一种间谐波检测方法和装置与流程

1.本发明属于数字信号处理技术领域，具体涉及一种间谐波检测方法和装置。


背景技术：

2.电力系统中的谐波和间谐波成分不仅会造成电力设备和输配线路的附加损耗，使得电能利用率降低，还会干扰电力系统中的继电保护等控制操作，导致操作滞后或误动作，严重影响电力系统的供电可靠性，造成经济损失，严重时甚至危及人身安全。
3.经典的电力系统间谐波估计方法主要基于傅里叶变换，该类算法运算速度快、易于硬件实现，但是存在两个缺陷：一是频谱泄露和主瓣干涉，加窗插值fft算法可在一定程度上抑制非同步采样引起的频谱泄漏，但当存在多个密集间谐波时，离散谱线频点上的频率幅值为各间谐波泄露频谱的叠加，此时即便采样同步，也无法将相互干涉的间谐波分离，得到准确的间谐波参数估计；二是频率分辨率，fft的分辨率取决于信号长度，显然，实际情况中不可能无限制增加fft窗长以辨识任意间隔的密集间谐波。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种间谐波检测方法和装置，用以解决采用现有技术方法无法得到准确的间谐波估计参数的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种间谐波检测方法，包括如下步骤：
6.1)对输入信号采样得到离散数据序列，其信号带宽为bw，将其频谱带宽限制在f1∈[0,bw]范围内，bw＜bw，进而进行下采处理得到全波段时域信号x；对全波段时域信号x进行处理以重构得到基波时域信号xf，将全波段时域信号x减去基波时域信号xf得到包含谐波和间谐波的时域信号xa；
[0007]
2)对时域信号xa进行频谱分析，对频谱分析结果进行谱峰搜索，对于幅度大于amp*t的谱峰进行频率、幅度和相位的校正，从而得到f1范围内的谐波和间谐波；其中，t为设置的阈值，0《t《1，amp为基波时域信号xf的幅度；
[0008]
3)对离散数据序列进行移频处理，进而对于fi范围内的信号，i＝2,3,
…
,m-1，m为对信号带宽bw进行划分的总段数，m＞1，对其进行下采处理，进而进行频谱分析，对频谱分析结果进行谱峰搜索，对于幅度大于amp*t的谱峰进行频率、幅度和相位的校正，从而得到fi范围内的谐波和间谐波。
[0009]
上述技术方案的有益效果为：首先，考虑到相对于基波，谐波、间谐波的幅度通常是微小的，这使得基频附近的间谐波频谱容易淹没在基波频谱中，因此，在进行间谐波提取时为消除基波影响以准确提取出基波附近间谐波的频谱，在处理过程中首先用全波段时域信号x减去基波时域信号xf得到xa，进而针对xa进行后续处理。其次，将整个信号频谱划分为m段，进行频谱细化分析，可以进一步提升估计精确度和分辨率。
[0010]
进一步地，步骤2)和步骤3)中均采用apfft算法进行频谱分析。
[0011]
上述技术方案的有益效果为：apfft具有优良的频谱泄露抑制性能，频谱泄露范围
比fft窄得多，因此当信号包含多种密集频谱时，各频率成分的apfft谱间干扰比fft要小得多，且apfft计算得到的相位无需校正，相对加窗fft的运算，apfft仅增加了n个加法，速度快、效率高。
[0012]
进一步地，fi∈((2i-1)*bw,(2i+1)*bw]。
[0013]
进一步地，利用iir滤波器对频谱带宽进行限制。
[0014]
上述技术方案的有益效果为：使用iir滤波器，可以提高运算效率。
[0015]
进一步地，步骤1)中提取基波时域信号xf的手段为：对时域信号xa的频谱分析结果进行谱峰搜索，得到最大峰值和次大峰值，依据最大峰值和次大峰值对基波的频率、幅度和相位进行估计，利用估计结果重构基波时域信号。
[0016]
进一步地，估计基波的频率、幅度和相位的计算公式为：
[0017][0018]
f0＝(k1+α+0.5)*fs1/n
[0019]
theta＝angle(y(k1))＝angle(y(k2))
[0020]
