CN113625051A - 一种谐波采集方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种谐波采集方法及系统，涉及电力谐波检测领域。一种谐波采集方法包括：标准FFT的调用和数据序列的整理；通过对原数据序列的处理，得出相邻次谐波间的相位差，并为计算下次的谐波幅值提供必需的数据新序列；使用组合窗进行加窗FFT处理并基于多线谱插值进行谐波分析，计算得到基波、各次谐波的参数。其能够将FFT指数计算复杂性变换为固定乘因子复杂性，从而在保证精度的条件下，加快谐波分析的计算速度。此外本发明还提出了一种谐波采集系统，包括：整理模块、处理模块及计算模块。

Description

一种谐波采集方法及系统

技术领域

本发明涉及电力谐波检测领域，具体而言，涉及一种谐波采集方法及系统。

背景技术

断路器是一种集保护与控制于一身的重要电力保护元件，用于接通、分断电力系统及对各种故障进行保护控制，广泛应用于各类电网的供配电系统中。断路器加速向智能化、嵌入式发展，对于电网中谐波分量的分析功能也逐渐附加在断路器的研究当中，成为其有力的辅助技术。

对于电信号，谐波则为频率为系统基波频率整数倍的信号分量。习惯上，认为电网稳态的供电波形为工频正弦波形。但由于非线性负荷存在，电网电压的波形就会偏离正弦波形而发生畸变，电网的畸变波形对各种电气设备均有不利的影响。

谐波分析，即是专门对各种电力参数进行测量检验，捕捉分析各次谐波，以便改善电流电压波形。谐波分析方法在频域中主要是傅立叶分析。这种算法要求是采集信号频率必须是要分析的谐波最高频率的两倍以上。但在数据采集时，即使采样频率满足了奈奎斯特定理，但如果不是同步采样，就会使分析的信号参数不准。在时域中的方法主要有：瞬时无功功率理论法(p.q法)，PI控制器法，同步检测法，滑模控制器法，自适应检测法，小波变换检测法，模糊逻辑检测法以及神经网络检测法等。此类方法常常偏于复杂，时间和空间复杂性较大，一般不适用于嵌入式系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种谐波采集方法，其能够将FFT指数计算复杂性变换为固定乘因子复杂性，从而在保证精度的条件下，加快谐波分析的计算速度；同时独立地计算每次谐波的幅值以及相位差角，每轮判过零点以实现“准”同步采样，从而可克服标准FFT递推式计算所带来计算误差的积累，及非同步所带来的参数偏差之缺点。

本发明的另一目的在于提供一种谐波采集系统，其能够运行一种谐波采集方法。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本申请实施例提供一种谐波采集方法，其包括标准FFT的调用和数据序列的整理；通过对原数据序列的处理，得出相邻次谐波间的相位差，并为计算下次的谐波幅值提供必需的数据新序列；使用组合窗进行加窗FFT处理并基于多线谱插值进行谐波分析，计算得到基波、各次谐波的参数。

在本发明的一些实施例中，上述标准FFT的调用和数据序列的整理包括：每次FFT计算仅确定其中任一次的谐波幅值，不计算其相角。

在本发明的一些实施例中，上述还包括：在a'均匀抽取预设点作FFT分析，仅计算a'的i次幅值参数，自调整截止频率的高通滤波，由i次幅值参数还原出该次谐波的离散频谱，然后a数据序列减去逆变后的该次谐波成分,算得新的数据序列,并赋给a，按下次(i←i+1)要分析的谐波数与基波的倍比关系，对a数据序列实现折叠平均滤波。

在本发明的一些实施例中，上述通过对原数据序列的处理，得出相邻次谐波间的相位差，并为计算下次的谐波幅值提供必需的数据新序列包括：过滤直流分量互感器铁心磁通产生的偏置误差产生直流分量，通过软件将直流分量过滤掉，以便找到准确的基线并为过零点判定做准备。

在本发明的一些实施例中，上述还包括：判过零点位置，当滤波谐波成分后数据序列将随之变化，其过零点区域也会发生变化，为消除一定的随机误差，扫描数据的正负交替情况，取左边连续3点正值和右边连续3点负值，进行线性拟合，然后得出过零点位置。

在本发明的一些实施例中，上述使用组合窗进行加窗FFT处理并基于多线谱插值进行谐波分析，计算得到基波、各次谐波的参数包括：分别在功率因数为指定值时，获取有功功率测量值以及使用标准谐波电能表测量得到的有功功率标准值进行角差校正，得到基波角差。

在本发明的一些实施例中，上述还包括：对基波角差施加Hanning自乘卷积窗函数，并进行FFT变换，得到对应的电压频谱和电流频谱，分别检测电压频谱和电流频谱的基波和谐波的被检峰值处的最大谱线及与最大谱线相邻的两条谱线的幅值。

