凯塞窗插值FFT的电力谐波分析与应用

采用矩形窗、三角窗等基本窗函数和广义余弦窗函数对信号加权可减少非整数周期截断造成的频谱泄漏和栅栏效应的影响,但其效果受到窗函数固定旁瓣性能的制约。通过分析凯塞(Kaiser)窗函数的主瓣与旁瓣衰减可自由选择的特性,提出基于Kaiser窗插值快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)的电力谐波分析方法,建立奇次、偶次谐波求解的数学模型和实用的插值修正公式,推导信号基波与各次谐波频率、幅值、初相角的计算式。仿真和实测结果表明,Kaiser窗插值FFT方法设计实现灵活、抑制频谱泄漏效果好,据此研制的三相多功能谐波电能表的基波有功误差≤0.2%,基波无功误差≤1%,2～21次谐波分析满足GB/T14549—1993的A类谐波测量仪器要求。     

一种基于准均匀采样的电力谐波分析方法

针对电力谐波的准同步加窗分析法存在所用信号周期多、计算复杂和谐波泄漏分布不均匀等问题,基于准均匀采样提出了一种仅需1个信号周期特别适于单片机快速、准确实现的电力谐波分析方法。准均匀采样的时间离散误差不随连续采样而积累,在1个信号周期内取2的整数次幂个同步采样点,直接采用FFT算法即可实现谐波分析。基于信号的基波近似,并假设信号采样时的时间离散误差和幅值量化误差均服从均匀分布,对采用准均匀采样的电力谐波估计误差进行了分析。给出了基于准均匀采样电力谐波分析的算法和具体实现流程,流程中通过长整型变量对采样时间进行精确控制,算法简单高效。最后对准均匀采样谐波分析算法进行了仿真,结果表明基于通用单片机即可实现电力谐波的快速、准确分析。     

基于Nutall窗的时移综合相位差谐波分析法

快速傅里叶变换(FFT)是谐波分析的主要方法,在稳态谐波信号分析中广泛采用的交流采样技术,由于采样器件的有限性,实际工程中很难做到完全同步采样和整周期截断。为消除采样过程中同步采样误差产生的频谱泄漏,提出了一种基于Nutall窗结合综合相位差校正信号谐波分析法,对传统的相位差频谱校正方法进行了改进。采用Nutall窗对谐波信号进行加权,通过时移和加可变长度的窗进行两次FFT分析,并利用离散频谱对应的峰值谱线相位差求得频率和相位校正量,推导出基波及各次谐波参量的计算公式。仿真实例表明,提出的改进综合相位差校正算法可有效提高谐波分析精度,基波幅值的测量误差小于0.00001%,基波相位误差小于0.01°,2~21次谐波电压测量误差小于0.01%,谐波相位测量误差小于0.09°,为高精度谐波检测提供了可能。     

一种电力系统谐波信号的加窗频移算法

为实现非同步采样条件下谐波参数的高精度分析,避免插值过程的非线性导致对谐波相位计算存在较大误差的问题,提出了一种电力系统谐波参数估计新算法,即加窗频移算法。推导了加窗信号频移关系式,将加窗信号在频域上移动该频移量的频率单位,使谐波分量采样序列的离散频点与真实频点一致。通过频移信号的离散傅里叶变换,获取谐波信号真实的频谱,进而求得谐波参数。该算法的优势在于实现了频移思想在谐波分析上的应用,通过对加窗信号进行频域移动,消除非同步采样误差,将非同步问题同步化处理,同时避免了加窗插值算法等校正算法的修正过程,对幅值、相位、频率的估计有较简单的计算公式。算例分析验证了该方法的正确性,表明在噪声干扰下仍可获得很高的分析精度,尤其能改善相位估计的精度。     

