[发明专利]基于布莱克曼双峰插值谐波分析法的避雷器阻性电流在线监测系统

说明书

本发明属于电力设备技术领域，具体涉及一种基于布莱克曼双峰插值谐波分析法的避雷器阻性电流在线监测方法。是一种氧化锌避雷器(MOA)阻性电流在线监测，具体采用了基于布莱克曼双峰插值谐波分析法在信号非同步釆样下的对于频谱泄漏和栅栏效应的抑制。本发明是将从避雷器采样得到的电流信号和电压信号转换成数字信号，然后送入微处理器通过快速离散傅里叶变换，在频域中对信号进行分析，先选择合适的窗函数抑制信号长范围泄漏，再由窗函数的形式对信号的幅值、相位和频率进行插值修正。

技术领域

本发明涉及氧化锌避雷器阻性电流在线监测，具体是运用采用双峰插值函数的快速离散傅里叶变换的MOA阻性电流在线监测系统的工作方法。

背景技术

避雷器泄漏电流中的基波电流和三次谐波电流是监测避雷器状态的主要特征量，准确的从泄漏电流中提取出基波和三次谐波关系到避雷器运行状态是否正确被监测。

目前常用的谐波提取方法为FFT快速傅里叶法，该方法便于实现，硬件要求简单，只需要通过AD采集信号然后通过软件运算将各次谐波从总信号中分离出来，理想整数周期采样时FFT算法能准确提取谐波分量。然而信号受到干扰，频率发生波动时很难保证采样为整数周期采样，非整数周期采样谐波测量会发生频谱泄漏、栅栏效应、频谱混叠等问题，使得测量出的谐波幅值和相位都发生较大偏差，反映为避雷器泄漏基波电流和三次谐波值测量不准确，容易造成避雷器运行状况的误判。在实际测量中主要对信号的某一时间段部分进行采集，相当于在原始信号的整个时域波形中对其加一矩形窗进行了截断，截断后的信号在时域中表示为原始信号与矩形窗相乘。卷积定理规定时域的乘法相当于频域的卷积，因此截断后的信号在频域中表现为原始信号频谱与矩形窗的频谱进行卷积后的形式。与原始信号的频谱相比，截断后的信号频谱产生了失真，表现为以原信号频率为中心，以sin(f)/f的趋势发生振荡并逐渐衰减，造成原信号发生频谱泄漏。

频谱泄漏会造成频谱谱线之间互相干扰，当发生泄漏时原信号中的谱线叶瓣宽度增加，使得幅值高的叶瓣淹没相邻幅值低的旁瓣，导致该旁瓣对应的谐波信号被掩没。通过两个手段可以减小频谱泄露，分别是增加采样点数和使用缓慢变换的余弦函数窗。但是短范围的泄露需要提高频率分辨率来降低栅栏效应造成的偏差。布莱克曼余弦窗具有较低的旁瓣和较快的旁瓣衰减速度，虽然其主瓣宽度比汉宁窗和海明窗略宽，但是可以通过插值算法减小主瓣宽度，从最大旁瓣和旁瓣平均衰减速度来看均优于汉宁窗、海明窗，并且其余弦项数为三项，进行傅里叶运算时计算量不复杂，相比四项余弦窗更适用于工程实现，与R-V三项窗相比，旁瓣比较小，更能抑制主瓣附近频率点的频谱泄漏。加窗只能抑制信号采样时造成的频谱泄漏，对于非整数周期采样造成的栅栏效应需要通过插值来解决。

增加信号采样的数据长度以及在采样数据后补零都可以提高频率分辨率，然而两者都以增加数据计算量和存储量为代价，插值算法能以最少计算代价解决这一问题。对于只包含整数倍次谐波的信号，如果截取数据长度是基波周期的整数倍时，被测基波和谐波的频率能完全与频域内的谱线重合，此时信号的基波或谐波的泄漏将为零。然而实际测量中很难实现同步整数周期采样，传统的插值算法实现非同步补偿时算法相当复杂，加窗插值算法是一种便于实现的解决非同步采样的插值算法，其原理为先选择合适的窗函数抑制信号长范围泄漏，再由窗函数的形式对信号的幅值、相位和频率进行插值修正。

单峰插值算法主要是利用靠近被测频率点的一根最高谱线的幅值进行插值修正的方法当信号采样为整数基波周期时，基波和谐波频率恰好落在频域频率分辨点即谱线上，当信号频率发生扰动或者采样周期为非整数倍基波周期时，信号的频率f₀＝k₀·Δf不再落于某一频率谱线上，及频率系数k为非整数。由于时域中对信号加窗相当于频域中信号频谱函数与窗函数频谱函数的复卷积，而复卷积是复数相乘，即两者相位相加。

单峰谱线插值算法能在一定程度上减小栅栏效应造成的影响，提高信号谐波幅值和相位的测量精度。然而仅用单根谱线进行谱线修正容易受到噪声干扰，双峰插值利用双谱线进行修正，能更好抑制频谱泄漏和噪声干扰。

发明内容