專利名稱：一種電力系統(tǒng)的諧波分析方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及諧波分析方法及其裝置，尤其涉及一種在電力系統(tǒng)中進(jìn)行諧波分析的 方法和實現(xiàn)該方法的裝置。
背景技術(shù)：
對于實時電力監(jiān)測設(shè)備而言，需要采用高精度、計算簡單的電力諧波分析方法對 電力系統(tǒng)的信號進(jìn)行實時分析，以便于設(shè)備的監(jiān)測和調(diào)整。目前廣泛采用快速傅麗葉變換 (FFT，F(xiàn)ast Fourier Transform)來計算電力系統(tǒng)中測量信號的諧波頻率、幅度和相位角。 但是采用這種方法的一個缺點是由于難于實現(xiàn)信號的同步采樣，從而導(dǎo)致頻譜泄露，造成 計算數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確?，F(xiàn)有技術(shù)中通常采用兩種方法來減少頻譜泄露帶來的影響。一種方法是對測量信 號進(jìn)行同步采樣，因此可以對一個整數(shù)倍信號周期的采樣信號進(jìn)行傅麗葉變換，避免頻譜 泄露。但是，由于電力系統(tǒng)的頻率是實時變化的，幾乎很難對測量信號進(jìn)行同步采樣。無論 是鎖相環(huán)(PLL，Phase Lock Loop)還是微機(jī)(MCU,Micro Computer Unit)控制的軟件進(jìn)行 采樣，都很難完全實現(xiàn)同步采樣。另外一種方法是使用加窗_插值傅麗葉變換來減少頻譜泄露帶來的影響。圖1為 典型的加窗-插值傅麗葉變換流程圖。其步驟為首先，對電力系統(tǒng)的采樣信號序列進(jìn)行加 窗，并進(jìn)行快速傅麗葉變換。其次，根據(jù)快速傅麗葉變換的結(jié)果使用插值來計算采樣信號的 參考頻率和電力系統(tǒng)頻率之間的差值5。再次，根據(jù)快速傅麗葉變換的結(jié)果來計算電力系 統(tǒng)基頻和諧波的頻率、幅度和相位。最后，根據(jù)采樣信號的參考頻率和電力系統(tǒng)頻率之間的 差值S來校正電力系統(tǒng)基頻和諧波的頻率、幅度和相位。上述加窗-插值傅麗葉變換雖然能對頻譜泄露問題進(jìn)行較好的處理，但是在使用 過程中存在以下問題。第一，這種方法的精度和所使用的加窗函數(shù)有關(guān)，通常優(yōu)選4階或4 階以上的加窗函數(shù)。但是，加窗函數(shù)的階數(shù)越高，該方法的計算復(fù)雜度越大，這對于對實時 性要求很高的電力系統(tǒng)檢測裝置而言極為不利。第二，使用該方法所得到的電力系統(tǒng)的頻 率與真實頻率相比，尚有一定誤差，也就是說，該方法的計算精度不夠高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種在電力系統(tǒng)中進(jìn)行諧波分析的方法和實現(xiàn)該方 法的裝置，通過該方法能夠更加準(zhǔn)確地對電力系統(tǒng)的基頻和諧波的頻率、幅度、相位進(jìn)行計 算，并且該方法相對簡單、計算復(fù)雜度低。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種電力系統(tǒng)的諧波分析方法，該方法包含以下 步驟(1)計算電力系統(tǒng)基波的頻率，以及對電力系統(tǒng)的采樣信號序列進(jìn)行加窗處理并 進(jìn)行傅麗葉變換，來求得基波的幅值與初始相位及各次諧波的幅值與初始相位；(2)將計算出的電力系統(tǒng)基波的頻率作為電力系統(tǒng)的真實頻率，從而得到加窗后的傅麗葉變換頻譜的近似解析式；(3)根據(jù)所述近似解析式計算基波及各次諧波幅值的校正因子，并對上述求得的 基波及諧波的幅值進(jìn)行校正；(4)利用所述窗函數(shù)的相頻特性來修正基波及各次諧波的初始相位。其中，所述步驟(1)中計算電力系統(tǒng)基波的頻率包括以下步驟(11)獲取一個以上的信號采樣周期的電力系統(tǒng)信號；(12)對所述電力系統(tǒng)基波的頻率進(jìn)行初次計算；(13)根據(jù)所述初次計算得到的采樣信號基波的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)、基波頻率與采 樣頻率，對所述電力系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行二次逼近；(14)根據(jù)所述二次逼近得到的基波頻率對信號采樣系列進(jìn)行調(diào)整，對所述電力系 統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行三次逼近。其中，所述步驟(12)中對電力系統(tǒng)基波的頻率進(jìn)行初次計算包括以下步驟(121)對每一個信號采樣周期內(nèi)的采樣信號進(jìn)行傅麗葉變換，從而計算得到所述 采樣信號基波的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；(122)根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始相位角；(123)計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的差值；(124)計算所述初始相位角的差值的平均值；(125)根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系統(tǒng)基波的頻率。