第27卷第6期 Yo1.27,No.6 西华大学学报(自然科学版) Journal of Xihua University・Natural Science 2008年11月 NOV.2o08 文章编号:1673-159X(2008)06-0028-06 基于五项窗Rife—Vincent(I)插值FFT算法的 谐波参数分析 胡振华,孙树平,王海滨,陈蓉芳,陈 洁 (西华大学电气信息学院,四川成都610039) 摘要:采用选择性暂态程序ATP建立一个实际的400/33kV工业电力系统的仿真模型,对电缆线路谐波电流 进行仿真。由于快速傅里叶变换在非同步采样时存在较大的误差,无法直接用于电力系统谐波分析,本文提出了 一种基于五项窗Rife.Vincent(I)插值FFTr算法的谐波参数估计的新方法,并推导了其谐波参数估计公式。然后针 对不同程度的频谱泄漏,采用FF1’和五项窗Rife.Vincent(I)插值FFT两种算法对16次谐波参数估计值进行对比 分析。实验结果表明:该算法较FFTr算法在频率、幅值和相位的估计值精度上有明显提高。 关键词:电力系统;谐波分析;ATP;五项窗Rife—Vincent(I);插值FFr算法 中图分类号:TM711 文献标识码:A O 前言 近几年,电力公司大量增加使用电容器组、工业 ris窗在旁瓣幅值一定时具有较小的主瓣宽度。 D.C.Rife提出的四项Rife-Vincent(I)窗 更好地 满足了上述2个条件。 本文首先建立了一个实际的400/33kV工业电力 系统的ATP仿真模型,对谐波电流进行了仿真,得到 谐波电流频谱。然后详细介绍了一种基于五项窗 Rife.Vincent(I)插值FFT算法的谐波参数估计的新 方法,并推导了其谐波参数估计公式。针对不同程度 界广泛使用电力电子变流器这两种趋势使谐波对电 力系统的危害越发加大,从而影响了电能质量。显 然,对电网中的谐波含量进行实时、准确测量对电能 质量的治理具有重要意义。电力系统的谐波分析通 常是通过快速傅立叶变换FFT实现的。然而在数 据采集时,由于实际电网频率通常在工频附近波动, 即使采样频率满足了奈奎斯特采样定理,也很难保 的频谱泄漏,采用FfTr和五项窗Rife-Vincent(I)插值 FFTr两种算法对谐波电流进行分析,求出了16次谐 波参数估计值并进行对比分析,仿真结果表明该算法 与F兀’算法相比具有很高的计算精度,可以作为一种 新的电力系统谐波分析方法得以应用。 证对信号的同步采样,即要求采样长度与信号周期 成整数倍关系 J。Frr存在泄漏现象和栅栏效应, 使算出的信号参数不准,尤其是相位误差很大,无法 满足准确的谐波测量要求。插值算法可以消除栅栏 效应引起的误差 J,加窗函数的方法可以消除频谱 泄漏引起的误差 3 。为了提高F兀1算法的精度, V.K.Jain等人提出了一种插值算法 对FFTr的计 算结果进行修正,有效地改善了对谐波幅值尤其是 谐波相位的估计精度,但该算法在计算某次谐波参 数的时候,对临近谐波缺少抗干扰能力。在此基础 上,T.Grandke利用海宁(Hanning)窗减少泄漏,进 步提高了计算精度 J。通常对窗函数的要求是 一1 400/33kV工业电力系统的ATP仿 真模 1.1工业电力系统的ATP建模 为了对工业电网中的谐波进行分析,考察一个 实际的400/33kV工业电力系统。其系统构成如图 1所示。 主要电气参数为: (1)发电机:电压为400kV;短路容量SCC= 10000 MVA;f=50Hz。(2)变压器:电压等级为 400/33kV;额定容量为190MVA;联结方式为Y(直 主瓣宽度小,旁瓣幅值衰减快。F.J.Harris对各种 窗函数的性能进行了比较 J,结论是Blackman.Har— 收稿日期:2008-04-15 基金项目:四川省教育厅自然基金重点项目(2004A116);西华大学人才引进项目(R0620907);西华大学学科建设项目(XZD0702-2)。 