一种电网电压电流谐波分析方法及其系统与流程

本发明属于电网信号检测与信号分析技术领域，尤其是一种电网电压电流谐波分析方法及其系统。

背景技术：

电网信号的谐波分析是电力系统供电质量监测的重要内容，广泛应用于输变电、配电等各个环节。当前，电网信号在线谐波分析的基本方式是快速傅立叶变换(fft)算法。该算法应用中有一个基本限制，输入数据的数量必须为2ⁿ。但电网频率并非恒定，当前我国电网标准中允许电网频率最大存在0.5hz的误差。因此在一定采样周期条件下，采样数据对应的2ⁿ次采样的时间窗口可能并非输入信号周期的整数倍，特别是电网信号频率发生波动时，即便是精心调整后的采样系统也会与输入信号失配。利用这样的采样数据进行fft必定会产生一定的频谱泄漏，造成谐波分析误差。

为了减小频谱泄漏，提高分析精度，常见的解决方法包括：利用一定的采样窗函数替代简单的矩形窗函数。通常可选的窗函数有汉宁窗、海明窗、开赛窗等，针对不同的信号形式，合理选择窗函数的形式可在一定程度上改善频谱泄漏，提高分析精度，但并不能从根本上解决频谱泄漏的问题，性能改善的程度有限。

利用锁相环(pll)的窄带跟踪能力获得与输入信号基波分量同频的基准信号，并做2ⁿ/m倍频后作为采样触发信号，保证2ⁿ次采样窗口的时间总是输入信号基波周期的m倍，以此获得最小的频谱泄漏。此方法可从根本上解决频谱泄漏的问题，但pll结构较复杂，增加了系统成本。当输入信号频率发生变化时pll的跟踪速度较低，频谱分析的动态误差较大，同时由于pll频率跟踪速度和范围的限制，当输入信号频率变化范围较大时将出现失锁，丧失自动跟踪能力。

技术实现要素：

针对现有技术谐波分析过程中都存在缺点和局限性，本发明所提出的一种电网电压电流谐波分析方法及其系统，通过对采样数据进行二次等效采样实现同步采样的谐波分析，利用简单的固定硬件电路，实现对工频信号频率漂移的自适应，进而保证分析结果的频谱泄漏最小。

本发明所采用的技术方案如下：

一种电网电压电流谐波分析方法，包括以下步骤：

s1，利用固定频率采样信号控制ad转换器对输入电压信号进行采样，第一次采样数据为d＝[d0,d1,…,dn-1]；

s2，二次虚拟采样单元以虚拟采样周期s对第一次采样数据进行二次采样，虚拟采样后得到的数据为

s3，频谱分析单元利用fft算法对数据进行分析得到电压信号的频谱

p＝[p0,p1,…,pm-1]；

s4，频谱泄漏估算单元扫描并累加频谱中工频信号及其谐波以外的所有谱线，即得到频谱总能量泄漏d；

s5，虚拟采样周期调节单元根据总能量泄漏对虚拟采样周期s进行调整；

s6，虚拟采样周期s调整后，重复步骤s1-s5，循环的终止条件为|sk|＜δsth，其中，δsth为预先设置的误差限值。

进一步，所述虚拟采样根据下式进行虚拟采样：

其中，为第i个虚拟采样数据，i＝1,2,…,m-1，m为2的整数次幂；int(·)为取整函数，dint(is)和dint(is)+1分别为第一次采样数据中的数据，其序号分别为is的取整结果和取整加1。

进一步，计算频谱总能量泄漏d的方法为：

其中，pj为第j条谱线幅值，k为正整数，工频基波信号应位于第l条谱线；

进一步，调整虚拟采样周期s的方法为：

δsk＝sign[(dk-1-dk)×δsk-1]×α×dk

sk＝sk-1+δsk

其中，δsk为虚拟采样周期的第k次调整量，sk为第k次调整后的虚拟采样周期，dk为第k次虚拟采样数据的频谱泄漏，α为调整系数，sign(·)为符号函数；

基于上述电网电压电流谐波分析方法，本发明还提出了一种电网电压电流谐波分析系统，包括依次连接的ad转换器、一次采样数据缓冲区、二次虚拟采样单元、二次采样数据缓冲区和频谱分析单元，所述频谱分析单元通过依次连接的频谱泄露估算单元、虚拟采样周期调节单元连接二次虚拟采样单元，虚拟采样周期调节单元根据频谱泄露估算单元计算出的频谱泄漏，对虚拟采样周期s调整。

本发明的有益效果：

1、本发明所提出的一种电网电压电流谐波分析方法，通过引入二次虚拟采样，分析过程中不断自动修正虚拟采样频率，跟踪输入信号的频率偏移，从而实现信号的同步采样，获得频谱泄漏最小的频谱分析结果。