其中，所述步驟(13)中對所述電力系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行二次逼近包括以下 步驟(131)根據(jù)所述初次計算得到的基波的頻率來調(diào)整所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；(132)計算每一個信號周期的初始相位角；(133)計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的差值；(134)計算所述初始相位角的差值的平均值；(135)根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系統(tǒng)基波的頻率。其中，所述步驟(14)中對所述電力系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行三次逼近包括以下 步驟(141)根據(jù)所述二次逼近所得到的電力系統(tǒng)基波的頻率調(diào)整采樣系列中每個信號 采樣周期的采樣數(shù)；(142)對調(diào)整過的每一個信號采樣周期內(nèi)的采樣信號進(jìn)行傅麗葉變換，從而計算 得到所述采樣信號基波的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；(143)根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始相位角；(144)計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的差值；(145)計算所述初始相位角的差值的平均值；(146)根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系統(tǒng)基波的頻率。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，在所述步驟(11)中，所述電力系統(tǒng)信號為電壓信號。根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，計算電力系統(tǒng)基波的頻率時，所述傅麗葉變換為離 散傅麗葉變換。
相應(yīng)地，本發(fā)明提出一種電力系統(tǒng)的諧波分析裝置，用于對電力系統(tǒng)的諧波進(jìn)行 分析，所述裝置包括電力系統(tǒng)基頻計算模塊，用于計算電力系統(tǒng)基波的頻率；加窗及傅麗葉變換頻譜計算模塊，用于對電力系統(tǒng)的采樣信號序列進(jìn)行加窗處理 并進(jìn)行傅麗葉變換，來求得基波的幅值與初始相位及各次諧波的幅值與初始相位；校正模塊，根據(jù)加窗后的傅麗葉變換頻譜的近似解析式計算基波及各次諧波幅值 的校正因子，并對上述求得的基波及諧波的幅值進(jìn)行校正，以及利用加窗函數(shù)的相頻特性 來修正基波及各次諧波的初始相位。其中，所述電力系統(tǒng)基頻計算模塊包括獲取模塊，用于獲取一個以上的信號采樣周期的電力系統(tǒng)信號；初次計算模塊，用于對所述電力系統(tǒng)基波的頻率進(jìn)行初次計算；二次逼近模塊，根據(jù)所述初次計算得到的采樣信號基波的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)、基 波頻率與采樣頻率，對所述電力系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行二次逼近；三次逼近模塊，根據(jù)所述二次逼近得到的基波頻率對信號采樣系列進(jìn)行調(diào)整，對 所述電力系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行三次逼近。其中，所述初次計算模塊包括傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算子模塊，用于對每一個信號采樣周期內(nèi)的采樣信號進(jìn)行傅 麗葉變換，從而計算得到所述采樣信號基頻的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；初始相位角計算子模塊，根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始 相位角；初始相位角差值計算子模塊，計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的
差值；初始相位角差值的平均值計算子模塊，用于計算所述初始相位角的差值的平均 值；電力系統(tǒng)基頻計算子模塊，用于根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系 統(tǒng)基波的頻率。其中，所述二次逼近模塊包括傅麗葉變換復(fù)系數(shù)調(diào)整子模塊，根據(jù)所述初次計算得到的基波的頻率來調(diào)整所述 傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；初始相位角計算子模塊，根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始 相位角；初始相位角差值計算子模塊，計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的