作者简介:胡振华(1982~),女,山东青岛人,硕士研究生,主要研究方向为电力系统谐波分析与测量。 第6期 胡振华等:基于五项窗Rife—Vincent(I)插值FFr算法的谐波参数分析 接接地)/Y(电阻接地);接地电阻R =473.6Q。 (3)变流器:类型为6脉波;6脉波变流器是通过一 个2绕组的变压器供电的,变压器二次绕组之间的 按照上述参数,用ATPDraw可以创建和编辑电 网模型用于仿真,如图2所示。 相位移为60。功率因数pf=0.85;输入视在功率 Sin=57.158MVA。(4)滤波器:电压为33kV;无功 功率为42.5Mvar;结构为三支路,如图所示,数据见 表1。 图2 400/33kV工业电力系统的ATP仿真模型 1.2谐波电流仿真 ATP运行时间为0.4s,谐波电流波形如图3所 示,为使图形清晰只画出了前0.08s的波形。由于 系统刚开始启动运行不稳定,所以选择0.18s到 0.4s时问段的稳定的谐波电流进行分析。谐波电 流频谱如表2所示。 图1 400/33kV工业电力系统 表1滤波器数据 0 10 20 30 40 5O 6o 70【ms]8O (ifle huzhenhua.pl4;x—vail)c:XX0015-X0063A c:XX0015一X0063b c:XX0015一X0063C 图3谐波电流的仿真波形 表2谐波电流频谱 2 五项余弦窗的特性 五项Rife—Vincent(I)窗实质上是5项系数余弦 窗。余弦窗的一般表达式为: W (n)=∑(一1) 0 COS[27rkn/(N一1)] k=0,1,…,K一1;n=0,1,…,』7v一1 (1) :∑(一1) a =0;∑nk=1,k=0,…,K—l K=0时,就是矩形窗。当K=5且a。=1,a = 56/35,a2=28/35,a3=8/35, 4=1/35时,即为五项 系数Rife—Vincent(I)窗 J。所以Rife.Vincent(I)窗 的窗函数表达式为: 表示余弦窗的项数,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a 有如下 W (凡)=∑(一1)‘Ⅱ cos[27rni/(N一1)] i=0,…,4;n=l,…,~一1 (2) Rife.Vincent(I)窗的DTFT变换为: 西华大学学报・自然科学版 2008焦 Wk( )=Wk( )e一 ‘ I ( )l :( +1)鲁 A Nsin( ̄r6 )(do+dl6 + 其中 (w)=a0W (w)+∑(ai/2)[ (w一 21ri/(N一1))+Wr(w+27ri/(N一1))] i=1,…,4 (3) d26 +d36 +d464m+d5 +d +d767m+ds8 )/[ (1—6 )(4一 )(9一 )(4—6 )(5—6 )] (10) b0=576a0;b2=一820a0+576al一144a2+64a3 —上式中 ( ):Wr(w)e~ 窗DTFT的幅度函数。 为矩形窗的 36a4;b4=273a0—244aI+169a2—84a3+49a4;b6 DTFT,其中 (w)=sin(Nw/2)/sin(w/2)为矩形 =一30a0+29a1—26a2+21a3—14a4;b8=a0一al+ 02—03+a4; 3基于五项Rife.Vincent(I)窗的插值 do=360a1;d1=720a0—342al一240a2+90a3— FFT算法 为不失一股眭,设第m次谐波信号表达式为: (f)=A (4) 式中,A 为信号幅值; 为信号频率; 为信 号初相。在谐波测量中,所要处理的信号均是经过 采样和A/D转换得到的数字信号。设待测信号 (t)的采样时间间隔为 秒,对信号的采样必须满 足样定理即,即采样频率 大于信号最高频率分量 的两倍。那么通过采样就可以得到一个有限长的采 样序歹0 (n)= (nT),n=0,1,…,N一1。 戈 (n)的DTFT变换 ( )为: ( ):∑2,rrA d 6(w一2 -厂m 一27r1),Z= 一∞,…,o。 (5) 本文取它的一个周期(0,27r),故 ( )= 2 6(w—w )。其中w =2 。 信号 (t)经过采样并于5项余弦窗截断后 得: (n)= (n)w ( ),n:0,1,…,N一1 (6) 式中,Ⅳ为采样点数。 (n)的DTFT变换为 ( ),根据信号傅立叶变换频域卷积定理, (n)的 DTF]'变换为: X(d )=1/2IrX ( ) (d”) =1/27r』 ( )Wk( )dz =A (w—w )exp[ ( 一 (w—w )(N—i)/2)] (7) 设谐波信号采样序列对应的离散频点为: k +6 = (8) 式中,k 为正整数,0≤6 <1,在实际应用中』、r 一般比较大,而且I6 I≤1,我们选择km2 ̄/N和(k +1)2 ̄r/N来定义频率偏移。考虑到当Ⅳ~般取值 比较大,sin(6 仃)一  ̄r/N,COS( 7r/Ⅳ) 1。由此 可得: Ix(d )l一 簪 A Nsin( ̄r6 )(bo+b…2+64 +6 6 +b8 )/[7r6 (1— )(4—62m)(9—6 )( 16一 )] (9) 48a4;d2=396a0—481a1+412a2—153a3+76a4;d3 :一548ao+452a1—28a2—28a3+28a4;d4=一 107a0+121a1—199a2+161a3—91a4; d5=124a0—118a1+30a2—70a3+28a4;d6=一 2o0+al+28a2—703+14a4;d7:一8n0+8口1—2口2+ 8口3—8a4;d8=ao—a1一a2一a3+a4; 设 ot : ————————— — : 蔓 (11)ll I ( )l N 对于五项Rife-Vincent(I)窗,a0=1,aI:56/ 35,a2=28/35,a3=8/35,a4=1/35,代人(9)式可 得: am=[(d0+dl6m+dz6 2+d36m +d46m +d56m +d66 +d7占 +d86 )(4+ )]/[(bo+b26 + 6 +66 +68 )(5— )] (12) 由上式可得出一个关于6 的9次方程,借助 MATLAB软件,对方程的各项系数降幂排列组成一 个行矩阵,用roots([一1.6—1.6 40 27.2—262.4— 6.4 512—307.2 576+a :I:576 2304—2880¥a ]) 函数可求出 的9个根,其中最多只有一个实根位 于[0,1)区间,该根即为所求的正解。 在得到准确的 值后,由式(8)可求出准确的 频率 ,由(9)(10)可以求出信号幅值A ,由(7)式 可求出准确的相位 ,参数估计结果如下: =(k +6 /N (13) A ≈[I (d )l : 簪 (1— )(4— )(9 —8 )(16— )]/[Nsin( )(6o+62 +646 +b66om+686 )] (14) [tX(e'”)l +1)鲁 (1—6 )(4一 ) (9—6 )(4—6 )(5—6 )]/[Nsin(7r6 )(d0+ d18 +d2 +d3艿 +以 4m+以 +d606+ + d )] (15) =angle(X(e ̄)f : 鲁)一6 7r(,v一1)/N (16) 当6 >0.5时,用(15)式来求还需要注意的 第6期 胡振华等:基于五项窗Rife—Vincent(I)插值FFT算法的谐波参数分析 31 是,在实际的谐波测量中,采样基波数应大于20个 波标准值的误差图如图5、图6、图7所示。(为使图 周期,同时也要合理选择采样周期和采样频率。 形清晰幅值从二次谐波开始绘图) 4 谐波分析 表3是频率计算结果,从图5可以看出,对频率 针对4502点、4802点、4896点3种不同程度的 的计算结果,普通FFTr算法在非整周期采样时,存 频谱泄漏,对谐波电流采用FFTr和五项窗Rife.Vin- 在较大的误差,而且随着泄漏程度的加重,误差也明 cent(I)插值FFTr(简称RIFE5)两种算法进行对比 显增大。