一种快速谐波及间谐波检测方法技术

本发明专利技术首先利用加五项最大旁瓣衰减窗FFT插值算法对电网信号进行快速分析，初步获取各谐波及间谐波频率成分；进而利用递归带通滤波器单点计算量小的优势，对所测得的谐波及间谐波的频段进行分析，从而求得该频段内所含谐波与间谐波的准确幅频特性。这样，递归带通滤波器中心频率的遍历取值仅限于该频带范围，避免了对不含谐波或间谐波的频段的分析。大大减少了不必要的运算量，来保证算法在DSP平台上实现的精度与实时性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及含谐波与间谐波的电网信号检测

技术介绍
随着工业规模不断扩大，电力系统中含有越来越多的非线性负荷，导致电网中正弦电压发生畸变，严重影响电能质量，给工业生产带来危害。正弦电压波形发生畸变意味着含有大量的谐波(频率为基波整数倍)与间谐波(频率为基波非整数倍)。谐波与间谐波的检测是谐波治理、评价电能质量的前提。FFT谐波检测法是当今电力谐波检测领域应用最多的一种方法，在同步采样时能精确地检测出谐波成分。但FFT在非同步采样时因存在频谱泄漏和栅栏效应，对谐波及间谐波的检测存在较大误差。加五项最大旁瓣衰减窗FFT插值算法可减小由非同步采样引起的频谱泄漏和栅栏效应，非同步采样下也能有效地检出各次谐波成分，但对间谐波的检测精度稍差。利用中心频率可变的递归带通滤波器对信号进行遍历滤波，可准确检测出谐波及间谐波成分，且分辨率较高。但当用其检测带宽较宽的信号时，中心频率取值过多，遍历计算冗长，算法复杂。现场检测仪器大多采用DSP，复杂的算法会使实时性变差，目前该方法难以直接在现场设备中应用。因此，对于采用DSP的现场设备，有待进一步探索和研究精度与实时性兼顾的谐波及间谐波检测算法。
技术实现思路
本专利技术的目的是研究一种兼顾精度及实时性的谐波及间谐波检测算法，提出将五项最大旁瓣衰减窗插值FFT与递归带通滤波器算法相结合，从而实现对电网中所含谐波与间谐波信号的快速检测，这种方法对于在DSP平台上实现对电网中所含谐波及间谐波信号的准确分析具有重大意义。为达上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种快速谐波及间谐波检测方法，包括以下步骤：S101：在满足采样定理的条件下对待测信号进行采样，获得其离散采样信号x(n),其中n为离散采样值；S102：对所述离散采样信号加五项最大旁瓣衰减窗进行分析，对得到的加窗信号xw(n)利用FFT分析得到其离散频谱X(f)，对所述离散频谱X(f)利用插值算法进行修正，得到谐波及间谐波的大致频率成份范围；S103：设定递归带通滤波器的参数尺度因子a、采样周期Ts和遍历计算的中心频率ωn的值；根据要获得的谐波及间谐波检测效果，确定递归带通滤波器的带宽，进而设定递归带通滤波器的参数尺度因子a的值；S104：根据设定的尺度因子a、采样周期Ts及中心频率ωn的值确定在不同的中心频率处递归带通滤波器的系数δi及λj的值及递归带通滤波器的幅频特性曲线结果并保存，其中i＝1,2,3,4,5,6，j＝1,2,3,4,5,6,7；S105：在各中心频率处应用递归带通滤波器算法对被测信号的采样值x(n)进行计算，设定递归带通滤波器的最初七个输出值为零，利用在该采样点的前六个采样值及滤波器的前七个输出值计算其在该采样点的递归带通滤波器的输出结果，计算输出结果的实部与虚部，求出在该采样点的瞬时幅值检测结果A(n)及频率检测结果f(n)；S106：判断递归带通滤波器是否完成了对所有采样点的计算；若未完成，则转入步骤S105继续计算；若完成，进行步骤S107；S107：判断幅值及频率输出结果稳定的时刻，取幅值达到稳态后一段时间的瞬时频率及瞬时幅值输出结果的平均值作为在该中心频率的检测结果；S108：求取在所设定的参数尺度因子a下的校正系数，对所求的幅值检测结果进行初步校正；判断频率检测结果是否偏离设定的中心频率，若偏离，根据检测到的频率，计算该频率与其所在频带中心频率的差值，根据滤波器幅频特性曲线(附图2)得到准确的幅值校正系数，对幅值检测结果进一步校正，获得幅值的最终检测结果；S109：判断是否完成对全部中心频率的遍历计算；若未完成，则转步骤S103重新设定中心频率的值，继续计算。