基于2阶Hann自卷积窗的谐波电能高精度量测方法研究与实现

分布式光伏发电根据全发电量进行补贴,无法约束其并网对配电网造成的高频次谐波污染和电压波动等电能质量问题。电能谐波含量是体现分布式光伏电能质量的因素之一,可作为并网电能定价的参考依据。为了对分布式光伏谐波电能进行快速、准确计量,文中采用2阶Hann自卷积窗及其双谱线插值校正算法,提出了一种低运算资源消耗的顺序型谐波计算流程,在其基础上优化设计了一种多级流水线型的谐波计算架构,大幅提升了加窗插值FFT的计算效率;考虑ADC量化误差,对2阶Hann自卷积窗及其双谱线插值校正算法的谐波分析效果进行仿真,提供了ADC位数、采样点数N与窗函数的选择依据。设计并开发了基于ZYNQ与LTC2358的谐波量测装置板卡样机。实验与测试结果表明,该样机的基波测量误差满足C级静止式有功电能表标准和0.5S级无功测量仪表检定标准的要求;此外,3~21次谐波测量误差满足A级谐波测量仪表检定标准的要求。

基于改进TLS-ESPRIT与自卷积窗的谐波与间谐波检测算法

随着光伏发电系统大规模接入电网,不可避免地带来了严重的谐波污染问题。为了有效监测光伏并网系统输出电流的谐波、间谐波,提出了一种基于改进快速最小二乘法-旋转不变法(total least squares-estimation of signal parameters via rotational invariance technique,TLS-ESPRIT)与2阶Blackman-Harris自卷积窗相结合的检测方法。首先对待测信号进行三次采样并利用快速TLS-ESPRIT算法检测频率。随后对检测结果基于简化K-means聚类算法进行分析,提取出真实的谐波分量。最后结合2阶Blackman-Harris自卷积窗对信号进行加窗插值计算,准确估算出其幅值、相位信息,实现了谐波、间谐波的高精度检测。仿真算例和现场数据测试结果表明,所提方法相较于传统方法具有更高的谐波、间谐波检测精度,且抗干扰能力更强。

基于Nuttall自卷积窗的改进FFT谱分析方法

建立性能优良的窗函数是提高频谱分析准确度的关键。本文用Nuttall窗进行时域卷积运算构建Nuttall自卷积窗,具有旁瓣性能随卷积次数增加而迅速提升的优点;提出基于Nuttall自卷积窗的改进FFT谱分析方法,采用最小二乘法推导离散频谱插值多项式,建立谐波参数准确求解算法;通过仿真实验验证Nuttall自卷积窗及改进FFT谱分析方法的有效性和准确性。

基于三角自卷积窗的介损角测量算法及应用

非同步采样条件下采用快速傅里叶变换(FFT)进行介损角测量时,频谱泄漏和栅栏效应造成的误差较大。本文提出了一种基于三角自卷积窗频谱相位差校正的介损角测量算法,介绍了其在高压电容型设备绝缘在线监测系统中的应用。三角自卷积窗具有良好的旁瓣性能,采用三角自卷积窗对信号进行加权能有效减少频谱泄漏对介损角测量的影响;基于三角自卷积窗的频谱校正算法不需求解高次方程,计算量小。在非同步采样情况下,通过对基波频率波动、采样频率变化、介损角真值变化、白噪声影响、谐波变化等情况下的介损角仿真测量实验和实际应用验证了本文算法的准确性和有效性。

基于三角自卷积窗的介损角高精度测量算法

采用快速傅里叶变换(FFT)进行介损角测量时,非同步采样所引起的频谱泄漏造成介损角测量误差较大。为减小这类误差,本文提出了一种基于三角自卷积窗的插值FFT介损角测量方法。三角自卷积窗旁瓣下降快,能有效减少频谱泄漏对介损角测量的影响。采用三角自卷积窗对电压、电流信号进行加权,再运用插值FFT算法求解信号相位参数,可得到较高精度的介损角测量值。对基波频率波动、介损真值变化和谐波注入比例变化等情况下的介损角仿真实验验证了本文算法的准确性和有效性。

