基于SRFFT算法的电力系统谐波分析的研究
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摘要
近年来，随着电力电子技术的广泛应用，非线性负载不断引入电力系统，造成电力系统中谐波含量急剧上升和电压波形严重“畸变”，致使电能质量下降。这些谐波给用电设备的安全可靠运行带来了极大的危害，同时对传统测量方法及常用工频仪表的使用也带来了一系列的影响。如果能够在电力系统运行前后对所有谐波参数进行准确分析，在满足电能质量谐波标准的基础上，就能有效地投运用电设备。因此，谐波分析是电力系统研究的一个重要方面。
电力系统谐波分析通常都是通过快速傅立叶变换(FFT)实现的，但是这种方法存在栅栏效应和频谱泄漏，使计算出的谐波参数即频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大，无法满足准确的谐波测量要求。为了提高FFT的精度，本文在分析目前国内外各种谐波分析及测量方法利弊的基础上，提出了利用复序列加窗插值分裂基快速傅立叶变换(SRFFT)。该算法能极大地提高FFT计算的精度，从而满足谐波测量中对谐波参数的精度要求。文中给出了计算实例，实例表明该算法具有很高的计算精度，即使对于幅值较小的偶次谐波也能准确地求出其各项参数，尤其是对于提高相位计算的精度更为明显。
本文针对电力系统谐波测量的要求，设计数据采集电路。其中，运用PⅢ／800EB工控机来处理采样值，并使用并行口实现数据的快速传输。这样就大大减少测量时间，提高运算速度和抗干扰能力。为了消除频率混叠带来的误差，专门设计具有较好性能的低通滤波器和数字滤波器；由于系统频率波动性，设计有硬件电路组成的频率跟踪环节，最终实现采样周期和信号周期同步。并编写A／D转换驱动程序、控制程序和算法子程序，将它们应用于谐波测量单元，从而完成电力系统谐波分析。
Recently, along with the broad application of Power Electronics Technology, many non-linear loads are used continuously in power systems, which make harmonic content rising rapidly, voltage shape distorting badly and power quality descending. The harmonics bring huge harm to equipment's safe and reliable run. As the same time, these make a series of influence on traditional measure methods and common instrument in 50Hz.If all harmonic parameters are measured exactly, electro-equipments go into power systems effectively on base of satisfying power quality harmonic standard. So power systems harmonic analysis is a significant aspect of power systems research.
Power system harmonic analysis was realized usually with fast Fourier Transform (FFT),but the method exits spectrum leakage, and can not analyse all harmonic parameters exactly, such as frequency, amplitude and phase, in particular has big phase error. The paper analyses the advantages and disadvantages of a large number of harmonic analysis methods and puts forward to a new algorithm in order to improve precision of FFT, which is plural list and interpolating windowed split-radix FFT(SRFFT).The simulating result shows that the algorithm can meet precision of harmonic parameters. Moreover a example makes know, it can calculate lesser even harmonics exactly. Especially it is more obvious to improve the pricision for calculating their phases.
The paper designs a data gather circuit aimed at the require of power system harmonic measure . Industrial computer(PIII800EB) processes the fact sampling value, also with its LPT1 transmits fastly data to reduce the measure time , to improve velocity and anti-disturbance. The paper designs a more LPF and a numberical filter to eliminate the error, and a frequency tracing tache because system frequency fluctuates
ceaselessly. This guarantes synchronization sampling. Moreover the result realizes Real-time power system hamonic analysis based on A/D conversion drivers, control programme and algorithm sub-programme.
电力系统谐波分析通常都是通过快速傅立叶变换(FFT)实现的，但是这种方法存在栅栏效应和频谱泄漏，使计算出的谐波参数即频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大，无法满足准确的谐波测量要求。为了提高FFT的精度，本文在分析目前国内外各种谐波分析及测量方法利弊的基础上，提出了利用复序列加窗插值分裂基快速傅立叶变换(SRFFT)。该算法能极大地提高FFT计算的精度，从而满足谐波测量中对谐波参数的精度要求。文中给出了计算实例，实例表明该算法具有很高的计算精度，即使对于幅值较小的偶次谐波也能准确地求出其各项参数，尤其是对于提高相位计算的精度更为明显。
本文针对电力系统谐波测量的要求，设计数据采集电路。其中，运用PⅢ／800EB工控机来处理采样值，并使用并行口实现数据的快速传输。这样就大大减少测量时间，提高运算速度和抗干扰能力。为了消除频率混叠带来的误差，专门设计具有较好性能的低通滤波器和数字滤波器；由于系统频率波动性，设计有硬件电路组成的频率跟踪环节，最终实现采样周期和信号周期同步。并编写A／D转换驱动程序、控制程序和算法子程序，将它们应用于谐波测量单元，从而完成电力系统谐波分析。
Recently, along with the broad application of Power Electronics Technology, many non-linear loads are used continuously in power systems, which make harmonic content rising rapidly, voltage shape distorting badly and power quality descending. The harmonics bring huge harm to equipment's safe and reliable run. As the same time, these make a series of influence on traditional measure methods and common instrument in 50Hz.If all harmonic parameters are measured exactly, electro-equipments go into power systems effectively on base of satisfying power quality harmonic standard. So power systems harmonic analysis is a significant aspect of power systems research.