而本文提出的基于五项Rife—Vincent(I) 分析,其中采样频率 =25 kHz。进行整周期采样 窗插值FFT算法,在3种不同泄漏程度下,都能保 时FFvr能得到非常高的精度(仅含计算量化误差), 持很高的精度。特别是在泄漏较严重时,且小的谐 而在实际的电力系统谐波测量时,整周期采样几乎 波分量临近存在很大的谐波分量时,如4896点采样 是不可能的。对于基波频率为49.9988 Hz的信号, 的二次谐波,频率的计算精度有明显的提高。与文 以25 kHz的采样频率进行采样时,4502点、4802 献 相比,在同样的采样频率且泄漏程度更严重的 点、4896点对应从轻到重不同程度的失步度。本文 情况下(如4896点),Rife—Vincent(I)窗插值FFT算 取到16次谐波,谐波频率幅值和相位的估计结果如 法与BHFFT算法相比,频率精度从0.767%提高到 表3、表4、表5所示。两种算法得到的参数值与谐 了0.082%。 表3频率计算结果 32 西华大学学报・自然科学版 20o8年  ̄)N=4802 (c)N=4896 图5谐波频率与标准谐波频率计算结果误差图 《 『b)N=48f)2 图6谐波幅值与标准谐波幅值计算结果误差图 皇 j{4]{ 魁 (a)N=4502 ㈣N=4802(c)N ̄896 图7谐波相位与标准谐波相位计算结果误差图 表4是幅值计算结果,从图6可以看出,对幅值 FFT算法的计算误差很大,如三次、六次、十二次谐 的计算结果,F 算法在非整周期采样时,存在较大 波,而本文提出的算法能明显提高计算精度。与文 的误差,而且随着泄漏程度的加重,误差也明显增 献[9]相比,在同样的采样频率且泄漏程度更严重 大。本文提出的基于五项Rife.Vincent(I)窗插值 的情况下(如4896点),五项Rife-Vincent(I)窗插 FFT算法,在3种不同泄漏程度下,都能保持很高的 值FFT算法与BHFFvr算法相比,幅值精度从0.6% 精度。从误差图可以看出,对于幅值较大的谐波 提高到了0.4%以内。 第6期 胡振华等:基于五项窗Rife・Vincent(I)插值FFr算法的谐波参数分析 33 表5是相位计算结果,从图7可以看出,对相位 的检测仍有可能存在较大的相位误差,由文献[9] 的计算结果,普通的FFTr算法,即使泄漏程度很轻, 知可以通过对窗系数进行修正以满足线性相位,从 也存在非常大的相位计算误差,而且随着泄漏程度 而进一步提高相位精度,这是我们下一步亟待解决 的加重,误差越大,计算结果已完全不可信。本文提 的问题。 出的基于五项Rife—Vincent(I)窗插值F兀'算法,在 3种不同泄漏程度下,都能保持很高的精度。对于 参考文献 二次谐波,由于自身幅值很小,临近基波幅值又非常 [1]Mitra S k.Digital Signal Processing・a Computer—Based Approach 大,相差了4个数量级,弱信号对强信号的抗干扰能 [M].Beijing:Tsing University Press,2001:446-460. 力较低,相位计算结果会产生很大的误差,文献[9] [2]Grandke Interpolating algorithms for discrete Fouirer Trans- forms ofWeighted Signals[J].IEEE Trans on Instrum Meas,1983,13 中BHFFT1和BHFFT2算法的二次谐波的误差已达 (2):350 ̄55. 到2l。和6。,而本文提出的算法能明显的提高相位 [3]Heydt G T,Fjeld P s,Liu c c,et a1.Applications ofthe Win— 计算精度,误差只有2.89。。相位误差严格控制在 dowed FFT to Electirc Power Quali ̄Assessment[J].IEEE Transactions 3.2。以内。 on Power Delivery,1999,14(4):1411—1416. 