專利名稱：：定頻變點電網諧波檢測方法及其測量儀的制作方法
技術領域：
：本發明涉及電力系統諧波測量儀器和諧波測量方法，屬于電能質量監測
技術領域：
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背景技術：
：電力系統諧波測量是電力系統電能質量監測的重要內容。電力系統諧波測量的常用方法是FFT(快速傅立葉變換)法，其基本原理是首先對電網波形采樣和ADC(模數轉換)得到采樣序列，然后對采樣序列進行FFT得到各次諧波、間諧波的幅值和相位信息。FFT是DFT(離散傅立葉變換)的快速算法，在數據點數很多時，FFT比標準DFT快得多，但FFT要求數據點數必須是2的整次冪。理論上，FFT方法要求'同步采樣'，即'等間隔整周期采樣'——同一數據窗口數據的采樣周期相等且每個數據窗口的時寬剛好等于整數個電網周波。由于電網頻率是不斷變化的，'同步采樣'很難實現，所以，數據總存在'采樣同步偏差'，'采樣同步偏差'直接造成各次諧波、間諧波的幅值和相位的測量誤差——稱為'諧波測量同步誤差'。目前減少采樣'采樣同步偏差'的方法主要有(l)硬件同步——主要指加'PLL(鎖相環)'的同步方法；(2)軟件同步——利用DSP的定時器實時改變采樣頻率。'硬件同步'和'軟件同步'的采樣頻率都是變化的，但每一數據窗口內的采樣點數相同且都是2的整次冪。PLL同步是IEC61000-4-30標準推薦的方法，IEC61000-4-30標準要求PLL的采樣同步偏差不大于萬分之三。電網頻率恒定不變時PLL做到萬分之三就不容易了，更何況電網頻率時刻都在波動——PLL時刻都處在閉環調節的動態過程之中，這種閉環調節還存在時延，所以實際應用中PLL很難保證采樣同步偏差不大于萬分之三——傳統的'硬件同步'和'軟件同步'在實際應用中都不容易獲得高精度。IEC61000-4-30(2003)標準還要求FFT加矩形窗，Matlab仿真表明同步偏差為萬分之三時，矩形窗FFT對40次以上的諧波、間諧波的計算結果就是超標的。軟件同步可以看作是一個'軟件PLL'，除了上述弊端，'軟件同步'比'硬件PLL'的時延大，因為后者是'鎖相'、前者是'鎖周'——用前一個周波的寬度確定下一個周波的采樣周期——時延至少是一個周波。軟件同步'還有個問題就是定時器的分數定時誤差。
發明內容本發明目的是針對現有的諧波測量儀同步誤差很難減小的問題，提出一種諧波測量儀結構——定頻變點諧波測量儀。本發明的另一目的是提出一種定頻變點諧波測量儀的檢測方法。定頻變點諧波測量儀包括兩大特殊構件(1)定頻整周采樣器以恒定采樣頻率4對電網電壓(電流)波形采樣，由過零檢測器控制每個數據窗口'無限逼近'S個整周波；(2)變點DFT計算器電網頻率波動時每個數據窗口的采樣點數是可變的，設計了一種'變點DFT計算器'——能夠高速計算不同點的DFT，'高速'的根源主要來自采用高速DSP、執行三角函數型DFT、用查表法獲得不同點的DFT系數、只計算IEC61000-4-30標準要求的500個頻點(諧波和間諧波)。'變點DFT計算器'的基本特征是(1)每個數據窗口DFT的點數是變動的且一般不是2的整次冪；(2)DFT的執行用三角函數型DFT(離散富里葉變換)，而不是FFT(快速富里葉變換)；(3)不同點數的DFT系數用'查表法'獲得；(4)只計算IEC_4_30要求的500個頻點(諧波和間諧波)——剔除了大量的不需要計算的頻點——大大減少DFT的計算量。所述的定頻變點電網諧波測量儀的檢測方法之一，其特征在于包括如下步驟(1)采用可編程片上系統建立DFT系數表；(2)電網三相電流分別經電流互感器送到模/數轉換器，電網三相電壓分別經電壓互感器送到模/數轉換器和過零檢測器；(3)S個電網周波的開始(電網波形過零)DSP通過模/數轉換器以恒定采樣頻率4采當前數據窗口的第1點，S個電網周波的結束(電網波形過零)停止本數據窗口的采樣，每個所述采樣數據窗口的采樣點數為Lk、寬度等于S個電網整周波寬度，Lk、S為大于零的自然數；(4)DSP根據實時采樣數據及采樣點數，然后查步驟(1)所述的DFT系數表獲得當前測量的諧波參數。