本发明专利技术公开了一种准确计算分析谐波及电能质量的方法，选定被测信号采样序列；对采样序列离散傅里叶变换(DFT)；选择3阶最快衰减窗Nuttall窗；对信号加窗后离散傅里叶变换；进行计算求出相位最后，就得到了被测信号的幅值Ak、频率fk、相位完成对谐波和电能质量的分析。本发明专利技术通过加窗的来消除长程泄露，通过插值算法消除短程泄露产生的误差，本发明专利技术方法克服了现有技术因非同步采样而产生的频谱泄露。测试比对结果显示，该算法的频率、幅值、相位测量误差很小，相对于实际测量误差，完全可以忽略。采用本发明专利技术的设备能够作为省一级及以上技术监督局或电力科学研究院电能质量标准实验室的谐波测量标准装置。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电学领域，尤其设及。
技术介绍
近年来，随着我国电力需求快速增长，电力工业发展逐步壮大，电网建设步伐不断 加快，谐波对电能质量的影响越来越受到人们的关注。所有的非线性负荷都能产生谐波电 流，产生谐波的设备类型有；开关模式电源（SMP巧、电子巧光灯镇流器、调速传动装置、不 间断电源扣P巧、磁性铁巧设备及某些家用电器如电视机等。电网谐波来自于S个方面：一 是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；S是用电设备产生的谐波，其中 用电设备产生的谐波最多。 目前，常规谐波分析仪通过离散采样被测量信号，然后对采样数据进行离散傅里 叶分析值FT)得到被测量信号的谐波参数，如果采样频率不是谐波信号频率的整数倍，即 不是同步采样，那么会由于频谱泄露造成测量误差。一般谐波及电能质量分析仪采用锁相 环来保证同步采样，该能够满足谐波的测量准确要求，但高准确度谐波分析仪采用锁相环 并不合适，因为锁相环本身有误差，并且锁相环不能跟踪严重崎变的信号，而人为设置的校 准信号可能严重崎变。 另一方面，不采用锁相环就需要额外的措施纠正频谱泄露形成的测量误差。主要 有W下几种方法： (1)时域插值法。根据选定的插值算法对采样点数据进行插值运算，得到新的采样 数据，其采样率满足同步采样，然后对新采样数据通过离散傅里叶分析值FT)得到被测量 信号的谐波参数。该算法首先用插值算法算出基波频率，然后算出满足同步采样的新采样 数据，在计算基波频率前需要虑去采样信号的高频分量，使采样信号接近正弦波。该算法的 缺点有；计算准确度依赖于基波频率，而计算基波频率需要经过滤波环节，使得基波频率的 计算准确度受到影响；由于需要重新计算每个采样点，计算量大。 (2)时域结合频域修正算法。首先用时域插值或频域算法算出基波频率，然后用时 域结合频域修正算法算出谐波参数；该算法的准确度依赖于基波频率的准确度，当信号严 重崎变或严重不同步时，基波频率的准确度会受到影响。 (3)频域插值结合时域插值算法。首先用频率插值算法算出基波频率，然后用时域 插值算法算出满足同步采样的新采样数据。该算法的缺点是计算量大。[000引 （4)频域插值算法。对加窗的采样数据进行离散傅里叶分析值FT)得到频域参数， 然后用频域插值算法算出准确的谐波参数。只要选择的窗函数、插值算法合适，该算法的准 确度很高，其缺点是需要长的采样序列并利用窗函数旁瓣的衰减特性来消除长程泄露，实 时性较差。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题，本专利技术提供的一种准确计算分析谐波及电能 质量的方法，具有高准确度，测量范围宽，可测量严重崎变的信号。 本专利技术所采用的技术方案是；，包括W 下步骤： 步骤1 ;被测信号采样序列为式（1):【主权项】1. ，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1 :被测信号采样序列为式（1):式（1)中Ak、fk、％分别是频率分量的幅值、频率、相位，fs是采样频率，m = 0, 1，...，M-I，M是采样点数，此时相当于给信号加了一个长度为M的矩形窗； 步骤2 :采样序列的离散傅里叶变换（DFT)为式（2):式（2)中，λ e [〇，M)，其中W(A)是矩形窗的离散傅里叶变换：式⑵中< u可以证明只有当Ak为整数且。>2匕时，才可能由式⑵准确 得到信号的幅值Ak、频率fk、相位％ ; 步骤3 :根据上述要求，选择3阶最快衰减窗Nuttall窗，该窗表示为式（4):3阶Nuttall窗是一种3阶余弦窗，其离散傅里叶变换为式（5): Wn(A) =〇. 375ff(A)-〇. 25+〇. 0625 (5) 当Μ>>1时，有式（6)尽管3阶Nuttal 1窗的旁瓣峰值为-46. 7db，并不小，但由于衰减快，达到30db/ octave，经过8个旁瓣后，旁瓣就已低于4阶Blackman-Harris窗的旁瓣；因此只要频率分 辨_足够小，就能消除各谐波之间的干扰； 步骤4:信号X(m)加窗后的离散傅里叶变换为式（7):为了消除短程频谱泄露及进一步减少长程频谱泄露，采用5点加权插值算法，令式 (8) : Ak= I k+ δ k (8)； 其中Ik是最接近λ ,的整数，-〇· 5彡δ k< 〇· 5,定义a k为：此时可认为长程频谱泄露已被抑制，因此步骤5 :式（9)和式（10)，可变为式（11):由式（6)和式（11)可得到二元一次方程式（12):当a k非常接近1时，δ k接近〇,因此可忽略(1-?)