專利名稱：一種電力系統(tǒng)間諧波檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)間諧波分量頻率和幅值的高精度檢測方法。具體是一種利用基于高階累積量的MUSIC算法和Prony法的電力系統(tǒng)間諧波檢測方法，屬于信號處理技術領域，也可用于其它信號的諧波分析。

背景技術：
近年來，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，特別是非線性負載的廣泛應用，電力系統(tǒng)的電壓電流波形畸變也越來越嚴重。不僅存在頻率是工頻整數倍的諧波，還出現(xiàn)了大量的非整數次諧波(間諧波)，給電力系統(tǒng)的安全經濟運行帶來極大的危害，對電網的安全穩(wěn)定運行、用戶的正常用電和工農業(yè)生產造成嚴重的影響。
目前，關于電力系統(tǒng)諧波和間諧波的理論研究和實際應用方面的方法，主要有快速傅里葉變換法(FFT)、Prony波形擬合、小波變換(WT)等多種。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)諧波分析方法中，快速傅里葉變換法(FFT)由于存在頻譜泄漏和柵欄效應，在檢測間諧波時存在局限性，且其頻譜泄露現(xiàn)象仍不能完全避免；小波變換(WT)具有良好的時頻特性，但不同尺度的小波函數在頻域中存在相互干擾，當被檢測信號中含有頻率相近的諧波分量時，幅值檢測方法將失效；基于現(xiàn)代信號處理理論如Pisarenko諧波分解、AR模型、MUSIC等方法也應用于間諧波檢測。AR譜估計隱含著數據和自相關函數的外推，使分辨率大大提高，有利于間諧波的估計，但AR模型譜估計對噪聲相當敏感，當有噪聲存在時，分辨率降低，且可能存在譜線分裂情況；Pisarenko諧波和MUSIC法都是基于信號的自相關估計，但估計自相關的的算法對SNR較敏感，因此在有噪聲的情況下，尤其是信號中含有低信噪比的高斯噪聲時，檢測精度受到較大影響。
因此，對這些諧波和間諧波進行準確的檢測，對電力系統(tǒng)安全、經濟運行具有重要的意義。