根据本专利技术提出的快速谐波及间谐波检测方法，所述步骤S102中五项最大旁瓣衰减窗的离散时域表达式为： w ( n ) = Σ 1 = 0 4 ( - 1 ) 1 b 1 c o s ( 2 π n l N ) ]]>其中l＝0,1,2,3,4，N为最大采样个数，bl为五项最大旁瓣衰减窗的系数， 取值分别为：b0＝0.2734375，b1＝0.4375，b2＝0.21875，b3＝0.0625，b4＝0.0078125；所述加窗信号xw(n)＝x(n)*w(n)，所述离散频谱X(f)的表达式为： X ( f ) = A k 2 Σ i = 1 n [ W ( f - f k ) e - j ( π ( f - f k ) - φ k ) + W ( f + f k ) e - j ( π ( f + f k ) + φ k ) ] ]]>式中Ak为第k次谐波的幅值，ψk为第k次谐波的相位；W(f)为五项最大旁瓣衰减窗函数的频谱；fk为第k次谐波频率被频率分辨率归一化后的值，其表达式为fk＝kf0×N/fs，f0为基波频率。根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速谐波及间谐波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S101：在满足采样定理的条件下对待测信号进行采样，获得其离散采样信号x(n),其中n为离散采样值；S102：对所述离散采样信号加五项最大旁瓣衰减窗进行分析，对得到的加窗信号xw(n)利用FFT分析得到其离散频谱X(f)，对所述离散频谱X(f)利用插值算法进行修正，得到谐波及间谐波的大致频率成份范围；S103：设定递归带通滤波器的参数尺度因子a、采样周期Ts和遍历计算的中心频率ωn的值；根据要获得的谐波及间谐波检测效果，确定递归带通滤波器的带宽，进而设定递归带通滤波器的参数尺度因子a的值；S104：根据设定的尺度因子a、采样周期Ts及中心频率ωn的值确定在不同的中心频率处递归带通滤波器的系数δi及λj的值及递归带通滤波器的幅频特性曲线结果并保存，其中i＝1,2,3,4,5,6，j＝1,2,3,4,5,6,7；S105：各中心频率处应用递归带通滤波器算法对被测信号的采样值x(n)进行计算，设定递归带通滤波器的最初七个输出值为零，利用在该采样点的前六个采样值及滤波器的前七个输出值计算其在该样点的递归带通滤波器的输出结果，计算输出结果的实部与虚部，求出在该采样点的瞬时幅值检测结果A(n)及频率检测结果f(n)；S106：判断递归带通滤波器是否完成了对所有采样点的计算；若未完成，则转入步骤S105继续计算；若完成，进行步骤S107；S107：判断幅值及频率输出结果稳定的时刻，取幅值达到稳态后一段时间的瞬时频率及瞬时幅值输出结果的平均值作为在该中心频率的检测结果；S108：求取在所设定的参数尺度因子a下的校正系数，对所求的幅值检测结果进行初步校正；判断频率检测结果是否偏离设定的中心频率，若偏离，根据检测到的频率，计算该频率与其所在频带中心频率的差值，根据滤波器幅频特性曲线(附图2)得到准确的幅值校正系数，对幅值检测结果进一步校正，获得幅值的最终检测结果；S109：判断是否完成对全部中心频率的遍历计算；若未完成，则转步骤S103重新设定中心频率的值，继续计算。...

