快速傅立葉變換在供電諧波檢測中的應用

孫輝

摘 要：在電力系統(tǒng)中，諧波檢測通常是作為抑制諧波的重要手段，準確有效地確定信號中的諧波分量，對于改善電能質(zhì)量有重要意義。快速傅立葉變換（FFT）能夠?qū)崿F(xiàn)整數(shù)次諧波檢測，本文介紹了FFT的基本原理，并針對4種不同的諧波試驗結(jié)果進行了MATLAB仿真試驗。4種變換結(jié)果比較表明，傅立葉變換能獲取原始信號頻率成分，并能有效實現(xiàn)各次諧波的分離、準確地檢測到諧波出現(xiàn)的時刻、獲取各次諧波的實時波形、識別振蕩諧波的變化趨勢。仿真試驗的結(jié)果驗證了該方法的有效性及頻率估計的精確度。

關(guān)鍵詞：諧波分量；諧波檢測；電能質(zhì)量；諧波分析；快速傅立葉變換

中圖分類號：TM935 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）21-0150-02

引 言

近年來，由于各種非線性負載的廣泛應用，電網(wǎng)中的無功功率和諧波污染已經(jīng)成為一個非常嚴重的問題，諧波及間諧波問題已經(jīng)引起廣泛關(guān)注[1～2]。為準確地測量到諧波分量，首先必須對信號進行精確同步采樣，否則，會在FFT算法中造成頻譜泄漏[3]。

對諧波進行實時的監(jiān)測，確切掌握系統(tǒng)諧波狀況，對于防止諧波危害、維護電網(wǎng)的安全運行十分必要。目前諧波分析的方法有很多種，主要有基于FFT的檢測方法、小波變換提取基波分量的方法、自適應電流檢測方法、基于瞬時無功功率理論的p-q法和ip-iq法[4]。本文提出了一種基于FFT的電力系統(tǒng)諧波分析方法，此方法可準確地檢測出次各次諧波分量和頻率相近的諧波。

1 快速傅立葉變換

進行電力系統(tǒng)諧波分析的思想，是利用傅立葉變換將畸變波形分解成基頻分量和各次諧波分量，通過頻譜分析各次諧波分量的幅值和相位來描述波形畸變水平。傅立葉變換是對整個時間段的積分，為了得到一個時域信號的頻域特征，必須使用信號在時域的全部信息[5]。

2 實驗研究

在淮南礦業(yè)集團新莊孜礦的新工廣變電站和新中央變電站內(nèi)安裝北京丹華昊博電氣有限公司的電能質(zhì)量在線檢測裝置，所安裝電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置分別接入I段母線和II段母線，兩段母線又分別在有無濾波柜以及有無絞車的四種狀態(tài)下分別檢測諧波，并記錄波形。分析各次諧波所占有效值的百分比，最后給出本次試驗的結(jié)論。

以下分析新工廣變電站I段、II段母線和新中央變電站的I段、II段母線分別在有無濾波柜以及有無絞車的四種情況下多次典型試驗的波形及諧波所占有效值的百分比，重復進行的試驗沒有體現(xiàn)，試驗波形和諧波所占有效值的百分比均取自丹華昊博公司KA2003-DNZL電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置。

3 仿真分析

本文使用MATLAB軟件作為仿真工具，驗證了算法的準確性，以及易實現(xiàn)、跟蹤速度快的優(yōu)點。試驗結(jié)果直接取自北京丹華昊博電力科技有限公司KA2003-DNZL電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置，在信號采樣方面，采樣點數(shù)為400，然后將試驗結(jié)果導入到MATLAB軟件中，對仿真信號進行FFT分析，可以得到的電壓、電流波形以及各次諧波幅值和百分比。

3.1 無濾波柜、無絞車

2017年5月25日10：30，利用新工廣變電站I段母線，在無濾波柜、無絞車的情況下，對變電站供電電壓、電流波形進行錄波。

通過該電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置直接測量出，進線電流有效值為832.7155A，波形如圖1所示。各次諧波所占有效值的百分比如表1所示。

3.2 有濾波柜、無絞車

2017年5月25日11：13，利用新工廣變電站II段母線，在有濾波柜、無絞車的情況下，對變電站供電電壓、電流波形進行錄波。

通過該電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置直接測量出，進線電流有效值為67.5963A，波形如圖2所示。各次諧波所占有效值的百分比如表2所示。

3.3 無電容、有絞車

2017年5月26日10：30，利用新中央變電站I段母線，在無電容、有絞車的情況下，對變電站供電電壓、電流波形進行錄波。該次試驗主要檢測絞車在啟動過程中的諧波。

通過該電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置直接測量出，絞車線路電流有效值為123.3276A，波形如圖3所示。各次諧波所占有效值的百分比如表3所示。

3.4 有電容、有絞車

2017年5月26日11：18，利用新中央變電站II段母線，在有電容、有絞車的情況下，對變電站供電電壓、電流波形進行錄波。該次試驗主要檢測絞車在啟動過程中的諧波。

通過該電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置直接測量出，絞車線路電流有效值為120.4679A，波形如圖4所示。各次諧波所占有效值的百分比如表4所示。

從以上的波形對比可以看出，在變電站沒有絞車投入運行時，波形為具有近乎完美的正弦波，諧波可以忽略。但當絞車投入運行時，特別是在沒有濾波柜和電容的情況下，電流波形會發(fā)生一定的畸變，既有較大的諧波分量。

4 結(jié) 論

諧波測量是檢測電網(wǎng)諧波水平和分析采取抑制措施的重要手段。利用快速傅立葉變換進行多種諧波試驗，并進行MATLAB仿真試驗，表明信號經(jīng)過傅立葉變換后可以獲得各次諧波的有效值及其百分比，這為治理諧波污染提供了重要依據(jù)。

通過對淮南礦業(yè)集團新莊孜礦的新工廣變電站和新中央變電站進行為期兩天的諧波檢測試驗，并結(jié)合記錄的波形，并結(jié)合MATLAB等軟件對波形進行快速傅里葉變換，分析結(jié)論我們得出：

（1）當絞車在啟動過程中，產(chǎn)生的諧波較大，主要諧波為5、7、11次；

（2）當沒有絞車運行或是絞車在正常運行過程中，產(chǎn)生的諧波很小，可以忽略不計；

（3）裝設濾波柜對諧波有一定的改善作用。

參考文獻

[1]林海雪.電力系統(tǒng)中的間諧波問題[J].供用電，2001，18（3）：6～9.

[2]馬 垚，曲軼龍.基于模糊變步長自適應諧波檢測算法的研究[J].現(xiàn)代電力，2008，25（2）：1～4.

[3]張新剛，王澤忠，吳忠燕，李靜威.諧波對電能計量影響的分析與測試[J].現(xiàn)代電力，2003，20（2）9：24～28.

[4]榮海舟，栗時平，逯培兵，鄭 龍.基于最小二乘法原理與FFT的改進型諧波分析方法[J].現(xiàn)代電力，2008，25（2）：24～27.

[5]劉 芳，陳君誠，韓 璐，許麗云.基于小波變換和快速傅立葉變換的電網(wǎng)諧波分析[J].通信電源技術(shù)，2009，26（4）：17～19.

[6]張 斌，孫 靜.基于Mallat算法和快速傅立葉變換的電能質(zhì)量分析方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31（19）：35～40.

收稿日期：2018-6-24

作者簡介：孫 輝（1989-），男，碩士，主要研究方向為電力系統(tǒng)調(diào)度自動化技術(shù)、電力市場交易運行與分析。