式中，f0、theta分别为基波频率和相位；y(k1)和y(k2)分别为最大峰值和次大峰值；w()为apfft所用窗函数的离散频谱；n为使用apfft时需进行fft的采样点个数；α＝k0-k1-0.5，k0为峰值频点f0对应的谱线号，k1为最大峰值对应的谱线号；fs1为全波段时域信号x的频率；angle()表示正切函数。
[0021]
进一步地，采用apfft算法时使用的窗函数为hanning窗。
[0022]
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种间谐波检测装置，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序指令以实现上述介绍的间谐波检测方法。
[0023]
上述技术方案的有益效果为：保证了间谐波检测方法的有效可靠执行。
附图说明
[0024]
图1是本发明的间谐波检测方法的流程图；
[0025]
图2(a)是全波段时域信号x图；
[0026]
图2(b)是去除基波后的时域信号xa图；
[0027]
图3(a)、图3(b)和图3(c)是各子频带频谱图。
具体实施方式
[0028]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
[0029]
方法实施例：
[0030]
下面结合图1，对整个方法实施过程进行详细介绍。
[0031]
1、对输入信号采样得到离散数据序列x(n)＝{x(1),
…
,x(n),
…
x((2*n-1)*r)}。
[0032]
2、将采样序列经过低通滤波器(例如可为iir滤波器)，限制频谱带宽为bw，将滤波后的数据进行r倍抽取，得到全波段时域信号x。
[0033]
3、利用apfft对基波参量进行精确估计，具体为：采用长度为(2n-1)的窗函数，对
步骤2所得数据进行加窗，将加窗后的数据分为间隔为n的两组数据，分别为x1＝{0,x(1),
…
,x(n-1)}和x2＝{x(n),x(n+1),
…
,x(2*n-1)}，再将x1、x2相加得到序列x3，对x3作fft变换得到对应的n个频谱值y。进而对y进行谱峰搜索，得到最大峰值y(k1)以及次大值y(k2)，根据y(k1)、y(k2)估计得到基波估计参数，包括基波频率f0、基波幅度amp和基波相位theta。
[0034]
4、根据步骤3得到的基波估计参数重构基波时域波形xf，利用x减去xf去除基波得到包含bw频率范围内所有谐波、间谐波的信号xa；
[0035]
5、设定阈值t(0《t《1)，对信号xa按照步骤3的方式进行谱峰搜索处理，对幅度大于amp*t的谱峰进行频率校正，计算得到幅度和相位，保存为检测到的谐波和间谐波。
[0036]
6、对整个信号带宽bw进行划分，分为m段{f1,f2,
…
fm}，依次对第i段移频(i-1)*bw，按照步骤2、3、5相同的处理方法进行处理，得到整个频带bw范围内的所有谐波和间谐波。需说明的是，重复步骤2时限制频谱带宽应该为2*bw，是为了对其余段进行后续的处理；重复步骤3时，不需要进行基波估计参数的估计，只需要对经过步骤2处理得到的信号利用apfft进行频谱分析即可。
[0037]
下面结合一个具体的实例，对整个方法的实施过程进行进一步详细介绍。
[0038]
1、对输入信号采样得到离散数据序列x(n)＝{x(1),
…
,x(n),
…
x((2*n-1)*r)}，采样率fs＝6400hz，作n＝1024点(8周波)fft时频谱分辨率为fs/n＝6.25hz。
[0039]
2、将采样序列经低通滤波(此处可选择基波低通iir滤波器以减少滤波运算量)，限制频谱带宽为bw＝65hz；进而对滤波后的数据进行r＝8倍抽取，得到信号x，此时采样率fs1降为800hz，同作n点fft变换时频谱分辨率提升为fs1/n＝0.7813hz。
[0040]
3、采用双窗apfft(all-phasefastfouriertransform)对基波参量进行精确估计，包括以下几个环节。
[0041]
