专利名称：非稳定谐波及间谐波测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于对电子装置产生的谐波和间谐波进行测量的装置，特别是用于对电力信号中幅值或频率随时间变化的非稳定谐波分量以及频率为基频非整数倍的间谐波分量的准确快速测量仪器。
背景技术：
近年来，一方面，电力电子装置的广泛使用给电力系统带来了大量的谐波、间谐波污染；另一方面，大量敏感设备的使用对于谐波、间谐波的测量及补偿提出了更高的要求。 高精度谐波、间谐波测量对于电能质量分析、电力系统保护及控制有着十分重要的意义。目前国内外关于谐波、间谐波的测量装置大多是基于时域-频域的方法。这种装置的准确性主要由采样是否同步、采样窗函数的性能以及频率分辨率等因素共同决定。随着电力系统非线性、冲击性负荷的广泛使用，电网频率不能维持50Hz的稳定值，而是在一定范围内(一般在49. 5Hz 50. 5Hz内)波动。对于系统中非稳定谐波、间谐波的测量，如果要采用当前国内外广泛使用的方法装置，一方面需要尽可能高的频率分辨率，另一方面，采样窗口长度要尽量的短。目前，这些信号测量装置的设计主要是基于 IEC61000-4-7标准的，该标准推荐50Hz系统采样窗口长度为10个基频周波，在此频谱范围内通过谐波、间谐波分组来测量谐波、间谐波分量的信息。实质上该标准是在对频率分辨率和采样窗口长度两方面要求综合考虑之后确定了这种折中方案。在这种频率分辨率下很难得到高精度的测量结果，标准推荐的利用间谐波组测量间谐波分量的方法是将2个谐波分量之间的频谱作为一个间谐波组，从中得到这两个谐波之间间谐波的总体有效值，而无法确定每一个间谐波分量的具体信息。因此，一种能够避免频率分辨率与采样窗口长度之间矛盾、准确跟踪测量每一个信号分量的频率信号测量装置对于各次非稳定谐波、间谐波的测量是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够同时准确测量幅值或频率随时间变化的非稳定谐波及间谐波测量仪。本发明的目的是这样实现的一种非稳定谐波及间谐波测量仪，包括含有信号参数因子μι、μ2* μ 3 WEPLL逻辑电路，输入信号模块与基频谐波带通滤波器Χ0，3-Ν奇数次谐波带通滤波器和/或2-Ν偶数次谐波带通滤波器，以及第1个间谐波带通滤波器Jl，第 2个间谐波带通滤波器J2，……，第m个间谐波带通滤波器Jm的输入端相连接；基频谐波带通滤波器XO的输出端顺次与基频EPLL逻辑电路EO以及基频谐波显示逻辑电路连接；上述3-N奇数次谐波带通滤波器和/或2-N偶数次谐波带通滤波器的输出端分别顺次与相应的零差逻辑电路L1，L2，……，Ln以及相应的谐波显示逻辑电路连接，上述第1个间谐波带通滤波器J1，第2个间谐波带通滤波器J2，……，第m个间谐波带通滤波器Jm的输出端分别顺次与相应的第1个间谐波EPLL逻辑电路E1，第2个间谐波EPLL逻辑电路E2，……，第M个间谐波EPLL逻辑电路Em以及相应的间谐波显示逻辑电路连接；与上述零差逻辑电路Li，L2，……Ln对应的增益逻辑电路Zl, 12,……，Zn的输入端均与基频EPLL逻辑电路EO的相应输出端相连接，上述增益逻辑电路Z1，12,……，Si的输出端分别与对应的零差逻辑电路Li，L2，……，Ln的参考相位输入端相连接。上述零差逻辑电路L1，L2，……，Ln中的参考信号的频率与输入信号EO的频率相等，所产生的混频信号由一个直流分量与一个输入信号频率的倍频分量组成。上述EPLL逻辑电路的信号参数因子中，P1的取值范围为0< μι<1/Τ，其中T 为信号的周期；μ2为大于ι的正数，μ3为小于ι的正数，且42与43的乘积与P1为同一
数量级。上述μ ！为 50，μ 2 为 1800，μ 3 为 0. 05。上述零差逻辑电路结构为参考相位逻辑电路的输出端分别与正弦函数逻辑电路以及余弦函数逻辑电路的输入端相连接，正弦函数逻辑电路的输出端分别与第1乘法器的输入端以及第1两倍增益逻辑电路的输入端连接，余弦函数逻辑电路的输出端分别与第2 乘法器的输入端以及第2两倍增益逻辑电路的输入端连接，输入信号分别接至第1乘法器的输入端和第2乘法器的输入端，第1乘法器的输出端连接第1低通滤波器的输入端，第1 低通滤波器的输出端分别与第3乘法器的输入端以及算法逻辑电路的输入端连接，第2乘法器的输出端连接第2低通滤波器的输入端，第2低通滤波器的输出端分别与第4乘法器
