电力系统谐波和间谐波检测方法探讨

电力系统谐波和间谐波检测方法探讨

王海洋周璇

（石家庄铁道大学河北省石家庄市050043）

摘要：文章介绍谐波和间谐波检测的方法和作用，以及在采用DFT和FFT方法进行检测时频谱泄漏和栅栏效应对检测结果的影响，分析目前常用的时域检测方法、频域检测方法和时频结合的方法的优缺点，并对谐波、间谐波检测未来的研究方向做出了展望。

关键词：电力系统；谐波检测；间谐波检测

1引言

随着我国经济的发展，整个社会对电力能源的需求量不断增加，电力系统的规模也在不断扩大，与此同时，电力负荷的类型逐渐向多样化方向发展，大量非线性负荷，如电弧炉、电弧焊机等电弧类负载，以及各种波动负载、变频调整负载、循环变流器等被广泛应用于电力系统中，会引起电力系统中电压和电流波形发生畸变，导致出现谐波和间谐波等问题。由于谐波和间谐波信号具有随机性、复杂性等特点，而且影响其检测的因素也较为复杂，所以很难对其进行精确检测，所以需要对谐波和间谐波的检测方法进行研究，分析影响其测量精度的因素，并寻找提高谐波和间谐波检测精度的检测方法。

2频谱泄漏和栅栏效应的影响分析

2.1谐波和间谐波检测的方法和作用

目前对谐波和间谐波进行检测的方法主要有离散傅里叶变换DFT、快速傅里叶变换FFT、现代谱估计、时频分析方法和智能算法等。谐波测量的主要作用一是可以对电力系统和谐波源用户实际的谐波水平进行鉴定；二是对谐波源设备及其他电气设备进行调试和投运时的测量，确保其运行的安全性和经济性；三是对谐波故障进行诊断；四是提供实时补偿设备补偿的依据。其中前两种是目前主要的检测分析手段，而影响这两种方法测量精度的主要因素则是谐波与间谐波频谱之间的干扰和非同步采样引起的频谱泄漏和栅栏效应[1]。

2.2频谱泄漏和栅栏效应的影响

以DFT和FFT两种检测方法为例，其对信号的处理是通过加窗的方式进行的，在信号处理的过程中，信号由于被窗口拦截而产生频域内的频谱泄漏问题，导致原本为单一脉冲信号的频谱变得能量不集中，而是泄漏到每个频率点上。此外，在采样非同步的情况下，在各次谐波成分之间、谐波和间谐波之间以及各间谐波的频谱之间还会存在相互干扰，此时就算是采样同步，还会存在间谐波对谐波的干扰。

栅栏效应对检测精度的影响主要体现在下面的情况：由于信号的频率是存在一定的范围的，其最大频率为最大数字角频率，在这个范围之内信号会有无穷多的频率成分，但是采用DFT检测方法则只能对其中有限的频率点上的值进行计算，其原理就是将这个频率范围划分为N等分，则每个频率段中间的频率点就像被栅栏挡住一样无法看见，所以通过DFT检测方法得到的每个离散频率值都是信号中各个分量在那点值的叠加，而且在非同步采样下，其他频率成分的频谱泄漏就导致最后的测量结果与真实结果有所偏差。

3谐波、间谐波检测关键问题分析

在对谐波进行检测的过程中，主要存在以下问题：对信号进行同步采样的准确性；如何在非同步采样的情况下对频谱泄漏和栅栏效应进行抑制；怎样在确保测量精度的情况下尽量减小采样窗口的长度；在同步采样的情况下抑制间谐波和噪声信号频谱对谐波频谱的干扰。而对于间谐波的检测，除了具有上述四个问题以为，还存在以下问题：在间谐波的含量较小，且容易受到频谱泄漏的影响和淹没，所以第一个问题就是如何确保间谐波频率特征值检测的准确性；当间谐波含量较多时，第二个问题就是如何对频谱之间的干扰进行抑制；三是在间谐波频率与谐波频率相近时，在一定的采样窗口长度下，怎样将二者进行区分。

4用于谐波、间谐波检测的主要方法

4.1时域方法

对间谐波来说，单纯地从时域上对其进行同步比较的难度教导，这是因为其成分的不确定性。正是由于考虑到谐波对间谐波的频谱干扰比间谐波之间的频谱干扰要严重的多，所以可以采用基于时域平均TDA和差分滤波器DF的谐波间谐波检测方法，其主要的流程为采样M个基波周期，对信号做TDA，然后进行谐波检测；或者在采样M个基波周期并对信号做TDA之后来获取差分信号，然后在进行间谐波的检测[2]。

4.2频域方法

在频域上的检测方法主要有加窗插值、补零峰值点搜索法、线性调频Z变换法等。其中采用频域插值法可以根据谐波峰值点附近的两个谱线和矩形窗在频域本身的函数表达式插值来对谐波的参数值进行计算，但是此方法只解决了栅栏效应问题，忽略了各次谐波之间的频谱干扰以及负频率部分对正频率部分频谱的影响；还有采用在采样信号加窗后再进行频域插值的方法，采用Hanning窗减小了各分量旁瓣之间的影响，提高了测量精度；此外还有采用Black-Harris窗对谐波进行分析的方法，但是在对频率偏移进行求解时较为费时。而且在采用线性分段插值的方法对插值过程进行简化时，由于不同的窗函数需要满足不同的精度要求，设计过程则比较繁琐，且精度要求越高，则计算过程则越繁琐；另外还有在采用Black-Harris窗对谐波进行分析的方法时，采用与两条谱线的比值来计算的方式，以此来提高测量精度，但是不适用于信号的频率成分较为复杂的情况；

4.3时频结合方法

采用一种谐波、间谐波检测的自动同步采样器，然后通过CZT计算实际的频率，然后对采样频率进行调整，以确保其误差最小。其流程为先由初始化滤波器进行采样，然后经过A/D转换，并估计基波周期，最后进行重采样。此外，在非同步采样下，考虑间谐波之间的干扰，先将谐波成分滤除，然后采用从大到小逐次滤除最大间谐波成分的思路来对各个间谐波分量进行检测，此方法可以有效一直间谐波之间的频率干扰。其流程为首先确定基波频率，进行时域重新采样，并估计谐波和基波，然后在时域中减去基波和谐波分量，并估计最大的间谐波，最后在时域减去最大的间谐波。

5结语

目前本文4.3中所介绍的时频的结合方法进行谐波和间谐波的检测，能够通过相应的滤波手段对谐波和间谐波之间的干扰进行抑制，拥有较高的测量精度，但是文中的加窗差值算法的精度及窗口长度还无法满足标准要求，且目前还没有很好的解决间谐波和谐波频率接近时如何对间谐波进行分辨的问题，今后的研究重点应是如何通过计算机自动识别间谐波的频率，以及同步采样下如何对谐波和间谐波、各间谐波之间的频率干扰进行抑制。

参考文献：

[1]高倩.电力系统谐波检测与抑制方法的研究[D].辽宁工业大学，2016.

[2]许晨昱.基于非同步采样电力稳态谐波及间谐波检测方法分析[D].电子科技大学，2016.