[发明专利]一种电气化铁路的高精度实时谐波分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电力系统信号频率及谐波参数的测量方法，尤其涉及一种基于周期拓展的七项Harris窗插值FFT的电气化铁路的谐波分析方法。

背景技术

电力机车在运行过程中会产生大量的电铁谐波，使电网电压波形产生畸变，电铁谐波所产生的危害性远比其他谐波源更为严重。随着电气化铁路运量的增加，如果电铁谐波仍然不能得到及时治理，其产生的危害将会愈加严重。而治理电铁谐波的首要问题是要对电铁谐波进行实时精确检测。

电气化铁路的电力机车是波动性特别大的大功率单相整流负荷，列车在运行过程中的加速、制动等状态，以及线路坡度、弯道半径、司机操作等因素和供电臂上列车数量的变化，都会牵引负荷随机波动。与电力系统中其他非线性负荷相比，电铁负荷具有以下三个明显的特征：

(1)稳态奇次性：单相整流负荷在稳态运行时只产生奇次谐波，偶次谐波很小。

(2)相位广泛分布：谐波向量可在复平面4个象限出现。

(3)随机波动性：谐波电流随基波负荷剧烈波动。

针对电铁谐波分析这一问题，国内外学者做出了大量研究，并提出了一些改进方法，如加窗插值算法、矩形卷积窗算法、修正理想采样频率法和利用频率同步装置实现同步采用以减少频谱泄漏等。其中，加窗插值算法、矩形卷积窗算法的窗函数的频谱旁瓣特性不够理想，对频谱泄露的抑制作用有限，且需要监测十个周期以上的数据才能达到足够的精度；矩形卷积窗算法虽然具有计算量小、无需要添加硬件、实时性好的优点，但只能减少泄漏的50％，检测精度十分有限；而利用频率同步装置实现同步采用以减少频谱泄漏的方法需要添加硬件，使用成本太高。

因而，上述现有的电铁谐波分析方法都无法经济、实时、准确地实现电气化铁路谐波分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种电气化铁路的高精度实时谐波分析方法，具有采样数据少、实现简单、计算量小的优点，能够实现电气化铁路的高精度实时谐波分析。

本发明采用下述技术方案：

一种电气化铁路的高精度实时谐波分析方法，包括以下步骤：

A:以固定采样频率对电气化铁路电压电流信号进行采集，将采集到的信号进行离散化处理后利用低通滤波器过滤掉高频噪声，并通过数字化信息网络将所得数据集合S(n)传输到电铁谐波分析装置；

B:将数据集合S(n)中至少3个周期的采样数据进行周期拓展，得到数量为原采样数据两倍或两倍以上的数据集合S(n')；

C:首先对数据集合S(n')进行加七项Harris窗W(n')处理，得到S_m(n′)＝S(n′·W(n′)n'＝0…N-1其中，N为数据窗的长度；七项Harris窗W(n')为七项Harris窗的离散表达式，

然后对数据集合S_m(n')进行离散傅里叶变换，得到

其中，S_m(k)为S_m(n')的离散傅里叶变换值；A_n,θ_n分别为第n次谐波的幅值和初始相位；W(π(k·Δf-n'·f₀)/f_s)为窗函数W(n')的离散傅里叶变换值；Δf为离散频率间隔，且其中，f₀为标准基波频率，f_s为采样信号频率；

所述的七项Harris窗W(n')为

D:在离散频谱中找到距峰值点最近的两条谱线k₁和k₂；谱线k₁和谱线k₂的幅值分别是y₁和y₂

其中，k₀为真实信号的峰值谱线所在的位置；

E:对于给定的窗函数，将步骤D中得到的两条谱线k₁和k₂通过双谱线插值法进行优化，计算曲线拟合的系数；采用双谱线插值算法，得到优化后的双谱线插值算法的频率、幅值计算公式和相位计算公式；

频率计算公式为：f₀＝(α+k₁+0.5)Δf；

幅值计算公式为：A＝N^-1(y₁+y₂)(b₀+b₂β²+...+b_2lβ^2l)；