的输入端以及算法逻辑电路的输入端连接，上述算法逻辑电路的算法为2^0 )2+(M2J2
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算法逻辑电路的输出端为待测信号分量的幅值Ak，第3乘法器的输出端以及第4乘法器的输出端均与加法器逻辑电路连接，加法器逻辑电路的输出端与输出显示电路连接；上述参考相位逻辑电路中，由信号基频分量的相位《lt+ δ i构成各次谐波的参考相位Φα ΦΑ = k lt+k δ i ；式中，k为正整数，表示谐波次数，δ i为信号基频分量的初相位值，Q1为基频角频率值，t为时间变量。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明提出用增强型锁相环(Enhanced Phase Locked Loop, EPLL)逻辑电路单元跟踪测量电力信号基频频率，以确定出各次非稳定谐波的参考信号，用零差逻辑电路单元对输入信号进行调制，从而得到各次非稳定谐波分量。提出根据信号预处理所得的间谐波频率范围设置EPLL逻辑电路单元的初始角频率值，以跟踪测量各个频率的间谐波分量。提出用多单元并行结构将所有零差逻辑电路单元与EPLL逻辑电路单元组合起来构成非稳定谐波及间谐波测量仪，实现对电力信号中所有非稳定谐波、间谐波分量的同时准确测量。本发明相比现有技术的特点和优点将在具体实施方式
部分加以进一步阐述。
图1是EPLL逻辑电路结构框图。图2是零差逻辑电路结构框图。图3是本发明非稳定谐波及间谐波测量电路结构框图。图3-1是本发明非稳定谐波及间谐波测量电路结构框图(奇数次谐波)。图4是幅值跳变情形下5次谐波幅值曲线图。图5是噪声环境下3次谐波幅值图。
图6是基频频率跳变前后3次谐波幅值曲线图。图7是9次谐波频率偏移量示意图。图8是谐波间谐波信号的频谱图。图9是谐波间谐波信号的幅值图。图10是间谐波信号的频率图。图11是间谐波信号的幅值图。图12是间谐波信号的频率图。
具体实施例方式本发明提出用增强型锁相环(Enhanced Phase Locked Loop，EPLL)逻辑电路单元跟踪测量电力信号基频频率，以确定出各次非稳定谐波的参考信号，用零差逻辑电路单元对输入信号进行调制，从而得到各次非稳定谐波分量。提出根据信号预处理所得的间谐波频率范围设置EPLL逻辑电路单元的初始角频率值，以跟踪测量各个频率的间谐波分量。提出用多单元并行结构将所有零差逻辑电路单元与EPLL逻辑电路单元组合起来构成非稳定谐波及间谐波测量仪，实现对电力信号中所有非稳定谐波、间谐波分量的同时准确测量。本发明将零差逻辑电路单元与EPLL逻辑电路单元通过多单元并行结构组合在一起，根据信号预处理结果设置带通滤波器(Band Pass Filter, BPF)的通带范围和EPLL逻辑电路单元的角频率初始值，零差逻辑电路单元及EPLL逻辑电路单元的输出端与示波器相连接；零差逻辑电路al)、接收经过带通滤波器滤波过后单一频率的输入信号分量；bl)、根据基频EPLL逻辑电路单元输出的基频频率构造输入信号中非稳定谐波分量的参考相位，并进一步得到非稳定谐波分量的参考信号；cl)、通过零差调制得到输入信号中非稳定谐波分量的参数信息，实现非稳定谐波分量的重构。EPLL逻辑电路a2)、接收经过带通滤波器滤波过后的输入信号基频分量，对该基频分量进行跟踪测量，并输出可能随时间变化的基频幅值、频率等信号参数；b2)、接收经过带通滤波器滤波过后输入信号中的间谐波分量，每一个EPLL逻辑电路单元对输入信号中特定的间谐波分量进行跟踪测量，输出间谐波信号及其相应的信号参数。BPF逻辑电路a3)、接收输入信号，根据信号预处理的结果将输入信号进行分解，以保证每个零差逻辑电路及EPLL逻辑电路的输入信号中只有单一的频率分量。多单元并行电路结构a4)、将所有零差逻辑电路单元以及所有EPLL逻辑电路单元按照并联的形式组合起来，对输入信号中的所有非稳定谐波及间谐波分量同时进行测量。示波器a5)、接受零差逻辑电路单元及EPLL逻辑电路单元的输出，显示非稳定谐波、间谐波分量的波形及信号分量的幅值、频率等参数信息。为了更清楚的说明本发明的技术方案，下面对本发明的逻辑电路构成从原理方面进行说明1)EPLL逻辑电路的原理可以用如下式(1) (3)所示的3阶状态方程组来说明， 其中，为正弦信号的幅值测量值，fiKO为正弦信号的角频率测量值j⑴为总相位测量值。