?2,式（12)变为式（13): -7 (1+ a k) δ k+12 (I- a k) = 〇, I I- a k 卜 〇 (13) 步骤6 :根据（12)、（13)可解出δ k，由式（14)可得出Ak: I由式（15)可求出相位％，最后，就得到了被测信号的幅值Ak、频率fk、相位％,完成对谐 波和电能质量的分析。【专利摘要】本专利技术公开了，选定被测信号采样序列；对采样序列离散傅里叶变换(DFT)；选择3阶最快衰减窗Nuttall窗；对信号加窗后离散傅里叶变换；进行计算求出相位最后，就得到了被测信号的幅值Ak、频率fk、相位完成对谐波和电能质量的分析。本专利技术通过加窗的来消除长程泄露，通过插值算法消除短程泄露产生的误差，本专利技术方法克服了现有技术因非同步采样而产生的频谱泄露。测试比对结果显示，该算法的频率、幅值、相位测量误差很小，相对于实际测量误差，完全可以忽略。采用本专利技术的设备能够作为省一级及以上技术监督局或电力科学研究院电能质量标准实验室的谐波测量标准装置。【IPC分类】G01R23-16【公开号】CN104749433【申请号】CN201510001723【专利技术人】沈鑫, 闫永梅, 曹敏, 张林山 【申请人】云南电网公司电力科学研究院【公开日】2015年7月1日【申请日】2015年1月4日本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种准确计算分析谐波及电能质量的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：被测信号采样序列为式(1)：式(1)中Ak、fk、分别是频率分量的幅值、频率、相位，fs是采样频率，m＝0,1,...,M‑1，M是采样点数，此时相当于给信号加了一个长度为M的矩形窗；步骤2：采样序列的离散傅里叶变换(DFT)为式(2)：式(2)中，λ∈[0,M)，其中W(λ)是矩形窗的离散傅里叶变换：W(λ)=e-iπλM-1Msin(λπ)sin(λπM)---(3)]]>式(2)中，可以证明只有当λk为整数且fs＞2fk时，才可能由式(2)准确得到信号的幅值Ak、频率fk、相位步骤3：根据上述要求，选择3阶最快衰减窗Nuttall窗，该窗表示为式(4)：w(m)=0.375-0.5cos(2πmM)+0.125cos(4πmM)---(4)]]>3阶Nuttall窗是一种3阶余弦窗，其离散傅里叶变换为式(5)：WN(λ)＝0.375W(λ)‑0.25[W(λ‑1)+W(λ+1)]+0.0625[W(λ‑2)+W(λ+2)] (5)当M>>1时，有式(6)：WN(λ)≅Msin(πλ)16πλe-jπλMM-14!Πh=12(h2-λ2)---(6)]]>尽管3阶Nuttall窗的旁瓣峰值为‑46.7db，并不小，但由于衰减快，达到30db/octave，经过8个旁瓣后，旁瓣就已低于4阶Blackman‑Harris窗的旁瓣；因此只要频率分辨率足够小，就能消除各谐波之间的干扰；步骤4：信号x(m)加窗后的离散傅里叶变换为式(7)：为了消除短程频谱泄露及进一步减少长程频谱泄露，采用5点加权插值算法，令式(8)：λk＝lk+δk (8)；其中lk是最接近λk的整数，‑0.5≤δk＜0.5，定义αk为：αk=Σi=02C22-i|Xw(lk-i)|Σi=02C22-i|Xw(lk+i)|---(9)]]>此时可认为长程频谱泄露已被抑制，因此步骤5：式(9)和式(10)，可变为式(11)：αk=Σi=02C22-i|WN(i+δk)|Σi=02C22-i|WN(i-δk)|---(11)]]>由式(6)和式(11)可得到二元一次方程式(12)：(1-αk)δk2-7(1+αk)δk+12(1-αk)=0---(12)]]>当αk非常接近1时，δk接近0，因此可忽略式(12)变为式(13)：‑7(1+αk)δk+12(1‑αk)＝0,|1‑αk|≈0 (13)步骤6：根据(12)、(13)可解出δk，由式(14)可得出Ak：Ak≅2Σi=12C42-i[|Xw(lk-i)|+|Xw(lk+i)|]+C42|Xw(lk)|Σi=12C42-i[|WN(i-δk)|+|WN(i+δk)|]+C42|WN(δk)|---(14)]]>因为：由式(15)可求出相位最后，就得到了被测信号的幅值Ak、频率fk、相位完成对谐波和电能质量的分析。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：沈鑫，闫永梅，曹敏，张林山，
申请(专利权)人：云南电网公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：云南;53
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