Hanning自卷积窗及其在谐波分析中的应用

加窗插值FFT算法可以有效降低频谱泄漏和栅栏效应对谐波分析精度的影响。本文提出一种由Hanning窗进行自卷积运算得到的Hanning自卷积窗,分析了卷积阶数对主瓣宽度、旁瓣电平和旁瓣衰减速率的影响,计算了1～4阶Hanning自卷积窗的主瓣、旁瓣性能参数,给出了基于Hanning自卷积窗的双峰插值FFT谐波分析算法。仿真结果表明,Hanning自卷积窗具有优良的频谱抑制性能,基于Hanning自卷积窗的双峰插值FFT算法能有效消除各次谐波间的相互干扰,适合于电力谐波的高精度检测,与已有加窗插值FFT谐波分析算法相比,精度有明显提高,且便于嵌入式系统实现。

基于三角自卷积窗的高精度电能计量算法

提出了一种基于三角自卷积窗的插值FFT谐波分析和电能计量算法,结合三角自卷窗的频谱特性,给出了其实现流程,建立了基波和谐波分次电能计量方法.由于三角自卷积窗具有优良的旁瓣性能,因此基于三角自卷积窗的插值FFT算法能有效减少谐波间相互干扰,提高谐波分析和电能计量准确度.仿真实验验证了本文算法的有效性和准确性.

基于Rife-Vincent自卷积窗三谱线插值FFT电力谐波分析

加窗和插值算法可以有效抑制快速傅里叶变换(FFT)在非同步采样和非整周期截断时产生的频谱泄露和栅栏效应,提高谐波检测精度。在比较不同Rife-Vincent窗、经典窗的频谱特性的基础上,选择五项Rife-Vincent窗做母窗,构建了五项Rife-Vincent自卷积窗的时域、频域函数,并分析五项Rife-Vincent自卷积窗的主瓣特性以及自卷积阶数对旁瓣性能的影响。建立了基于五项Rife-Vincent自卷积窗三谱线插值频谱校正算法。采用多项式拟合的方式推导了简单实用的三谱线插值修正公式。通过仿真,验证了非同步采样时,与其他加窗插值相比,该算法具有更高的计算精度。

基于Rife-Vincent自卷积窗插值校正的发电机准同期参量测量方法

对准同期参量进行精确快速测量是发电机准同期并列成功的关键。非同步采样时,基于谐波分析理论的准同期参量测量结果会产生较大误差,为此提出了基于Rife-Vincent自卷积窗插值校正的发电机准同期参量测量方法。分析了Rife-Vincent自卷积窗主瓣特性以及自卷积阶数对旁瓣性能的影响,同时给出了基于Rife-Vincent自卷积窗的插值频谱校正方法。通过仿真计算,得到了基波频率波动、谐波影响、噪声影响等不同情况下发电机准同期参量测量结果;同时对电压非稳态情况进行了仿真,分析了误差产生原因。仿真结果表明所提方法性能优越,能有效抑制频谱泄露效应。

基于Blackman自卷积窗及三谱线插值修正的介质损失角计算方法

非同步采样时,基于谐波分析理论的介质损失角计算结果会有较大误差。为减小该误差,提出一种基于Blackman自卷积窗及三谱线插值修正的介质损失角计算方法。利用旁瓣性能优越的Blackman自卷积窗抑制信号频谱泄漏效应,同时提出利用幅值最大的谱线及其相邻的2根谱线进行三谱线插值以进行频谱校正,进一步提高介质损失角计算精度。在基波频率波动、介质损失角真值变化、谐波比例变化、白噪声影响、采样频率变化的情况下,将所提介质损失角计算方法和基于双谱线插值修正的介质损失角计算方法的计算结果进行对比,结果验证了所提方法的准确性与有效性。搭建了介质损失角模拟测量实验平台,在平台上运用所提方法计算介质损失角,结果表明所提方法的精度较高。