【技术特征摘要】
1.一种快速谐波及间谐波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S101：在满足采样定理的条件下对待测信号进行采样，获得其离散采样信号x(n),其中n为离散采样值；S102：对所述离散采样信号加五项最大旁瓣衰减窗进行分析，对得到的加窗信号xw(n)利用FFT分析得到其离散频谱X(f)，对所述离散频谱X(f)利用插值算法进行修正，得到谐波及间谐波的大致频率成份范围；S103：设定递归带通滤波器的参数尺度因子a、采样周期Ts和遍历计算的中心频率ωn的值；根据要获得的谐波及间谐波检测效果，确定递归带通滤波器的带宽，进而设定递归带通滤波器的参数尺度因子a的值；S104：根据设定的尺度因子a、采样周期Ts及中心频率ωn的值确定在不同的中心频率处递归带通滤波器的系数δi及λj的值及递归带通滤波器的幅频特性曲线结果并保存，其中i＝1,2,3,4,5,6，j＝1,2,3,4,5,6,7；S105：各中心频率处应用递归带通滤波器算法对被测信号的采样值x(n)进行计算，设定递归带通滤波器的最初七个输出值为零，利用在该采样点的前六个采样值及滤波器的前七个输出值计算其在该样点的递归带通滤波器的输出结果，计算输出结果的实部与虚部，求出在该采样点的瞬时幅值检测结果A(n)及频率检测结果f(n)；S106：判断递归带通滤波器是否完成了对所有采样点的计算；若未完成，则转入步骤S105继续计算；若完成，进行步骤S107；S107：判断幅值及频率输出结果稳定的时刻，取幅值达到稳态后一段时间的瞬时频率及瞬时幅值输出结果的平均值作为在该中心频率的检测结果；S108：求取在所设定的参数尺度因子a下的校正系数，对所求的幅值检测结果进行初步校正；判断频率检测结果是否偏离设定的中心频率，若偏离，根据检测到的频率，计算该频率与其所在频带中心频率的差值，根据滤波器幅频特性曲线(附图2)得到准确的幅值校正系数，对幅值检测结果进一步校正，获得幅值的最终检测结果；S109：判断是否完成对全部中心频率的遍历计算；若未完成，则转步骤S103重新设定中心频率的值，继续计算。2.根据权利要求1所述的快速谐波及间谐波检测方法，其特征在于，所述步骤S102中五项最大旁瓣衰减窗的离散时域表达式为： w ( n ) = Σ l = 0 4 ( - 1 ) l b l cos ( 2 π n l N ) ]]>其中1＝0,1,2,3,4，N为最大采样个数，bl为五项最大旁瓣衰减窗的系数，取值分别为：b0＝0.2734375，b1＝0.4375，b2＝0.21875，b3＝0.0625，b4＝0.0078125；所述加窗信号xw(n)＝x(n)*w(n)，所述离散频谱X(f)的表达式为： X ( f ) = A k 2 Σ i = 1 n [ W ( f - f k ) e - j ( π ( f - f k ) - φ k ) + W ( f + f k ) e - j ( π ( f + f k ) + φ k ) ] ]]>式中Ak为第k次谐波的幅值，ψk为第k次谐波的相位；W(f)为五项最大旁瓣衰减窗函数的频谱；fk为第k次谐波频率被频率分辨率归一化后的值，其表达式为fk＝kf0×N/fs，f0为基波频率。3.根据权利要求2所述的快速谐波及间谐波检测方法，其特征在于，对所述离散频谱X(f)利用插值算法进行修正的步骤包括：所述离散频谱X(f)的谱线间隔为△f＝fs/N，其中fs为采样频率；设待测频率fm＝km*△f，其中km为频率系数，一般不为整数；设fm附近的峰值谱线为k，对应的幅值为X(k)，引入频率偏差q＝km-k-0.5，则有-0.5≤q≤0.5；设峰值谱线左右两侧的谱线所对应的幅值分别为X(k-1),X(k+1)，若有X(k-1)≤X(k+1)，即第k-1条谱线为峰值频率附近的次最大谱线，令其与峰值谱线的比值为q1，则此时： q 1 = | X ( k - 1 ) | | X ( k ) | = | W ( q - 1 ) | | W ( q ) | ]]>可得频率偏差q的表达式： q = 5 q 1 - 4 1 + q 1 ]]>若有X(k+1)≤X(k-1)，即第k+1条谱线为峰值频率附近的次最大谱线，令其与峰值谱线的比值为q2，则有 q 2 = | X ( k + 1 ) | | X ( k ) | = | W ( q + 1 ) | | W ( q ) | ]]>可得频率偏差q的表达式： q = - 5 q 2 - 4 1 + q 2 ]]>则其频率修正公式为：f＝(k-q)*fs/N。4.根据权利要求3所述的快速谐波及间谐波检测方法，其特征在于，所述步骤S105包括：进行遍历滤波，在各中心频率处应用递归带通滤波器算法对被测信号的离散值x(n)进行计算，设离散频谱X(f)经滤波器后瞬时输出结果为wη(a,ωn,n),其表达式如下： w η ( a , ω n , n ) = T s Σ i = 1 6 δ i x ( n - i ) - Σ j = 1 7 λ j w η ( a , ω n , n - j ) ]]>其中δi与λj为常数，由给定的参数尺度因子a及ωn求得，具体为： δ 1 = [ 1 12 ( cT s a ) 4 - 1 30 ( cT ...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵志衡，张超，金显吉，冀勇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23