全相位时移相位差法在电力谐波检测中的应用.pdf

总第 4 9卷第 5 5 9期 2 0 1 2年第 7期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I n s t r ume n t a t i o n Vo 1 4 9 No 5 5 9 J u 1 2 0 1 2 全相位时移相位差法在 电力谐波检测中的应用 曹浩 ， 刘得军 ， 冯叶 ， 苑赫 ， 黄东 ( 1 中国石油大学， 北京 1 0 2 2 4 9 ； 2 河南省信 阳供电公司， 河南 信 阳 4 6 4 0 0 0 ； 3 渤海石油装备制造有 限公 司石油机械厂 ， 河北 任丘 0 6 2 5 5 2 ) 摘要： 分析了传统F F T 和全相位F F r ( a p F F T ) 谱分析的原理和区别， 说明了全相位F 丌谱分析方法在电力系统谐 波检测方面的优势。根据a p F F 1 谱 分析方法的相位不变特性可以精确地得到各个谐波的相位 ， 再利用全相位时 移相位差校正法获取各个谐波的频率和幅值。文中详细说明了采用 目 前在电力系统比较流行的基于c o r t 。 一 M3 内核的S T M3 2 芯片对该算法进行设计与实现 ， 测量所得结果准确度较高。该方案对电力系统谐波检测有一 定参考价值。 关键词 ： 谐波检测 ； 时移相位差法； a p F F T； S T M3 2 中图分类号 ： T M9 3 3 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 2 4 0 5 App l i c a t i o n o f t h e Al l - ph a s e Ti m e -s h i f t Pha s e Di ffe r e n c e M e t ho d i n t he Po we r Ha r m o n i c De t e c t i o n C A O H a 。 ， L I U D e - j u n ， F E N G Y U A N H e ， HU A N G D 。 n g ( 1 C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m ， B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ， C h i n a 2 H e n a n X i n y a n g P o w e r S u p p l y C o mp a n y ， Xi n y a n g 4 64 0 0 0， He na n， Ch i n a 3 Pe t r o l e u m Ma c hi n e r y Fa c t o ry o f Bo h a i Pe t r o l e u m Eq ui pme n t Ma n u f a c t u r i n g Co Lt d R e n q i u 0 6 2 5 5 2 ， H e b e i ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s a r t i c l e a n a l y z e s p r i n c i p l e s a n d d i f f e r e n c e s b e t w e e n t r a d i t i o n a l F F T a n d a l l p h a s e F F T ( a D F F T ) s pe c t r um a n a l y s i s a n d i l l u s t r a t e s t h e a d v a nt a g e o f a l l- ph a s e F丌s p e c t r um a n a l y s i s me t h o d i n p o we r s y s t e m ha r mo n i c d e t e c t i o n Ac c o r d i n g t o i t s c ha r a c t e r i s t i c s o f ph a s e i n v a r i a n c e a p FF T s p e c t r u m a n a l y s i s me t h o d c o u l d c a l c ul a t e t h e p h a s e o f e a c h ha r mo n i c a c c u r a t e l yTh e n i t a pp l i e s a l l p h a s e t i mes h i ft p ha s e di f f e r e n c e me t h o d t 0 o b t a i n t h e f r e q u e n c y a n d a mp l i t u d e o f e a c h h a r mo n i c T h i s p a p e r i n t r o d u c e s h o w t o u s e t h e S T M3 2 c h i p wh i c h i S ba s e d o n t h e Co rte x M3 ke r n e l a n d i S p o p u l a r l y us e d i n t he c u r r e n t po we r s y s t e m t o i mp l e me n t t hi s a l g o r i t hmT he r e s u l t s a r e hi g h a c c u r a c y a nd t h i s p r o g r a m h a s s o me p r a c t i c a l v a l ue r e f e r e nc e i n p o we r s y s t e m ha r mo n i c d e t e c t i o n Ke y wo r ds ：h a r mo ni c d e t e c t i o n 。