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电力系统中谐波分析的高精度FFT算法

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第5卷第5期 江南大学学报(自然科学版) Vo1.5 NO.5 2006年1O月 Journal of Southern Yangtze UniVersity(Natural Science Edition) 0ct. 2006 文章编号:1671—7147(2006)05—0547—04 电力系统中谐波分析的高精度FFT算法 钱昊, 赵荣祥 (浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027) 摘 要:在非同步采样情况下快速傅立叶变化存在较大的误差,特别是相位的误差,无法直接用于 电力系统谐波分析.为了减小非同步采样对快速傅立叶变换的影响,提高电力系统中的谐波分析 精度,文中通过加窗和插值对原算法进行了改进.仿真结果表明,改进后的算法在非同步采样时, 分析精度有显著提高. 关键词:谐波分析;电力系统;傅立叶变换;泄漏效应;插值算法; 中图分类号:TM 711 文献标识码:A FFT Algorithm with High Accuracy for Harmonic Analysis in Power System QIAN Hao, Z HAO Rong—xiang’ (College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China) Abstract:The Fast Fourier Transform(FFT)cannot be directly used to the harmonic analysis of electric power system because of its higher error,especially the phase error when used with a sample sequence which is not synchronized with the signa1.To reduce the influence of an unsynchronized sample sequence on FFT and to improve the precision of harmonics in electric power system,this paper improves the algorithm by using windows and interpolation methods. The paper firstly addressed the leakage and picket fence effects of FFT briefly and then analyzes the interpolation algorithm on Rife—Vincent(I)window in detail.Besides,the computing formula for the harmonic parameter estimation are given as wel1.The simulating result demonstrates that the improved algorithm holds a very high precision when used for the unsynchronized sample sequence. Key words:harmonic analysis;electric power system;Fourier transform;effect of leakage; interpolation algorithm 随着电子技术和电力电子器件的发展,半导体 影响了电能的质量.显然,电力系统中谐波分量的 器件等其他非线性负荷在电力系统中的应用越来 快速、准确监测对电能质量的治理具有重要意义. 越广泛,同时电力系统谐波污染也日益严重,从而 电力系统的谐波分析,通常是通过快速傅立叶变换 收稿日期:2005--02—06;修订日期:2005--05--17. 作者简介:钱吴(1981一),男,浙江湖州人,电机与电器专业硕士研究生. *通讯联系人:赵荣祥(1962一),男,浙江杭州人,教授,博士生导师.主要从事电机、电机控制和电力传动等研究 Email:rongxiang@zju.edu.cn 维普资讯 http://www.cqvip.com