差值；初始相位角差值的平均值計算子模塊，用于計算所述初始相位角的差值的平均 值；電力系統(tǒng)基頻計算子模塊，用于根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系 統(tǒng)基波的頻率。其中，所述三次逼近模塊包括采樣數(shù)調(diào)整子模塊，用于根據(jù)所述二次逼近所得到的電力系統(tǒng)基波的頻率調(diào)整采樣系列中每個信號采樣周期的采樣數(shù)；傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算子模塊，用于對調(diào)整過的每一個信號采樣周期內(nèi)的采樣信 號進(jìn)行傅麗葉變換，從而計算得到所述采樣信號基頻的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；初始相位角計算子模塊，根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始 相位角；初始相位角差值計算子模塊，計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的
差值；初始相位角差值的平均值計算子模塊，用于計算所述初始相位角的差值的平均 值；電力系統(tǒng)基頻計算子模塊，用于根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系 統(tǒng)基波的頻率。采用本發(fā)明方法及其裝置，使得對電力系統(tǒng)諧波能夠進(jìn)行精度極高的計算，同時 該方法的計算簡單，滿足了對于實時檢測的電力系統(tǒng)的需要。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，其中圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中的加窗-插值傅麗葉方法流程圖；圖2示出了本發(fā)明的對電力系統(tǒng)的諧波進(jìn)行分析的方法流程圖；圖3給出了本發(fā)明的對電力系統(tǒng)的諧波進(jìn)行分析的方法中，對電力系統(tǒng)基波的頻 率進(jìn)行計算的方法流程圖。圖4給出了 4項Blackman-Harris窗函數(shù)的頻譜示意圖。
具體實施例方式圖2示出了本發(fā)明的對電力系統(tǒng)的諧波進(jìn)行分析的方法流程圖。下面以6個信號 采樣周期為列來具體說明該方法。步驟一計算電力系統(tǒng)基波的頻率，以及對電力系統(tǒng)的采樣信號序列進(jìn)行加窗處 理并進(jìn)行傅麗葉變換，來求得基波的幅值與初始相位及各次諧波的幅值與初始相位。圖3 給出了本發(fā)明的對電力系統(tǒng)的諧波進(jìn)行分析的方法中，對電力系統(tǒng)基波的頻率進(jìn)行計算的 方法流程圖。在該步驟中包含如下步驟第一，獲取6個信號采樣周期中的電壓信號。第二，對電力系統(tǒng)基波的頻率進(jìn)行初次計算，該初次計算是基于對電壓信號的相 位差的計算基礎(chǔ)上來實現(xiàn)的。具體地說執(zhí)行如下步驟首先，對每一個信號采樣周期內(nèi)的采樣信號，都先進(jìn)行離散傅麗葉變換，從而計算 得到采樣信號基波的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；其次，根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始相位角；再次，計算6個周期電壓信號中每兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的
差值；然后，計算所述初始相位角的差值的平均值；最后，根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系統(tǒng)基波的頻率。
第三，根據(jù)所述初次計算得到的采樣信號基波的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)、基波頻率與 采樣頻率，對所述電力系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行二次逼近。在該步驟中又包含如下步驟首先，根據(jù)所述初次計算得到的基波的頻率來調(diào)整所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；其次，計算每一個信號周期的初始相位角；再次，計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的差值；然后，計算所述初始相位角的差值的平均值；最后，根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系統(tǒng)基波的頻率。第四，根據(jù)所述二次逼近得到的基波頻率對信號采樣系列進(jìn)行調(diào)整，對所述電力 系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行三次逼近。在該步驟中具體包括首先，根據(jù)所述二次逼近所得到的電力系統(tǒng)基波的頻率調(diào)整采樣系列中每個信號 采樣周期的采樣數(shù)；其次，對調(diào)整過的每一個信號采樣周期內(nèi)的采樣信號進(jìn)行傅麗葉變換，從而計算 得到所述采樣信號基波的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；再次，根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始相位角；然后，計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的差值； 接著，計算所述初始相位角的差值的平均值；最后，根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系統(tǒng)基波的頻率。下面采用公式對上述逼近結(jié)果進(jìn)行分析電力系統(tǒng)的頻率可表示如下 其中，fsys是電力系統(tǒng)的真實頻率，fs是電力系統(tǒng)的參考頻率(fs =采樣頻率/每個采樣周期的采樣點數(shù))，Ap是計算得到的初始相位角的差值的平均值。另外，采樣電壓信號的基波可以表示如下 其中，w是參考角頻率(w = 2Jifs)，Aw是參考角頻率w和電力系統(tǒng)的角頻率之 差。此處假設(shè)~ = (^化(^，81 = (^08(^。由下面兩式可以得到離散傅麗葉變換基波復(fù)系 數(shù)
