[发明专利]定频变点电网谐波检测方法及其测量仪

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统谐波测量仪器和谐波测量方法，属于电能质量监测技术领域。

背景技术

电力系统谐波测量是电力系统电能质量监测的重要内容。电力系统谐波测量的常用方法是FFT(快速傅立叶变换)法，其基本原理是：首先对电网波形采样和ADC(模数转换)得到采样序列，然后对采样序列进行FFT得到各次谐波、间谐波的幅值和相位信息。FFT是DFT(离散傅立叶变换)的快速算法，在数据点数很多时，FFT比标准DFT快得多，但FFT要求数据点数必须是2的整次幂。

理论上，FFT方法要求‘同步采样’，即‘等间隔整周期采样’——同一数据窗口数据的采样周期相等且每个数据窗口的时宽刚好等于整数个电网周波。由于电网频率是不断变化的，‘同步采样’很难实现，所以，数据总存在‘采样同步偏差’，‘采样同步偏差’直接造成各次谐波、间谐波的幅值和相位的测量误差——称为‘谐波测量同步误差’。目前减少采样‘采样同步偏差’的方法主要有：(1)硬件同步——主要指加‘PLL(锁相环)’的同步方法；(2)软件同步——利用DSP的定时器实时改变采样频率。

‘硬件同步’和‘软件同步’的采样频率都是变化的，但每一数据窗口内的采样点数相同且都是2的整次幂。

PLL同步是IEC61000-4-30标准推荐的方法，IEC61000-4-30标准要求PLL的采样同步偏差不大于万分之三。电网频率恒定不变时PLL做到万分之三就不容易了，更何况电网频率时刻都在波动——PLL时刻都处在闭环调节的动态过程之中，这种闭环调节还存在时延，所以实际应用中PLL很难保证采样同步偏差不大于万分之三——传统的‘硬件同步’和‘软件同步’在实际应用中都不容易获得高精度。

IEC61000-4-30(2003)标准还要求FFT加矩形窗，Matlab仿真表明：同步偏差为万分之三时，矩形窗FFT对40次以上的谐波、间谐波的计算结果就是超标的。

软件同步可以看作是一个‘软件PLL’，除了上述弊端，‘软件同步’比‘硬件PLL’的时延大，因为后者是‘锁相’、前者是‘锁周’——用前一个周波的宽度确定下一个周波的采样周期——时延至少是一个周波。软件同步’还有个问题就是定时器的分数定时误差。

发明内容

本发明目的是针对现有的谐波测量仪同步误差很难减小的问题，提出一种谐波测量仪结构——定频变点谐波测量仪。

本发明的另一目的是提出一种定频变点谐波测量仪的检测方法。

定频变点谐波测量仪包括两大特殊构件：(1)定频整周采样器：以恒定采样频率f_S对电网电压(电流)波形采样，由过零检测器控制每个数据窗口‘无限逼近’S个整周波；(2)变点DFT计算器：电网频率波动时每个数据窗口的采样点数是可变的，设计了一种‘变点DFT计算器’——能够高速计算不同点的DFT，‘高速’的根源主要来自：采用高速DSP、执行三角函数型DFT、用查表法获得不同点的DFT系数、只计算IEC61000-4-30标准要求的500个频点(谐波和间谐波)。

‘变点DFT计算器’的基本特征是：(1)每个数据窗口DFT的点数是变动的且一般不是2的整次幂；(2)DFT的执行用三角函数型DFT(离散富里叶变换)，而不是FFT(快速富里叶变换)；(3)不同点数的DFT系数用‘查表法’获得；(4)只计算IEC-4-30要求的500个频点(谐波和间谐波)——剔除了大量的不需要计算的频点——大大减少DFT的计算量。

所述的定频变点电网谐波测量仪的检测方法之一，其特征在于包括如下步骤：

(1)采用可编程片上系统建立DFT系数表；

(2)电网三相电流分别经电流互感器送到模/数转换器，电网三相电压分别经电压互感器送到模/数转换器和过零检测器；

(3)S个电网周波的开始(电网波形过零)DSP通过模/数转换器以恒定采样频率f_S采当前数据窗口的第1点，S个电网周波的结束(电网波形过零)停止本数据窗口的采样，每个所述采样数据窗口的采样点数为L_k、宽度等于S个电网整周波宽度，L_k、S为大于零的自然数；

(4)DSP根据实时采样数据及采样点数，然后查步骤(1)所述的DFT系数表获得当前测量的谐波参数。

定频变点电网谐波测量仪的检测方法之二，其特征在于包括如下步骤：

(a)采用可编程片上系统建立DFT系数表；

(b)电网三相电流分别经电流互感器送到模/数转换器，电网三相电压分别经电压互感器送到模/数转换器和过零检测器；