電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)方法概述

謝譯瑋

摘 要：文章從諧波檢測(cè)的重要性和諧波檢測(cè)所應(yīng)達(dá)到的基本要求出發(fā)，對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外存在的各種諧波檢測(cè)方法進(jìn)行歸類和分析，重點(diǎn)闡述了各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，以期為更好地進(jìn)行諧波檢測(cè)作理論準(zhǔn)備。

關(guān)鍵詞：諧波檢測(cè)；傅立葉變換；小波分析

中圖分類號(hào)：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）2-0105-02

近年來，隨著各種非平穩(wěn)、非對(duì)稱、非線性電氣裝置（如電力機(jī)車、變頻器等）的投入使用，電網(wǎng)中的諧波含量急劇增長。大量諧波的存在不僅降低了電能質(zhì)量，同時(shí)還影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，諧波必須得到有效治理。而諧波治理的基礎(chǔ)和依據(jù)無疑是進(jìn)行準(zhǔn)確的諧波檢測(cè)。

從實(shí)際應(yīng)用看，諧波檢測(cè)的研究已獲得不菲的成果，各種方法層出不窮，但這些方法都有各自優(yōu)缺點(diǎn)和適用場合，需要進(jìn)行系統(tǒng)梳理，以便更好地發(fā)揮各自特色。

1 諧波檢測(cè)的主要作用

諧波檢測(cè)是分析諧波源和治理諧波的關(guān)鍵步驟，其作用主要如下：

①能對(duì)諧波源的諧波產(chǎn)生情況進(jìn)行準(zhǔn)確定性，從而為“誰污染，誰治理”條款的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

②通過定期或不定期檢測(cè)，掌控電網(wǎng)的諧波水平，從而確保電力系統(tǒng)設(shè)備的安全及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

③遇到諧波事故，進(jìn)行合理檢測(cè)后，能為事后治理提供決策幫助。

2 諧波檢測(cè)的基本要求

諧波檢測(cè)是解決諧波問題的關(guān)鍵因子，其基本要求如下：

①諧波測(cè)量的方法和測(cè)量數(shù)據(jù)的處理都須遵照GB/T 14549-93《電能質(zhì)量：公用電網(wǎng)諧波》的要求。

②由于電網(wǎng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換速度非常之快，因此要求相關(guān)的諧波檢測(cè)方法具有相應(yīng)的動(dòng)態(tài)跟蹤能力。

③為了不產(chǎn)生誤判，要求各類諧波檢測(cè)方法具有一定的抗御雜波、噪音等非特征信號(hào)分量的能力。

④穩(wěn)定性好。要求在電力系統(tǒng)各種運(yùn)行情況（正?；虍惓＃┫露寄軠y(cè)出諧波。

3 諧波檢測(cè)的方法

從根本上說，諧波檢測(cè)其實(shí)就是對(duì)電力系統(tǒng)中特定點(diǎn)的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行采集，然后作某種數(shù)學(xué)處理，并將提取出的特征量和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)的過程。

它一般包括三個(gè)步驟：信號(hào)預(yù)處理、諧波幅值和相位測(cè)量、結(jié)果再處理。其中，信號(hào)預(yù)處理和結(jié)果再處理是諧波檢測(cè)方法的核心，不同的諧波檢測(cè)方法在這兩個(gè)方面有著本質(zhì)的區(qū)別。

3.1 模擬濾波器法

我們知道，一般的信號(hào)處理方法有兩大類，一類是基于頻域理論的，一類是基于時(shí)域理論的。

對(duì)諧波檢測(cè)來說，基于頻域理論的方法就是模擬濾波器法。該方法是最早被用來檢測(cè)諧波的。其檢測(cè)原理為：采用濾波器將基波電流分量濾除，得到諧波分量，或采用帶通濾波器得出基波分量，再與被檢測(cè)電流相減得到諧波分量。

