一种用于电力系统高次谐波抑制的测控装置及方法与流程

1.本技术涉及自动化测控的技术领域，尤其涉及一种用于电力系统高次谐波抑制的测控装置及方法。


背景技术：

2.目前，随着非线性元器件的大量使用，电力系统面临着严重的谐波污染。在电力系统中，发电设备（电源端）、输配电设备和负荷的非线性等容易造成波形畸变，产生不同分量的谐波和间谐波。谐波会引起变压器、旋转设备和线路的附加损耗和发热，而且因长期振动导致金属疲劳和机械损坏，损坏系统设备，还会引起系统谐振，危机电力系统的安全运行。另一方面，电网的运行监控和调度依赖于变电站测控装置对电参量的精确测量，而高次谐波的注入直接影响工频状态下测控装置的稳态测量精度，引起较大的测量误差。
3.现有公告号为cn108377154b的中国专利公开了一种谐波抑制装置、谐波抑制方法及电子装置，谐波抑制装置包括：第一获取单元，用于获取电子装置所使用的运营商的信息，以得到电子装置中进行通信时使用的电磁波信号的第一频段；第一反相单元，用于根据第一频段，产生第一反相谐波信号；第一输出单元，用于将第一反相谐波信号输出，第一反相谐波信号用于消除电子装置使用当前运营商时产生的至少部分辐射杂散。
4.针对上述相关技术，采用有源滤波电路进行谐波抑制操作，由于上述操作过程无法对谐波分量进行精确区分，对谐波频率分量的量测精度偏低，因此，难以对谐波频率分量进行较为精确的测量操作。


技术实现要素：

5.本技术针对现有技术存在的不足，提供一种用于电力系统高次谐波抑制的测控装置及方法，能够对高次谐波进行有效的检测，极大程度地提高谐波频率分量的测量精度，进而维持电力系统的稳定运行。
6.本技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种用于电力系统高次谐波抑制的测控方法，包括：根据离散傅里叶变换算法，得出频率系数，公式如下：（7）公式（7）中，u(n)表示已知的电压输入信号，n为周期采样点数，其中，0≤k≤（n-1）；利用欧拉公式展开所述频率系数，得到所述频率系数的实部和虚部，公式如（8）和（9）所示：（8）
（9）其中，n为周期采样点数，k为谐波次数，k=1，2
……
13；计算得出k个频率分量的幅值，即电压的基波分量和各次谐波分量的幅值，公式如下：（10）其中，k为谐波次数，k=1，2
……
13；根据所述幅值，计算得到基波和2-13次谐波的幅值大小；当2-13次中的某次谐波幅值超过设定阈值后，认定存在该次谐波分量，根据所述幅值，计算得到电压的有效值，公式如下：（11）根据所述电压的有效值，计算得到电压和电流的有效值；对于13次以上的谐波分量，不进行检测，不加入有效值计算，实现高次谐波抑制作用；同理，根据离散傅里叶变换算法以及欧拉公式，计算得到电流频率系数的实部和虚部，得出电流的基波和各次谐波幅值，其中，计算电流有效值，公式如下：（12）根据有功功率p和无功功率q的计算公式：（13）（14）分别得出电力信号有功功率p和无功功率q的推导公式：（15）（16）。
7.通过采用上述技术方案，通过离散傅里叶变换算法可将电压和电流信号按照基波频率的整数倍进行分解，分解出基波和各次谐波分量。能够对谐波频率分量进行较为精确的测量操作，能够对高次谐波进行有效的检测，极大程度地提高谐波频率分量的测量精度，进而有助于维持电力系统的稳定运行。
8.进一步的，当k取值为2-13时，基波幅值和谐波幅值采用40点采样数据进行计算，
电压、电流有效值等于基波幅值和谐波幅值之和。
9.进一步的，当k取值为14-38或40-50时，谐波幅值不参与有效值计算，基波幅值采用40点采样数据进行计算，电压、电流有效值等于基波幅值。
10.进一步的，当k取值大于等于39时，谐波幅值不参与有效值计算，基波幅值采用80点采样数据进行计算，电压、电流有效值等于基波幅值。