5 结束语 [4]Jain V K,Collins W L,Davis D C.High—accuracy Analog Meas— urements via Interpolated FfTr[J]IEEE Trans on Instrum Meas,1979,28 本文利用选择性暂态程序ATP建立一个实际 (2):113—122. 的400/33kV工业电力系统的仿真模型,对电缆线 [5]Grandke T Interpolation Algorithms for Discrete Fourier 路谐波电流进行仿真。提出了一种基于五项窗 Transform of Weihgted Singals[J].IEEE Trans on Instmm Meas,1983, 32(2):350-355. Rife-Vincent(I)插值FFTr算法的谐波参数估计的新 『6]Harris F J.On the Use fo Windows for Harmonic Analysis wiht 方法,最后针对不同程度的频谱泄漏,分别采用FFTr the Discrete Fourier Transfomr[J].Proc IEEE,1978,66(1):51-83. 和本文提出的算法对16次谐波参数估计值进行了 [7]RifeDc,VincentGA.Use oftheDiscreteFourierTransformin 对比分析。实验结果表明,该算法较F盯算法进一 the Measurement of Frequencies nad levels of Tones[J].The bell S ̄tem 步抑制了泄漏,有效地提高了电力系统谐波的频率、 Technical Journal,1970(1):197-228 [8]张介秋,梁昌洪,陈砚圃.基于卷积窗的电力系统谐波理论 幅值和相位的估计精度。而且随着分析窗宽度的进 分析与算法[J].中国电机工程学报,2004,24(11):48-52. 一步增加,估计精度还会进一步提高。 [9]赵文春,马伟明,胡 安.电机测试中谐波分析的高精度 在采样失步度较大、某个幅值较小的谐波信号 FFr算法[J].中国电机工程学报,2001,21(12):83-87. 附近存在一个幅值较大的谐波信号时,对该弱信号 (编校:夏书林) ◆◆-Il-◆一 ◆ ◆I一l◆◆ (上接22页) 维护管理等主要功能的设计。通过该设备管理系 和要求,得到标准一致的维护计划书。维护计划实 统,可以为不同的用户设置不同的使用权限,提供设 施过程中,设备维护人员要实时记录各种维护信息, 备基础信息以及运行和维护信息,为用户查询、浏 便于监控维护的执行和为设备主管提供决策信息。 览、分析和决策提供重要的信息资源。此外,系统还 从系统开发技术的角度来说,这部分的主要工作是 提供了设备维护计划的编制实施、查询和计算等功 数据的管理和操作,但是计划编制和实施的制订要 能,有利于设备维修和保养。 根据企业或行业的要求来具体设计,这是本模块开 发的难点。 参考文献 3 结束语 [1]丁超.计算机在设备管理中的应用[J].石油矿场机械, 基于网络的设备管理系统适应了现代企业发展 2003,32(1):87. [2]阿尔赫(Alhir,s.s.).UML高级应用[M].韩宏志,译。北 的需求,这也是企业信息化的工作之一。本文在系 京:清华大学出版社,2003. 统功能描述的基础上,基于UML建模方法分析了系 [3]童秉枢,李学志,吴志军.机械CAD技术基础[M].2版. 统用例、系统类图和系统动态模型等。在系统设计 北京:清华大学出版社,2003. 过程中,提出了基于C/S结构的系统体系结构和较 [4]陈珂,殷国富,姜华,等.计算机辅助设备管理信息系 完整的系统功能软件框架,分别实现了基于角色的 统设计[J].四川大学学报:工程科学版,2004,36(6):82-86. (编校:夏书林) 用户管理、设备基础信息管理、系统决策分析和设备