方法優(yōu)點(diǎn)：簡單有效，實(shí)現(xiàn)成本低，且因輸出阻抗較小，所以相關(guān)的品質(zhì)因素變得易于控制。

方法缺點(diǎn)：①濾波電路由許多LC元件構(gòu)成，這些元件決定了濾波頻率，但同時(shí)它們受環(huán)境影響很大，較難獲得穩(wěn)定和理想的相頻、幅頻特性。②一般說來，一組濾波電路只能檢測(cè)某個(gè)頻率的諧波，因此，當(dāng)需要同時(shí)檢測(cè)多個(gè)諧波分量時(shí)，濾波電路會(huì)變得非常復(fù)雜，增加了實(shí)現(xiàn)難度。③當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生波動(dòng)，檢測(cè)精度會(huì)明顯下降。且檢測(cè)出的諧波中含有較多的基波分量。④該檢測(cè)方法運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)損耗較大。

隨著新的諧波檢測(cè)方法的逐漸成熟，模擬濾波器往往不是優(yōu)先選用的方法。

3.2 傅立葉變換法

我們知道，諧波也是周期量，因此可以分解為傅立葉級(jí)數(shù)，如式（1）所示。

f（t）=a0+cn sin（nωt+?n）（1）

基于傅立葉變換的諧波檢測(cè)法就是：對(duì)被檢電信號(hào)按一定頻率進(jìn)行采樣（按照香農(nóng)采樣定理，采樣頻率至少為最高頻率分量的兩倍），得到一組離散化數(shù)字序列，然后運(yùn)用離散傅里葉變換過渡到快速傅里葉變換的原理，計(jì)算出基波和各次諧波的幅值與相位，以及諧波功率、諧波阻抗等更多信息。它是當(dāng)今電力系統(tǒng)中常用的諧波檢測(cè)方法。

方法優(yōu)點(diǎn)：①當(dāng)被檢電信號(hào)中諧波的頻率是工頻的整倍數(shù)時(shí)，其測(cè)量精度是所有方法中最高的。②該方法實(shí)施起來比較簡單和方便，且計(jì)算結(jié)果的內(nèi)容豐富多彩。

方法缺點(diǎn)：①需要一定的采樣時(shí)間作保障，且整個(gè)檢測(cè)過程分兩次變換才完成，計(jì)算量比較大，因此會(huì)花費(fèi)較多的計(jì)算時(shí)間。一方面使得該檢測(cè)方法的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力不強(qiáng)，另一方面也使檢測(cè)結(jié)果的實(shí)時(shí)性不好（因檢測(cè)結(jié)果體現(xiàn)的是一個(gè)長時(shí)間段內(nèi)的諧波和無功電流情況）。②當(dāng)存在間諧波（即諧波頻率不是基波整數(shù)倍）時(shí)，用該方法進(jìn)行檢測(cè)將出現(xiàn)頻譜泄漏和柵欄等現(xiàn)象，相應(yīng)地計(jì)算結(jié)果中的諧波頻率、相位和幅值都會(huì)不準(zhǔn)確，以致達(dá)不到測(cè)量精度的要求。

不過，雖然傅立葉變換存在著一些“胎傷”，但可以采取措施進(jìn)行改進(jìn)。常用的改進(jìn)方法有：①采用雙峰譜線修正算法；②采用加窗插值算法；③利用數(shù)字式鎖相器（DPLL）使信號(hào)頻率及采樣頻率同步，以此來對(duì)算法進(jìn)行修正。

3.3 小波變換法

小波分析是一門新興的數(shù)學(xué)理論，是時(shí)域分析（特別是突變信號(hào)的分析與處理）的重要工具，而電力諧波正是具有隨機(jī)出現(xiàn)、隨機(jī)消失等顯著特點(diǎn)，因此，利用小波變換進(jìn)行諧波檢測(cè)無疑是一個(gè)很好的選擇。

簡要來說，小波變換法就是對(duì)諧波離散采樣后，利用小波變換的數(shù)學(xué)方法，將電網(wǎng)中的不同次諧波進(jìn)行“區(qū)別”變換，并得到不同尺度的“投影結(jié)果”，從而將高頻、奇異諧波明顯顯現(xiàn)出來。