548 江南大学学报(自然科学版) 第5卷 (FFT)实现的.由于实际电网信号的频率通常会在 额定频率附近波动,很难保证对信号的同步采样, 即要求采样长度与信号周期成整数倍数关系n]. FFT存在的泄漏现象和栅栏效应[2。],使算出的信 号参数即频率、幅值和相位不准,尤其是相位误差 很大,无法满足准确的谐波测量要求.为了提高FFT 算法的精度,Jain等提出了一种插值算法[5],对FFT 线;非同步采样时,频谱变成了以60 为中心、其形状 为振荡并逐渐衰减的谱线,即信号频谱的频率成分 从60 “泄漏”到其他频率处.此外,在非同步采样时, 实际信号的各次谐波分量并未正好落在频率分辨 点上,而是落在某两个频率分辨点之间.因为DFT 计算频谱时只限制为基频的整数倍数,不能直接得 到各次谐波分量的准确值,而只能以临近的频率分 的计算结果进行了修正,有效地改善了对谐波幅值, 尤其是谐波相位的估计精度.在此基础上,Hanning 窗[6]和Blackman-Harris窗[7 被提出.通常对窗函数 的要求是主瓣宽度小,旁瓣幅值衰减快,Rife提出的 Rife-Vincent(I)窗[8]更好地满足了上述的两个条件. 文中在简要介绍了泄漏现象和栅栏效应的机理 后,详细分析了加窗插值FFT算法,并且就Rife— Vincent(I)窗的插值算法进行了分析、推导,最后通过 实例验证了该算法. 1 离散傅立叶变换的泄漏现象和栅 栏效应 在实际谐波测量中,所要处理的信号均是经过 采样和A/D转换得到的有限长的数字信号,这相当 于对原始信号乘以一个矩形窗进行截短,信号同步 和非同步采样的离散频谱见图1,2. 图1同步采样的频谱 Fig.1 Spectrum sampled by synchronization 图2非同步采样的频谱 Fig.2 Spectrum sampled by asynchronism 由图1,2可以看出,同步采样时,采样序列的离散傅立叶变换(DFT)谱是单一的位于 处的谱 辨点的值来近似地代替,这即通常所说的栅栏 效应. 采用适当形状的窗函数截断可以减小频谱泄漏, 而栅栏效应引起的误差则需依靠插值算法来消除. 2 4项余弦窗的特点 Rife—Vincent(I)窗实质上都是4项系数余弦窗. 余弦窗的一般表达式为 w )= (_1)ka kcos( kn) ^ O 。’ ‘ 一0,1,…,N一1 (1) 式中,K为余弦窗的项数,K一0时,就是矩形窗. 为了使余弦窗具有线性相位特性及满足插值计算 的需要,对系数有如下限制: k ∑(。。—。一1) 口^一0 (2) -0 4项系数余弦窗的函数表达式和DFT结果为 W ( )一ao—n・c。s( )+ 0S( 0S( ) 一0,1,…,N一1 (3) 式中: WH(e )=WH(c )e—如‘Ⅳ. N,WH(c )一 aoWT( )+(口l/2)・I-wT(60—2 ̄/(N一1))+ wT( +2 ̄/(N一1))]+(口。/2)・ [Wr(60—4 ̄/(N一1))+ wT( +4 ̄/(N一1))]+(口。/2)・ I-wr(60—6 /(N一1))4- wr( 4-6 /(N一1))] (4) 其中:W ( )为矩形窗的DFT, WT( )一WT( )e-J‘Ⅳ. 。1 Wr( )一 sin(N丽06/2) 3基于Rife-Vincent(I)窗的插值算法 为了分析方便,设定信号形式为 X ( )一A ejc。 厶件‰, (6) 式中:A 为信号幅值;,棚为信号频率; 为信号 维普资讯 http://www.cqvip.com

第5期 钱昊等:电力系统中谐波分析的高精度FFT算法 549 初相. 信号经过采样并于4项系数余弦窗截断后得 z( )一zm( T )WH( ), 一0,l,…,N—l(7) 式中:z (nT )为z (£)的无限长采样序列; 为采 样周期;W ( )为4项系数余弦窗;N为采样点数. z ( T )的DFT为 X ( )一2 7cA 艿 m,(u 一27厶 (8) 根据频域卷积定理,时域相乘对应频域卷积, 得到z( )的DFT值X ( ): 1广+ xH( )一 I厶了【J—  x ( )wH[ ‘ -]dr一 Am H((u一(um)es‘%一‘N一 ‘一 。 (9) 设定谐波信号采样序列对应的离散频点为 (忌 + )一N・fm/ (1O) 式中:k 为正整数,0≤艿 <l,在实际应用中N一 般比较大,而且I I<l,得 I XH( )I 恤/N≈A sin( ̄3m)・ (fo+C2 +C4砩+C6 )/ [7c (1一 )(4一 )(9一 )] (11) Co一36ao,C2一一49ao+36al一9a2+4a3, C4—14ao一13al+10a2—5a3, C6=一口o+口l一口2+口3 I XH( )I (k+1) /N≈A sin(n3.)・ m(6。+bt +bz +b。 +b4 +bs +6 醴)/ [7c (1一 )(4一 )(3一艿 )(4一 )](12) bo一24al,6l一48ao一26al一16a2+6a3,62— 20ao一27al+36a2一lla3,b3一一36ao+32al一20a2, 一一口0+2口l一5口2+10a3,bs一6(口。一口l+口2一口3), 一一口o+口l一口2+口3 设  IX ( )I 一( +1】.静/I X ( )I ~ . (13) 则可得 =(bo+b +bz +b。 + 6 +6 +b )・(3+ )/ [(c。