發(fā)明內容
為了克服現(xiàn)有技術存在的上述不足，本發(fā)明的目的在于提供一種利用基于高階累積量的MUSIC算法和Prony法的電力系統(tǒng)間諧波檢測方法，該方法能夠快速準確的檢測電力系統(tǒng)間諧波成分和特征，保證供電安全。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種電力系統(tǒng)間諧波檢測方法，其特征在于，以數據分析模塊、時鐘保持模塊、采集模塊、開關電源和通信電路進行檢測，數據分析模塊的DSP執(zhí)行如下步驟 第一步，利用電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)得到電網的電壓、電流信息，并進行模/數轉換； 第二步，對電網電壓、電流信息經模/數轉換的信號進行處理，利用高階累積量能夠完全抑制高斯噪聲的特點，采用四階累積量定義的矩陣代替?zhèn)鹘y(tǒng)二階MUSIC算法中的自相關矩陣作特征值分解，將特征值對應的特征向量空間分為信號子空間和噪聲子空間，利用兩空間正交性，獲得諧波源的功率譜和頻率； 第三步，利用Prony方法的最小二乘法計算出這些間諧波分量的幅值； 進一步的特征是，所述利用PT和CT得到電網的電壓和\或電流信息，是通過以高精度運算放大器MCP604及其周邊元件組成的運算放大電路處理，送入DSP的AD轉換口，通過DSP的運算處理得出實際每相電壓和電流值，完成模/數轉換。
進一步的特征是，經過模/數轉換的電壓和/或電流信息進入間諧波檢測處理，采用基于高階累積量的MUSIC算法對電力系統(tǒng)電壓、電流波形進行分析，找出其中可能存在的間諧波分量的個數以及頻率。
再進一步的特征是，利用Prony法中的最小二乘法估計得到間諧波分量的幅值及相位參數，并同時將采樣數據和分析結果存入DSP的EEPROM；分析數據完成后，通過同步時鐘，可選擇每隔一定時間保存測得的數據和分析結果，如果將通訊接口接入電腦，可以將實時測得的數據和分析結果通過通訊芯片MAX202、MAX485的處理即時傳給電腦，并通過后臺軟件的處理做成報表形式在INTERNET上發(fā)布。
相比現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有如下優(yōu)點 1、當間諧波頻率接近基頻且幅值相對較小時，四階累積量MUSIC法能夠很好地分辨出間諧波成份；當含有多個諧波成份時，仍具有很高的分辨率。
2、在加性高斯有色噪聲環(huán)境尤其在低信噪比情況下，頻率估計仍然具有很好的估計精度，顯示出良好的頻率估計性能。
3、在得到頻率估計后，通過Prony法，得到幅值的估計值，此方法在頻率估計準確時，求得幅值誤差不大，穩(wěn)定性較好。
4、本發(fā)明便于嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)。
最佳實施方式 一種電力系統(tǒng)間諧波檢測方法，以基于TMS320LF2407的DSP為核心，以及CY7C1021型片外程序存儲器及周邊電路組成的數據分析模塊、時鐘保持模塊、16位6路同時采集的信號采集模塊AD8364、開關電源和通信電路進行檢測的，DSP執(zhí)行如下步驟第一步，利用PT和CT得到電網的電壓、電流信息，并進行模/數轉換；第二步，對電網電壓、電流信息經模/數轉換的信號進行處理，利用高階累積量能夠完全抑制高斯噪聲的特點，采用四階累積量定義的矩陣代替?zhèn)鹘y(tǒng)二階MUSIC算法中的自相關矩陣作特征值分解，將特征值對應的特征向量空間分為信號子空間和噪聲子空間，利用兩空間正交性，獲得諧波源的功率譜和頻率；第三步，利用Prony方法的最小二乘法計算出這些間諧波分量的幅值； 所述數據分析模塊由DSP、聯(lián)接在該DSP的XTAL1端的6M晶體振蕩器及振蕩電容組成；時鐘保持模塊由時鐘芯片PCF8583及連接在時鐘芯片上的3.6V鈕扣電池，振蕩電容和32.768K晶體振蕩器組成；其信號采集電路單元由PT或CT及與其相連的運算放大器電路組成；通信電路由DSP、聯(lián)接在該DSP的RX和TX端的MAX202通信芯片、MAX485通訊芯片及其周邊電路組成。
進一步，所述利用PT和CT得到電網的電壓和\或電流信息，是通過以高精度運算放大器MCP604及其周邊元件組成的運算放大電路處理，送入DSP的AD轉換口，通過DSP的運算處理得出實際每相電壓和電流值，完成模/數轉換。其中DSP采用TI系列的TMS320LF2407，它具有運算能力強、容量大、精度高的優(yōu)點。
進一步，經過模/數轉換的電壓和\或電流信息進入間諧波檢測處理，采用基于高階累積量的MUSIC算法對電力系統(tǒng)電壓、電流波形進行分析，找出其中可能存在的間諧波分量的個數以及頻率。
再進一步，利用Prony法中的最小二乘法估計得到間諧波分量的幅值及相位參數，并同時將采樣數據和分析結果存入DSP的EEPROM；分析數據完成后，通過同步時鐘，可選擇每隔一定時間保存測得的數據和分析結果，如果將通訊接口接入電腦，可以將實時測得的數據和分析結果通過通訊芯片MAX202、MAX485的處理即時傳給電腦，并通過后臺軟件的處理做成報表形式在INTERNET上發(fā)布。
其中，采用基于高階累積量的MUSIC算法對電力系統(tǒng)電壓、電流波形進行分析，找出其中可能存在的間諧波分量的個數以及頻率，具體實施方法如下 電力系統(tǒng)諧波及間諧波檢測信號可表示為
式中x(n)為采樣信號；n為采樣點數；Ts為采樣間隔；M為所含諧波和間諧波個數；ai為第i次振蕩的幅值；fi為第i次振蕩的頻率；