改进加窗插值FFT动态谐波分析算法及应用

为减少加窗插值FFT谐波分析算法中的频谱泄漏和栅栏效应,本文分析了旁瓣最低与最速下降窗的频谱特性,提出了基于4项旁瓣最低与最速下降窗的插值FFT谐波分析算法,运用多项式拟合求出了简单实用的插值修正公式,减少了谐波分析时的计算量。仿真结果表明,在非同步采样和非整数周期截断条件下,本文所提出的谐波分析方法适合于弱信号和包含2~21次谐波的电力信号的精确分析。本文还给出了算法在三相多功能谐波电能表中的应用情况,验证了算法的有效性和准确性。     

基于连续小波变换的非整数次谐波测量方法

快速傅里叶变换(FFT)可实现整数次谐波的精确检测，但对非整数次谐波的检测误差较大；加窗插值算法可提高非整数次谐波的检测精度，但会导致谐波分辨率降低。如果信号中存在频率相近的整数次和非整数次谐波，利用FFT和加窗插值算法都无法实现谐波的准确检测。连续小波变换(CWT)因其良好的时频局部化特性，可用来分析谐波。通常利用CWT系数的幅值来检测谐波频率。但不同尺度的小波函数在频域上存在相互干扰，如果被检测信号中含有频率相近的谐波，利用CWT系数的幅值无法实现谐波的准确检测。文中结合傅里叶变换和CWT的特点，提出了利用小波变换系数傅里叶变换的幅值来分离谐波的算法。通过实例验证，该算法能够把频率相近的整数次和非整数次谐波分离，实现较理想的检测，从而提高了谐波分析、检测的精度。     

用于谐波/间谐波分析的奇数频点插值修正法

用离散傅里叶变换进行电力系统谐波、间谐波分析时,采样窗口长度的有限性和采样的非同步性是引起分析误差的根本原因;在频域信号中各成分会发生频谱干扰,产生栅栏效应。不同于传统的加窗方法,提出一种抑制频谱干扰的新方法,其特点是在插值的同时抑制旁瓣泄漏。该方法首先根据离散傅里叶变换的相位特性,对变换结果进行相位旋转调整,使信号中各成分旁瓣对应的相邻谱线共线且相位相反;结合调整后旁瓣对应谱线的相位及幅值特点,利用谐波、间谐波频点附近最大及其左右相邻谱线,插值求得对应成分的幅值、频率和相位。对谐波和间谐波信号进行仿真计算,结果表明,该方法不仅能有效地抑制信号间的频谱干扰,并能准确地提取出信号中的微弱成分。     

基于组合余弦优化窗四谱线插值FFT的电力谐波分析方法

采用快速傅里叶变换(FFT)方法分析电力谐波时,信号的非同步采样和非整数周期截断会产生频谱泄漏和栅栏效应,这将造成一定的检测误差。加窗和插值算法能有效地提高FFT方法的检测精度,而窗函数的频谱特性将直接影响改善效果。为此,提出了一种基于遗传算法(GA)的组合余弦窗函数参数优化方法,利用该方法对6项组合余弦窗函数进行了优化,得到了一种6项五阶窗函数,并使用该窗函数实现了四谱线插值FFT的电力谐波分析。通过仿真表明,利用该窗实现的加窗插值FFT电力谐波分析方法的检测结果优于加Nuttall三阶窗和Nuttall五阶窗。     

基于四谱线插值FFT的电网谐波检测方法

在采用快速傅里叶变换法分析电网中各次谐波时,因信号的非整周期截断和非同步采样而造成的频谱泄露会对检测结果的准确性造成影响。为了提高谐波检测的准确度,提出了一种基于四谱线插值的快速傅里叶变换算法。该算法通过对加窗信号的离散频点处幅值信息的分析,利用谐波频点附近的四根谱线进行加权运算,进一步提高了谐波幅值和相位检测的准确度。通过数据拟合,得到常用的窗函数所对应的谐波分析实用修正公式。由数值仿真分析可以看出,该算法具有更高的检测精确度。仿真及实测的结果充分验证了该算法的准确性和有效性。     