1)选用长度为(2n-1)的自卷hanning窗，对步骤2所得数据进行加窗，得到：
[0042]
x
′
(n)＝x(n)*wc(n)n∈(1,
…
,2n-1)(1)
[0043]
式中，wc(n)为自卷hanning窗系数。
[0044]
2)将加窗后的数据分为间隔为n的两组数据x1＝{0,x’(1),
…
,x’(n-1)}和x2＝{x’(n),x’(n+1),
…
,x’(2*n-1)}，再将x1、x2相加得到序列x3，对x3作fft变换得到对应的n个频谱值y(e
jw
)：
[0045][0046]
式中，wc(w)为wc(n)序列对应的频谱，离散化简后的频谱为：
[0047][0048]
式中，为所用hanning窗的离散频谱；k0为峰值频点f0所对应的谱线号，通常k0不为整数。
[0049]
由式(3)可以看出，旁瓣谱线相对于主谱线按照平方倍数衰减，因此具有比传统fft更好的频谱泄露抑制能力。同时主谱线初相与频偏无关，始终为理论初相值，频率估
计的精度不影响相位估计，此即为apfft的相位不变性，基于apfft估计得到的相位无需校正即可达到高精度。
[0050]
3)对y(k)进行谱峰搜索，得到最大峰值y(k1)以及次大值y(k2)，根据y(k1)、y(k2)估计得到校正后的基波频率f0、幅度amp和相位theta：
[0051][0052]
f0＝(k1+α+0.5)*fs1/n(5)
[0053]
theta＝angle(y(k1))＝angle(y(k2))(6)
[0054]
式中，α＝k
0-k
1-0.5。
[0055]
4、根据步骤3得到的基波估计参数重构基波时域波形xf，利用x减去xf，去除基波得到包含bw频率范围内所有谐波、间谐波的信号xa，波形如图2(a)和图2(b)所示。
[0056][0057]
5、设定阈值t(0《t《1)，对信号xa重复步骤3搜索谱峰，对幅度大于amp*t的谱峰进行频率校正，计算得到幅度和相位，保存为检测到的谐波和间谐波，具体的频率、幅度和相位计算公式同公式(4)、(5)、(6)。
[0058]
6、对整个信号带宽bw进行划分，分为m段：f1,f2,
…
fm，其中f1∈[0,bw]，f2∈(bw,3*bw]，fi∈((2i-1)*bw,(2i+1)*bw]，i＝0,
…
,m-1。依次对第i段移频2i*bw，然后重复步骤2、3、5得到整个频带bw范围内的所有谐波和间谐波。各子频带频谱图如图3(a)～图3(c)所示。当然，重复步骤2时限制频谱带宽应该为2*bw，重复步骤3时，不需要进行基波估计参数的估计，只需要对经过步骤2处理得到的信号利用apfft进行频谱分析即可。
[0059]
仅第一段有效带宽为bw，其余频段有效带宽都为2*bw是为了提高分辨率，每段带宽都设为bw的话分段次数增多，运算量会增大。
[0060]
下面对整个方案的效果进行验证。添加表1所列的间谐波频率成分进行测试。
[0061]
表1波形频率分量
[0062][0063]
取t＝0.0045得到估计出的频率参数结果如表2所示。
[0064]
表2波形频率估计值
[0065][0066]
从表2可知，本发明采用的比值校正估计方法在估计幅度接近门限值t的频率分量时，误差相对较大，其余频率分量估计误差均《1％，在检测密集小幅度频率分量时具有较高的检测精度。采用相位差校正方法时可进一步提高估计精度，但相应会增加一次fft计算。
[0067]
综上，本发明具有如下特点：1)apfft具有优良的频谱泄露抑制性能，频谱泄露范围比fft窄得多，因此当信号包含多种密集频谱时，各频率成分的apfft谱间干扰比fft要小得多，且apfft计算得到的相位无需校正，相对加窗fft的运算，apfft仅增加了n个加法，速度快、效率高。2)为进一步提升估计精确度和分辨率，将整个信号频谱划分为m段，进行频谱细化分析，由于下采了r倍，apfft长度并未增加。3)相对于基波，谐波、间谐波的幅度通常是微小的，这就使得基频附近的间谐波频谱容易淹没在基波频谱中。为消除基波影响，精确提取出基波附近间谐波的频谱，利用估计出的基波参数重构基波时域信号xf，从x中减去xf滤除基波，以提高预测精度。