+C2 +C4 +f )(4一艿 )] (14) 对于Rife—Vincent(I)窗,Ⅱo—1.0,Ⅱl—1.5, Ⅱ2=0.6,Ⅱa一0.1,代人式(14)得 一(3+ )/(4一艿 ) (15) 在得出准确的 值后,由式(10)可以求出准确 的频率 ,由式(11)可以求出幅值A (当 I X一( )I 。“ +1】 /N大于I X ( )I 一 / 时, 用I X ( )I ̄(k +1).2n/N 来计算 A ),相位计算采ni用式(9),结果如下: 厶=(忌 + )・ /N (16) A ≈I XH( )I ̄k .m2 N・367c艿 (1一 )・(4一 )(9一 )/sin(U#m) (17) m angle(X(e ̄)I ~ .符)一8,.rt(N一1)/N(18) 采用上述插值方法后,信号频率和幅值已经达 到了相当高的精度.最后需要注意的是,在实际测 量中,应该合理选择采样周期和采样频率. 4模拟分析结果 以下给出一组信号的计算实例.设定信号为 13 z(£)一 A cos(2nmflt+ ) (19) ,n—l 其中,基波频率设为49.5 Hz(我国电网额定频率为 50 Hz,允许电网频率的波动范围是49.5~50.5 Hz),基波最大幅值为380 V,初相为l0。.设置电网 谐波参数见表1. 表1谐波参数的设置 Tab.1 Harmonic parameters setup 由于最大的频谱泄漏是基波对2次谐波的影 响,而表l中基波和2次谐波的幅值相差一46 dB, 故若希望将泄漏限制在0.1 (即一60 dB)以内,则 分辨率要求△A至少106 dB,截断时窗函数长度也 至少需要4个信号周期[g]. 若采样点数N设定为l 024个,采样频率为 2 500 Hz,这样以电网额定频率50 Hz为基准,实际 采样信号的周期个数约为2O个,符合限制泄漏要求. 基于普通FFT算法和基于Rife—Vincent(I)窗 插值FFT算法的电网参数估计见表2"-4. 表2频率估计结果 Tab.2 Results of frequencies estimation 维普资讯 http://www.cqvip.com

55O 江南大学学报(自然科学版) 第5卷 表3幅值估计结果 Tab.3 Results of amplitudes estimation 表4相位估计结果 Tab.4 Results of phases estimation 分析表2至表4的结果,可以得出以下结论: (1)基于普通FFT算法的谐波频率(尤其是基频和 2次谐波)估计精度达不到电能质量的国家标准,而 谐波幅值和谐波相位的估计由于和实际值相差太 大,根本没有意义;(2)基于Rife—Vincent(I)窗的插 值FFT算法对频率的估计精度相当准确,基本和实 际电网基波、谐波频率一致,而对于幅值,此算法的 分析精度控制在0.5 以内,相位的精度也有很大 的提高,完全符合国家标准;(3)与文献[9]相比,在 同样的采样长度下,基于Rife—Vincent(I)窗的插值 FFT算法相比基于Hanning窗的插值FFT算法, 进一步提高了频率估计的精度,而对于幅值估计, 精度从0.5 提高到了0.1 以内,使得频率、幅值 和相位的估计均符合国家标准. 加矩形窗和Rife—Vincent(I)窗后,由FFT算法 得到的频谱见图3,4.从图中不难看出,矩形窗造成 了频谱泄漏,而Rife—Vincent(I)窗将多频率信号中 的各频率信号完全分开,限制了频谱的泄漏. ∞ 孽 图3加矩形窗后的频谱 Fig.3 Spectrum tapered with rectangular window l l ∞口/] 馨 ● l 如 ∞ 如 0 如 ∞ 频率,Hz 图4加Rife-Vincent【I)窗后的频谱 Fig.4 Spectrum tapered with R-V(I)window 5 结 语 文中提出的基于Rife—Vincent(I)窗的插值 FFT算法应用于谐波分析,有效地提高了估计精 度,从而有利于准确获得电力系统中的谐波参数. 当然,该插值算法仍有很多地方有待进一步改进, 如Rife—Vincent(I)窗并未严格满足线性相位要求, 由此造成相位的误差相对于频率和幅值较大.从表 4可以看出,基于Rife—Vincent(I)窗的插值FFT 算法,对于2次谐波相位的估计精度为6.611 ,能 够通过对窗系数进行修正以满足线性相位,从而进 一步提高相位精度;也可以考虑选用5项窗(旁瓣 衰减约为一130 dB)来抑制泄漏;选用 和( +2) 两个频率分辨点在一定程度上也可以提高估计的 精度[1 . (下转第555页) 维普资讯 http://www.cqvip.com