(3) 其中廣 顯然，當(dāng)Aw = 0時，即參考頻率和電力系統(tǒng)頻率相同時，4 =戽5； = B,幅度
=c,此時不存在計算誤差。
如果Aw乒0，可以得到
如果Aw與w相比很小(在初次計算電力系統(tǒng)頻率之后，Aw通常小于w的百分
之一)，
的一盼泰勒展開式為 用公式(6)替換公式(5)中的
可以得到下式 類似地，可以得到 從公式(7)和公式(8)，可以得到下式 假定校正因子 其中牝是電力系統(tǒng)真實的初始相位角。從公式(9)可以看出，角頻率的偏差A(yù)w會造成初始相位角的計算偏差，通過用系 數(shù)S對傅麗葉變換基波復(fù)系數(shù)<或戌進(jìn)行修正，可以校正信號初始相位的計算偏差。由于已經(jīng)在第二步中對電力系統(tǒng)基波的頻率進(jìn)行初次計算，令ws。al表示該頻率并 用它來代替公式(10)中的A w，由此得到校正因子 至此，對電力系統(tǒng)基頻(基波的頻率)的初次計算完成。隨后進(jìn)行電力系統(tǒng)基頻 的二次逼近，按照上述方法首先用初次計算出的電力系統(tǒng)的基波(4或戌)的頻率來校正 傅麗葉變換復(fù)系數(shù)，然后執(zhí)行類似電力系統(tǒng)基頻的初次計算的過程(即根據(jù)傅麗葉變換復(fù) 系數(shù)計算每一個信號周期的初始相位角；計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角 的差值；計算初始相位角的差值的平均值；根據(jù)初始相位角的差值的平均值計算電力系統(tǒng) 基波的頻率)。至此，完成對電力系統(tǒng)基頻的二次逼近。在隨后的對電力系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行第三次逼近時，需要先調(diào)整采樣信號序 列中每個采樣周期內(nèi)的采樣點數(shù)。該調(diào)整基于 其中，fs*fsys分別是電力系統(tǒng)的參考頻率和電力系統(tǒng)的真實頻率，N是每個采樣 周期的采樣點數(shù)，n調(diào)整后的每個采樣周期的采樣點數(shù)。隨后，在調(diào)整后的每個采樣周期的采樣點數(shù)n的基礎(chǔ)上重復(fù)對電力系統(tǒng)基波的頻 率進(jìn)行初次計算中所使用的步驟，來完成對電力系統(tǒng)基波的真實頻率的第三次逼近。至此，完成了對電力系統(tǒng)基波頻率的計算。步驟二，將計算出的電力系統(tǒng)基波的頻率作為電力系統(tǒng)的真實頻率，從而得到加 窗后的傅麗葉變換頻譜的近似解析式；步驟三，根據(jù)所述近似解析式計算基波及各次諧波幅值的校正因子，并對上述求 得的基波及諧波的幅值進(jìn)行校正；步驟四，利用所述窗函數(shù)的相頻特性來修正基波及各次諧波的初始相位。下面仍然采用公式對上述步驟進(jìn)行分析假設(shè)測量信號x(t)的離散序列表示為{x(n)}。為了減少基于快速傅麗葉變換的 方法中由于非同步采樣所帶來的頻譜泄露問題，在進(jìn)行快速傅麗葉變換之前，需要使用一 個窗序列l(wèi)w(n)}對離散序列{x(n)}進(jìn)行加權(quán)(即加窗)。加窗后，可以得到一個新的測量 信號的離散序列
(13)其中，N為離散序列的數(shù)目。該離散序列對應(yīng)的頻譜為
(⑷在公式(14)中， 為了簡化該算法的理論分析過程，首先只考慮測量信號中的基波部分，即
將(16)中的x(t)代入公式(15)，可以得到
(16)
由此可以得到xw(f)如下
(17)
(18)其中，F(xiàn)= 1/NTS，入=f/F,入 o = f0/F, Ts 為采樣間隔。為了使對電力諧波的測量具有更高的精度，此處選擇4項Blackman-Harris窗函
數(shù)。該窗函數(shù)為
(19)該窗函數(shù)的快速傅麗葉變換為 圖4給出了 4項Blackman-Harris窗函數(shù)的頻譜示意圖?？紤]到頻率頻譜的對稱性，將公式(18) ^Wff(A-A0)用公式(20)代替，可以得
到真實信號的基波幅值為 其中XwUs)是加窗信號快速傅麗葉變換后，在其頻譜中搜索到的峰值(即基波幅
值)，X s是對應(yīng)于該峰值的歸一化頻率，；^^^^可被看作幅度校正因子，用于對非同步
采樣所引起的誤差進(jìn)行校正。因為公式(18)中真正的歸一化信號頻率\ ^未知，C0不能直接從公式(18)計算 出來。傳統(tǒng)的計算Q的方法是基于插值，但是插值會導(dǎo)致對電力系統(tǒng)頻率的計算不精確。 而在本發(fā)明中，由于電力系統(tǒng)頻率已經(jīng)被精確地計算出來，可以認(rèn)為計算出的電力系統(tǒng)的 頻率就是該系統(tǒng)的真實頻率，因此公式(18)中的偏差Xs-、可由X^Xo近似代替。其 中，入^是計算得到的歸一化的系統(tǒng)頻率。這樣，可從公式(20)中很容易地直接計算出
校正因子
)，胃態(tài)i十軸巾畐貞C0。肝、白勺i情髓