為初始相角；v(n)為噪聲項。
由于MUSIC法定義在復信號上，所以將式(1)轉換為復頻率信號，借助Hilbert變換將上式中的信號轉換成復頻率表達式
采樣信號x(n)的零均值四階累積量的定義為 C4(τ1，τ2，τ3)＝cum[x(i)，x(i+τ1)，x(i+τ2)，x(i+τ3)] ＝E[x(i)x(i+τ1)x(i+τ2)x(i+τ3)]-C2(τ1)C2(τ2-τ3)-C2(τ2)C2(τ3-τ1)-C2(τ3)C2(τ1-τ2) (3) 由樣本數據x1，…，xN估計四階累積量的公式為 其中 式(2)所給信號的四階累積量為 對式(2)所給具有M個諧波分量的信號，定義Cp+1為信號的四階累積量矩陣 式中0≤τ≤p+1，M＜p+1，Cs為信號矩陣，CV為噪聲矩陣。
1)當v(n)為高斯噪聲時 由于四階累積量對高斯噪聲的抑制性，CV＝0，Cp+1＝Cs，Cp+1為共軛對稱的Toeplitz矩陣。rankCS＝M，CS進行特征值分解，得到 ei是對應于特征值λi的特征向量，且特征向量之間正交。將特征向量e1，…ep+1形成的p+1維向量空間分為兩個子空間，由于rankCS＝M，必有M個非零特征值和p+1-M個零特征值。由非零特征值對應的特征向量e1，…eM張成信號空間 式中ai為常數。而由零特征值對應的特征向量eM+1，…ep+1張成噪聲空間 式中βk為常數。由于信號空間和噪聲空間的各個向量都是正交的，因此，它們的線性組合也是正交的，即 令e(ω)＝[1，ejω，…，ejωM]，則e(ωi)＝ei，由式(11)，有 上式在ω＝ωi處應為0，令βk＝1，即可估計出功率譜 由上式可知

在ω＝ωi處應為無窮大，但由于四階累積量矩陣是估計值，必然存在誤差，因此

為有限值，但呈現(xiàn)出很尖的峰值。
2)v(n)為非高斯噪聲 式中CV≠0，rankCS＝M，rankCV＝P+1。同樣，將CS對應的M個特征向量張成信號空間，將CV對應的P+1個特征值張成噪聲空間 式中βk為常數。由特征向量的正交性，可得 i＝1，2，…，M(16) 同理，信號(2)的功率譜可由下式估出 同樣，在ω＝ωi處，

的譜圖呈現(xiàn)很尖的峰值。
在利用MUSIC法求出系統(tǒng)電壓、電流的功率譜后，每一種頻率在其相應的位置呈現(xiàn)一個尖峰，峰值高度與其對應頻率分量功率密度的大小成正比，最大值為0。這樣就可以根據譜線的條數和分布從譜上讀出被系統(tǒng)中所有間諧波的數目和頻率。
其中，利用Prony法中的最小二乘法估計得到間諧波分量的幅值及相位參數，具體實施方法如下 Prony方法采用的數學模型為一組M個具有任意幅值、相位、頻率與衰減因子的指數函數，其函數形式為 式中
zi＝exp(ai+j2πfi)Δt) (20b) 令阻尼因子a＝0，并用