纳托尔自卷积窗加权电力谐波分析方法

在非同步采样下,采用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)进行电力谐波分析容易造成频谱泄露和栅栏效应。窗函数加权可有效抑制频谱泄漏,但经典窗函数的抑制能力受旁瓣性能的制约。分析了纳托尔(Nuttall)窗的频谱特性后,提出了一种通过若干Nuttall窗自卷积运算得到的新型窗函数——Nuttall自卷积窗。分析了Nuttall自卷积窗的主瓣、旁瓣性能,建立了Nuttall自卷积窗加权的改进FFT谐波分析方法。与经典窗函数相比,Nuttall自卷积窗优良的旁瓣性能可有效抑制频谱泄漏的影响,改进FFT算法能有效克服卷积带来的频率分辨率降低的问题。仿真结果表明,Nuttall自卷积窗抑制频谱泄漏效果好,改进FFT算法能对结果进行有效修正,谐波参数估计准确度优于经典窗函数。

基于Nuttall自卷积窗FFT算法的生物电阻抗谱多频率同步测量方法

传统的扫频式生物电阻抗频谱(BIS)测量法难以准确反映生物体真实的阻抗信息,开发BIS的多频率同时快速测量方法具有重要意义。该文提出一种基于多频率同步(MFS)信号激励和加窗改进FFT算法的BIS多频率同步快速测量方法。该文首先介绍了一种7频率同步信号的合成及其频谱特性,提出了性能优良的Nuttall自卷积窗函数,并构建了基于Nuttall自卷积窗的改进插值FFT谐波分析算法,从而在理论上论证了BIS多频率同步快速测量的可行性,为下一步开发实际的BIS快速测量系统提供了技术支持。

基于Nuttall自卷积窗四谱线插值FFT的电力谐波分析方法

快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)在非同步采样条件下难以实现谐波的高精度检测,而加窗和插值算法可以提高谐波检测的准确度。文章在分析Nuttall自卷积窗频谱特性的基础上,提出了基于Nuttall自卷积窗四谱线插值FFT算法。该算法通过对加窗信号离散频点处幅值的分析,利用谐波频点附近的四根谱线进行加权运算,进一步提高谐波幅值、相位和频率检测的精度;采用多项式拟合的方式得到基于Nuttall自卷积窗四谱线插值修正公式。仿真数据表明,该算法具有较高的谐波检测精度,Nuttall自卷积窗有效地抑制了频谱泄露。

基于加新型自卷积窗的频谱插值谐波分析方法

为了解决快速傅里叶变换在电力谐波分析方法中存在采样的不同与非整数周期截取而造成的栅栏效应和频谱泄露的问题,提出一种基于P阶三角自卷积窗改进FFT频谱插值的电力系统谐波分析方法。首先使用P阶自卷积窗截取信号,之后选取幅值最大的频率附近的离散的频谱3条谱线进行加权平均计算来确定谐波谱线的准确位置,进而可以得到谐波的幅值、相位和频率,最后通过多项式拟合的方法,提出谐波修正的公式。通过仿真分析,所提出的自卷积窗函数能降低频谱泄露和栅栏效应带来的影响。采用改进的频谱插值算法可以提高电力谐波的检测精度,有助于对谐波的应用分析。

基于Nuttall自卷积窗的10kV配电电缆中间接头定位改进方法

为解决现阶段采用离散傅里叶变换(discrete Fourier transform,DFT)分析电缆首端输入阻抗谱时存在频谱泄露和栅栏效应的问题,提出一种基于Nuttall自卷积窗的10kV配电电缆中间接头定位改进方法。首先,应用含有中间接头的电力电缆传输线模型、电缆输入阻抗谱、中间接头定位原理、加窗傅里叶变换(windowed Fourier transform,WFT)简要说明本文所提方法原理。接着,选取窗函数(Hamming窗、Blackman窗、四项三阶Nuttall窗、二阶Nuttall自卷积窗),详细分析窗函数性能。然后,通过对中间接头的定位仿真,分析比较4种窗函数的WFT算法对接头的识别定位效果。最后,对实验室500 m长的10 kV交联聚乙烯电缆(cross-linked polyethylene,XLPE)进行测试来检验所提方法的测试效果。仿真和实验结果表明:相比于Hamming窗、Blackman窗、四项三阶Nuttall窗,二阶Nuttall自卷积窗抑制频谱泄露和栅栏效应的效果最佳,能更高灵敏度地识别和定位中间接头,且定位误差小于0.024%。