很高，因此幅度Q的精度同樣很高。最后，相位角可以通過下式進(jìn)行計算及校正 其中，第一項為加窗后信號的初始相位角，第二項為窗函數(shù)的初始相位角。與上述基波的計算方法類似，同樣可以得出電力系統(tǒng)各諧波的幅度和相位，此處 不再贅述。本發(fā)明的一種電力系統(tǒng)的諧波分析裝置，是用于對電力系統(tǒng)的諧波進(jìn)行分析，該 裝置包括電力系統(tǒng)基頻計算模塊，用于計算電力系統(tǒng)基波的頻率；加窗及傅麗葉變換頻譜計算模塊，用于對電力系統(tǒng)的采樣信號序列進(jìn)行加窗處理 并進(jìn)行傅麗葉變換，來求得基波的幅值與初始相位及各次諧波的幅值與初始相位；校正模塊，根據(jù)加窗后的傅麗葉變換頻譜的近似解析式計算基波及各次諧波幅值 的校正因子，并對上述求得的基波及諧波的幅值進(jìn)行校正，以及利用加窗函數(shù)的相頻特性 來修正基波及各次諧波的初始相位。所述電力系統(tǒng)基頻計算模塊包括如下模塊
獲取模塊，用于獲取一個以上的信號采樣周期的電力系統(tǒng)信號；初次計算模塊，用于對所述電力系統(tǒng)基波的頻率進(jìn)行初次計算；二次逼近模塊，根據(jù)所述初次計算得到的采樣信號基波的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)、基 波頻率與采樣頻率，對所述電力系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行二次逼近；三次逼近模塊，根據(jù)所述二次逼近得到的基波頻率對信號采樣系列進(jìn)行調(diào)整，對 所述電力系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行三次逼近。所述初次計算模塊包括傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算子模塊，用于對每一個信號采樣周期內(nèi)的采樣信號進(jìn)行傅 麗葉變換，從而計算得到所述采樣信號基頻的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；初始相位角計算子模塊，根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始 相位角；初始相位角差值計算子模塊，計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的
差值；初始相位角差值的平均值計算子模塊，用于計算所述初始相位角的差值的平均 值；電力系統(tǒng)基頻計算子模塊，用于根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系 統(tǒng)基波的頻率。所述二次逼近模塊包括傅麗葉變換復(fù)系數(shù)調(diào)整子模塊，根據(jù)所述初次計算得到的基波的頻率來調(diào)整所述 傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；初始相位角計算子模塊，根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始 相位角；初始相位角差值計算子模塊，計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的
差值；初始相位角差值的平均值計算子模塊，用于計算所述初始相位角的差值的平均 值；電力系統(tǒng)基頻計算子模塊，用于根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系 統(tǒng)基波的頻率。 所述三次逼近模塊包括采樣數(shù)調(diào)整子模塊，用于根據(jù)所述二次逼近所得到的電力系統(tǒng)基波的頻率調(diào)整采 樣系列中每個信號采樣周期的采樣數(shù)；傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算子模塊，用于對調(diào)整過的每一個信號采樣周期內(nèi)的采樣信 號進(jìn)行傅麗葉變換，從而計算得到所述采樣信號基頻的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；初始相位角計算子模塊，根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始 相位角；初始相位角差值計算子模塊，計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的
差值；初始相位角差值的平均值計算子模塊，用于計算所述初始相位角的差值的平均 值；
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電力系統(tǒng)基頻計算子模塊，用于根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系 統(tǒng)基波的頻率。在本發(fā)明的所述裝置中，初次計算模塊、二次逼近模塊、三次逼近模塊中所共有的 模塊可以設(shè)置為一個。例如設(shè)置為一個初始相位角計算子模塊、一個初始相位角差值計算 子模塊、一個初始相位角差值的平均值計算子模塊、一個電力系統(tǒng)基頻計算子模塊。從而簡 化實現(xiàn)本發(fā)明方法所需的裝置。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