代替x(n)，式(2)所示信號即可由式(19)表示。
由估計的功率譜得到信號中諧波和間諧波的頻率fi和個數M后，zi就成為已知量(zi也稱為Prony極點)，于是指數模型式(19)簡化為未知參數bi的線性方程。用矩陣形式表示之，即為 式中 b＝[b1，b2，…，bp]T(22b) 由于zi各不相同，矩陣Z是滿列秩的，方程(21)的最小二乘解為 求出bi后，可根據式(23)來計算信號中各頻率分量的幅值和相位
由此可計算出被測的系統(tǒng)電壓、電流信號的真實頻率和各項參數。
權利要求
1、一種電力系統(tǒng)間諧波檢測方法，其特征在于，以數據分析模塊、時鐘保持模塊、采集模塊、開關電源和通信電路進行檢測，數據分析模塊的DSP執(zhí)行如下步驟
第一步，利用電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)得到電網的電壓、電流信息，并進行模/數轉換；
第二步，對電網電壓、電流信息經模/數轉換的信號進行處理，利用高階累積量能夠完全抑制高斯噪聲的特點，采用四階累積量定義的矩陣代替?zhèn)鹘y(tǒng)二階MUSIC算法中的自相關矩陣作特征值分解，將特征值對應的特征向量空間分為信號子空間和噪聲子空間，利用兩空間正交性，獲得諧波源的功率譜和頻率；
第三步，利用Prony方法的最小二乘法計算出這些間諧波分量的幅值。
2、根據據權利要求1所述的電力系統(tǒng)間諧波檢測方法，其特征在于，所述數據分析模塊由DSP、聯(lián)接在該DSP的XTAL1端的6M晶體振蕩器及振蕩電容組成；時鐘保持模塊由時鐘芯片PCF8583及連接在時鐘芯片上的3.6V鈕扣電池，振蕩電容和32.768K晶體振蕩器組成；其信號采集電路單元由PT或CT及與其相連的運算放大器電路組成；通信電路由DSP、聯(lián)接在該DSP的RX和TX端的MAX202通信芯片、MAX485通訊芯片及其周邊電路組成。
3、根據據權利要求1所述的電力系統(tǒng)間諧波檢測方法，其特征在于，所述利用PT和CT得到電網的電壓和\或電流信息，是通過以高精度運算放大器MCP604及其周邊元件組成的運算放大電路處理，送入DSP的AD轉換口，通過DSP的運算處理得出實際每相電壓和電流值，完成模/數轉換。
4、根據據權利要求1所述的電力系統(tǒng)間諧波檢測方法，其特征在于，經過模/數轉換的電壓和/或電流信息進入間諧波檢測處理，采用基于高階累積量的MUSIC算法對電力系統(tǒng)電壓、電流波形進行分析，找出其中可能存在的間諧波分量的個數以及頻率。
5、根據據權利要求1所述的電力系統(tǒng)間諧波檢測方法，其特征在于，利用Prony法中的最小二乘法估計得到間諧波分量的幅值及相位參數，并同時將采樣數據和分析結果存入DSP的EEPROM；分析數據完成后，通過同步時鐘，可選擇每隔一定時間保存測得的數據和分析結果，如果將通訊接口接入電腦，可以將實時測得的數據和分析結果通過通訊芯片MAX202、MAX485的處理即時傳給電腦，并通過后臺軟件的處理做成報表形式在INTERNET上發(fā)布。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電力系統(tǒng)間諧波分量頻率和幅值的高精度檢測方法。對于電力系統(tǒng)間諧波的檢測分為三個步驟第一步，利用PT和CT得到電網的電壓、電流信息，并進行模/數轉換；第二步，對電網電壓、電流信息進行信號處理，利用高階累積量能夠完全抑制高斯噪聲的特點，采用四階累積量定義的矩陣代替?zhèn)鹘y(tǒng)二階MUSIC算法中的自相關矩陣作特征值分解，將特征值對應的特征向量空間分為信號子空間和噪聲子空間，利用兩空間正交性，獲得諧波源的功率譜和頻率；第三步，利用Prony方法計算出幅值。本發(fā)明解決了目前電力系統(tǒng)間諧波檢測的難題，能準確、及時的報告系統(tǒng)間諧波成分和特征，保證供電安全。
文檔編號G01R23/00GK101566649SQ20091010397
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權日2009年5月27日
發(fā)明者周念成, 閆立偉, 野 田, 淵 趙 申請人:重慶大學