t i me s h i ft p ha s e d i f f e r e n c e me t ho da pF FTS TM 3 2 0引 言 目 前， 现场采用的电力设备实际工作时都不可避 免地会产生谐波。这些谐波会导致原始信号的失真， 同时还会产生很强的电磁干扰 ， 对整个电力系统形成 很大的威胁。 电力系统谐波是衡量电能质量 的一项重 要指标 ， 因此对电网中谐波的情况进行准确的分析是 非常有必要的。现代谐波的检测方法种类很多 ， 并且 都 日 趋成熟。主要有以下几种： 基于瞬时无功功率理 论的检测方法 、 自适应谐波检测方法 、 基于人工神经 网路的自适应检测方法 、基于小波变换 的检测方法 ； 基于 陕速傅里叶变换 ( F F T ) 的检测方法等。信号经过 傅立叶变换可以得到信号的频谱分布情况 ， 从而对信 一 2 4 一 号的频率 、 幅值、 相位有大致地了解。 但是传统的傅里 叶变换不可避免地存在频谱泄露 ， 再加上栅栏效应的 影响 ，所得结果误差很大 ，必须用算法加 以修正。 J a i n V K 最早提出了利用矩形窗对传统F F T 进行插值修 正的算法 。目前比较流行F 刚 彦正算法有双峰谱线插 值算法 和全相位F F T ( 印F 丌 ) 算法 。 双峰谱线插值算 法是对以往单峰谱线插值算法的改进， a p F F T 算法无 论是在相位的精确性和抗噪能力上都优于双峰谱线插 值算法 。当检测环境恶劣时， 外界噪音比较大的情况 下 ， a p F F r l 1 的分析结果还是具有很强的参考 生。本 文主要介绍a p F F T 的时移相位差校正法以及如何用基 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 5 9期 2 0 1 2年第 7期 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I ns t r u m e n t a t i o n Vo 1 4 9 No 5 5 9 J u 1 2 01 2 a p F F T 因为具有相位不变性，在实际频率附近的相位 都保持了初始相位的值。 普通的相位差校正法已经广 泛的应用于电力系统的谐波检测 中 ，但只是采用 一 点的相位。 当该点的相位 由于干扰发生畸变时所得 结果就失真了， 而全相位时移相位差校正法能够很好 地克服这点。 2 全相位F F T 的时移相位差校正法原理 电网中的信号一般都是正弦信号为基础的， 假设 电网中基波信号表示为 ： x ( t ) = A o c o s ( ,O o t + 0 o ) = A o c o s ( 2 a xf o t + O o ) ( 8 ) 式 中 。 ,f o ， 0 0 分别为信号的初始幅值 、 频率和相位。以 频率厂 = 1 刀采样后信号表示为： ( n ) = ( ) l 0 c o s ( S 2 o n T + O o ) = A o C O S ( O ) 0 n + 0 o ) ( 9 ) 经过a p F F T 后主谱线对应的相位为： ( 。 ) = ( 1 0) 延时序列为 ： x ( n ) - - A o c o s ( o J 0 ( n 一 ， l 0 ) + 0 o ) = A o c o s ( ) ( 1 1 ) 式中 为延时时间，经过a p F F T 后主线谱对应的相位 为 ： 2( 0 ) = O o - t O o n o ( 1 2 ) 从而两个序列主线谱的相位差为： &O = 0 o - ( 0 o - o J 0 n o- ( O 0 n 0 ( 1 3 ) 所以信号的原始频率可以估计为： - O 0 = A n 0 ( 1 4) 由于计算信号相位的局限性 ， ( 。 ) 和 ( 。 ) 所 求值一定在E O ， 2 叮 之间， 所I)2 A 的范围在 一 2 1 T ， 2 之间。当 实际值为2 叮 T + 时 ， 2 枷_ 的相位值就被我 们忽略掉了。因此 ， 在求相位值差值时必须对所求相 位进行补偿。假设主谱线处对应的数字角频率为2 盯 ， 经过n 。 的延 时后 ， 这个数字角频率会引起2 k 。 n 。 的附加相移。实际上的相位差为： = 1 ( o ) 一 2 ( 0 ) + 2 0 n o r N= w 0 n 0 ( 1 5 ) 选取延时长度n n 的时候可 以灵活的选择 ， 当选取 的 = Nft , 2 k 。 w N, 定是2 订 的整数倍 ， 并且 由于相位 2 循环特性 ， 因此 当取n = 时， 此时经过计算得到的 是频率的偏移也就是频偏 。对应谱线估算出的值 与 频偏的和乘以频谱分辨率即为实际频率的值。 再由公 式可以得到幅值为： ：_j ) ( 1 6 ) g 式中Y ( k ) 为对所得数据进行加窗a p F F l 后对应谱线 一 2 6一 的幅值 ， ( d ) 只需要将 带入所采用的窗的傅里 叶变换表达式 即可得到 。 根据a p F F T 的时移相位差 校正法原理 ， 信号的基波以及各次谐波的幅值 、 频率 、 相位都可以计算出来。 3 谐波检测系统的硬件组成 3 1 信号调理电路部分 系统框图如图2 所示 ，电网的信号必须要经过互 感器转换为一定的电压电流信号才能进行测量。 电压 互感器T V1 0 1 3 1 H和电流互感器T A 0 9 1 3 1 MI作频 率范围为2 0 H z 2 0 k H z ，采用产品参考手册推荐的接 法最大相移为5 。