11.进一步的，谐波分量全部采用80点采样数据进行检测，电压和电流幅值同样采用80点采样数据进行计算，根据谐波检测算法：（8）（9）其中，k为谐波次数，k=1，2
……
13；分解得到电压和电流信号的基波和2-13次谐波分量，再根据（10）计算得到基波和2-13次谐波的幅值大小。
12.进一步的，计算缓冲区采样数据填充完成之前，谐波检测任务正常执行，测量任务也正常运行，只是不进行测量值计算，测量幅值结果直接写入“0”值；当计算缓冲区填充一个完整周波采样数据时，测量幅值正常计算。
13.一种用于电力系统高次谐波抑制的测控装置，包括：信号采样模块、频率计算模块、采样数据转换模块、谐波检测模块、测量值计算模块；所述信号采样模块以设定采样频率对模拟信号进行采样，得到采样信号，每周波采样点数为40点；所述频率计算模块是基于信号采样模块输出的采样数据，采用过零点算法计算系统工频，为测量值计算模块提供判断依据；所述采样数据转换模块是基于信号采样模块输出的采样数据，进行重采样存入计算缓冲区，此时每周波采样点数大于等于80点，为谐波检测模块提供检测数据，并为测量值计算模块提供计算数据；所述谐波检测模块以采样数据转换模块输出的重采样数据作为输入，经过80点谐波检测算法，检测各次谐波分量大小，从而确定是否存在各次高次谐波，检测结果用于计算电压、电流和功率等测量值；所述测量值计算模块依据谐波检测模块的检测结果，按照测量幅值计算方案，采用40点和80点采样数据结合的方式，并基于傅里叶算法，精确计算测量值。
14.综上所述，与现有技术相比，上述技术方案的有益效果是：通过离散傅里叶变换算法可将电压和电流信号按照基波频率的整数倍进行分解，分解出基波和各次谐波分量。能够对谐波频率分量进行较为精确的测量操作，能够对高次谐波进行有效的检测，极大程度地提高谐波频率分量的测量精度，进而有助于维持电力系统的稳定运行。
附图说明
15.图1为本技术实施例的高次谐波抑制测控装置流程图；图2为本技术实施例的检测十三次谐波正、余弦系数波形图；图3为本技术实施例的电压信号叠加谐波仿真波形图；图4为本技术实施例的谐波检测各次谐波分量分布图。
具体实施方式
16.以下结合附图对本技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本技术，并非用于限定本技术的范围。
17.本技术实施例公开一种用于电力系统高次谐波抑制的测控装置及方法。
18.本技术主要基于离散傅里叶级数理论检测和抑制谐波分量，针对于离散傅里叶级数，首先，一个周期的离散时间信号须满足：（1）在式（1）中，n为正整数，表示的周期。例如，复指数序列是一个周期序列，周期为n，基波频率为：（2）由该复指数序列可知，呈谐波关系的复指数序列集为：（3）其中，k=0，
±
1，
±2……
每个分量的频率是基波频率的整数倍。
19.同时，也是周期序列，公式如下：（4）其中，r为整数。
20.即当k变化了一个n的整数倍时，能够得到一个完全相同的序列。所以，基波周期为n的周期序列，可用n个呈谐波关系的复指数序列的加权和进行表示，公式如下：（5）上式（5）求和限表示求和仅需要包含n项，k既可以取0，1，2
……
n-1，也可以取2，3，4
……
n 1，以此类推。无论k如何取值，由于公式（4）的周期性，公式（5）右边求和结果都是相同的。
21.将周期序列按照公式（5）的形式进行表示，即一组呈谐波关系的复指数序列的加权和，称为离散傅里叶级数。其中，系数称为离散傅里叶系数，公式如下：
（6）上式（5）、（6）是周期离散时间信号和其傅里叶系数相互转换的公式。其中，公式（5）可以根据计算出的值还原出原始信号，而公式（6）可以根据已知信号分析提取出信号中所含的频谱。
