一种快速测量电力系统谐波的方法技术方案

一种快速测量电力系统谐波的方法，包括以下步骤：过采样ADC对信号进行过采样，得到原始采样数据；对过采样ADC输出的原始采样数据进行降采样并保存；对降采样后的数据进行加窗FFT处理；计算基波频率；计算准同步采样率并保存；利用计算得到的准同步采样率对过采样ADC输出的原始采样数据进行插值处理；对经过插值处理的数据进行降采样并保存；采用矩形窗FFT对数据进行处理；将矩形窗FFT处理后得到的各FFT的频谱幅值乘上补偿系数，进行幅值补偿，输出结果。本发明专利技术方法使用过采样技术提高带内信号的信噪比，在保证频率分辨率的前提下，大大降低了计算复杂度和提高了基波频率计算的准确度，并通过降采样降低缓存的占用。

A fast method for measuring harmonic in power system

A fast method of harmonic measurement in power system, which comprises the following steps: sampling ADC signal sampling, get the original sampling data; the original sampling data sampling ADC output is down sampled and stored; on the down sampled data window FFT; calculating fundamental frequency; calculation of quasi synchronous sampling rate and save; the calculated using the quasi synchronous sampling rate on the original sampling data sampling ADC output interpolation; after the interpolation data of down sampling and storage; the rectangular window FFT for data processing; the spectrum amplitude of each FFT rectangular window of FFT treatment on compensation coefficient amplitude compensation, the output results. The method of the invention uses oversampling technique to improve the signal-to-noise ratio of the signal band, under the premise of ensuring the frequency resolution, greatly reduces the computational complexity and improve the accuracy of the fundamental frequency, and the downsampling reduces the memory occupation.