關(guān)于小波變換對(duì)不同次諧波的“區(qū)別”變換，可以用一個(gè)形象的比喻來說明：小波可看成一個(gè)能自動(dòng)“調(diào)焦”的雙時(shí)窗。當(dāng)高頻信息到來時(shí)，這個(gè)時(shí)窗變窄，信號(hào)的高頻分量就變得細(xì)致和顯著起來；當(dāng)?shù)皖l信息到來時(shí)，這個(gè)時(shí)窗又自動(dòng)變寬，信號(hào)的低頻分量就凸顯出來。

根據(jù)以上對(duì)小波變換的理解，我們可以得到以下幾點(diǎn)：

①小波變換是按頻帶而不是按頻點(diǎn)來處理頻域信息的，因此當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生微小波動(dòng)時(shí)，其檢測(cè)結(jié)果不會(huì)受到太大影響。

②小波變換不需要對(duì)被檢信號(hào)進(jìn)行長時(shí)間采樣，提高了該檢測(cè)方法的實(shí)時(shí)性。

③小波變換可看做是傅立葉變換的發(fā)展，但它具有傅立葉變換所缺乏的諸如方向選擇性、可變的時(shí)頻域分辨率等特點(diǎn)，因此，它可以用在傅立葉變換無法涉足的場合（主要是那些對(duì)頻域和時(shí)域同時(shí)有局部性要求的檢測(cè)場合）。

3.4 瞬時(shí)無功法

為了滿足諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)目焖俸瓦B續(xù)動(dòng)作，有學(xué)者提出了基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測(cè)方法。

該方法的主要內(nèi)容是：搭建三相電路和電力濾波器，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行過程的瞬間進(jìn)行切入式檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)，它依據(jù)相關(guān)模型（主要有p-q模型和ip-iq模型等），將電網(wǎng)的有功功率和瞬時(shí)無功功率分解為交流和直流，并將交流部分對(duì)應(yīng)于諧波電流，由此可方便計(jì)算出諧波分量。

方法優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)電網(wǎng)電壓對(duì)稱且無畸變或電網(wǎng)為三相三線制時(shí)，測(cè)量結(jié)果非常準(zhǔn)確，且測(cè)量電路簡單，實(shí)時(shí)性很強(qiáng)（因?yàn)樗鼨z測(cè)的是瞬時(shí)功率）。

方法缺點(diǎn)：①當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時(shí)，使用該方法存在較大的誤差。②該方法是基于三相三線制電路，因此必須先構(gòu)建三相電路才能進(jìn)行諧波測(cè)量，所以基礎(chǔ)準(zhǔn)備比較繁瑣。

3.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能模仿人腦的部分結(jié)構(gòu)和功能，具有一定的映射能力及自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)等能力。

將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于諧波檢測(cè)，需要遵循以下步驟：①搭建合適的映射網(wǎng)絡(luò)；②確定一個(gè)原始樣本，也就是一定時(shí)間內(nèi)的電流電壓值；③選擇一種算法，也就是確定單個(gè)神經(jīng)元的活動(dòng)規(guī)則；④利用原始樣本訓(xùn)練出一個(gè)最優(yōu)種群，然后將被測(cè)時(shí)段的數(shù)據(jù)輸入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)種群，并得出研究成果。

雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于諧波檢測(cè)尚屬起步階段，但鑒于該方法計(jì)算量小、檢測(cè)精度高、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，必將在可以預(yù)見的未來得到推廣。

3.6 其他方法

除了“3.1”～“3.5”介紹的方法之外，用于諧波檢測(cè)的方法還有：基于開關(guān)函數(shù)法；基于Fryze功率定義法；基于現(xiàn)代控制理論法；基于有功分離法；自適應(yīng)法等。

4 結(jié) 語

諧波污染日益嚴(yán)重，諧波治理勢(shì)所必然，而諧波檢測(cè)是解決諧波問題的先決條件。

目前，諧波檢測(cè)方法呈現(xiàn)出推陳出新的態(tài)勢(shì)，從總體上來講，諧波檢測(cè)方法向著智能化、高精度、快速化方向發(fā)展，但相應(yīng)的實(shí)踐費(fèi)用也會(huì)水漲船高。在實(shí)際應(yīng)用中，我們應(yīng)本著實(shí)用化要求，選擇合理、性價(jià)比高的方法來進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)。

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