中間變量a2，B2=K2X (x0 — Y)；(4)根據(jù)上述步驟(2)計(jì)算得到的ai與上述步驟(3)計(jì)算得到的a2，得到中間變
単 ^3 <3-3=ai~*~a2 >(5)對(duì)于待提取的第i次諧波，設(shè)兩個(gè)常數(shù)Gei和Gsi，其中Gei = cos (2i Ji /N)，Gsi=sin(2i n /N),設(shè)兩個(gè)中間變量Vi和Wi,使兩個(gè)中間變量Vi和Wi的初始值均為0,通過計(jì)算得到第i次諧波的瞬時(shí)值yidiZafVi,計(jì)算YiXGei — WiXGsi得到新的Vi,計(jì)算YiXGsi +WiXGci得到新的Wi ；(6)利用與步驟(5)相同的方法，計(jì)算第k、…、h次諧波的瞬時(shí)值yk、…、yh，并得到新的vk、…、Vh和wk、…、Wh;(7)求上述步驟(5)和步驟(6)中新的Vi、vk、…、vh之和，并將該和賦值予中間變量Y ;(8)利用步驟(5)和(6)中的新的Vp vk、…、vh, wk、…、Wh以及步驟(7)得到的中間變量Y，重復(fù)上述步驟(I) (7)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)諧波成分瞬時(shí)值的提取。本發(fā)明提出的一種電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)諧波成分瞬時(shí)值的提取方法，其優(yōu)點(diǎn)是I、本發(fā)明方法的計(jì)算量小，計(jì)算過程中所需的三角函數(shù)為固定值，可以離線求解，使得計(jì)算過程中只包含乘法和加減法，減小了計(jì)算過程中的計(jì)算量；單獨(dú)提取某一次諧波信號(hào)僅需4+2次乘法運(yùn)算，若要提取n次不同的諧波，共需4n+2次乘法計(jì)算。2、本發(fā)明方法所需采樣頻率不受特定限制，便于應(yīng)用，采樣頻率可以為工頻的任意整數(shù)倍，但要大于被采樣電氣信號(hào)中最高次諧波頻率的兩倍。3、本發(fā)明方法的響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)過程僅需一個(gè)工頻周期便可準(zhǔn)確地計(jì)算出變化后的諧波。


圖I是本發(fā)明方法的流程圖。圖2 是在幅值為I的基波上突然注入幅值為0. I的5次諧波和幅值為0. 05的13
次諧波的仿真結(jié)果。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的一種電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)諧波成分瞬時(shí)值的提取方法，其流程框圖如圖I所示，該方法包括以下各步驟(I)設(shè)在每個(gè)工頻周期，對(duì)電力系統(tǒng)中的電氣信號(hào)等間隔采樣N個(gè)點(diǎn)，從采樣點(diǎn)中待提取第i、k、…、h次諧波，其中i、k、…、h為大于0且小于N/2的整數(shù)，采集電力系統(tǒng)當(dāng)前的電壓信號(hào)或電流信號(hào)，記為x。，記當(dāng)前采樣的第前一個(gè)采樣值為X1,依次類推，第前N個(gè)采樣值為Xn，使Xp…、xN的初始值為0;(2)設(shè)定一個(gè)增益系數(shù)K1, 1=2/ ,計(jì)算中間變量a:, B1=K1 X (x0 — xN)；(3)設(shè)定一個(gè)增益系數(shù)K2，K2的取值范圍為1X10_7 1X10_4，設(shè)定一個(gè)中間變量Y，使Y的初始值為0，計(jì)算中間變量a2，B2=K2X (x0 — Y)；(4)根據(jù)上述步驟(2)計(jì)算得到的ai與上述步驟(3)計(jì)算得到的a2，得到中間變
単 ^3 <3-3=ai~*~a2 >(5)對(duì)于待提取的第i次諧波，設(shè)兩個(gè)常數(shù)Gcd和Gsi，其中Gcd = cos (2i Ji /N)，Gsi =sin(2i n /N),設(shè)兩個(gè)中間變量Vi和Wi,使兩個(gè)中間變量Vi和Wi的初始值均為0,通過計(jì)算得到第i次諧波的瞬時(shí)值yi，yi=a3 + Vi,計(jì)算YiXGei — WiXGsi得到新的Vi,計(jì)算YiXGsi +WiXGci得到新的Wi ；(6)利用與步驟(5)相同的方法，計(jì)算第k、…、h次諧波的瞬時(shí)值yk、…、yh，并得到新的vk、…、Vh和wk、…、Wh;(7)求上述步驟(5)和步驟(6)中新的Vi、vk、…、vh之和,并將該和賦值予中間變量Y ;(8)利用步驟(5)和(6)中的新的Vp vk、…、vh, wk、…、Wh以及步驟(7)得到的中間變量Y，重復(fù)上述步驟(I) (7)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)諧波成分瞬時(shí)值的提取。