[0068]
装置实施例：
[0069]
本发明的一种间谐波检测装置实施例，包括存储器、处理器和内部总线，处理器、存储器之间通过内部总线完成相互间的通信和数据交互。存储器包括至少一个存储于存储器中的软件功能模块，处理器通过运行存储在存储器中的软件程序以及模块，执行各种功能应用以及数据处理，实现本发明的方法实施例中介绍的一种间谐波检测方法。其中，处理器可以为微处理器mcu、可编程逻辑器件fpga等处理装置。存储器可为利用电能方式存储信息的各式存储器，例如ram、rom等，还可为其他方式的存储器。

技术特征：
1.一种间谐波检测方法，其特征在于，包括如下步骤：1)对输入信号采样得到离散数据序列，其信号带宽为bw，对于f1∈[0,bw]范围内的信号，bw＜bw，对其进行下采处理得到全波段时域信号x；对全波段时域信号x进行处理以重构得到基波时域信号xf，将全波段时域信号x减去基波时域信号xf得到包含谐波和间谐波的时域信号xa；2)对时域信号xa进行频谱分析，对频谱分析结果进行谱峰搜索，对于幅度大于amp*t的谱峰进行频率、幅度和相位的校正，从而得到f1范围内的谐波和间谐波；其中，t为设置的阈值，0<t<1，amp为基波时域信号xf的幅度；3)对离散数据序列进行移频处理，进而对于fi范围内的信号，i＝2,3,
…
,m-1，m为对信号带宽bw进行划分的总段数，m＞1，对其进行下采处理，进而进行频谱分析，对频谱分析结果进行谱峰搜索，对于幅度大于amp*t的谱峰进行频率、幅度和相位的校正，从而得到fi范围内的谐波和间谐波。2.根据权利要求1所述的间谐波检测方法，其特征在于，步骤2)和步骤3)中均采用apfft算法进行频谱分析。3.根据权利要求1所述的间谐波检测方法，其特征在于，fi∈((2i-1)*bw,(2i+1)*bw]。4.根据权利要求1所述的间谐波检测方法，其特征在于，利用iir滤波器对频谱带宽进行限制。5.根据权利要求2所述的间谐波检测方法，其特征在于，步骤1)中提取基波时域信号xf的手段为：对时域信号xa的频谱分析结果进行谱峰搜索，得到最大峰值和次大峰值，依据最大峰值和次大峰值对基波的频率、幅度和相位进行估计，利用估计结果重构基波时域信号。6.根据权利要求5所述的间谐波检测方法，其特征在于，估计基波的频率、幅度和相位的计算公式为：f0＝(k1+α+0.5)*fs1/ntheta＝angle(y(k1))＝angle(y(k2))式中，f0、theta分别为基波频率和相位；y(k1)和y(k2)分别为最大峰值和次大峰值；w()为apfft所用窗函数的离散频谱；n为使用apfft时需进行fft的采样点个数；α＝k0-k1-0.5，k0为峰值频点f0对应的谱线号，k1为最大峰值对应的谱线号；fs1为全波段时域信号x的频率；angle()表示正切函数。7.根据权利要求2所述的间谐波检测方法，其特征在于，采用apfft算法时使用的窗函数为hanning窗。8.一种间谐波检测装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述处理器用于执行存储在存储器中的计算机程序指令以实现如权利要求1～7任一项所述的间谐波检测方法。

技术总结
本发明属于数字信号处理技术领域，具体涉及一种间谐波检测方法和装置。本发明在提取间谐波时，先重构得到基波时域信号，再从原始时域信号中去除基波时域信号，针对去除基波时域信号后的信号进行频谱分析，以检测得到间谐波，以在进行间谐波提取时消除基波影响从而可以准确提取出基波附近间谐波的频谱。而且，将整个信号频谱划分为M段，进行频谱细化分析，实现分段检测间谐波，可以进一步提升估计精确度和分辨率。和分辨率。和分辨率。


技术研发人员：陈飞飞 吴义文 黄梅莹 孙胤杰 楼红伟
受保护的技术使用者：深圳智微电子科技有限公司
技术研发日：2023.08.04
技术公布日：2023/10/15