2、本发明不需要额外的信号基波频率检测或锁相环节，只需要采样率固定的简单ad转换硬件电路，系统就可以自动选择最佳的二次采样率，以适应信号的频率漂移，即保证采样率为信号基波频率的整数倍，一个完整的采样窗口总是包含整数个信号基波和谐波周期，获得频谱泄露最小的频谱分析结果。

3、本发明的方法算法简单，易于实现，与传统基于锁相环的同步采样谐波分析和采用窗函数进行频谱修正的方法相比，采用该方法系统结构简单，可以自动跟踪工频信号的频率漂移，具有更广泛的适用领域。

附图说明

图1为谐波分析方法流程框体；

图2为谐波分析系统基本结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所提出的一种电网电压电流谐波分析系统，为了实现本发明分析方法的硬件系统如图2所示，mcu作为数据处理核心，采用stm32f407，具体的，mcu片载12位ad转换器；利用mcu片载ad转换器对输入信号进行采样。ad转换器的输入信号为被测电网信号，ad转换器的输出连接一次采样数据缓冲区的输入；一次采样数据缓冲区的输出连接二次虚拟采样单元的输入；二次虚拟采样单元的输出连接二次采样数据缓冲区的输入；二次采样数据缓冲区的输出连接频谱分析单元的输入；频谱分析单元的输出连接频谱泄露估算单元的输入，频谱泄露估算单元的输出连接虚拟采样周期调节单元的输入；虚拟采样周期调节单元的输出连接二次虚拟采样单元的控制端，通过二次虚拟采样单元、二次采样数据缓冲区、频谱分析单元、频谱泄露估算单元和虚拟采样周期调节单元之间所形成的闭环，可以实现整个系统根据频谱总能量泄漏对虚拟采样周期s进行调整，最终输出信号谐波分析结果。其中，一次采样数据缓冲区和二次采样数据缓冲区分别用于对ad转换器和二次虚拟采样单元采集的信号数据进行存储；在谐波分析系统初始化过程对所需adc、定时器、内存等硬件外设进行设置，adc1采样率设置为约3.2khz，采样窗口时间为50ms。

如图1，一种电网电压电流谐波分析方法，具体过程如下：

s1，利用固定频率采样信号控制ad转换器对输入电压信号进行采样，在保证采样率满足采样定理基本要求的条件下完成160次采样，并使采样窗口时间大于信号基频周期2倍，第一次采样数据为d＝[d0,d1,…,d159]。

s2，完成采样160次后，初始虚拟采样周期s设置为1，二次虚拟采样单元以虚拟采样周期s对第一次采样数据进行二次采样，根据下式进行二次采样：

二次虚拟采样后得到128个二次采样数据并存入二次采样数据缓冲区，其中，128为2的整数次幂,int(·)为取整函数，dint(is)和dint(is)+1分别为为第一次采样数据中的数据，其序号分别为is的取整结果和取整加1。

s3，将二次采样数据代入频谱分析单元，频谱分析单元利用fft算法对数据进行分析得到电压信号的频谱p＝[p0,p1,…,p127]；

s4，频谱泄漏估算单元扫描并累加频谱中工频信号及其谐波以外的所有谱线，即得到频谱总能量泄漏d；

根据设定条件，工频基波信号应位于第l条谱线，频谱中所有k×l谱线即工频信号及其谐波分量，k为正整数，令l>1。频谱泄漏估算单元扫描并累加频谱中工频信号及其谐波以外的所有谱线即得到频谱总能量泄漏：在本实施例中，工频基波分量将处于第2条谱线，则第0条谱线以外所有偶数谱线即工频信号及其谐波分量。计算总能量泄露，具体如下：

其中，初始频谱泄露设置为0；

s5，虚拟采样周期调节单元根据总能量泄漏对虚拟采样周期s进行调整，调整虚拟采样周期s的方法为：

其中，δsk为虚拟采样周期的第k次调整量，sk为第k次调整后的虚拟采样周期，dk为第k次虚拟采样数据的频谱泄漏，α为调整系数，sign(·)为符号函数；

s6，虚拟采样周期s调整后，重复步骤s1-s5，循环的终止条件为|sk|＜δsth，其中，δsth为预先设置的误差限值。

本发明所提出的电网电压电流谐波分析方法不需要额外的信号基波频率检测或锁相环节，只需要采样率固定的简单ad转换硬件电路，系统就可以自动选择最佳的二次采样率，以适应信号的频率漂移，即保证采样率为信号基波频率的整数倍，一个完整的采样窗口总是包含整数个信号基波和谐波周期，获得频谱泄露最小的频谱分析结果。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。