一种适用于舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测方法及装置，属于舰船电气工程【技术领域】。本发明的装置包括电压传感器、电流传感器、机箱接线端子、信号调理电路、数据采集卡和工业控制计算机。接线端子、数据采集卡和信号调理电路安装于工控机内部，工控机通过标准串行口获得输入数据，再利用虚拟仪器的LabVIEW软件将采集进来的信号按变比还原和记录原始信号；能完成对基波、谐波和间谐波的频率、幅值和相位等参数的全面检测；检测结果直接显示在工控机的液晶屏上。本发明采用频率跟踪算法、基波和谐波提取算法及其间谐波检测算法实现基波、谐波和间谐波分离检测。
【专利说明】-种适用于舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测方法和 装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于舰船电气工程【技术领域】，特别涉及一种谐波和间谐波参数检测检测方 法及装置。
【背景技术】
[0002] 近年来随着电力电子技术的迅速发展，大量非线性负荷如整流电源、频率变换器、 调速变流器和通用变频器等装置接入到舰船电力系统，使得舰船电网的谐波和间谐波问题 日益严重。由于舰船电力系统是一个独立的小容量电网，谐波和间谐波的产生不仅会严重 降低舰船电网电能质量，还可能威胁到整个舰船电力系统的安全运行，对舰船电力系统的 谐波和间谐波问题进行分析、研究，并采取相应的抑制措施已非常迫切。
[0003] 舰船电力系统的谐波和间谐波治理除采用从源头上进行控制的方式外，常采用加 装无源滤波器、有源滤波器和有源功率因数校正器等方式来进行抑制。多种谐波治理方式 常常会综合使用，如常用的混合滤波器会采用无源滤波器来完成主要次谐波的滤波功能并 使其承担大部分的无功容量补偿，而采用有源滤波器来完成次要次谐波和间谐波的进一步 滤除和承担小部分的无功容量补偿。在混合治理方式中，首要的要求是对基波、谐波和间谐 波实现检测分离，这样才可有针对性的设计滤波器参数，实现谐波和间谐波的最优控制。
[0004] 目前，舰船电力系统常采用基于傅里叶变换或瞬时无功理论的方法来检测谐波或 间谐波，基于傅里叶变换的检测方法在采样时间有限的情况下频率分辨率低，基于瞬时无 功理论的检测方法一般只考虑了基波信号的分离，上述两种检测方法无法实现基波、谐波 和间谐波的分离检测；
[0005] 上述两种方法均采用的是锁相环结构，硬件实现方式复杂，且锁相环的性能会受 到谐波、间谐波和三相不平衡的影响；
[0006] 此外，基于瞬时无功理论的检测方法主要针对三相交流电网提出，不适用于单相 交流电网和可能直流电网。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是克服现有检测方法和装置的不足，提出一种适用于舰船电力系统 的谐波和间谐波分离检测方法和装置，能实现对基波、谐波和间谐波的单独检测和评估，以 为无源滤波器、有源滤波器和有源功率因数校正器等滤波手段的优化设计提供分析手段。
[0008] -种舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测方法，包括以下步骤：
[0009] 第一步：对舰船电网电压或电流信号进行采样；
[0010] 第二步：对第一步中的采样信号进行均值滤波分离直流分量，并得到只含交流分 量的信号；
[0011] 第三步：根据已知的交流分量基波频率对第二步中得到的只含交流分量的信号进 行窄带带通滤波得到只含基频分量的信号；
[0012] 第四步：对第三步中得到的只含基频分量的信号采用频率跟踪算法计算实时的基 波频率；
[0013] 第五步：根据第四步中的基波频率由并行的子陷波结构从只含交流分量的信号中 提取基波和各次谐波分量，利用最小二乘法计算基波和各次谐波的幅值和相位，即采用基 波和谐波提取算法；
[0014] 第六步：将第五步中得到的基波和谐波分量从只含交流分量的信号中去除，得到 只含间谐波分量的信号，对该信号进行参数谱估计得到间谐波频率，利用最小二乘法计算 各间谐波的幅值和相位，即采用间谐波检测算法。
[0015] 所述频率跟踪算法的原理为：
[0016] 假若一电压信号可表不为：
【权利要求】
1. 一种舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测方法，其特征在于，包括以下检测步 骤： 第一步：对舰船电网电压或电流信号进行采样； 第二步：对第一步中的采样信号进行均值滤波分离直流分量，并得到只含交流分量的 信号； 第三步：根据已知的交流分量基波频率对第二步中得到的只含交流分量的信号进行窄 带带通滤波得到只含基频分量的信号； 第四步：对第三步中得到的只含基频分量的信号采用频率跟踪算法计算实时的基波频 率； 第五步：根据第四步中的基波频率由并行的子陷波结构从只含交流分量的信号中提取 基波和各次谐波分量，利用最小二乘法计算基波和各次谐波的幅值和相位，即采用基波和 谐波提取算法； 第六步：将第五步中得到的基波和谐波分量从只含交流分量的信号中去除，得到只含 间谐波分量的信号，对该信号进行参数谱估计得到间谐波频率，利用最小二乘法计算各间 谐波的幅值和相位，即采用间谐波检测算法。