一种基于离散小波变换的谐波分析方法

在离散小波变换的基础上,结合加窗插值FFT,提出了一种组合式谐波分析算法。该算法先用加窗插值FFT计算基波频率,然后对加窗信号进行频率调制,将谐波分量变换成直流或近似直流分量。用离散小波变换分离出这些分量后用于计算谐波幅值和相位。计算机仿真和实验结果表明,该算法可在高噪声污染情况下,准确计算谐波参数,尤其谐波相位角。DSP评估板上的实现证明了该算法可用于实时谐波分析。     

基于双插值FFT算法的间谐波分析

为了减小频谱泄漏的影响,提高间谐波分析精度,提出了加余弦窗双插值FFT算法来分析间谐波。该算法通过选取合适的窗函数,对采样信号进行加窗后,用FFT计算出离散频谱,再利用多项式逼近的方法得到频率和幅值的修正公式来对谐波分析结果进行修正。修正谐波幅值时,选择距频点最近的左右两根谱线进行加权,对两根谱线采用的权重与它们各自的幅值成正比。该算法能够有效地降低泄漏和噪声干扰,提高了间谐波和谐波分析的准确性。仿真结果证实了算法的正确性与易实现性。     

基于双插值FFT算法的间谐波分析

为了减小频谱泄漏的影响,提高间谐波分析精度,提出了加余弦窗双插值FFT算法来分析间谐波.该算法通过选取合适的窗函数,对采样信号进行加窗后,用FFT计算出离散频谱,再利用多项式逼近的方法得到频率和幅值的修正公式来对谐波分析结果进行修正.修正谐波幅值时,选择距频点最近的左右两根谱线进行加权,对两根谱线采用的权重与它们各自的幅值成正比.该算法能够有效地降低泄漏和噪声干扰,提高了问谐波和谐波分析的准确性.仿真结果证实了算法的正确性与易实现性.     

基于参数分析的谐波电能计量设计及应用

针对电力系统谐波电能计量的迫切需求,提出了基于ADS8364＋ADSP-BF533＋M30624FGPFP的三相多功能谐波电能表构成方案,介绍了电能表的工作原理,详细阐述了利用电阻分压网络、CT与电阻网络获得测量信号并通过六路ADC同步采样的电能表数据采集电路,给出了以ADSP-BF533为核心的测量数据处理电路,论述了基于Blackman窗的插值FFT谐波分析算法和谐波电能计量的软件流程。检验表明,这种能准确计量基波电能和2~21次谐波电能的三相多功能谐波电能表的电流电压测量误差≤0.1%,有功功率测量误差≤0.1%,基波电能计量准确度达0.2S级,谐波电能计量符合GB/T-14549-93的A类标准要求。     

电力系统谐波分析的多层DFT插值校正法

离散傅里叶变换是对电力系统稳态信号进行频谱分析的最基本数学工具,也是国际电工委员会推荐用于谐波和间谐波测量的变换方法。该方法在分析窗口长度与实际信号周期不符时,各频率成分间会发生频谱干扰,从而产生较大的分析误差。对此,提出一种基于余弦组合窗的多层插值频域校正法,用于电力系统谐波分析。该方法利用旋转调整后各离散谱线的相位特点,通过多层求和计算,使各非关注成分在各关注成分对应谱线上的泄漏影响达到最小,因此,其能够在加窗的基础上,进一步抑制信号间的频谱干扰。仿真算例表明,该方法能够在非整周期采样的条件下实现电力系统谐波信号的高精度测量,也从另一个角度改进了传统的加窗插值算法。     

基于Blackman-Nuttall窗改进FFT校正的新型三相动态谐波电能表设计

针对电网动态谐波检测与电能计量的急切需求,建立了改善动态谐波FFT频谱泄漏和旁瓣效应的基于Blackman-Nuttall窗三谱线改进FFT校正的谐波电能计量方法,提出了ADS1178+TMS320C6745+K60架构的新型三相动态谐波电能表的设计和研究方案,详细介绍了多通道、高采样率、同步采样ADC的数据采集和调理电路单元,以及以高性能浮点DSP芯片TMS320C6745为核心的电网信号数据处理电路单元,提出了基于牛顿插值的动态谐波电能计量的误差校正方法。实验与测试表明,新型三相谐波电能表的基波有功功率相对误差≤0. 1%,基波无功功率相对误差≤1%,2次～21次谐波电压幅值相对误差≤0. 6%、谐波电流幅值相对误差≤0. 7%、谐波相位误差≤0. 5°,符合国家标准GB/T 14549-93中的A类谐波测量仪器相关精度要求。     

