一种超高次谐波采样方法及装置与流程

本申请属于电能质量分析技术领域，尤其是涉及一种基于超高次谐波采样方法及装置。

背景技术：

随着电力电子技术的发展和高比例可再生能源的接入，电网中以较高开关频率工作的电力电子装置的应用日益增加，由此引发了高频谐波新问题。2013年的ieee电力与能源国际会议上，电力系统中电压、电流的2-150khz高频谐波分量被定义为超高次谐波(supraharmonics)。合理、准确地评估超高次谐波发射，不仅能够用来衡量系统电能质量的优劣，作为电力市场环境下电能按质论价的重要依据，也是谐波源责任划分的重要参考。

超高次谐波与传统谐波不同，其频谱分布是动态变化的，因此，为了准确掌握超高次谐波发射情况，有必要对超高次谐波源进行实时监测，在线进行频谱分析。然而，由于超高次谐波的宽频域特性，对采样精度要求较高，数据量较大，严重影响数据处理速度，为实时分析带来了阻碍。因此，为了提高数据处理速度，实时分析通常采用部分采样方法。

现有超高次谐波采样方法主要包括三种：iec61000-4-7采用的10个完整周波分析方法、iec61000-4-30提出的等间隔采样方法，以及有学者提出的首末两端采样方法。iec61000-4-7方法对完整10周波进行分析，在分析2-150khz范围内高频谐波时，数据存储压力较大，对计算速度的要求也较高。iec61000-4-30方法要求在采样前通过高通滤波器和低通滤波器分别滤去频率低于1.5khz和高于200khz的分量，每10周波32个采样区间等间隔采样，每次采样0.5ms，即10周波数据共采样16ms，小于1周波，每个采样区间单独进行频谱分析，频率分辨率为2khz。超高次谐波发射通常集中在开关频率及其整数倍，波峰频率宽度通常小于2khz，开关频率从几千赫兹至几十千赫兹不等，该方法频率分辨率较低，频谱发射规律体现不足，且滤波器的滤波效果对频谱分析的准确性产生了影响。首末两端采样法每10周波取首末两个周波，共采样40ms，分别进行频谱分析，频率分辨率为50hz。为便于频谱分析，通常认为10周波内波形为准稳态，忽略幅值波动。然而，实际分析中，由于超高次谐波频谱分布是动态变化的，上述方法无法体现首末两周波以外超高次谐波发射变化情况。

鉴于此，本发明提出了一种基于合并等间隔采样的超高次谐波采样方法，在兼顾数据处理时间和频率分辨率的前提下有效提高了计算精度，可用于实际系统的超高次谐波发射实时在线评估。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种超高次谐波采样方法和装置，运用本发明中的超高次谐波采样方法，能够解决目前超高次谐波在线检测无法兼顾数据处理时间和频率分辨率的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于超高次谐波采样方法，包括以下步骤：