2. 如权利要求1所述的舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测方法，其特征在于，所 述频率跟踪算法的原理为： 假若一电压信号可表不为：
(1) 式中：TS为采样时间间隔，k为采样点的序号，0^为额定基波角频率，cod为基波角频 率偏移量，A为基波幅值，P为基波相位，N为采样点数； 基于傅里叶变换可将该电压信号变换为两个正交分量，即：
(2) 式中：队=f；/%为额定基波频率下的每周期采样点数 通过三角函数变换可将上式化简为： (3) (4) ?；为基波周期，式（3)和式（4)中的第一项均为与角频率偏移量相关的分量，第二项 均为高频分量且幅值衰减了 sin (0^1/2)^2 倍，若将式（3)和式（4)所示信号通 过低通滤波器，将得到只含第一项分量的信号，即：
(5) 上述分量满足下式的差分关系：
(6) 基于上式可得到的瞬时表达式：
(7) 傅里叶变换采用递推的形式来计算，即 Us (kTs) = Us ((k-1) Ts) +Tsu (kTs) sin (k ω 〇Ts) -Tsu ((k_N0) Ts) sin ((k_N0) ω 〇Ts) (8) Uc (kTs) = Uc ((k-1) Ts) +Tsu (kTs) cos (k ω 〇Ts) -Tsu((k-N0)Ts)cos((k-N0) ω〇Τ3) 由式（7)得到实时的基波角频率偏移量％后，即可计算得到实时的基波角频率 ω 0+ ω d。
3. -种舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测装置，其特征在于，包括电压传感器、电 流传感器、机箱接线端子、信号调理电路、数据采集卡和工业控制计算机； 上述装置中，接线端子、数据采集卡和信号调理电路全部安装于工业控制计算机内部， 工业控制计算机从电压传感器、电流传感器获得输入数据后将采集进来的信号按变比还原 和记录原始信号，利用检测算法完成对基波、谐波和间谐波的频率、幅值和相位的全面检 测；然后对数据分析结果进行保存，并实现离线分析及报表生成功能；所述检测算法由如 下功能模块实现，包括均值滤波模块、第一运算模块、窄带带通滤波模块、频率跟踪模块、基 波和谐波分量提取模块、第二运算模块和参数谱估计模块；输入信号通过均值滤波模块进 行均值滤波后分离直流分量，通过第一运算模块得到只含交流分量的信号，然后根据已知 的交流分量基波频率对只含交流分量的信号利用窄带带通滤波模块进行窄带带通滤波得 到只含基频分量的信号，利用频率跟踪模块计算实时的基波频率，基波和谐波分量提取模 块根据基波频率由并行的子陷波结构从只含交流分量的信号中提取基波和各次谐波分量， 第二运算模块将基波和谐波分量从只含交流分量的信号中去除，得到只含间谐波分量的信 号，参数谱估计模块对该信号进行参数谱估计得到间谐波频率，最后利用最小二乘法计算 各间谐波的幅值和相位，各间谐波的幅值和相位直接显示在工业控制计算机的液晶屏上。
4. 如权利要求3所述的舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测装置，其特征在于， 所述电压传感器和电流传感器分别采用WB系列电压传感器WBV411D07和电流传感器 WBI411D47进行电压和电流信号的获取。
5. 如权利要求3所述的舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测装置，其特征在于，所 述信号调理电路将信号转换到便于数据采集卡处理的量程范围内，并兼顾滤除频率高于 20kHz的噪声，实现抗频谱混叠滤波。
6. 如权利要求3所述的舰船电力系统的谐波和间谐波分离检测装置，其特征在于，所 述数据采集卡采用美国国家仪器公司的16位高性能PCI数据采集卡PCI-6251，PCI-6251 具有16路16位模拟输入通道，总采样速率为1. 25MS/s。
【文档编号】G01R23/167GK104155520SQ201410369465
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年7月30日 优先权日:2014年7月30日
【发明者】王建勋, 李红刚, 陶襄樊, 刘宏, 彭亮, 董梁, 施卫华 申请人:中国船舶重工集团公司第七一九研究所