^ ) = Me(0sin^(0(1)
^t) = μ2β{ )λ{ )οο^φ{ )(2)
^{t) = S(t) + μ^ )(3)待测信号分量的测量值为KO =如)sm知)(4)输入与输出的差值信号e(t)为吵) = M(i)-i(i)sm如)(5)系数μ ” μ 2及μ 3为EPLL逻辑电路的信号参数调节因子，用来控制逻辑电路在测量信号时的收敛速度与稳态误差，其中，μ ！主要控制幅值的测量特性；μ 2及μ 3控制频率和相位的测量特性。上述3个信号参数调节因子的取值越大，收敛速度越快，同时，噪声及其它频率分量对待测频率分量的干扰也越严重，测量结果具有较大的稳态误差。反之，虽然能得到较精确的结果，却需要较长的收敛时间。本发明中的EPLL逻辑电路结构框图如图1所示，由2个加法器(Σ )、3个乘法器 (父)、3个积分器(+ )、1个正弦函数(sin)和1个余弦函数(cos)逻辑电路以及μι、μ2&
μ 3这3个增益逻辑电路(d)以及()组合而成，ω^为算法的角频率初始
值。输入模块即为可能包含多个谐波、间谐波分量的电力信号，输出模块为测量得到的输入信号中角频率最接近初始角频率值Qci的频率分量。对于EPLL逻辑电路中信号参数因子μι、口2及μ 3的确定方法，在参考文献[1] 中，为了保证收敛性，通常设置P1的取值范围为O < P1 < 1/Τ，其中T为信号的周期，P1 确定以后，设置μ 2为一较大的正数，μ 3为小于ι的任意正数而且要保证μ 2、μ 3的乘积与 μ 为同一数量级，以保证信号幅值与相位同时收敛。在本发明中，对于所有EPLL逻辑电路均设置相同的信号参数因子，其具体取值为=P1 = 50，μ 2 = 1800, μ3 = 0.05。相比于文献[1]中给出的信号参数因子值，本发明中EPLL逻辑电路信号参数因子的取值相对较大， 这主要是考虑到当设置较大的信号参数因子时，本发明方法一方面具有较快的收敛速度， 另一方面，不会产生明显的稳态测量误差。2)零差逻辑电路的设计思想类似于光学领域的相干检测。对于正弦信号，用单位幅值的参考信号去调制单一频率的输入信号，产生的混频信号中包括频率分别等于参考信号与输入信号频率和与差的2种分量。特殊情况下，参考信号与输入信号频率相等，即满足零差条件，此时的混频信号由一个直流分量与一个输入信号频率的倍频分量组成。从混频信号中将该倍频分量滤除掉，得到包含输入信号参数信息的直流分量，对其进行进一步运算可以实现输入信号重构。零差检测逻辑电路的结构框图如图2所示。由图2可见，零差逻辑电路的内部电路连接关系为参考相位逻辑电路1的输出端分别与正弦函数(sin)逻辑电路2以及余弦函数(cos)逻辑电路3相连接。2和3的输出端分别与乘法器⑴逻辑电路5、6以及2倍的增益逻辑电路(D9、10相连接。在5和 6中，输入信号4分别与2和3的输出进行乘法运算，乘法运算的结果分别经过低通滤波器 (LPF)逻辑电路7和8。7的输出端分别和算法逻辑电路11以及乘法器逻辑电路12相连接。8的输出端分别和11以及乘法器逻辑电路13相连接。11的输出即为待测信号分量的幅值。12和13的输出端与加法器⑴逻辑电路14相连接，14的输出端与输出显示电路15 相连接。零差逻辑电路的功能是通过图2所示结构中各个内部元件的功能来实现的，因此，通过分析零差逻辑电路内部各个元件的功能就可以得出零差逻辑电路的工作原理。在这里以第k次谐波的测量为例来说明零差逻辑电路的工作原理参见图2，图2中的标号1-15下面分别以电路元件1_15进行叙述。电路元件1的功能是，根据信号中基频角频率和谐波角频率之间始终满足= Icco1，其中0^为基频角频率，《k(k = 2，3，…)为k次谐波角频率，由信号基频分量的相位Colt+ S1U为时间变量，δ工为基频信号分量的初相位)构造谐波的参考相位￠^ = 1^(^4+1^ S1(6)电路元件2的功能是，根据1中输出的参考信号相位构造单位幅值的正弦参考信号rs (t) = sin Φ rk = sin (k ω jt+k δ j) (7)电路元件3的功能是，根据1中输出的参考信号相位构造单位幅值的余弦参考信号rc (t) = cos Φ rk = cos (k ω jt+k δ J (8)电路元件4的功能是，采集如下式(9)所示的输入信号。在式(9)中，Ai, Qi及 δ^ = 1,2,…，N)分别表示基频及各次谐波分量的幅值、角频率和初相位值，而且满足 k = kWl(k= 1,2,…，N)，N为信号中的频率分量总数。