第二方面，本申请实施例提供一种谐波采集系统，其包括整理模块，用于标准FFT的调用和数据序列的整理；

处理模块，用于通过对原数据序列的处理，得出相邻次谐波间的相位差，并为计算下次的谐波幅值提供必需的数据新序列；

计算模块，用于使用组合窗进行加窗FFT处理并基于多线谱插值进行谐波分析，计算得到基波、各次谐波的参数。

在本发明的一些实施例中，上述包括：用于存储计算机指令的至少一个存储器；与上述存储器通讯的至少一个处理器，其中当上述至少一个处理器执行上述计算机指令时，上述至少一个处理器使上述系统执行：整理模块、处理模块及计算模块。

第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如一种谐波采集方法中任一项的方法。

相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：

其能够将FFT指数计算复杂性变换为固定乘因子复杂性，从而在保证精度的条件下，加快谐波分析的计算速度；同时独立地计算每次谐波的幅值以及相位差角，每轮判过零点以实现“准”同步采样，从而可克服标准FFT递推式计算所带来计算误差的积累，及非同步所带来的参数偏差之缺点。通过使用组合窗进行加窗插值FFT，能够减少动态谐波FFT频谱泄漏和旁瓣效应，改善动态谐波FFT频谱泄漏和旁瓣性能，同时对传统谱线插值进行改进，使用多线谱插值进行谐波分析，能够获取更多占比大的谱线，从而更为充分、准确的表征电网信号基波与谐波的特性，有效提高三相谐波动态检测的精度以及频谱分辨力。通过取峰值谱线以及峰值谱线的左、右谱线构成的三谱线进行插值分析计算，通过根据三根谱线的幅值、频率构建闪变包络的幅值、频率的修正式，结合使用曲线拟合的方式得到其中参数的修正式、多项式的逼近式，从而最终得到基波以及各次谐波的参数的幅值、频率的修正式，可以基于峰值谱线附近占比重大的3根谱线插值来有效提高谐波分析精度，同时减少计算复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的一种谐波采集方法步骤示意图；

图2为本发明实施例提供的一种谐波采集方法详细步骤示意图；

图3为本发明实施例提供的一种谐波采集系统模块示意图；

图4为本发明实施例提供的一种电子设备。

图标：10-整理模块；20-处理模块；30-计算模块；101-存储器；102-处理器；103-通信接口。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互组合。

实施例1

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种谐波采集方法步骤示意图，其如下所示：

步骤S100，标准FFT的调用和数据序列的整理；

在一些实施方式中，所谓“少点重复”的分析方法主要由3个步骤所组成。设采集的数据序列为a＝{a0，a1，a2，a3，a4，，an}。

初始a'←a；i←1。

(1)FFT调用，在a'均匀抽取4点(或者8点)，作FFT分析，仅计算a'的i次幅值参数。

(2)自调整截止频率的高通滤波，由(1)中算得的i次幅值参数还原出该次谐波的离散频谱，然后a数据序列减去逆变后的该次谐波成分,算得新的数据序列,并赋给a。

(3)折叠平均滤波，按下次(i←i+1)要分析的谐波数与基波的倍比关系，对a数据序列实现折叠平均滤波。具体是：按倍数等分n个数据为若干组，然后将各组叠加成一个组，最后再除以叠加组数，得到一个平均值序列，并赋给a'。

这个步骤随着所分析谐波次数的增加，成为一种进一步提高计算精度的手段。

步骤S110，通过对原数据序列的处理，得出相邻次谐波间的相位差，并为计算下次的谐波幅值提供必需的数据新序列；

在一些实施方式中，过滤直流分量。互感器铁心磁通产生的偏置误差可以产生直流分量，为提高精度，通过软件将直流分量过滤掉，以便找到准确的基线，并为下一步的过零点判定做好准备。具体方法是：由(∑a)/n得到直流分量u，然后对a数据序列减去u0。

判过零点位置。当滤波某谐波成分后，a数据序列将随之变化，其过零点区域也会发生变化。为消除一定的随机误差，扫描数据的正负交替情况，取左边连续3点正值和右边连续3点负值，进行线性拟合，然后得出过零点位置。

设有a1(xL1，y L1)，a2(xL2，y L2)，a3(xL3，y L3)，b1(xR1，y R1)，b2(xR2，y R2)，b3(xR3，y R3)这样满足条件的连续6点，则可分别根据a1、a2和a3拟合出P1(xL，y L)点和P2(xR，yR)点。