基于能量算子和最大旁瓣衰减自卷积窗函数频谱校正的电压闪变参数识别技术及其在风电场的应用研究

风力发电并网和电力电子技术的广泛发展与应用,造成的电压波动与闪变已成为当前智能电网不容忽视的问题。针对人眼更为敏感的矩形波调制下的电压闪变模型,该文提出改进能量算子和加截断窗谱线插值快速傅里叶变换(FFT)的闪变包络参数识别法。通过优化能量算子采样间隔实现电压波动分量准确提取,以改进的最大旁瓣衰减速率(MSLD)6项组合余弦窗为母窗构建频域性能优良的MSLD自卷积窗(MSLD-SCW)函数,推导基于新型2阶MSLD-SCW函数谱线插值校正公式,据此实现矩形方波调制的闪变参数识别与分析。仿真结果表明,优化改进算法在单频矩形方波调制、多频方波调幅波调制、含有谐波与次/超同步间谐波干扰、基频变动及含有噪声等干扰源背景下,相较于传统检测算法均保持较高准确性。最后,将优化算法应用于新疆某地区电网电压闪变识别,验证其有效性。

基于余弦自卷积窗的高精度介质损耗角测量算法

介质损耗角(dielectric loss angle,DLA)是高压电容器件预防性试验的重要组成部分,实现DLA的精准测量对电力系统稳定运行具有重要意义。在非同步采样和非整数周期截断情况下,利用加截断窗插值算法来提高快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)检测DLA的精度;在分析余弦窗函数频谱特性的基础上,提出通过卷积运算并以8项余弦窗为母窗构造余弦自卷积窗(cosine self-convolution window,CSCW)函数;再基于双谱线插值算法原理,推导出2阶CSCW函数的双线插值校正公式,并由此提出了高精度DLA测量方法,精度对比实验表明,该算法能高精准地提取信号相位参数。最后,将加CSCW双谱线插值FFT算法应用于电容型器件的DLA测量,验证了算法的有效性和高精度。

混合自卷积窗谐波算法研究与FPGA方案

快速傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)因其高效快捷比较适合对电力谐波进行实时分析,但其不足之处是非同步采样和非整数周期截断时易出现“频谱泄漏”与“栅栏效应”。为此,提出一种基于由Nuttall窗与Hanning窗混合卷积后再进行 L 阶自卷积的混合自卷积窗谐波算法。首先对混合自卷积窗进行双谱线插值改进与数值拟合修正,从而进一步提高了FFT算法的精确度;继而对采用混合自卷积窗的改进算法进行硬件结构方案设计与现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)关键技术进行研究;最后利用混合自卷积窗与Nuttall窗和Hanning窗的算法,对电力谐波算例进行仿真对比。结果表明:采用混合自卷积窗谐波算法所得的相位误差稳定在0.000 01°,而幅值误差几乎为0,从而验证了该算法的有效性与实用性。

基于Rife-Vincent自卷积窗和三谱线插值修正的次同步振荡模态参数检测

准确检测次同步振荡模态参数对保证电力系统安全稳定运行具有重要意义。快速傅里叶变换已广泛应用于次同步振荡在线监测,为提高计算精度、减少频谱泄露和栅栏效应对FFT分析结果的影响,采用Rife-Vincent窗进行自卷积运算构造Rife-Vincent自卷积窗,分析Rife-Vincent自卷积窗的主瓣特性和旁瓣特性;利用频点附近的三根谱线进行频谱校正,通过多项式拟合,推导出基于Rife-Vincent自卷积窗的三谱线插值修正算法。仿真结果表明:与经典窗函数相比,该方法能更好抑制频谱泄露的影响,具有更高的计算精度。

基于Hanning自卷积窗和三谱线插值的谐波无功功率测量方法

本文提出一种基于Hanning自卷积窗和三谱线插值的谐波无功功率测量方法。根据Budeanu关于无功功率的定义,直接计算无功。计算所需要的谐波频率、幅值和相位则通过采用基于Hanning自卷积窗和三谱线插值的算法得到。Hanning自卷积窗可以有效抑制信号的频谱泄漏。三谱线插值利用幅值最大的谱线及其相邻2根谱线能够确定谱线的准确位置,进而得到谐波的频率、幅值和相角。相对于采用重构的方法,直接计算无功功率的方法要简单。在Matlab平台上的仿真表明,基波频率波动的情况下,本文所提方法得出的结果比基于双谱线插值算法得出的结果具有更高的准确度。