【技术实现步骤摘要】
一种快速测量电力系统谐波的方法
本专利技术属于电学领域，尤其涉及一种计算分析电网谐波的方法。
技术介绍
近年来，随着我国电力需求的快速增长，电力负载越来越多，而所有的非线性负载，例如开关模式电源、电子荧光灯镇流器、调速传动装置、不间断电源、磁性铁芯设备以及电视机等家用电器都会产生谐波，使得电网供电质量降低。因此，对供电电网的电压、电流信号进行谐波分析，从而进行电网补偿和净化变得越来越重要。为了尽可能快而准确地进行电网补偿和净化，谐波分析的实时性和精确度要求也越来越高，如何快速准确地计算谐波成为了一个研究的热点。快速傅立叶变换(FastFourierTransformation，以下简称FFT)是计算谐波的主流工具，但是由于截断效应，FFT存在频谱泄漏和栅栏效应，为了准确计算谐波，目前常见方法如下：1、使用加窗FFT，在频域插值从而得到基波和各个谐波的频率、幅度和相位等参数信息。如公开号为CN101701982A的中国专利技术专利申请公开的一种基于加窗插值FFT的电力系统谐波检测方法，使用hanning窗进行加窗FFT运算，然后进行频域插值来计算各个谐波的准确的频率、幅值和相位。该方法在计算插值系数时，需要使用FFT谱线的最高峰和相邻次高峰的幅值的比例，因此FFT的频谱分辨率必须足够小才能保证这两个谱线不包含其他频率的幅值，如使用512点FFT、采样率为6.4KHz时，完成一个完整FFT的运算需要采样512个样点，耗费的采样时间为T＝N/Fs＝512/6400Hz＝0.08s＝80ms，而市面上常见的有源电力滤波器的响应时间通常小于20ms，因此虽然这个方法的精确度很高，但由于需要一个相对小的频率分辨率来区分基波和各个谐波，导致采样时间过长，不能满足实际应用需求。2、通过跟踪基波的频率变化实现准同步，使准同步采样率是基波频率的整数倍，以抑制频谱泄漏。如公开号为CN103969507A的中国专利技术专利申请公开的一种电能质量谐波分析方法，通过找出频率偏移，然后使用和基波谐波频率对应的余弦函数和正弦函数来进行相关计算，求得幅值和初相角。该方法需要将各个基波和谐波分别乘以对应的余弦函数和正弦函数，由于每一个采样点都要乘以余弦函数和正弦函数，而每一个基波和谐波对应的余弦函数和正弦函数都不同，导致计算量很大，而且频率漂移参数的计算容易受到噪声的干扰，使基波频率计算不准确。3、使用时域插值的算法来实现准同步采样。如公开号为CN101915874A的中国专利技术专利申请公开的一种基于傅立叶变换的谐波检测方法，该方法的流程如图1所示，由过采样模数转换器(AnalogtoDigitalConverter，以下简称ADC)对相关信号(包括电流、电压等信号)进行过采样，获得原始采样数据后存放在缓存(memory)中，然后使用滤波器从原始采样数据中提取基波信号，再采用过零点计算基波的周期，根据基波的周期来确认重采样的间隔，根据该间隔从原始采样数据进行重采样及FFT处理，重采样后的信号的周期和基波严格同步，由此来避免普通FFT的频谱泄漏问题。但该方法需要将模数转换器过采样获得的原始数据存放在缓存中，由于过采样率非常高，导致占用缓存非常大，而且使用滤波器对原始采样数据进行滤波时也要将滤波结果存放在缓存中以便进行接下来的提取基波周期的运算，以该专利的实施例来说，当模数转换器使用50*128*40＝256KHz的采样率时，若模数转换器的位宽为16位，则保存一个基波周期的信号需要的缓存大小为128*40*16＝81920bit，当滤波器的采样率为50*128*2＝12.8KHz时，保存滤波后的数据需要的缓存大小为128*2*16＝4096bit，则总共需要81920+4096＝86016bit的缓存。在集成电路中该缓存占用的面积会非常大；另一方面，该方法是通过计算两个过零点的时间差计算基波周期，因此非常容易受到噪声干扰，导致周期计算不准确。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种计算量少且占用缓存小，可以快速分析电力系统中各谐波参数的方法。为了实现上述目的，本专利技术采取如下的技术解决方案：一种快速测量电力系统谐波的方法，包括以下步骤：获取采样数据步骤，过采样ADC对信号进行过采样，得到原始采样数据；计算准同步采样率步骤，步骤如下：对过采样ADC输出的原始采样数据进行降采样并保存；对降采样后的数据进行加窗FFT处理；计算基波频率；计算准同步采样率并保存，准同步采样率Fsnew＝Ff×N’×M，其中，Ff为基波频率，M为过采样倍数，N’为后续加矩形窗FFT的点数；采样率转换步骤，步骤如下：利用计算得到的准同步采样率对过采样ADC输出的原始采样数据进行插值处理；对经过插值处理的数据进行降采样并保存；准同步FFT处理步骤，步骤如下：对经采样率转换后的数据进行加矩形窗FFT处理；判断是否需要幅值补偿，如果不用则直接输出结果，否则将加矩形窗FFT处理后得到的各FFT的频谱幅值乘上补偿系数，进行幅值补偿后输出结果。更具体的，过采样ADC的采样率Fs＝Fnyquist×Oversample，其中Oversample为过采样倍数，Fnyquist为满足奈奎斯特定理的采样率。更具体的，采用级联积分梳状滤波器对数据进行降采样处理。更具体的，计算准同步采样率时对降采样后的数据进行加nuttall窗FFT或加汉宁窗FFT处理。更具体的，采用以下公式计算基波频率：Ff＝Δf×k，式中的Δf为加窗FFT处理后信号的频谱分辨率，k是指基波频率在第k条FFT谱线上。更具体的，基波频率其中，Y(x)表示FFT的第x条谱线的幅值，L＝round(f/Δf)，round(x)表示指对x取整，f为信号频率。更具体的，进行采样率转换时对数据进行插值的方法如下：a、根据过采样ADC的采样率和准同步采样率的比值计算采样点的个数：Step＝Fs/Ff；b、以第1个ADC采样点作为第1个插值样点输出，从q＝2开始；c、计算第q个插值样点所在位置：phase＝Step×(q-1)+1；d、计算第q个插值样点所在位置需要的ADC采样数据：ADC(pre)＝floor(phase)及ADC(nxt)＝ceil(phase)，式中的floor(x)表示对x向无穷小取整，ceil(x)表示对x向无穷大取整，pre表示第pre个ADC采样点，nxt表示第nxt个ADC采样点；e、等待ADC完成第nxt个样点的采样，如果已有第nxt个样点则执行步骤f；f、计算第q个插值样点的幅值并将结果输出，根据步骤d得到的ADC的采样数据计算幅值：Y(q)＝ADC(pre)×(nxt-phase)+ADC(nxt)×(phase-pre)，ADC(x)表示第x个ADC采样数据；g、令q＝q+1，返回步骤c。更具体的，采用牛顿插值法对数据进行插值处理。更具体的，根据信号经过降采样滤波后是否发生带内幅值衰减或增益进行幅值补偿，补偿系数为降采样滤波器的带内幅值衰减/增益值的倒数。由以上技术方案可知，本专利技术使用过采样技术提高带内信号的信噪比，降低ADC的精度需求，降低系统成本，同时过采样可以降低插值处理的噪声；通过使用降采样技术，避免了过采样引起的缓存占用大的问题；在计算基波频率时，通过降采样来提高FFT的分辨率，并结合能量重心校本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速测量电力系统谐波的方法，其特征在于，包括以下步骤：获取采样数据步骤，过采样ADC对信号进行过采样，得到原始采样数据；计算准同步采样率步骤，步骤如下：对过采样ADC输出的原始采样数据进行降采样并保存；对降采样后的数据进行加窗FFT处理；计算基波频率；计算准同步采样率并保存，准同步采样率Fsnew＝Ff×N’×M，其中，Ff为基波频率，M为过采样倍数，N’为后续加矩形窗FFT的点数；采样率转换步骤，步骤如下：利用计算得到的准同步采样率对过采样ADC输出的原始采样数据进行插值处理；对经过插值处理的数据进行降采样并保存；准同步FFT处理步骤，步骤如下：对经采样率转换后的数据进行加矩形窗FFT处理；判断是否需要幅值补偿，如果不用则直接输出结果，否则将加矩形窗FFT处理后得到的各FFT的频谱幅值乘上补偿系数，进行幅值补偿后输出结果。