定頻變點電網諧波測量儀的檢測方法之二，其特征在于包括如下步驟(a)采用可編程片上系統建立DFT系數表；(b)電網三相電流分別經電流互感器送到模/數轉換器，電網三相電壓分別經電壓互感器送到模/數轉換器和過零檢測器；(c)S個電網周波的開始(電網波形過零)DSP通過模/數轉換器以恒定采樣頻率4采當前數據窗口的第1點，S個電網周波的結束(電網波形過零)停止本數據窗口的采樣，每個所述采樣數據窗口的采樣點數為Lk、寬度等于S個電網整周波寬度，Lk、S為大于零的自然數；(d)將步驟(c)所述的采樣數據經過可編程片上系統三角函數型離散富里葉變換DFT，然后查步驟(a)所述的DFT系數表得到諧波參數。定頻變點電網諧波測量的采樣同步偏差一定小于丄，其中，r=TO^+^^^/0I55j(round{}表示取整運算)，所以fs越大、S越大、采樣同步偏差越小——這就是'無限逼近'的含義，而且電網頻率波動與電網頻率相對穩定時的采樣同步偏差基本一致。本發明不用傳統的'硬件同步'和'軟件同步'，而是采用'定頻變點法'實現同步。即固定采樣頻率，不需要每個數據窗口的采樣點數相同，解決了各個數據窗口的數據點數不同且不是2的整次冪的問題，這種方案即使在電網頻率不斷波動的情況下，也能實現同步偏差小于萬分之一、甚至更小，不存在時延。減少了采樣同步偏差就直接減少了諧波測量誤差。對于不同點數的DFT的系數利用可編程片上系統計算出來存在數據存儲器里，供DSP實時計算諧波測量值查表，這樣大大節省了運算時間，提高了諧波分析的實時性。圖1:定頻變點電網諧波測量儀的結構框圖。圖2:本發明定頻變點電網諧波測量儀的實施結構圖。具體實施例方式下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明如圖1所示，定頻變點諧波測量儀包括兩大特殊構件(1)定頻整周采樣器以恒定采樣頻率&對電網電壓(電流)波形采樣，由過零檢測器控制每個數據窗口非常接近s個整周波；(2)變點DFT計算器電網頻率波動時每個數據窗口的采樣點數是可變的，設計了一種'變點DFT計算器'。如圖2所示，定頻整周采樣器包括模/數轉換器、過零檢測器和DSP，變點DFT計算器包括可編程片上系統和存儲器，定頻變點諧波測量儀還包括三個電壓互感器和三個電流互感器，其中三個電壓互感器和三個電流互感器的輸入端分別接電網的三相輸出端，三個電壓互感器的輸出端分別接模/數轉換器、過零檢測器的輸入端，三個電流互感器的輸出端分別接模/數轉換器的輸入端，過零檢測器的輸出端接DSP的輸入端，DSP依次串接可編程片上系統、存儲器，模/數轉換器與DSP雙向通信。本發明檢測方法如下采用可編程片上系統建立DFT參數表；電網三相電流分別經電流互感器送到模/數轉換器，電網三相電壓分別經電壓互感器送到模/數轉換器和過零檢測器；當過零檢測器檢測到電網三相電壓過零點，則DSP通過模/數轉換器以恒定采樣頻率fS采樣電網三相電壓和三相電流得到采樣數據，直至采樣寬度大于或等于S個電網整周波寬度并且過零檢測器再次檢測到電網三相電壓過零點，每個所述采樣數據窗口的采樣點數為Lk、Lk、S為大于零的自然數；DSP根據實時采樣數據及采樣點數，然后查步驟(1)所述的DFT參數表獲得當前測量的諧波參數或則將所述的采樣數據經過可編程片上系統三角函數型離散富里葉變換DFT，然后查所述的DFT參數表得到諧波參數。確保每個數據窗口寬度十分逼近S個整周波寬度主要由過零檢測器實現S個電網周波的開始(電網波形過零)采當前數據窗口的第1點，S個電網周波的結束(電網波形過零)停止本數據窗口的采樣，這就保證了'S個整周波'的定時誤差小于一個采樣周期。變點DFT的基本特征是(1)每個數據窗口DFT的點數是變動的且一般不是2的整次冪；(2)DFT的執行用三角函數型DFT(離散富里葉變換)，而不是FFT(快速富里葉變換)；(3)不同點數的DFT系數用'查表法'獲得；(4)不需要計算的頻點從DFT中剔除——大大減少DFT的計算量。