第5期 张影等:一种电力市场培训系统的能量与备用市场统一出清模型及其算法实现 如船 “铊加 ¨ 555 备用市场统一出清模型及算法实现的过程,给出了 一种日前市场中的能量市场与备用市场同时出清 莩 的模型,以及电价形成过程及算法实现,并利用一 个算例说明了该模型的出清过程,最后给出了系统 至 篓 在阻塞和无阻塞两种情况下节点电价及3种备用 电价的比较.结果表明,该模型能够同时出清能量 与辅助服务市场,可以表示出输电线路在阻塞情况 下对节点电价的影响,适用于电力市场培训系统. 图4 3种备用价格的比较 文中所述发电厂商报价全部基于成本报价并没有 Fig,.4 The comparison ofPrices ofthree ancillary services 考虑到发电厂商报价策略的影响,同时为了简便计 算,竞价模型忽略网损和机组的启停限制,所以竞 价模型还不很完善,这些都有待于在以后的工作中 进一步解决. 4 结 语 文中介绍了一种电力市场培训系统的能量与 参考文献: [13王锡凡,王秀丽,陈皓勇.电力市场基础[M].西安:西安交通大学出版社,2003. [23尚金成,黄永皓.电力市场技术支持系统设计与关键技术研究[M].北京:中国电力出版社,2002. [33尚金成,黄永皓,夏清,等.电力市场理论研究与应用[M].北京:中国电力出版社,2002. [41陈皓勇,王锡凡,王秀丽,等.基于Java的电力市场竞价实验平台设计、实现及应用[J].电力系统自动化,2004,28(17):22—26. [53 Contreras J,Conejo A J,de la Torte S,et a1.Power engineering lab.electricity market simulator[J].IEEE Transactions on Power Systems,2002,17(2):223—228. [61 Marcelino Madrigal,Marcelo Flores.Integrated software platform to teach different electricity spot market architectures [J].IEEE Transactions on Power Systems,2004,I9(1):88—95. [71 Ranatunga R A,Annakkage U D,Kumble C S.Algorithms for incorporating reactive po、vet into market dispatch[J]. Electric Power System Research,2003,65:179。186. E83张伯明,陈寿孙.高等电力网络分析[M].北京:清华大学出版社,1996. [91 Gerard L Doorman,Nygreen B.An integrated model for market pricing of energy and ancillary services[J].Electric Power Systems Research,2002,61:169.177. (上接第550页) (责任编辑:杨勇) 参考文献: [I]Mitra S K.Digital Signal Processing-a Computer-Based Approach[M].Baijing:Tsinghua University Press,2001:446—460. [2]孙仲康.快速傅立叶变换及其应用[M].北京:人民邮电出版社,1982:110—210. [3]布赖姆E 0.快速傅立叶变换[M].柳群,译.上海:上海科学技术出版社,1979:100—200. [4]胡广书.数字信号处理一理论、算法与实现[M].北京:清华大学出版社,1997:100—206. [5]Jain V K,Collins W L,Davis D C.High—accuracy analog measurements via interpolated FFT[J].IEEE Trans on Instrum Meas,1979,28(2):113-I22. [6]Grandke T.Interpolation algorithms for discrete Fourier transform of weighed signals[J].IEEE Trans on Instrum Meas, 1983,32(2):350-355. [7]Harirs F J.On the use of windows for harmonic analysis m the discrete Fourier transform[J].Proc IEEE,1978,66(1):51—83. [8]Rife D C,Vincent G A.Use of the discrete Fourier transform in the measurement of frequencies and levels of tones[J]. The Bell System Technical Journal,1970(1):197—228. [9]祁才君,陈隆道,王小海.应用插值FFT算法精确估计电网谐波参数[J].浙江大学学报:工学版,2003,37(1):112—11. [1O]赵文春,马伟明,胡安.电机测试中谐波分析得高精度FFT算法[J].中国电机工程学报,2001,21(12):83—87. (责任编辑:杨勇,彭守敏) 

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