s1：获取超高次谐波采样信号；

s2：将超高次谐波采样信号按照周波分割成若干采样区间；

s3：在每个采样区间内不同的位置进行取样并拼接在一起形成采样数据，对采样数据进行频谱分析。

优选地，本发明的超高次谐波采样方法，s1步骤中读取超高次谐波采样信号中的周波数量n，s2步骤中的采样区间的数量与周波数量n相等。

优选地，本发明的超高次谐波采样方法，s1步骤中获取设定的采样数据的长度t，将每个采样区间均划分为t/n份。

优选地，本发明的超高次谐波采样方法，每个采样区间的每份的长度均相等。

优选地，本发明的超高次谐波采样方法，

s3步骤中，第m个采样区间采取第m份并依次拼接在一起形成采样数据，其中1≤m≤t/n。

本申请还提供一种基于超高次谐波采样装置，包括：

信号获取模块：用于获取超高次谐波采样信号；

区间分割模块：用于将超高次谐波采样信号按照周波分割成若干采样区间；

采样数据获取模块：在每个采样区间内不同的位置进行取样并拼接在一起形成采样数据，对采样数据进行频谱分析。

优选地，本发明的超高次谐波采样装置，信号获取模块中读取超高次谐波采样信号中的周波数量n，区间分割模块中的采样区间的数量与周波数量n相等。

优选地，本发明的超高次谐波采样装置，信号获取模块中获取设定的采样数据的长度t，将每个采样区间均划分为t/n份。

优选地，本发明的超高次谐波采样装置，每个采样区间的每份的长度均相等。

优选地，本发明的超高次谐波采样装置，

采样数据获取模块中，第m个采样区间采取第m份并依次拼接在一起形成采样数据，其中1≤m≤t/n。

本发明的有益效果是：

本申请中将超高次谐波采样信号按照周波分割成若干采样区间；在每个采样区间内不同的位置进行取样并拼接在一起形成采样数据，对采样数据进行频谱分析，使得采样能够选取到不同周波内的数据。使本申请的取样方法和装置在综合考虑数据运算速度、存储容量的基础上提高了计算精度，采样方法简洁有效，实现了整体性能最优，对于提高实时分析精度，缓解运算压力具有重要意义。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1是本申请其中一种实施方案中采样位置示意图(图中加黑部分为取样部位)。

图2是本申请其中一种实施方案中某测试点电压测试波形图。

图3是本申请方法中一种实施方案的流程图。

图4是本申请装置中一种实施方案的结构图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

实施例

本实施例提供一种基于超高次谐波采样方法，如图3所示，

包括以下步骤：

s1：获取超高次谐波采样信号；

s2：将超高次谐波采样信号按照周波分割成若干采样区间；

s3：在每个采样区间内不同的位置进行取样并拼接在一起形成采样数据，对采样数据进行频谱分析。

本实施中将超高次谐波采样信号按照周波分割成若干采样区间；在每个采样区间内不同的位置进行取样并拼接在一起形成采样数据，对采样数据进行频谱分析，使得采样能够选取到不同周波内的数据。使本申请的取样方法在综合考虑数据运算速度、存储容量的基础上提高了计算精度，采样方法简洁有效，实现了整体性能最优，对于提高实时分析精度，缓解运算压力具有重要意义。

进一步地，s1步骤中读取超高次谐波采样信号中的周波数量n，s2步骤中的采样区间的数量与周波数量n相等。这样就可以将取样方法分布在各周波内。

进一步地，s1步骤中获取设定的采样数据的长度t，将每个采样区间均划分为t/n份。这样的设置能够保证取取样时不同的位置。

进一步地，每个采样区间的每份的长度均相等。从而实现了等间距采样。

进一步地，s3步骤中，第m个采样区间采取第m份并依次拼接在一起形成采样数据，其中1≤m≤t/n。

实施例2

本实施例提供一种基于超高次谐波采样装置，包括：

信号获取模块：用于获取超高次谐波采样信号；

区间分割模块：用于将超高次谐波采样信号按照周波分割成若干采样区间；

采样数据获取模块：在每个采样区间内不同的位置进行取样并拼接在一起形成采样数据，对采样数据进行频谱分析。

进一步地，信号获取模块中读取超高次谐波采样信号中的周波数量n，区间分割模块中的采样区间的数量与周波数量n相等。

进一步地，信号获取模块中获取设定的采样数据的长度t，将每个采样区间均划分为t/n份。

进一步地，每个采样区间的每份的长度均相等。

进一步地，采样数据获取模块中，第m个采样区间采取第m份并依次拼接在一起形成采样数据，其中1≤m≤t/n。

本申请的基于超高次谐波采样装置的优点与实施例1的优点相同。

对比效果例

以本申请中的技术方案为例，获取超高次谐波采样信号，包括10周波，因此按照每个周波设置10个采样区间，每个采样区间均划分为t/n份，也即在每个周波内需要采集2ms。采集的时候，第一个周波内采集前1ms和2ms，第二个周波内采集3ms和4ms，第三个周波内采集5ms和6ms…….第十个周波内采集19ms和20ms。

10周波采样20ms，即一个完整周波时长，将每个周波内的采样评接后数据能够形成一个完整周波，且每次采样在一个周波上的位置不重叠，采样后1个周波不遗漏。采样数据可由如下集合表示：

data＝{datat|data20n～20n+2,n＝0,1,2,…,9}(2)