22.另外，傅里叶系数称为信号的频谱系数。这些频谱系数说明信号可被分解成n个呈谐波关系的复指数序列的加权和，本发明谐波分量的检测和测量值计算的原理主要来自于此。
23.本技术实施例公开一种用于电力系统高次谐波抑制的测控方法。
24.实施例1一种用于电力系统高次谐波抑制的测控装置及方法，包括：通过离散傅里叶变换算法可将电压和电流信号按照基波频率的整数倍进行分解，分解出基波和各次谐波分量。根据上述傅里叶级数理论，利用公式（6）可推导出，是基波频率k倍的频率系数。
25.根据离散傅里叶变换算法，得出频率系数，公式如下：（7）公式（7）中，u(n)表示已知的电压输入信号，n为周期采样点数，其中，0≤k≤（n-1）；利用欧拉公式展开所述频率系数，得到所述频率系数的实部和虚部，公式如（8）和（9）所示：（8）（9）其中，n为周期采样点数，k为谐波次数，k=1，2
……
13；计算得出k个频率分量的幅值，即电压的基波分量和各次谐波分量的幅值，公式如下：（10）其中，k为谐波次数，k=1，2
……
13；根据所述幅值，计算得到基波和2-13次谐波的幅值大小；当2-13次中的某次谐波幅值超过设定阈值后，认定存在该次谐波分量，根据所述幅值，计算得到电压的有效值，公式如下：
（11）根据所述电压的有效值，计算得到电压和电流的有效值；对于13次以上的谐波分量，不进行检测，不加入有效值计算，实现高次谐波抑制作用；同理，根据离散傅里叶变换算法以及欧拉公式，计算得到电流频率系数的实部和虚部，得出电流的基波和各次谐波幅值，其中，计算电流有效值，公式如下：（12）根据有功功率p和无功功率q的计算公式：（13）（14）分别得出电力信号有功功率p和无功功率q的推导公式：（15）（16）。
26.实现了电力系统在电网电力电子化引发的高次谐波严重影响下对电压、电流和功率等遥测值的精准测量，填补了测控装置谐波抑制的算法空缺。基于傅氏算法，算法简单易实现，并且有效地提高了高次谐波影响下工频遥测值的测量精度。
27.实施例1的实施原理为：通过离散傅里叶变换算法可将电压和电流信号按照基波频率的整数倍进行分解，分解出基波和各次谐波分量。通过利用谐波检测算法，能够对谐波频率分量进行较为精确的测量操作，能够对高次谐波进行有效的检测，极大程度地提高谐波频率分量的测量精度，进而有助于维持电力系统的稳定运行。
28.实施例2本实施例与实施例1的不同之处在于，数据采样形式不同。
29.根据奈奎斯特采样定理：fs≥2fc（19）可知，当采样频率fs小于信号最高频率的2倍时，就会产生频率混叠现象。就目前叠加谐波次数最大可到40次，而采样数据只有40点（即采样频率为基波频率的40倍，信号最大频率为基波频率的40倍），未大于或等于的80倍，显然不满足奈奎斯特定理，必将产生频率混叠。因此，至少要选择80点采样数据，才能避免频率混叠，防止错误检测和抑制20次以上的高次谐波。
30.考虑cpu负载率和频率混叠的影响，本技术实施例提出40点和80点采样数据结合进行谐波检测和测量值计算的方案。其中，当k取值为2-13时，基波幅值和谐波幅值采用40
点采样数据进行计算，电压、电流有效值等于基波幅值和谐波幅值之和；当k取值为14-38或40-50时，谐波幅值不参与有效值计算，基波幅值采用40点采样数据进行计算，电压、电流有效值等于基波幅值；当k取值大于等于39时，谐波幅值不参与有效值计算，基波幅值采用80点采样数据进行计算，电压、电流有效值等于基波幅值。
31.为了验证该方案对谐波干扰信号的检测和抑制效果，使用昂立测试仪模拟电力系统的电压、电流信号，叠加上2-50次谐波信号进行功能测试。测试仪施加的基波电压幅值为57.735v，谐波电压幅值是基波电压幅值的20%，设为11.547v，基波电流幅值设为5a，谐波电流为1a。理论上，施加2-13次谐波时测量有效值为基波与谐波的幅值叠加，施加13次以上谐波时被有效抑制同时测量有效值为基波幅值，电压、电流和功率的理论值下表已给出。表1为施加2-13次谐波的最大误差对比情况，表2为施加14-50次高次谐波的最大误差对比情况。