根据过零点坐标差异计算相位差。通过不断判过零点位置，按Δψ＝(|tn-tn-1|/T)×2π，tn和tn-1分别代表相邻两次分析出的过零点的对应时刻，就可以很方便地确定相邻次谐波的相位差关系。

步骤S120，使用组合窗进行加窗FFT处理并基于多线谱插值进行谐波分析，计算得到基波、各次谐波的参数。

在一些实施方式中，谐波电能计量误差校正步骤以进一步完成系统误差校正，谐波电能计量误差校正步骤包括：分别在功率因数为指定值时，获取步骤S2得到的有功功率测量值以及使用标准谐波电能表测量得到的有功功率标准值进行角差校正，得到基波角差，根据得到的基波角差计算步骤S2根据计算出的基波、谐波与使用标准谐波电能表测量得到的基波、谐波之间的有功功率误差、谐波电压测量误差、谐波电流测量误差以及谐波相位测量误差中的任意一种或多种，以判定步骤S130的计量结果是否满足需求。

本实施例中误差校正具体包括角差和比差校正两个部分，电网中电压和电流信号经过上述加窗插值FFT分析后，先进行电压电流比差校正，即将电压、电流进行比较，得出基波电压和基波电流的有效值。

实施例2

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的一种谐波采集方法详细步骤示意图，其如下所示：

步骤S200，每次FFT计算仅确定其中任一次的谐波幅值，不计算其相角。

步骤S210，在a'均匀抽取预设点作FFT分析，仅计算a'的i次幅值参数，自调整截止频率的高通滤波，由i次幅值参数还原出该次谐波的离散频谱，然后a数据序列减去逆变后的该次谐波成分,算得新的数据序列,并赋给a，按下次(i←i+1)要分析的谐波数与基波的倍比关系，对a数据序列实现折叠平均滤波。

步骤S220，过滤直流分量互感器铁心磁通产生的偏置误差产生直流分量，通过软件将直流分量过滤掉，以便找到准确的基线并为过零点判定做准备。

步骤S230，判过零点位置，当滤波谐波成分后数据序列将随之变化，其过零点区域也会发生变化，为消除一定的随机误差，扫描数据的正负交替情况，取左边连续3点正值和右边连续3点负值，进行线性拟合，然后得出过零点位置。

步骤S240，分别在功率因数为指定值时，获取有功功率测量值以及使用标准谐波电能表测量得到的有功功率标准值进行角差校正，得到基波角差。

步骤S250，对基波角差施加Hanning自乘卷积窗函数，并进行FFT变换，得到对应的电压频谱和电流频谱，分别检测电压频谱和电流频谱的基波和谐波的被检峰值处的最大谱线及与最大谱线相邻的两条谱线的幅值。

在一些实施方式中，对基波电能的计算，基于Hanning自乘卷积窗的算法具有较高的计算精度；而且在计算各次谐波电能方面，基于Hanning自乘卷积窗算法的计算精度也较高，例如，比Hanning窗高一个数量级；且与二阶Hanning自乘窗相比，其计算各次谐波电能的精度也具有明显优势。

本发明实施例的一种Hanning自乘卷积窗FFT三谱线插值谐波分析方法，与其他三种插值算法相比具有计算准确度和计算速度快的优势，通过仿真对比实验结果表明，本发明可有效抑制因非同步采样和非整周期截断等带来的频谱泄漏，也能明显补偿由栅栏效应带来的偏差，具有较高的计算准确度。

实施例3

请参阅图3，图3为本发明实施例提供的一种谐波采集系统模块示意图，其如下所示：

整理模块10，用于标准FFT的调用和数据序列的整理；

处理模块20，用于通过对原数据序列的处理，得出相邻次谐波间的相位差，并为计算下次的谐波幅值提供必需的数据新序列；

计算模块30，用于使用组合窗进行加窗FFT处理并基于多线谱插值进行谐波分析，计算得到基波、各次谐波的参数。

如图4所示，本申请实施例提供一种电子设备，其包括存储器101，用于存储一个或多个程序；处理器102。当一个或多个程序被处理器102执行时，实现如上述第一方面中任一项的方法。

还包括通信接口103，该存储器101、处理器102和通信接口103相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器101可用于存储软件程序及模块，处理器102通过执行存储在存储器101内的软件程序及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。该通信接口103可用于与其他节点设备进行信令或数据的通信。

其中，存储器101可以是但不限于，随机存取存储器101(Random Access Memory，RAM)，只读存储器101(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器101(ProgrammableRead-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器101(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EPROM)，电可擦除只读存储器101(Electric Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EEPROM)等。

处理器102可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。该处理器102可以是通用处理器102，包括中央处理器102(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器102(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器102(Digital Signal Processing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的方法及系统和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的方法及系统实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的方法及系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