其中t为采样时刻，单位为毫秒(ms)，n为周波顺序。

现有采样方法均采用每个采样区间单独进行分析的思路，本方法通过本申请实施例实现了1个完整周期采样，因此近似认为采样数据为一完整周波，并对该周波进行频谱分析，从而有效提高频率分辨率，本方法频率分辨率为50hz。

假设一10周波数据(共计0.2s)，共n0个采样区间，采样率为n0/0.2。该数据共含有f1，f2，f3，f4，f5五个谐波分量，其中上述分量均为50hz整数倍，f1<1.5khz，其余4个分量均大于等于1.5khz，且均不是2khz的整数倍。此外，假设该10周波数据5个谐波分量均存在不同程度波动，函数表示如下：

上式中，fn、分别为第n个谐波分量对应频率与幅值，为第n个谐波分量各周波幅值偏移量，γ为周波顺序，取1，2，…，10。t为时间，单位为ms，上式中频率单位均为khz。

根据离散傅里叶计算公式，下面分别对本申请提出的采样方法、10周波完整采样方法、等间隔采样方法以及首末两端采样方法的计算结果进行理论推导。

当本申请提出的采样方法时(每周波采样2ms，共20ms，合并进行频谱分析)，θ＝2π时，t＝20*10-3s，即t＝θ/100π，根据离散傅里叶计算公式，任一整周期采样波形第h次谐波幅值可由下式表示：

根据(4)式，合并等间隔采样计算结果如下：

当h＝f1/50时，

为了在计算结果中体现频率分辨率，令b为频率分辨率，上式中分辨率为50hz，带入式(6)得：

h＝f2/50、h＝f3/50、…、h＝f5/50时计算结果以此类推。

同理，10周波完整采样方法h＝f1/5时

计算结果与(7)式一致。

当采用iec61000-4-30采样方法h＝f1/2000时

上式中第一部分为超高次谐波幅值稳定部分发射，可以看到，由于f2，f3，f4非整周期采样，f2，f3，f4中的能量泄漏到整个频谱中，幅值计算复杂。上式中后两部分为波动量超高次谐波发射情况，由于该采样方法对10周波(50hz)数据等间隔采样32段，其中第1和第6周波采样4段，其他周波采样3段，因此第1和第6周波波动对频谱分析的计算结果影响较大，其他周波影响较小，各周波波动量体现程度不一致。

当采用首末两端采样方法h＝f1/50时

该采样方法仅对第1个周波和最后一个周波采样，不体现第2-9周波幅值波动。

综合上述结论，4种方法计算结果汇总见表1。通过表1能够看到，合并等间隔采样与10周波完整分析结果仅在频率分辨率上有一定差别(合并等间隔采样分辨率为50hz，10周波完整分析分辨率为5hz)，在实际分析过程中计算结果存在一定差别，若超高次谐波频率值均为50hz的整数倍，则幅值计算结果完全一致。且由于超高次谐波通常仅在基波(50hz)整数倍有发射，故对分析结果精度影响较小。该方法较其他两种采样方法计算精度有明显优势，且能够较好体现幅值波动情况。

表1

选取某静止无功补偿器(svg)并网点电压测试波形如图2所示，采样时长1s，取其中10周波数据进行分析。由于该数据仅单一谐波源，不发生设备投切等工况，因此认为该数据为波形稳定情况，以该数据为例，进行合并等间隔采样分析，并对比现有三种超高次谐波采样方法性能。

合并等间隔采样每周波选择2ms数据，采样末端与下次采样首端间隔1个周波(20ms)，即采样周期为每22ms采样2ms。以10周波为单位，对采样后数据整理合并，统一进行频谱分析。通过分析可以看出，与传统采样方法不同，合并等间隔采样并未在一味牺牲频率分辨率或增加采样时间的前提下追求另一参数的最小，其频率分辨率为50hz，采样时间为20ms，综合性能较好，且数据分析精度也较高，由于频率分辨率高于10周波全采样，存在非整数次谐波频谱泄露，仍有计算误差存在，平均计算误差控制在0.55％以内。表2是四种采样方法多角度性能分析，通过表2可以看到，相比其他三种方法，合并等间隔采样有效弥补了其他方法的缺陷，且数据准确度更高。

表2

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。