一種電力系統(tǒng)的諧波分析方法，其特征在于，該方法包含以下步驟(1)計算電力系統(tǒng)基波的頻率，以及對電力系統(tǒng)的采樣信號序列進(jìn)行加窗處理并進(jìn)行傅麗葉變換，來求得基波的幅值與初始相位及各次諧波的幅值與初始相位；(2)將計算出的電力系統(tǒng)基波的頻率作為電力系統(tǒng)的真實頻率，從而得到加窗后的傅麗葉變換頻譜的近似解析式；(3)根據(jù)所述近似解析式計算基波及各次諧波幅值的校正因子，并對上述求得的基波及諧波的幅值進(jìn)行校正；(4)利用所述窗函數(shù)的相頻特性來修正基波及各次諧波的初始相位。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電力系統(tǒng)的諧波分析方法，其特征在于，所述步驟(1)中 計算電力系統(tǒng)基波的頻率包括以下步驟(11)獲取一個以上的信號采樣周期的電力系統(tǒng)信號；(12)對所述電力系統(tǒng)基波的頻率進(jìn)行初次計算；(13)根據(jù)所述初次計算得到的采樣信號基波的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)、基波頻率與采樣頻 率，對所述電力系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行二次逼近；(14)根據(jù)所述二次逼近得到的基波頻率對信號采樣系列進(jìn)行調(diào)整，對所述電力系統(tǒng)基 波的真實頻率進(jìn)行三次逼近。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電力系統(tǒng)的諧波分析方法，其特征在于，所述步驟(12) 中對電力系統(tǒng)基波的頻率進(jìn)行初次計算包括以下步驟(121)對每一個信號采樣周期內(nèi)的采樣信號進(jìn)行傅麗葉變換，從而計算得到所述采樣 信號基波的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；(122)根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始相位角；(123)計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的差值；(124)計算所述初始相位角的差值的平均值；(125)根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系統(tǒng)基波的頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電力系統(tǒng)的諧波分析方法，其特征在于，所述步驟(13) 中對所述電力系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行二次逼近包括以下步驟(131)根據(jù)所述初次計算得到的基波的頻率來調(diào)整所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；(132)計算每一個信號周期的初始相位角；(133)計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的差值；(134)計算所述初始相位角的差值的平均值；(135)根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系統(tǒng)基波的頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種電力系統(tǒng)的諧波分析方法，其特征在于，所述步驟(14) 中對所述電力系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行三次逼近包括以下步驟(141)根據(jù)所述二次逼近所得到的電力系統(tǒng)基波的頻率調(diào)整采樣系列中每個信號采樣 周期的采樣數(shù)；(142)對調(diào)整過的每一個信號采樣周期內(nèi)的采樣信號進(jìn)行傅麗葉變換，從而計算得到 所述采樣信號基波的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；(143)根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始相位角；(144)計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的差值；(145)計算所述初始相位角的差值的平均值；(146)根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系統(tǒng)基波的頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電力系統(tǒng)的諧波分析方法，其特征在于，所述步驟(11) 中，所述電力系統(tǒng)信號為電壓信號。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6種任一權(quán)利要求所述的一種電力系統(tǒng)的諧波分析方法，其特征 在于，所述傅麗葉變換為離散傅麗葉變換。