Power system harmonic analysis was realized usually with fast Fourier Transform (FFT),but the method exits spectrum leakage, and can not analyse all harmonic parameters exactly, such as frequency, amplitude and phase, in particular has big phase error. The paper analyses the advantages and disadvantages of a large number of harmonic analysis methods and puts forward to a new algorithm in order to improve precision of FFT, which is plural list and interpolating windowed split-radix FFT(SRFFT).The simulating result shows that the algorithm can meet precision of harmonic parameters. Moreover a example makes know, it can calculate lesser even harmonics exactly. Especially it is more obvious to improve the pricision for calculating their phases.
The paper designs a data gather circuit aimed at the require of power system harmonic measure . Industrial computer(PIII800EB) processes the fact sampling value, also with its LPT1 transmits fastly data to reduce the measure time , to improve velocity and anti-disturbance. The paper designs a more LPF and a numberical filter to eliminate the error, and a frequency tracing tache because system frequency fluctuates
ceaselessly. This guarantes synchronization sampling. Moreover the result realizes Real-time power system hamonic analysis based on A/D conversion drivers, control programme and algorithm sub-programme.
引文
[1] 吴竞昌．供电系统谐波[M]．北京：中国电力出版社，1998．
[2] 吕润馀．电力系统高次谐波[M]．北京：中国电力出版社，1998．
[3] 张直平 李芬辰．城市电网谐波手册．北京：中国电力出版社，2000．
[4] 中华人民共和国国家标准GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》，1993．
[5] 王兆安，等．谐波抑制和无功补偿[M]．北京：机械工业出版社，1998．
[6] T.Grandke. Interpolation algorithms for discrete Fourier transforms of weighted signals[J] .IEEE Trans. on IM, 1983, 32: 350～355.
[7] 肖雁鸿 毛筱 周靖林，等．电力系统谐波测量方法综述．电网技术，2002，26(6)：61～64．
[8] Sutherland P E. Harmonics Measurements in industrial power system [J]. IEEE Trans on IA, 1995, 31(1):175～183.
[9] 丁玉美 高西全 彭学愚编著．数字信号处理．西安电子科技大学出版社，1994．6．
[10] 胡广书编著．数字信号处理——理论、算法与实现．北京：清华大学出版社，1997．
[11] 胡铭 陈珩．电能质量及其分析方法综述．电网技术，2000，24(2)：36～38．
[12] 季虎 夏胜平 郁文贤．快速傅立叶变换算法概述．现代电子技术，2001，8：11～14
[13] F.S.Zhang Z.X .Geng W.Yuan. The Algorithm of Interpolating Windowed FFT for harmonics Analysis of Electric Power System.IEEE Trans on Power Delivery,2001,16(2):351～357.
[14] V.K.Jain Collins W L Dacis D C. Hign-accuracy Analog Mearsurements via Interpolated FFT.IEEE Trans.on Intrumentation and Measurement, 1979,28(2): 112～113.
[15] LoKL GohKM.Harmonics analysis for Power Networks[J].Electric systems Research.1986(10):189～203.
[16] Working Group 36-05 CIGRE. Equipment producing harmonics supply [J]. Electro. 1989(124):22～37.
[17] 贺慧玲．提高电力网谐波分析精度新方法的研究．水电能源科学，1999，17(1)：24～27．
[18] 毛筱 肖雁鸿 龚理专．FFT应用于谐波测量中频谱泄漏的分析与处理．电工技术杂志，2001，2：3～4．
[19] 赵渊 钟岷秀 周念成．电力系统谐波分析仪算法研究．华东电力，1999，4：15～17．
[20] 张伏生 耿中行 葛耀中．电力系统谐波分析的高精度FFT算法．中国电机工程学报，1999，19(3)：63～66
[21] 张盎然 陈明华 杨扬．基于准同步算法的谐波分析方法．电测与仪表，2002，1：10～12．
[22] Xi Jiangtao Chicheiro J F. A new algorithm for improving the accuracy of periodic signal analysis.IEEE Trans,1996,IM-45(4):827～830.
[23] Ferrero A. High accuracy Fourier analysis based on synchronous sampling techniques[J].IEEE Trans on IM, 1992, 41(6): 780～785.