另一方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器102执行时实现如上述第一方面中任一项的方法。所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器101(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器101(RAM，RandomAccess Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

综上所述，本申请实施例提供的一种谐波采集方法及系统，其能够将FFT指数计算复杂性变换为固定乘因子复杂性，从而在保证精度的条件下，加快谐波分析的计算速度；同时独立地计算每次谐波的幅值以及相位差角，每轮判过零点以实现“准”同步采样，从而可克服标准FFT递推式计算所带来计算误差的积累，及非同步所带来的参数偏差之缺点。通过使用组合窗进行加窗插值FFT，能够减少动态谐波FFT频谱泄漏和旁瓣效应，改善动态谐波FFT频谱泄漏和旁瓣性能，同时对传统谱线插值进行改进，使用多线谱插值进行谐波分析，能够获取更多占比大的谱线，从而更为充分、准确的表征电网信号基波与谐波的特性，有效提高三相谐波动态检测的精度以及频谱分辨力。通过取峰值谱线以及峰值谱线的左、右谱线构成的三谱线进行插值分析计算，通过根据三根谱线的幅值、频率构建闪变包络的幅值、频率的修正式，结合使用曲线拟合的方式得到其中参数的修正式、多项式的逼近式，从而最终得到基波以及各次谐波的参数的幅值、频率的修正式，可以基于峰值谱线附近占比重大的3根谱线插值来有效提高谐波分析精度，同时减少计算复杂度。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (10)

1.一种谐波采集方法，其特征在于，包括：

标准FFT的调用和数据序列的整理；

通过对原数据序列的处理，得出相邻次谐波间的相位差，并为计算下次的谐波幅值提供必需的数据新序列；

使用组合窗进行加窗FFT处理并基于多线谱插值进行谐波分析，计算得到基波、各次谐波的参数。

2.如权利要求1所述的一种谐波采集方法，其特征在于，所述标准FFT的调用和数据序列的整理包括：

每次FFT计算仅确定其中任一次的谐波幅值，不计算其相角。

3.如权利要求2所述的一种谐波采集方法，其特征在于，还包括：

在a'均匀抽取预设点作FFT分析，仅计算a'的i次幅值参数，自调整截止频率的高通滤波，由i次幅值参数还原出该次谐波的离散频谱，然后a数据序列减去逆变后的该次谐波成分,算得新的数据序列,并赋给a，按下次(i←i+1)要分析的谐波数与基波的倍比关系，对a数据序列实现折叠平均滤波。

4.如权利要求1所述的一种谐波采集方法，其特征在于，所述通过对原数据序列的处理，得出相邻次谐波间的相位差，并为计算下次的谐波幅值提供必需的数据新序列包括：

过滤直流分量互感器铁心磁通产生的偏置误差产生直流分量，通过软件将直流分量过滤掉，以便找到准确的基线并为过零点判定做准备。

5.如权利要求4所述的一种谐波采集方法，其特征在于，还包括：

判过零点位置，当滤波谐波成分后数据序列将随之变化，其过零点区域也会发生变化，为消除一定的随机误差，扫描数据的正负交替情况，取左边连续3点正值和右边连续3点负值，进行线性拟合，然后得出过零点位置。

6.如权利要求1所述的一种谐波采集方法，其特征在于，所述使用组合窗进行加窗FFT处理并基于多线谱插值进行谐波分析，计算得到基波、各次谐波的参数包括：

分别在功率因数为指定值时，获取有功功率测量值以及使用标准谐波电能表测量得到的有功功率标准值进行角差校正，得到基波角差。

7.如权利要求6所述的一种谐波采集方法，其特征在于，还包括：

对基波角差施加Hanning自乘卷积窗函数，并进行FFT变换，得到对应的电压频谱和电流频谱，分别检测电压频谱和电流频谱的基波和谐波的被检峰值处的最大谱线及与最大谱线相邻的两条谱线的幅值。

8.一种谐波采集系统，其特征在于，包括：

整理模块，用于标准FFT的调用和数据序列的整理；

处理模块，用于通过对原数据序列的处理，得出相邻次谐波间的相位差，并为计算下次的谐波幅值提供必需的数据新序列；

计算模块，用于使用组合窗进行加窗FFT处理并基于多线谱插值进行谐波分析，计算得到基波、各次谐波的参数。

9.如权利要求8所述的一种谐波采集系统，其特征在于，包括：

用于存储计算机指令的至少一个存储器；

与所述存储器通讯的至少一个处理器，其中当所述至少一个处理器执行所述计算机指令时，所述至少一个处理器使所述系统执行：整理模块、处理模块及计算模块。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。

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