圖2為本發(fā)明的仿真結(jié)果，仿真中在20ms時(shí)刻，在原理幅值為I的正弦信號(hào)上突然加上幅值為0. I的5次諧波和幅值為0. 05的13次諧波。從圖2可知利用本發(fā)明方法可以準(zhǔn)確迅速地提取出諧波信號(hào)的瞬時(shí)值。
權(quán)利要求
1.一種電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)諧波瞬時(shí)值的提取方法，其特征在于該方法包括以下各步驟 (1)設(shè)在每個(gè)工頻周期，對(duì)電力系統(tǒng)中的電氣信號(hào)等間隔采樣N個(gè)點(diǎn)，從采樣點(diǎn)中待提取第i、k、…、h次諧波，其中i、k、…、h為大于O且小于N/2的整數(shù)，采集電力系統(tǒng)當(dāng)前的電壓信號(hào)或電流信號(hào)，記為x。，記當(dāng)前采樣的第前一個(gè)采樣值為X1，依次類推，第前N個(gè)采樣值為Xn，使Xp…、Xn的初始值為O ; (2)設(shè)定一個(gè)增益系數(shù)K1,K^/N，計(jì)算中間變量&1，B1=K1X (x0 — xN)； (3)設(shè)定一個(gè)增益系數(shù)K2,K2的取值范圍為IX 10^1 X 10_4，設(shè)定一個(gè)中間變量Y，使Y的初始值為0，計(jì)算中間變量a2，B2=K2X (x0 — Y)； (4)根據(jù)上述步驟(2)計(jì)算得到的與上述步驟(3)計(jì)算得到的a2，得到中間變量a3， a3=ai+a2 ; (5)對(duì)于待提取的第i次諧波，設(shè)兩個(gè)常數(shù)Gcd和Gsi，其中Gcd= cos (2i JI /N)，Gsi =sin(2i n /N),設(shè)兩個(gè)中間變量Vi和Wi,使兩個(gè)中間變量Vi和Wi的初始值均為0,通過計(jì)算得到第i次諧波的瞬時(shí)值yi，yi=a3 + Vi,計(jì)算YiXGei — WiXGsi得到新的Vi,計(jì)算YiXGsi +WiXGci得到新的Wi ； (6)利用與步驟(5)相同的方法，計(jì)算第k、…、h次諧波的瞬時(shí)值yk、…、yh，并得到新的 Vk、…、Vh 和 wk、…、Wh; (7)求上述步驟(5)和步驟(6)中新的Vi、vk,…、Vh之和，并將該和賦值予中間變量Y； (8)利用步驟(5)和(6)中的新的Vpvk>…、vh, Wk>…、Wh以及步驟(7)得到的中間變量Y，重復(fù)上述步驟(I) (7)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)諧波成分瞬時(shí)值的提取。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)中電氣信號(hào)諧波瞬時(shí)值的提取方法，屬于電力信號(hào)檢測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明方法首先對(duì)電氣信號(hào)進(jìn)行采樣，然后計(jì)算出采樣值與上一工頻周期響應(yīng)采樣值之差，同時(shí)計(jì)算出采樣值與一中間變量的差，根據(jù)這兩個(gè)值計(jì)算出新的中間變量，利用該中間變量便可以計(jì)算出不同諧波的瞬時(shí)值。本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小，計(jì)算過程中僅需乘法和加減法；不需要特定的采樣頻率，便于應(yīng)用；同時(shí)響應(yīng)速度快，僅需一個(gè)工頻周期便可以計(jì)算出變化后的諧波。
文檔編號(hào)G01R23/16GK102759659SQ20121026089
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月26日
發(fā)明者何偉斌, 何可敬, 葉立平, 姜齊榮, 李春華, 楊程, 王亮, 王志賢, 田旭, 羅瑞彬, 謝化安, 趙俊秋, 雷烈波, 高明振, 魏應(yīng)冬, 黃偉雄 申請(qǐng)人:廣東電網(wǎng)公司東莞供電局, 清華大學(xué)