8.一種電力系統(tǒng)的諧波分析裝置，用于對電力系統(tǒng)的諧波進(jìn)行分析，其特征在于，所述 裝置包括電力系統(tǒng)基頻計算模塊，用于計算電力系統(tǒng)基波的頻率；加窗及傅麗葉變換頻譜計算模塊，用于對電力系統(tǒng)的采樣信號序列進(jìn)行加窗處理并進(jìn) 行傅麗葉變換，來求得基波的幅值與初始相位及各次諧波的幅值與初始相位；校正模塊，根據(jù)加窗后的傅麗葉變換頻譜的近似解析式計算基波及各次諧波幅值的校 正因子，并對上述求得的基波及諧波的幅值進(jìn)行校正，以及利用加窗函數(shù)的相頻特性來修 正基波及各次諧波的初始相位。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種電力系統(tǒng)的諧波分析裝置，其特征在于，所述電力系統(tǒng) 基頻計算模塊包括獲取模塊，用于獲取一個以上的信號采樣周期的電力系統(tǒng)信號； 初次計算模塊，用于對所述電力系統(tǒng)基波的頻率進(jìn)行初次計算； 二次逼近模塊，根據(jù)所述初次計算得到的采樣信號基波的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)、基波頻 率與采樣頻率，對所述電力系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行二次逼近；三次逼近模塊，根據(jù)所述二次逼近得到的基波頻率對信號采樣系列進(jìn)行調(diào)整，對所述 電力系統(tǒng)基波的真實頻率進(jìn)行三次逼近。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種電力系統(tǒng)的諧波分析裝置，其特征在于，所述初次計算 模塊包括傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算子模塊，用于對每一個信號采樣周期內(nèi)的采樣信號進(jìn)行傅麗葉 變換，從而計算得到所述采樣信號基頻的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；初始相位角計算子模塊，根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始相位角；初始相位角差值計算子模塊，計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的差值；初始相位角差值的平均值計算子模塊，用于計算所述初始相位角的差值的平均值； 電力系統(tǒng)基頻計算子模塊，用于根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系統(tǒng)基 波的頻率。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種電力系統(tǒng)的諧波分析裝置，其特征在于，所述二次逼近 模塊包括傅麗葉變換復(fù)系數(shù)調(diào)整子模塊，根據(jù)所述初次計算得到的基波的頻率來調(diào)整所述傅麗 葉變換復(fù)系數(shù)；初始相位角計算子模塊，根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始相位角；初始相位角差值計算子模塊，計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的差值；初始相位角差值的平均值計算子模塊，用于計算所述初始相位角的差值的平均值； 電力系統(tǒng)基頻計算子模塊，用于根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系統(tǒng)基 波的頻率。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種電力系統(tǒng)的諧波分析裝置，其特征在于，所述三次逼近 模塊包括采樣數(shù)調(diào)整子模塊，用于根據(jù)所述二次逼近所得到的電力系統(tǒng)基波的頻率調(diào)整采樣系 列中每個信號采樣周期的采樣數(shù)；傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算子模塊，用于對調(diào)整過的每一個信號采樣周期內(nèi)的采樣信號進(jìn) 行傅麗葉變換，從而計算得到所述采樣信號基頻的傅麗葉變換復(fù)系數(shù)；初始相位角計算子模塊，根據(jù)所述傅麗葉變換復(fù)系數(shù)計算每一個信號周期的初始相位角；初始相位角差值計算子模塊，計算兩個相鄰的信號采樣周期之間的初始相位角的差值；初始相位角差值的平均值計算子模塊，用于計算所述初始相位角的差值的平均值； 電力系統(tǒng)基頻計算子模塊，用于根據(jù)所述初始相位角的差值的平均值計算電力系統(tǒng)基 波的頻率。
全文摘要
本發(fā)明提出一種電力系統(tǒng)的諧波分析方法，包含以下步驟計算電力系統(tǒng)基頻的頻率，以及對電力系統(tǒng)的采樣信號序列進(jìn)行加窗處理并進(jìn)行傅麗葉變換；將計算出的電力系統(tǒng)基頻的頻率作為電力系統(tǒng)的真實頻率，從而得到加窗后的傅里葉變換頻譜的近似解析式；根據(jù)計算出的電力系統(tǒng)基頻的頻率來計算電力系統(tǒng)諧波的頻率，并根據(jù)所述近似解析式計算電力系統(tǒng)基頻的幅值和電力系統(tǒng)諧波的幅值；根據(jù)電力系統(tǒng)的采樣信號的頻率和計算出的電力系統(tǒng)的頻率之間的頻率差來計算電力系統(tǒng)基頻和諧波的相位。本發(fā)明方法對電力系統(tǒng)諧波能夠進(jìn)行精度極高的計算，同時該方法的計算簡單，滿足了對于實時電力系統(tǒng)檢測的需要。
文檔編號G01R23/02GK101852826SQ200910130319
公開日2010年10月6日 申請日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者卓越, 胡喜, 胡飛凰, 邢建輝 申請人:西門子公司