32.表1为40点和80点采样数据结合施加2~13次谐波最大误差对比表表2为40点和80点采样数据结合施加14~50次高次谐波最大误差对比表测控装置技术规范要求，电压和电流的测量误差应小于0.2%，功率测量误差应小于0.5%，叠加谐波后允许的误差改变量不应超过200％，即叠加谐波后电压和电流测量误差应小于0.4%，功率测量误差应小于1%。从测试数据可以看出，叠加2-13次谐波时，电压、电流测量误差小于0.4%，功率测量误差小于1%；叠加14-50次谐波时，电压、电流测量误差小于0.4%，功率测量误差小于1%。以上不同测试情况下的测量误差均满足规范误差要求。
33.实施例2的实施原理为：采用40点和80点采样相结合的检测和计算方式，减少硬件配置的限制，可使计算量大大降低。不仅良好适应装置的硬件性能，同时防止cpu负载率过高，实现多功能测控装置计算量的精准度，当装置采用40点采样数据进行测量值计算时，能够保证装置所有功能正常运行。
34.实施例3本实施例与实施例1的不同之处在于，数据采样形式不同，具体方案如下：谐波分量全部采用80点采样数据进行检测，电压和电流幅值同样采用80点采样数据进行计算。谐波分量全部采用80点采样数据进行检测，电压和电流幅值同样采用80点采样数据进行计算，根据谐波检测算法：（8）
（9）其中，k为谐波次数，k=1，2
……
13；分解得到电压和电流信号的基波和2-13次谐波分量，再根据（10）计算得到基波和2-13次谐波的幅值大小；当2-13次中的某次谐波幅值超过一定阈值后，认定存在该次谐波分量，并通过公式（11）计算得到电压和电流的有效值；对于13次以上的谐波分量，不进行检测，不加入有效值计算，实现高次谐波抑制作用。
35.当装置硬件性能提高，cpu负载率不受限制时，本技术实施例提出80点谐波检测、抑制以及80点测量值计算的方案。采用昂立测试仪向测控装置模拟输入电压和电流信号，并叠加2-50次谐波进行功能测试。测试仪施加的电压、电流的基波和谐波信号同上述实施例2一致。表3为施加2-13次谐波的最大误差对比情况，表4为施加14-50次高次谐波的最大误差对比情况。
36.表3为80点谐波检测时施加2-13次谐波的最大误差对比表表4为80点谐波检测时施加14-50次高次谐波最大误差对比表测控装置技术规范对电压、电流和功率的测量误差要求同上述实施例2一致。从测试结果可以看出，当叠加2-13次谐波时，电压、电流测量误差小于0.02%，不大于0.2%，功率测量误差小于0.03%，不大于1%；叠加14-50次谐波时，电压、电流测量误差小于0.01%，不大于0.2%，功率测量误差小于0.03%，不大于1%。以上不同测试情况下的测量误差均在规范误差要求范围内。
37.实施例3的实施原理为：当装置的硬件配置较高，且cpu负载率较低时，可支持测控装置的高计算量，能够保证装置所有功能正常运行。因此，装置可以采用80点采样数据进行测量值计算。由奈奎斯特定理可知，当采样频率为基波频率的80倍时，能够较为准确地分
解出2-40次的谐波分量，而不发生频率混叠，满足技术要求。
38.实施例4本实施例与实施例1的不同之处在于，幅值跳变解决方案不同，当测试仪向测控装置初始加入遥测量的瞬间，由于计算缓冲区在谐波检测任务执行时刻未及时填入完整的一周期采样数据，导致谐波检测算法发生误判，不能准确检测出相应的谐波分量，进而产生幅值跳变。如果不加以处理，会导致测量值计算异常，影响电力系统的安全运行。针对这一现象，本技术实施例提出一种抑制幅值跳变产生计算误差的解决方案。