【技术特征摘要】
1.一种快速测量电力系统谐波的方法，其特征在于，包括以下步骤：获取采样数据步骤，过采样ADC对信号进行过采样，得到原始采样数据；计算准同步采样率步骤，步骤如下：对过采样ADC输出的原始采样数据进行降采样并保存；对降采样后的数据进行加窗FFT处理；计算基波频率；计算准同步采样率并保存，准同步采样率Fsnew＝Ff×N’×M，其中，Ff为基波频率，M为过采样倍数，N’为后续加矩形窗FFT的点数；采样率转换步骤，步骤如下：利用计算得到的准同步采样率对过采样ADC输出的原始采样数据进行插值处理；对经过插值处理的数据进行降采样并保存；准同步FFT处理步骤，步骤如下：对经采样率转换后的数据进行加矩形窗FFT处理；判断是否需要幅值补偿，如果不用则直接输出结果，否则将加矩形窗FFT处理后得到的各FFT的频谱幅值乘上补偿系数，进行幅值补偿后输出结果。2.根据权利要求1所述的快速测量电力系统谐波的方法，其特征在于：过采样ADC的采样率Fs＝Fnyquist×Oversample，其中Oversample为过采样倍数，Fnyquist为满足奈奎斯特定理的采样率。3.根据权利要求1所述的快速测量电力系统谐波的方法，其特征在于：采用级联积分梳状滤波器对数据进行降采样处理。4.根据权利要求1或3所述的快速测量电力系统谐波的方法，其特征在于：计算准同步采样率时对降采样后的数据进行加nuttall窗FFT或加汉宁窗FFT处理。5.根据权利要求1所述的快速测量电力系统谐波的方法，其特征在于：采用以下公式计算基波频率：Ff＝Δf×k，式中的Δf为加窗FFT处理后信号的频谱分辨率，k是指基波频率在第k条FFT谱线上。6.根据权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈文捷，
申请(专利权)人：珠海泰芯半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44