[发明专利]一种电力系统谐波快速分析方法及运行装置

摘要

一种电力系统谐波分析的方法及其运行装置。方法包括汉宁窗加窗处理、组合数FFT算法及插值修正算法。该方法首先将采集到的电力系统三相电压、电流信号进行汉宁窗加权处理，然后进行组合数FFT变换，经插值修正得到三相电压、电流信号的基波及各次谐波分量。装置包括电力信号采集调理电路、电能计量ADE7878、电源、中央处理器、实时时钟、NOR Flash、RAM、SPI Flash存储器、RS485通信接口、编程开关、电能脉冲输出接口。ADE7878在电能量数据实时采集、电能质量实时监测方面得到广泛应用，但因其数据更新间隔为125us，每个周期采集160个信号，因而无法进行常规基‑2FFT。

主权项

一种电力系统谐波快速分析方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：启动电能计量ADE7878的SPI通信方式，设置ADE7878的寄存器，使能微处理器为主机模式，ADE7878为从机模式：步骤1.1：初始化微处理器的SPI寄存器，设置为主机模式；步骤1.2：将ADE7878中PM0引脚设置为高电平、PM1引脚设置为低电平，启动正常功耗模式；步骤1.3：将ADE7878的片选信号引脚从高电平到低电平切换三次，使能其SPI通信模式，向CONFIG2寄存器写入任意数据，锁定SPI串口模式，步骤2：ADE7878数据更新间隔为125us，每个工频周期20ms采集160个信号，利用微处理器设置定时器中断，每500us读取一次ADE7878寄存器VAWV、VBWV、VCWV、IAWV、IBWV以及ICWV，连续采样四个周期，获得电力系统三相电压、电流信号瞬时值序列vA(n)、vB(n)、vC(n)、iA(n)、iB(n)及iC(n)，采样点数N＝160，离散采样序号n∈[0,N‑1]；步骤3：用长度为160的窗函数序列w(n)对待分析的电压、电流瞬时信号加权截断，以A相电压信号瞬时值序列为例，得到加窗后的离散信号：vAw(n)＝vA(n)·w(n)    (1)本算法选择汉宁窗，窗口函数如下：上式中，步骤4：对上述加窗处理后的序列进行组合数FFT变换，仍以A相电压信号瞬时值序列为例：步骤4.1：采样点数N＝160＝5×32，将序列vAw(n)分为5组，每组序列中有32个数据：序列0：vAw(0)，vAw(5)，vAw(10)，···，vAw(155)；序列1：vAw(1)，vAw(6)，vAw(11)，···，vAw(156)；序列2：vAw(2)，vAw(7)，vAw(12)，···，vAw(157)；   (3)序列3：vAw(3)，vAw(8)，vAw(13)，···，vAw(158)；序列4：vAw(4)，vAw(9)，vAw(14)，···，vAw(159)；可以将vAw(n)表示为vAw(5r+l)，其中l∈{0,1,2,3,4}表示序列编号，r＝0,1,2,…,31表示数据在每组中的序号，160点的FFT变换结果为：VAw(k)=Σn=0159vAw(n)W160nk=Σr=031vAw(5r)W1605rk+Σr=031vAw(5r+1)W160(5r+1)k+...+Σr=031vAw(5r+4)W160(5r+4)k=Σl=04W160lkΣr=031vAw(5r+l)W32rk---(4)]]>其中，即为32点的DFT变换，W160分别为的简记符号；步骤4.2：对于上面5组序列，分别进行32点按时间抽取的基‑2FFT变换，得到结果为V0(k)，V1(k)，V2(k)，V3(k)，V4(k)，用Vl(k)表示，其中l∈{0,1,2,3,4}，k＝0,1,2,…,31，且Vl(k)是周期为32的序列，即Vl(k)＝Vl(k+32m)，m为整数；步骤4.3：由式(4)可得，VAw(k)=Σl=04W160lkVl(k)---(5)]]>对于上面得到的5组序列的基‑2FFT变换结果Vl(k)，运用式(5)，进行5点的DFT变换，即得到A相电压信号瞬时值序列的组合数FFT变换结果，取值范围为k＝0,1,2,…,159；步骤4.4：由于VAw(k)为复数，不能代表谐波幅值，对其进行求模运算，得到实数序列RVA(k)，k＝0,1,2,…,159，步骤5：考虑时间不同步，时间窗不是信号周期的整数倍，需要对组合数FFT变换结果RVA(k)进行插值修正：步骤5.1：从实数序列RVA(k)中寻找谱峰y1(i)及次谱峰y2(i)，i为待分析的谐波次数：步骤5.1.1：由于取了4个周期的采样数据，所以每连续四个数据的第一个数据才是真正的谐波数值，即RVA(0)、RVA(4)、RVA(8)依次对应直流分量、基波和二次谐波分量，依次类推……因为不分析直流分量，所以不考虑RVA(0)、RVA(1)及RVA(2)，因此RVA(k)可以表示为RVA(3+4i)，RVA(4+4i)，RVA(5+4i)，RVA(6+4i)，i为待分析的谐波次数，i＝1,2,…；步骤5.1.2：比较RVA(3+4i)与RVA(5+4i)的大小：若RVA(3+4i)＞RVA(5+4i)，则y1(i)＝RVA(3+4i)，y2(i)＝RVA(4+4i)；若RVA(3+4i)≤RVA(5+4i)，则y1(i)＝RVA(4+4i)，y2(i)＝RVA(5+4i)；步骤5.2：利用汉宁窗修正算式：AV(i)=y1(i)+y2(i)N·(2.35619403+1.15543682·(1.5y2(i)-y1(i)y2(i)+y1(i))2+0.32607873·(1.5y2(i)-y1(i)y2(i)+y1(i))4+0.07891461·(1.5y2(i)-y1(i)y2(i)+y1(i))6)---(8)]]>得到修正后的A相基波、各次谐波电压幅值AV(i)，电力系统谐波分析一般只分析基波、2～19次谐波，因而式(8)中取i＝1,2,…,19，步骤6：对于其它各相电压、电流信号瞬时值序列vB(n)、vC(n)、iA(n)、iB(n)及iC(n)，分别重复步骤3、步骤4及步骤5，得到对应的A、B、C三相的基波、各次谐波电压、电流幅值BV(i)、CV(i)、AI(i)、BI(i)及CI(i)。