39.导致上述异常问题的主要原因在于，谐波检测时计算缓冲区不是一个完整的周波数据，算法不能准确判断。因此，可在计算缓冲区采样数据填充完成之前，让谐波检测任务正常执行，测量任务也正常运行，只是不进行测量值计算，测量幅值结果直接写入“0”值；在计算缓冲区填充好一个完整周波采样数据后，测量幅值才正常计算。
40.实施例4的实施原理为：消除幅值跳变产生的测量误差影响可使电力系统安全、稳定运行，提高了系统的安全性和稳定性。
41.参照图1，一种用于电力系统高次谐波抑制的测控装置，包括：信号采样模块、频率计算模块、采样数据转换模块、谐波检测模块、测量值计算模块；所述信号采样模块由采样脉冲对模拟信号进行采样，得到用于频率计算和采样数据转换的采样信号，每周波采样点数为40点；所述频率计算模块是基于信号采样模块输出的采样数据，采用过零点算法计算系统侧频率值，为测量值计算模块提供判断依据；所述采样数据转换模块是基于信号采样模块输出的采样数据，进行重采样存入计算缓冲区，此时每周波采样点数为80点，为谐波检测模块提供检测数据，并为测量值计算模块提供计算数据；所述谐波检测模块以采样数据转换模块输出的80点采样数据作为输入，经过80点谐波检测算法，检测各次谐波分量大小，从而确定是否存在高次谐波，检测结果用于计算电压、电流和功率等测量值；所述测量值计算模块依据谐波检测模块的检测结果，按照测量幅值计算方案，采用40点和80点采样数据结合的方式，并基于离散傅里叶算法，精确计算测量值。
42.在谐波检测过程中，谐波检测算法的正、余弦系数事先通过matlab工具生成。根据公式（8）和（9），余弦系数和正弦系数的matlab生成代码分别为：cos(n, k) = sqrt(2)/n * cos(n*k*2*pi/n)（17）sin(n, k) = sqrt(2)/n * sin(n*k*2*pi/n)（18）参照图2，其中，n是周期采样点个数，等于80；n是采样点序号，取值为1-n；k是谐波次数，取值为1-13。谐波检测算法生成的正、余弦系数波形图如附图2所示。然后，将生成的正、余弦系数cos(n, k)和sin(n, k)经过一定倍数的放大，作为实际计算系数与测控装置采样数据进行对应采样点的乘积、求和运算。
43.于是，可得到基波和2至13次谐波分量的实部、虚部。然后，经公式（10）可计算获得基波和2至13次谐波分量的幅值大小，再根据公式（11）和（12）即可计算出电压、电流的有效值。最后，由公式（14）、（15）得到系统的有功功率和无功功率。
44.参照图3和图4，在仿真时，周期采样点数n设置为80点，采样频率fs设为50hz，电压
幅值ua为57.735v，2次谐波和13次谐波幅值设置为基波幅值的20%，均为11.547v。附图3和附图4分别给出了电压信号叠加谐波仿真波形图及谐波检测各次谐波分量分布图。其中，附图3模拟正弦电压信号受到2次和13次谐波干扰后的波形情况，附图4是经过谐波检测算法分解出的基波和谐波分量。
45.可见，系统能够分解得出了基波和2至13次谐波分量，且各次谐波幅值uk=[57.7350000000000,11.5470000000000,1.70986060406632e-14,1.55510504872441e-14,1.48045844976432e-14,5.55111512312578e-15,1.15484543030194e-14,3.22462457067851e-14,3.33364684119621e-14,2.78468253768464e-14,3.88226593384640e-14,1.67467124462598e-14,11.5470000000000]，其中，k为谐波次数，取值1-13。
[0046]
以上所述仅为本技术的较佳实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。