本發明工作步驟和原理是用固定的采樣頻率fs對是電網波形采樣，允許采樣頻率很高——越高越有利。—個數據窗口的時間寬度規定為S個電網整周波，S個電網周波的開始(電網波形過零)采當前數據窗口的第1點，S個電網周波的結束(電網波形過零)停止本數據窗口的采樣，采樣同時計算采樣點數。按IEC61000-4-30標準的要求S=10。設當前數據窗口的采樣點數為Lk，且Lk個采樣數據(采樣序列)為y=[y(l)y(2)...y(Lk)]當前數據窗口的采樣結束后立即計算Lk點實序列三角函數型DFT:X=Fy1式中，F為實序列三角函數型DFT的系數矩陣，yT表示向:y的轉置F=其中，M是要求的頻點數。按IEC61000-4-30標準的要求需要測量諧波、間諧波共500個頻點——M=500——一次DFT需完成500XLk次'乘加'運算。以前由于計算機的數據處理能力不高，DFT曾經是難以實施的，如今高速DSP(數據處理器)的出現已經使得直接用DFT作為諧波分析的工具成為現實。DFT的最大優勢在于不要求一個數據窗口的采樣點數是2的整次冪，我們則進一步發展為不要求每個數據窗口的采樣點數相同——這就是變點DFT。為了提高DFT的計算速度，我們采取了兩個措施(1)不是進行LkXLk次'乘加'運算，而是進行500XLk次'乘加'運算，因為高于50次的諧波、間諧波不需要測量。(2)不同點數的DFT系數(系數矩陣F的元素)用'查表'法得到。把不同點數的DFT系數預存在大容量flash存儲器中，設Lk的可能取值是LU。+l，…，L。+n，…，L。+N-1，它們分別對應第1，2，…，n，…，N組DFT系數，根據三角函數的循環性，第n組DFT系數只需存儲L°+n個三角函數值——不需要存2MX(L°+n)個三角函數值。采取了這兩個措施的DFT比FFT慢不了多少，用現代DSP足以從容地完成。考慮電網頻率f波動的最大范圍為45Hz55Hz，如果采樣頻率fs和數據窗口的周波數S都固定不變，那么f=55Hz時的采樣點數L°最小￡0=ro調rf'Sx力f=45Hz時的采樣點數L°+N_l最大￡0+JV—1=細.W'45其中，round{}表示取整運算。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage7</formula>顯然，'采樣同步偏差'一定小于7，所以，L°越大'采樣同步偏差'越小——也就是fs越大、S越大'采樣同步偏差'越小。要'采樣同步偏差'小于萬分之一只須L°>10000，這在當今是不難做到的。例如，DSP定時器工作頻率為150MHz，取fs=60kHz、S=IO，計算出L°=10909，'采樣同步偏差'小于萬分之一。下表l是不同電網頻率下，本發明所得到的諧波幅值的相對誤差(Matlab仿真結果)表1諧波幅值的相對誤差matlab仿真結果表<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表中，E1、E2、E3、E25、E31、E48、E49、E50分別代表第1、2、3、25、31、48、49、50次諧波幅值的相對誤差，e-13代表10的-13次冪。可見，本方案很容易使諧波精度達標。總結起來，本發明提出的減少采樣同步偏差的方法有如下特點1)結構簡單、易實現——定頻整周采樣器可以用過零檢測器加ADC構成，變點DFT計算器可以用高速DSP(或PSOC)加flash存儲器構成，不需要常見的PLL同步環節；2)很容易做到采樣同步偏差小于萬分之一、甚至更小——而傳統的'硬件同步'和'軟件同步'方法很難做到采樣同步偏差小于萬分之一；3)電網頻率波動與電網頻率相對穩定時的采樣同步偏差基本一致——而傳統的'硬件同步'和'軟件同步'在電網頻率波動時的采樣同步偏差比電網頻率相對穩定時大得多；4)同步不存在時延——而'硬件同步'和'軟件同步'同步都存在時延；5)極小的采樣同步偏差保證了極小的諧波測量誤差。