根据奈奎斯特采样定律 ， 为了防止 混叠现象的出现， 采样频率至少要为模拟信号最大频 率的两倍以上。 A D的采样频率设计在5 1 2 0 H z 左右 ， 因 此采用两片O P 0 7 实现截止频率为2 4 0 0 H z 左右的四阶 模拟低通滤波器。 模拟低通滤波器会造成信号相位的 滞后 ， 最后还得进行软件补偿。 图2 系统 结构框 图 Fi g 2 S y s t e m s t r u c t ur e di a g r a m T 0 l 3 2 数据采样处理部分 数据采样芯片采用A D I 公 司的A D 7 6 5 6 Y S T Z 一 1 。 AD 7 6 5 6 Y S T Z 一 1 是采样 速率 可以控制 的高集成度 、 6 通道 、 1 6 b i t 逐次逼近型A D C 。 系统中采用6 通道同时采 样三相电压的六个指标 ， 为了提高采样精度输入信号 的范围选择4 倍的内部基准电压范围 ，信号输入范围 为一 1 0 V + 1 0 V。 核心控制处理芯片S T M3 2 F 1 0 3 V E T 6 是一款基于 C o r t e x M3 内核的处理芯片 ， 5 1 2 K的闪存程序存储器 和高达6 4 K 的S R A M。自带1 1 个定时器。其中4 个1 6 位 都有用于输入捕获 、 输 出比较 、 P WM或脉冲计数 的通 道和增量编码输入功能 。其包含C A N、 I 2 C、 S P I 和 U S B 等通信外围接口 也便于以后系统的扩展。 过零点检测电路主要用来检测被测信号的频率。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 9卷第 5 5 9期 2 0 1 2年第 7期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I ns t r ume nt a t i o n Vo i 4 9 No 5 5 9 J u 1 2 0 1 2 电网的三相信号频率大致相同， 可以根据一相信号设 定AD 的采样频率 ， 以尽可能实现同步采样。以往的过 零点检测 电路往往涉及光耦 ，因此反应时间 比较慢。 当信号已从过零点由负变正时， 光耦的延迟必然导致 采样点偏移零点范 围较大， 对后续相位 的计算会产生 很大的误差 。图3 的过零点检测 电路 以O P 0 7 为基础 ， V C C 接3 3 V 便于产生的信号与处理器的I O口匹配 。当 电压信号负向过零点时，运放会输出一个1 V IJ 3 V的 上升沿 ， 从而触发处理器的中断。 l M l N4 l 4 8 1 N41 4 D ,a K - L Z R3 5 1 M 图3过 零点检 测 电路 Fi g 3 Ze r o c r o s s i n g d e t e c t i o n c i r c ui t 4 谐波检测系统的软件实现 软件处理中采用汉宁窗对序列进行加权。 首先生 成一个1 0 2 4 点的汉宁窗 ， 把汉宁窗与 自己求卷积得到 2 0 4 7 点的卷积窗， 同时把所得到的卷积窗归一化 。再 将采样数据数据的第 1 J 2 0 4 7 项和归一化卷积窗相乘 进行加权。把第1 0 2 4 项放在最前面 ， 然后将加权后序 列的第 1 项 和1 0 2 5 项 ， 第2 项和 1 0 2 6 项 ， 第 1 0 2 3 项 和第2 0 4 7 项分别相加 ， 这样就得到了实际应用 中所需 的全相预处理序列。 传统的F F T 相位谱和a p F F T 相位谱 区别很大 ， a p F F T 的相位谱显示的是中心点的相位 。经过对所采 样 的2 0 4 7 点进行全相位 预处理再经过F F T 变换后得 到的相位谱也就是第1 0 2 4 点的相位 。 采样频率和采样 点数都是已知的，谐波频率可以采用a p F F T 时移相位 差法计算 出来 。用计算 出的相位值减去该 次谐波在 1 0 2 3 点时 间内的相移值 ， 把所得值限制在 0 ， 2 百 内， 就得到了各个谐波 的初始相位值。设计延 时长度为 1 0 2 4 点 ， 实现全相位谱分析时移相位差校正法必须采 集3 0 7 1 点数据。 软件流程如 图4 所示 ， 首先通过定时器 T I M 4 的4 通道对被采样信号的频率进行测定， 以确定 采样频率 。然后再 由S T M3 2 的通用定时器T I M2 的2 通 道产生P WM波来控制A D 7 6 5 6 Ys T Z 一 1 的C O N V S T A B c 口 控制芯片的采样速率。每次采样完成时， A D 输出 一 个B u s y 信号让S T M 3 2 F 1 0 3 V E T 6 在中断中并行读取 采样得到的数据。 数据全部采样完成后先把前2 0 4 7 点 数据进行全相位预处理 ， 然后把后2 0 4 7 点数据同样进 T I M4 捕捉 中断 读取T I M4 定时器值 读取T I M4 定 时器值 确 定A D 采样频率 一 ，M 、 启动T I M2 关闭T I M4 厂 退 出 中 断 1 、 图4 系统软件 流程 图 Fi g 4 S y s t e m s o ftwa r e d i a g r a m 行全相位数据预处理。 最后通过全相位时移相位差校 正法实现各谐波参量的提取 。 5实验结果与总结 采用三相标准源对系统进行检测 ， 首先让三相标 准源产生一个信号， 信号各个谐波的频率、 幅值、 相角 如表1 所示 ， 表2 为检测到的数据结果 。 表 1 标准源信号 T a b 1 T h e s t a n d a r d s o u r c e s i g n a l 注 ： 电压为有效值； 由于相位 限制在 0 ， 2 内， 基波相位实际上也接近于 0 2 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m