[24] 裘云．两种改进的软件同步实现方法的分析[J]电测与仪表，2000，37(09)：5～7．
[25] 马宏忠 胡虔生．软件实现同步采样的误差分析．电工技术学报，1996，11(1)：43～47．
[26] 殷小贡 赵志敏．电网谐波实时监测系统．电力系统及其自动化学报，2001，13(2)：26～28．
[27] 毛谦敏 肖艳萍．智能化电网谐波分析监测仪研制．振动与冲击，1999，18(4)：59～62．
[28] 李锦初．AN2060电力谐波分析仪．电工技术杂志，1999，5：51～52．
[29] 于海生．锁相同步采样谐波测量方法及其实现．电测与仪表，1999，2：12～14．
[30] 李君凯 丁化成．一种新的电力系统谐波分析仪采样计算方法．电测与仪表，2000，10：5～7．
[31] Unipower AB, Alingsas. Unilyzer 900F Manual, 1999.
[32] William Buchanan著 精英科技译．PC接口通信与Windows编程北京：中国电力出版社，2001．
[33] Jan Axeson著 精英科技 那怡超等译．并行端口大全．北京：中国电力出版社，2001．
[34] Dhananjay·V·Gadre著 韩永彬 袁潮译．并行端口编程．北京：中国电力出版社，2000．
[35] 包国荣．论电力谐波的产生机理、危害及治理措施．咸宁师专学报(自然科学版)，1998，18(3)：32～37．
[36] 姚玉钦．电力系统中的谐波和谐波抑制．电网改造，2000，11：33～36．
[37] 汤钰鹏 徐建军．高次谐波产生的原因危害及其抑制措施．电气传动自动化，
2000，22(1)：3～6．
[38] 王士元．C语言高级应用程序设计[M]．北京：清华大学出版社，1999，10．
[39] 谭浩强．C语言设计．北京：清华大学出版社，1991，7．
[40] 俞宁 李泰光 黄道基．电力谐波在线测量方法与监测系统设计．电测与仪表，1999，36(9)：12～15．
[41] National Semiconductor Corporation. National Semiconductor, 1998. 5.
[42] 杨全胜 胡友彬．现代微机原理与接口技术。北京：电子工业出版社，2002，3．
[43] 张明君 洪涛．电力系统微机保护．北京：冶金工业出版社，2002，3：56～72．
[44] 陈亚勇等．MATALAB信号处理详解．北京：人民邮电出版社，2001，9．
[45] 孙树朴 肖亮 王旭光 姜建国编著．半导体变流技术．中国矿业大学出版社1996，2．
[46] 韩利竹 王华编著．MATLAB电子仿真与应用．北京：国防工业出版社，2001，1．
[47] 王福昌 鲁昆生．锁相技术．华中理工大学出版社，1996，11．
[48] 马明建 周长城．数据采集与处理技术．西安交通大学出版社，1998，9．
[49] 杨桦 任震 唐卓尧．基于小波变换检测谐波的新方法[J]．电力系统自动化，1997，21(10)：39～41．
[50] 王群 吴宁 王兆安．一种基于人工神经网络的电力谐波测量方法[J]．电力系统自动化，1998，22(11)：35～39．
[2] 吕润馀．电力系统高次谐波[M]．北京：中国电力出版社，1998．
[3] 张直平 李芬辰．城市电网谐波手册．北京：中国电力出版社，2000．
[4] 中华人民共和国国家标准GB/T 14549-93《电能质量 公用电网谐波》，1993．
[5] 王兆安，等．谐波抑制和无功补偿[M]．北京：机械工业出版社，1998．
[6] T.Grandke. Interpolation algorithms for discrete Fourier transforms of weighted signals[J] .IEEE Trans. on IM, 1983, 32: 350～355.
[7] 肖雁鸿 毛筱 周靖林，等．电力系统谐波测量方法综述．电网技术，2002，26(6)：61～64．
[8] Sutherland P E. Harmonics Measurements in industrial power system [J]. IEEE Trans on IA, 1995, 31(1):175～183.
[9] 丁玉美 高西全 彭学愚编著．数字信号处理．西安电子科技大学出版社，1994．6．
[10] 胡广书编著．数字信号处理——理论、算法与实现．北京：清华大学出版社，1997．
[11] 胡铭 陈珩．电能质量及其分析方法综述．电网技术，2000，24(2)：36～38．
[12] 季虎 夏胜平 郁文贤．快速傅立叶变换算法概述．现代电子技术，2001，8：11～14
[13] F.S.Zhang Z.X .Geng W.Yuan. The Algorithm of Interpolating Windowed FFT for harmonics Analysis of Electric Power System.IEEE Trans on Power Delivery,2001,16(2):351～357.