權利要求一種定頻變點電網諧波檢測方法，其特征在于包括如下步驟(1)采用可編程片上系統建立DFT系數表；(2)電網三相電流分別經電流互感器送到模/數轉換器，電網三相電壓分別經電壓互感器送到模/數轉換器和過零檢測器；(3)S個電網周波的開始(電網波形過零)DSP通過模/數轉換器以恒定采樣頻率fS采當前數據窗口的第1點，S個電網周波的結束(電網波形過零)停止本數據窗口的采樣，每個所述采樣數據窗口的采樣點數為Lk、寬度等于S個電網整周波寬度，Lk、S為大于零的自然數；(4)DSP根據實時采樣數據及采樣點數，然后查步驟(1)所述的DFT系數表獲得當前測量的諧波參數。2.—種定頻變點電網諧波檢測方法，其特征在于包括如下步驟(a)采用可編程片上系統建立DFT系數表；(b)電網三相電流分別經電流互感器送到模/數轉換器，電網三相電壓分別經電壓互感器送到模/數轉換器和過零檢測器；(c)S個電網周波的開始(電網波形過零)DSP通過模/數轉換器以恒定采樣頻率fs采當前數據窗口的第1點，S個電網周波的結束(電網波形過零)停止本數據窗口的采樣，每個所述采樣數據窗口的采樣點數為Lk、寬度等于S個電網整周波寬度，Lk、S為大于零的自然數；(d)將步驟(c)所述的采樣數據經過可編程片上系統三角函數型離散富里葉變換DFT，然后查步驟(a)所述的DFT系數表得到諧波參數。3.根據權利要求2所述的定頻變點電網諧波檢測方法，其特征在于所述三角函數型離散富里葉變換DFT的系數矩陣如下12cos2;rf2cos—、2sin2cos:s賺2sin2cos2fm#cosj——二,2sin皿iE卩…2sinJ"2sin'其中Lk為所述采樣數據窗口的采樣點數，N為三角函數型離散富里葉變換DFT的系數矩陣F中元素的個數，M是要求的頻點數，Lk、N、M為大于零自然數。4.根據權利要求3所述的定頻變點電網諧波檢測方法，其特征在于所述要求的頻點數M按IEC61000-4-30標準的要求M不大于500。5.—種基于權利要求1所述的定頻變點電網諧波檢測方法的測量儀，其特征在于包括(1)定頻整周采樣器以恒定采樣頻率fs對電網電壓或電流波形采樣，由過零檢測器控制每個數據窗口無限逼近S個整周波；(2)變點DFT計算器電網頻率波動時每個數據窗口的采樣點數是可變的，采用高速DSP、執行三角函數型DFT、用查表法獲得不同點的DFT系數；所述定頻整周采樣器包括模/數轉換器、過零檢測器和DSP，變點DFT計算器包括可編程片上系統和存儲器，定頻變點諧波測量儀還包括三個電壓互感器和三個電流互感器，其中三個電壓互感器和三個電流互感器的輸入端分別接電網的三相輸出端，三個電壓互感器的輸出端分別接模/數轉換器、過零檢測器的輸入端，三個電流互感器的輸出端分別接模/數轉換器的輸入端，過零檢測器的輸出端接DSP的輸入端，DSP依次串接可編程片上系統、存儲器，模/數轉換器與DSP雙向通信。全文摘要本發明公布了定頻變點電網諧波檢測方法及其測量儀，測量儀包括兩大特殊構件即定頻整周采樣器和變點數DFT計算器。所述檢測方法包括如下步驟(1)定頻整周采樣以恒定采樣頻率fS對電網電壓(電流)波形采樣，由過零檢測器控制每個數據窗口無限逼近S個整周波；(2)變點DFT計算電網頻率波動時每個數據窗口的采樣點數是可變的，能夠高速計算不同點的DFT，‘高速’的根源主要來自采用高速DSP、執行三角函數型DFT、用查表法獲得不同點的DFT系數、只計算IEC61000-4-30標準要求的500個頻點。本發明采用定頻變點法實現同步，同步偏差一定小于1/L0(L0＝S×fS/55)，只要選取足夠大的fS和S采樣同步偏差就足夠小，不存在時延，減少了諧波測量同步誤差。文檔編號G01R23/16GK101701985SQ200910232708公開日2010年5月5日申請日期2009年11月27日優先權日2009年11月27日發明者梅永,王柏林申請人:河海大學