电力系统谐波检测的研究及应用

发布时间：2020-11-05 05:02

　　 随着电力电子技术的高速发展,各种非线性器件在电力系统中得到了广泛应用,导致了谐波污染的出现,严重危害到电网的安全稳定运行。作为最为常见的谐波检测方法,快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)具有测量精度高、易于实现等特点。但是,当非同步采样和非整数周期截断时,频谱泄漏和栅栏效应将会恶化谐波检测的性能。通过加窗和插值算法可以有效改善谐波分量的测量精度。本文首先介绍了电力系统谐波的定义、来源、危害和分析指标,系统地说明了现有谐波检测方法,着重阐述了采用FFT进行谐波检测的算法原理和优缺点。基于窗函数的特性分析,给出了 FFT算法中窗函数选择的评价指标。考虑到实际电力系统中普遍存在噪声干扰,本文提出了一种改进的三谱线加窗插值FFT算法。同时,基于窗函数主瓣内相邻谱线相位差恒为π的性质,提出了一种快速算法,并利用曲线拟合函数、以多项式模型逼近参数修正公式。在仿真测试中,验证了采用不同种类窗函数的改进算法对弱信号分量提取、复杂信号的谐波检测的有效性,分析了改进算法在频率波动和白噪声干扰的情况下的性能表现。根据测试结果,充分验证了改进算法的可行性。针对传统电能表在电能计量中存在的问题,提出了一种基于模数转换器、数字信号处理和RISC-V指令集的电能表构成方案。从总体结构、硬件和软件三个方面,系统地说明了电表实现的设计流程,并详细分析了电能计量系统中的误差情况。最后,根据实际系统调试的结果,验证了所设计的电能表的可行性,并且满足国家标准中A类谐波测量仪的要求。
【学位单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM935
【部分图文】：

出现了多种谐波检测方法。??（１）模拟滤波器法??早期的谐波检测是基于模拟滤波器实现的，其检测装置原理图如图１－丨所??示。输入信号经过放大器后送入到并行排列的带通滤波器中。滤波器的中心频??率固定，并且为工频的整数倍数，可以通过各次谐波信号。最后，各次谐波数??据经过检波器检波，送到多路显示器中显示测量信号中所含的谐波分量。??——ｔ?滤波器１?＾——＾?检波器１??？??＾?％??入?＾？滤波器２?＾检波器２??？?ｓ??放——?＇????－??大：?：不??Ｓ?？?．?器???？滤波器Ｎ??？？检波器Ｎ??？??图１－１模拟并行滤波式的谐波检测装置图??该方法的优点是原理和电路结构简单，价格便宜，易于实现；缺点是谐波??分量的测量精度依赖于滤波器的参数，且易受外界环境影响，无自适应能力。??目前，该方法己经不再采用，但是“分解原始信号，提取特征信息”的基本思??路却沿用至今。??５??

出现了多种谐波检测方法。??（１）模拟滤波器法??早期的谐波检测是基于模拟滤波器实现的，其检测装置原理图如图１－丨所??示。输入信号经过放大器后送入到并行排列的带通滤波器中。滤波器的中心频??率固定，并且为工频的整数倍数，可以通过各次谐波信号。最后，各次谐波数??据经过检波器检波，送到多路显示器中显示测量信号中所含的谐波分量。??——ｔ?滤波器１?＾——＾?检波器１??？??＾?％??入?＾？滤波器２?＾检波器２??？?ｓ??放——?＇????－??大：?：不??Ｓ?？?．?器???？滤波器Ｎ??？？检波器Ｎ??？??图１－１模拟并行滤波式的谐波检测装置图??该方法的优点是原理和电路结构简单，价格便宜，易于实现；缺点是谐波??分量的测量精度依赖于滤波器的参数，且易受外界环境影响，无自适应能力。??目前，该方法己经不再采用，但是“分解原始信号，提取特征信息”的基本思??路却沿用至今。??５??

华北电力大学硕士学位论文??由此可见，经过一次变换，Ｎ点ＤＦＴ可以分解成两个Ｎ／２点的ＤＦＴ。因此，??经过１－１次变换，Ｎ点的ＤＦＴ可以分解成两点的ＤＦＴ。图２－１为Ｎ＝８的时间??抽取ＦＦＴ算法的流程图，图中包含三级ＤＦＴ。??攻〇）?ｖ／＼?ｙ?Ｘ（°）??ｘ（４）?—ｘ⑴??４２）?—ｘ⑵??攻６）?ｘ⑶??ｓ?ｉ??攻７）?＼?ｘ（７）??图２－１?Ｎ＝８的时间抽取ＦＦＴ算法的流程图??在ＦＦＴ算法中，对于ｉＶ?＝?２ｚ的有限长序列，包含Ｉｏｇ２ｉＶ级ＤＦＴ，所以复数??乘法、加法的次数分别为ｆｌｏｇ２Ｗ、ＡＨｏｇ２ＪＶ，而ＤＦＴ的复数乘法、加法的次??数都是。以乘法运算次数为例，二者的运算速度之比为２＃ｌｏｇ２ｉＶ。当Ｎ＝１０２４??时，ＦＦＴ的运算速度为ＤＦＴ的２０４．８倍，运算速度大大提高。并且Ｎ值的越大，??ＦＦＴ相比于ＤＦＴ的运算优势越明显。??２．１．３缺陷??当采用ＦＦＴ进行谐波检测时，首先对电网电压、电流信号进行采样和截断，??然后对离散序列进行ＦＦＴ变换，从而可以获得信号的基波和各次谐波分量，包??括频率、幅值和相位。根据采样定理
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本文编号：2871166