电力系统谐波测量方法综述.doc

电力系统谐波测量方法综述 肖雁鸿, 毛 筱，周靖林，姜会霞，彭永进湖南大学电气与信息工程学院 　　摘 要：谐波测量在电力系统中占有重要的地位和作用。根据电力系统谐波测量的基本要求，概述了电力系统谐波测量的硬件实现，并对应用于谐波测量的方法进行了分析和评述。最后对电力系统的谐波测量的发展趋势提出了看法。　　关键词：谐波测量； 快速傅立叶变换； 瞬时无功功率； 神经网络；小波分析1 引言 　　随着电力电子技术的发展，电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来了极大影响。谐波被认为是电网的一大公害，同时也阻碍了电力电子技术的发展。因此，对电力系统谐波问题的研究已被人们逐渐重视。谐波问题涉及面很广，包括对畸变波形的分析方法、谐波源分析、电网谐波潮流计算、谐波补偿和抑制、谐波限制标准以及谐波测量及在谐波情况下对各种电气量的测量方法等。谐波测量是谐波问题中的一个重要分支，也是研究分析谐波问题的出发点[1]和主要依据。谐波测量的主要作用有[2,3]：①鉴定实际电力系统及谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定，包括对所有谐波源用户的设备投运时的测量。②电气设备调试、投运时的谐波测量，以确保设备投运后电力系统和设备的安全及经济运行。③谐波故障或异常原因的测量。④谐波专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等。　　由于谐波具有固有的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等特征，难以对谐波进行准确测量，为此许多学者对谐波测量问题进行广泛研究。本文论述了电力系统谐波测量的基本要求和谐波测量装置，并对谐波测量方法进行了综述。 2 电力系统谐波测量的基本要求　　（1） 谐波测量方法和数据处理必须遵照1993年国家颁布的标准GB/T 14549—93，即《电能质量公用电网谐波》。　　（2）精度要求。为达到减少误差和精确测量的目的，须制定一些测量精度，以表示抗御噪声、杂波等非特征信号分量的能力。　　（3）速度要求。要求具有较快的动态跟踪能力，测量时滞性小。　　（4）鲁棒性好。在电力系统的正常、异常运行情况下都能测出谐波。　　（5）实践代价小。此项要求往往与上述要求相冲突，在实践中应酌情考虑，在达到应用要求的前提下，应力求获得较高的性能价格比。 3 谐波测量的硬件及其测试　　实际的谐波测量装置因应用的时期、场合和要求的不同而形式各异。按测量功能分类，可分为频谱分析仪和谐波分析仪。按测量原理分类，可分为模拟式和数字式测量仪器。按测量功用分类，可分为谐波分析仪和谐波监测仪。频谱分析仪提供谐波的频谱分布特性，谐波监测仪提供谐波成分的变化情况，谐波分析仪提供电压谐波、电流谐波畸变率及每次谐波含量等。为谐波分析评估和治理提供依据，除上述仪器外，还有谐波功率流向计和谐波阻抗测量计等专用仪器。总之，谐波测量装置经历了从早期的模拟、数字电路模块，到目前广泛使用的单片机、工控机、DSP等发展过程。谐波测量装置的开发过程包括算法理论设计、仿真调试、程序固化和动态模拟或现场测试等过程。 4 电力系统谐波测量的主要方法 4.1 采用模拟带通或带阻滤波器测量谐波　　最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现的。图1为模拟并行滤波式谐波测量装置框图[2]。由图可见，输入信号经放大后送入一组并行联结的带通滤波器，滤波器的中心频率f1、f2、…、fn是固定的，为工频的整数倍，且f1 f2…4.2 基于傅立叶变换的谐波测量 　　基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法。它由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换的基本原理构成。使用此方法测量谐波，精度较高，功能较多，使用方便。其缺点是需要一定时间的电流值，且需进行2次变换，计算量大，计算时间长，从而使得检测时间较长，检测结果实时性较差。而且在采样过程中，当信号频率和采样频率不一致时，即当式(1)不成立时，使用该方法会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参数(即频率、幅值和相位)不准确，尤其是相位的误差很大，无法满足测量精度的要求，因此必须对算法进行改进。　　式中 T0为信号周期；Ts为采样周期；fs为采样频率；f0为信号频率；L为正整数。减少频谱泄漏的方法主要有3种： 　　1）利用加窗插值算法对快速傅立叶算法进行修正的方法。该方法可减少泄漏，有效地抑制谐波之间的干扰和杂波及噪声的干扰，从而可以精确测量到各次谐波电压和电流的幅值及相位。文[4]给出了不同窗函数（如矩形窗、海宁窗、布莱克曼窗、布莱克曼窗–哈里斯窗）的插值算法。在实际测量过程中，选用矩形窗插值算法和海宁窗插值算法能够满足测量精度的要求。式(2)和(3)为矩形窗插值算法计算复幅值Am和相角jm的公式[5]。