N
权利要求
1. 一种非稳定谐波及间谐波测量仪，包括，含有信号参数因子μi、μ2和P3Wepll逻辑电路，其特征是所述输入信号模块与基频谐波带通滤波器xo，3-Ν奇数次谐波带通滤波器和/或2-Ν偶数次谐波带通滤波器，以及第1个间谐波带通滤波器J1，第2个间谐波带通滤波器J2，……，第m个间谐波带通滤波器Jm的输入端相连接；基频谐波带通滤波器XO 的输出端顺次与基频EPLL逻辑电路EO以及基频谐波显示逻辑电路连接；上述3-N奇数次谐波带通滤波器和/或2-N偶数次谐波带通滤波器的输出端分别顺次与相应的零差逻辑电路L1，L2，……，Ln以及相应的谐波显示逻辑电路连接，上述第1个间谐波带通滤波器J1， 第2个间谐波带通滤波器J2，……，第m个间谐波带通滤波器Jm的输出端分别顺次与相应的第1个间谐波EPLL逻辑电路E1，第2个间谐波EPLL逻辑电路E2，……，第M个间谐波 EPLL逻辑电路Em以及相应的间谐波显示逻辑电路连接；与上述零差逻辑电路Li，L2，…… Ln对应的增益逻辑电路Z1，Z2，……，Zn的输入端均与基频EPLL逻辑电路EO的相应输出端相连接，上述增益逻辑电路Zl，Z2，……，的输出端分别与对应的零差逻辑电路Li， L2，……，Ln的参考相位输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的非稳定谐波及间谐波测量仪，其特征是所述零差逻辑电路 Li，L2,……，Ln中的参考信号的频率与输入信号EO的频率相等，所产生的混频信号由一个直流分量与一个输入信号频率的倍频分量组成。
3.根据权利要求1或2所述的非稳定谐波及间谐波测量仪，其特征是所述EPLL逻辑电路的信号参数因子中，μ ！的取值范围为ο < μ i < 1/T，其中T为信号的周期；μ 2为大于1的正数，μ 3为小于1的正数，且口2与口3的乘积与P1S同一数量级。
4.根据权利要求3所述的非稳定谐波及间谐波测量仪，其特征是所述μ工为50，μ2 为 1800，μ 3 为 0.05。
5.根据权利要求4所述的非稳定谐波及间谐波测量仪，其特征是所述零差逻辑电路结构为参考相位逻辑电路(1)的输出端分别与正弦函数逻辑电路O)以及余弦函数逻辑电路⑶的输入端相连接，正弦函数逻辑电路⑵的输出端分别与第1乘法器(5)的输入端以及第1两倍增益逻辑电路(10)的输入端连接，余弦函数逻辑电路C3)的输出端分别与第2乘法器(6)的输入端以及第2两倍增益逻辑电路(9)的输入端连接，输入信号(4)分别接至第1乘法器(5)的输入端和第2乘法器(6)的输入端，第1乘法器(5)的输出端连接第1低通滤波器(7)的输入端，第1低通滤波器的输出端分别与第3乘法器(12)的输入端以及算法逻辑电路(11)的输入端连接，第2乘法器(6)的输出端连接第2低通滤波器(8) 的输入端，第2低通滤波器的输出端分别与第4乘法器(1 的输入端以及算法逻辑电路(H)的输入端连接，上述算法逻辑电路(Ii)的算法为2^( )2+0%)2算法
全文摘要
一种非稳定谐波及间谐波测量仪，用于对电力电子装置产生的谐波和间谐波进行测量的仪器。本发明主要由EPLL逻辑电路、带通滤波器、零差逻辑电路等组成，零差逻辑电路的输出端与谐波显示逻辑电路连接，EPLL逻辑电路的输出端与间谐波显示逻辑电路连接。本发明采用EPLL逻辑电路跟踪电力信号基频频率，以确定出多次非稳定谐波的参考信号，用零差逻辑电路对输入信号进行调制，从而测量多次非稳定谐波分量。根据信号预处理所得的间谐波频率范围，跟踪测量各个频率的间谐波分量。本发明能够对电力信号中的所有非稳定谐波和间谐波分量进行实时准确的测量。
文档编号G01R23/165GK102323481SQ201110131678
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者刘亚栋, 叶茂青, 杨华, 杨洪耕, 胡灿 申请人:四川电力科学研究院