[发明专利]一种减少电网电流FFT谐波提取时频谱泄露的方法

说明书

本发明公开了一种减少电网电流FFT谐波提取时频谱泄露的方法，涉及电力系统谐波检测技术领域，包括以下步骤：S1、采用硬件锁相环的方法，将正弦波转换为方波；S2、FPGA在第一个上升沿时开始计数，在下一个上升沿时停止计数，计算实时电网电压频率；S3、FPGA根据实时的电网频率Fz，调整外部AD芯片的采样频率为Fs=Fz*N；即可取得在电网电压频率波动时，在一个工频周期内的采样点数恒为N个数据，这样进行FFT谐波提取时，减少了绝大部分频谱泄露。本发明采用动态计算电网实时频率的方法，采用可变采样的频率对信号进行采样，保证采用点数N为一个恒定的常数，达到同步采样的效果。

技术领域

本发明涉及电力系统谐波检测技术领域，特别是涉及一种减少电网电流FFT谐波提取时频谱泄露的方法。

背景技术

我国的电力系统额定频率为50Hz，在完全理想的情况下，电流具有单一而固定的频率以及规定的电压幅值。随着电力电子器件和非线性元件的广泛使用，且容量越来越大，由此造成的电力系统谐波污染问题越来越严重，也越来越复杂。在电网中大量地存在着非整数和分数次谐波，给电网带来了极大的污染，严重影响了电力系统的安全经济运行。谐波影响各种电气设备的正常工作谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器铁损增大可能出现局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏；谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，大大增加对设备的影响，甚至引起严重事故；谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电和用电设备的效率,大量的3次谐波电流流过中性线时会使线路过热，甚至发生火灾；谐波会对邻近的通信系统产生干扰，降低通信质量，甚至导致信息丢失、使通信系统无法正常工作。

目前常用的谐波检测分析方法是快速傅立叶变换（FFT）。虽然FFT算法能够实现整数次谐波的精确分析和检测，但是对于非整数次谐波的检测，FFT算法存在着严重的频谱泄漏和栅栏现象，从而使检测出谐波的幅值、相角和频率都存在着较大误差，因而不能够满足检测精度的要求。利用插值修正算法可以有效地解决栅栏问题，但是不能消除因频谱泄漏现象而导致的测量误差。利用加窗算法可以大大减少频谱泄漏误差。

参考现有专利（申请号201811475977 .3）公开了一种电能质量监测中频谱泄露的检测方法，包括离散化，将信号通过矩形窗加窗处理，进行傅里叶变换和欧拉变化，以及根据频谱泄露系数来判断信号进行傅里叶变换时的频谱泄露情况四个步骤。

上述专利采用FFT加窗插值加权的方法用于解决频谱泄露问题，但是该方法设计复杂，软件计算量大，且该算法只能减少误差，存在固有误差。

在电网中，提取谐波电压或者谐波电流时，采样频率Fs，电网频率为Fz，则采样点数为N=Fs/Fz...........................(1)。

而电网频率国家标准波动等级规定如下：

频率等级A级≤±0.05Hz；B级≤±0.5Hz；C级≤±1Hz。

《供电营业规则》第五十三条在电力系统正常状况下，供电频率的允许偏差为：

1、电网装机容量在300万千瓦及以上的，为±0．2赫兹； 2、电网装机容量在300万千瓦以下的，为±0．5赫兹。 3、在电力系统非正常状况下，供电频率允许偏差不应超过±1．0赫兹。

我们假设在最坏情况下，偏差为±1Hz，即电网频率为49赫兹～51赫兹。根据（1）式，N=Fs/（Fz±1）；若采样频率用固定的频率进行采样，则会造成电网采样信号N点并不是刚好是一个电网周期，达不到同步采样的效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种减少电网电流FFT谐波提取时频谱泄露的方法，由于产生频谱泄露的主要原因为是被采样信号周期发生改变，导致离散采样到的信号X（t）会被周期截断，即采样点数N并不是刚好一个周期，以解决上述背景中提出的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：