基于三谱线插值FFT的电力谐波分析算法

快速傅里叶变换在非同步采样和数据非整数周期截断的情况下存在较大的误差,无法得到准确的谐波参数。为此,文章提出一种改进的加窗插值傅里叶变换算法进行电力谐波检测。该算法通过分析加窗信号傅里叶变换的频域表达式,利用谐波频点附近的3根离散频谱的幅值确定谐波谱线的准确位置,进而得到谐波的幅值、频率及相位。推导的三谱线插值修正算法能够进一步提高谐波分析的准确性。基于该算法,通过多项式拟合的方式,得出了一些典型窗函数的谐波分析实用修正公式。通过仿真,验证了相比目前常用的双谱线插值修正算法,该算法在加相同窗函数情况下具有更高的计算准确度,从而验证了该算法的有效与实用。     

基于虚拟仪器技术的电力谐波失真分析

利用LabVIEW设计了一款具有信号仿真设计、数据处理、波形显示与存取等功能的谐波分析仪。对电力系统方面存在的谐波失真信号进行仿真分析,数据处理模块实现了频谱测量、谐波分析和功率谱分析的功能。谐波分析采用了FFT算法,对信号不加窗和加窗经过参数测量后分析,加入窗函数可减少频谱泄漏,提高测量精度,从而验证了谐波分析仪设计的合理性和可行性。     

一种电力系统谐波与间谐波频谱互扰抑制方法研究

用离散傅里叶变换分析电力系统谐波和间谐波时,各成分间的频谱干扰是引发分析误差的主要原因。提出了一种基于加窗时域平均的谐波间谐波分离分析法。该方法首先对采样信号进行加窗处理,对加窗后的离散信号进行时域平均,滤波得到拟谐波信号,对拟谐波信号做离散傅里叶变换,得到各次谐波参数。用原始采样信号减去拟谐波信号,得到差分信号,对其时域序列末尾补零加密其频域谱线,峰值搜索求得间谐波参数。该方法能够有效实现谐波和间谐波在时域的分离,抑制其在频域相互干扰;间谐波间的干扰及正负频率成分间的干扰同样可以得到有效的抑制。     

基于切比雪夫窗的电力系统谐波/间谐波高精度分析方法

基于离散傅里叶变换的谐波分析方法通常采用加窗插值的方式来减小频谱泄漏和栅栏效应的影响。针对谐波/间谐波及负频率成分对关注频率存在频谱干扰,提出了基于切比雪夫窗的高精度谐波/间谐波分析方法。对信号加切比雪夫窗截断,并采用相位旋转及奇数点插值的方法,求解信号的频率、幅值和相角,极大地抑制了频谱泄漏。对经典谐波信号和电力谐波信号进行了仿真分析,计算结果表明,所提出的方法在谐波/间谐波测量上具有更高的测量精度,并且具有一定的抗噪性。     

一种三相对称系统快速谐波检测算法

有源电力滤波器（APF）在谐波治理方面有着广泛应用,其谐波补偿性能在很大程度上取决于谐波检测环节的性能。为了提升谐波检测速度,该文提出一种基于滑窗离散傅里叶变换（SDFT）的快速谐波检测算法。相较于传统滑窗离散傅里叶算法存在一个基波周期延时,该文提出的快速谐波检测算法利用三相系统的对称性,替换传统滑窗离散傅里叶变换谐波检测算法的梳状滤波器构成环节,能在1/6个基波周期内实现谐波的有效检测,降低检测延迟。该文首先分析传统滑窗离散傅里叶变换谐波检测算法的优缺点;其次推导所提出的快速谐波检测算法的Z域表达式并分析其特点;最后通过仿真及小功率缩比有源电力滤波器样机实验平台验证了所提出的快速谐波检测算法的有效性。