[14] V.K.Jain Collins W L Dacis D C. Hign-accuracy Analog Mearsurements via Interpolated FFT.IEEE Trans.on Intrumentation and Measurement, 1979,28(2): 112～113.
[15] LoKL GohKM.Harmonics analysis for Power Networks[J].Electric systems Research.1986(10):189～203.
[16] Working Group 36-05 CIGRE. Equipment producing harmonics supply [J]. Electro. 1989(124):22～37.
[17] 贺慧玲．提高电力网谐波分析精度新方法的研究．水电能源科学，1999，17(1)：24～27．
[18] 毛筱 肖雁鸿 龚理专．FFT应用于谐波测量中频谱泄漏的分析与处理．电工技术杂志，2001，2：3～4．
[19] 赵渊 钟岷秀 周念成．电力系统谐波分析仪算法研究．华东电力，1999，4：15～17．
[20] 张伏生 耿中行 葛耀中．电力系统谐波分析的高精度FFT算法．中国电机工程学报，1999，19(3)：63～66
[21] 张盎然 陈明华 杨扬．基于准同步算法的谐波分析方法．电测与仪表，2002，1：10～12．
[22] Xi Jiangtao Chicheiro J F. A new algorithm for improving the accuracy of periodic signal analysis.IEEE Trans,1996,IM-45(4):827～830.
[23] Ferrero A. High accuracy Fourier analysis based on synchronous sampling techniques[J].IEEE Trans on IM, 1992, 41(6): 780～785.
[24] 裘云．两种改进的软件同步实现方法的分析[J]电测与仪表，2000，37(09)：5～7．
[25] 马宏忠 胡虔生．软件实现同步采样的误差分析．电工技术学报，1996，11(1)：43～47．
[26] 殷小贡 赵志敏．电网谐波实时监测系统．电力系统及其自动化学报，2001，13(2)：26～28．
[27] 毛谦敏 肖艳萍．智能化电网谐波分析监测仪研制．振动与冲击，1999，18(4)：59～62．
[28] 李锦初．AN2060电力谐波分析仪．电工技术杂志，1999，5：51～52．
[29] 于海生．锁相同步采样谐波测量方法及其实现．电测与仪表，1999，2：12～14．
[30] 李君凯 丁化成．一种新的电力系统谐波分析仪采样计算方法．电测与仪表，2000，10：5～7．
[31] Unipower AB, Alingsas. Unilyzer 900F Manual, 1999.
[32] William Buchanan著 精英科技译．PC接口通信与Windows编程北京：中国电力出版社，2001．
[33] Jan Axeson著 精英科技 那怡超等译．并行端口大全．北京：中国电力出版社，2001．
[34] Dhananjay·V·Gadre著 韩永彬 袁潮译．并行端口编程．北京：中国电力出版社，2000．
[35] 包国荣．论电力谐波的产生机理、危害及治理措施．咸宁师专学报(自然科学版)，1998，18(3)：32～37．
[36] 姚玉钦．电力系统中的谐波和谐波抑制．电网改造，2000，11：33～36．
[37] 汤钰鹏 徐建军．高次谐波产生的原因危害及其抑制措施．电气传动自动化，
2000，22(1)：3～6．
[38] 王士元．C语言高级应用程序设计[M]．北京：清华大学出版社，1999，10．
[39] 谭浩强．C语言设计．北京：清华大学出版社，1991，7．
[40] 俞宁 李泰光 黄道基．电力谐波在线测量方法与监测系统设计．电测与仪表，1999，36(9)：12～15．
[41] National Semiconductor Corporation. National Semiconductor, 1998. 5.
[42] 杨全胜 胡友彬．现代微机原理与接口技术。北京：电子工业出版社，2002，3．
[43] 张明君 洪涛．电力系统微机保护．北京：冶金工业出版社，2002，3：56～72．
[44] 陈亚勇等．MATALAB信号处理详解．北京：人民邮电出版社，2001，9．
[45] 孙树朴 肖亮 王旭光 姜建国编著．半导体变流技术．中国矿业大学出版社1996，2．
[46] 韩利竹 王华编著．MATLAB电子仿真与应用．北京：国防工业出版社，2001，1．
[47] 王福昌 鲁昆生．锁相技术．华中理工大学出版社，1996，11．
[48] 马明建 周长城．数据采集与处理技术．西安交通大学出版社，1998，9．
[49] 杨桦 任震 唐卓尧．基于小波变换检测谐波的新方法[J]．电力系统自动化，1997，21(10)：39～41．
[50] 王群 吴宁 王兆安．一种基于人工神经网络的电力谐波测量方法[J]．电力系统自动化，1998，22(11)：35～39．