一种超高次谐波测量装置及测量方法
阅读说明：本技术 一种超高次谐波测量装置及测量方法 (Ultrahigh harmonic measurement device and measurement method ) 是由 姚东方 俞友谊 刘田翠 易怀权 董光忠 代强 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种超高次谐波测量装置,同时还涉及相应的测量方法,属于电能质量检测技术领域。该装置背板的模拟输入接口通过一组并联的滤波转换电路分别接FPGA的相应输入端,滤波转换电路由带通滤波器和数模转换器组成；数字输出输出接口通过背板网络接口和网络物理层接口接FPGA的对应输入端；带通滤波器由串接的模拟前端电路、并联的第一和第二滤波电路构成；数模转换器的输出端接FPGA的相应输入端口。在本发明装置基础上的方法实际上实现了根据实测幅频特性对最终谐波计算结果的修正,从而提高谐波测量精度。采用本发明可以使测量数据具备可重复性和一致性,可以切实符合IEC 61000-4-30(3.0版)的要求。(The invention relates to an ultrahigh harmonic measurement device and a corresponding measurement method, belonging to the technical field of power quality detection. The analog input interface of the backboard of the device is respectively connected with the corresponding input end of the FPGA through a group of filter conversion circuits which are connected in parallel, and each filter conversion circuit consists of a band-pass filter and a digital-to-analog converter; the digital output interface is connected with the corresponding input end of the FPGA through a backboard network interface and a network physical layer interface; the band-pass filter consists of an analog front-end circuit connected in series and a first filter circuit and a second filter circuit connected in parallel; the output end of the digital-to-analog converter is connected with the corresponding input port of the FPGA. The method based on the device actually realizes the correction of the final harmonic calculation result according to the actually measured amplitude-frequency characteristic, thereby improving the harmonic measurement precision. The invention can lead the measured data to have repeatability and consistency and can practically meet the requirements of IEC61000-4-30(3.0 edition).)
技术领域
本发明涉及一种谐波测量装置，尤其是一种超高次谐波测量装置，同时还涉及相应的测量方法，属于电能质量检测技术领域。
背景技术
随着分布式光伏发电、微电网、电动汽车充电桩等大量接入配电网，以及含高开关频率IGBT逆变器的广泛应用，虽然由于开关频率提高改善了常规谐波污染的电能质量，但由此又带来了高次谐波的问题。
高次谐波尚无准确定义，从相关国际标准的演变来看，在IEC 61000-4-30（2.0版）（或IEC 61000-4-7）（08版）标准中，对高次谐波的定义是信号当中谐波频率2KHz以上至9KHz频率的分量。在IEC 61000-4-30（3.0版）当中，将高次谐波的频率上限扩展到了150KHz。由此可知，高次谐波的覆盖范围随着应用的扩展而发生变化。开关器件频率越来越高使原先9KHz频率已不能涵盖可能产生的高次谐波频率，因而有必要扩展其上限。虽然从谐波源的角度，高次谐波本身的发射值并不高，但由于诸如配电网电缆化、分布电容等原因，引起高次谐波会放大或产生谐振，导致高次谐波影响电能质量。据申请人了解，现有电能质量监测装置按照谐波（2~50次）的频率范围进行测量设计，对高次谐波缺乏监测，因此无法获取实际高次谐波发射值数据，对出现问题时的分析排查解决非常不利。
2015年正式颁布的IEC 61000-4-30（3.0版）将高次谐波2-150KHz频段划分为2-9KHz和9-150KHz两个频段，其中2-9KHz的高次谐波测量仍然采用IEC 61000-4-7推荐的计算方法进行测量计算，而对于9-150KHz的高次谐波，则因实现上的差异、应用场景的不同、测量准确性和代价的折中，并未给出切斜的测量方法，而只给出一些建议。因此，超高次谐波的测量成为受到关注的重要课题。
检索可知，申请号为201910458946.5的中国专利文献公开一种基于柔性原子滤波的超高次谐波测量方法，该方法通过在超高次频带范围内设置多个FAF，使得滤波测量带宽无重叠地覆盖整个超高次频带；离散的超高次谐波信号与FAF的离散化表达式作内积处理后，根据计算结果确定相应超高次谐波频率与幅值。该专利的技术方案不符合IEC 61000-4-30（3.0版）中明确要求的测量方法，虽然可针对单点测量，但由于测量数据不具备可重复性，因此不能进行区域数据的统计分析，无法通过数据分析评估高次谐波在时间尺度上的统计意义。
申请号为201810826416 .7的中国专利文献公开了一种基于压缩感知的超高次谐波检测装置及检测方法，将传感电路安装在配电网测量端，传感电路输出的信号先经过高通滤波器，其次与多功能数据采集卡D/A模块输出的伪随机序列进行混频后送入低通滤波器，再通过多功能数据采集卡A/D模块实现对信号的低速采样，最后信号经过USB总线上传至上位机完成对信号的重构与显示。高通滤波器设计为增益可调，除滤除工频及其它低频信号干扰外，还可实现对信号的调理。低通滤波器设计为截止频率可调，则可实现变压缩比检测。多功能数据采集卡的同步触发模块可实现D/A和A/D同步，构造出相位偏差为0时的观测矩阵，提高重构精度。该专利的技术方案虽然通过复杂电路结构在降低采样频率和采样点数的情况下可以得到高次谐波的测量结果，但不仅控制策略复杂，而且实际分析数据源为重构数据、并非原始信号数据，测量方法完全不满足IEC 61000-4-30（3.0版）中的要求。
申请号为202010395443 .0的中国专利文献公开了一种基于定频非同步采样的超高次谐波测量方法，测量仪器采样频率为409 .6KHz，对测得电压电流信号进行滤波、分频处理，滤掉频率低于1 .5KHz以及高于64KHz的谐波分量；以200ms为一个基本测量窗，提取其中0-20ms、80-100ms、160-180ms数据，分别进行离散傅里叶分析并求均值作为输出频谱分析结果；以2KHz带宽对上述结果进行聚合，输出聚合频谱信号；对聚合频谱信号每3s无间隙进行时间窗聚合，求其均方根值，并输出时频域处理结果。该专利的技术方案虽然对高次谐波的测量范围、计算方法参照了部分IEC 61000-4-30（2.0版）中2KHz~9KHz的处理方式和计算方法，但完全不满足IEC 61000-4-30（3.0版）的要求，因为IEC 61000-4-30（3.0版）定义了标准化的测量以及数据处理规范，只有在此前提下不同的装置针对同一个测量点的测量结果才具备一致性、从而为区域统计奠定基础。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的缺点，提出一种不仅测量数据具备可重复性和一致性，并且具有足够测量精度的超高次谐波测量装置，同时给出相应的测量方法，从而切实符合IEC 61000-4-30（3.0版）的要求。
为了达到以上目的，本发明超高次谐波测量装置的基本技术方案为：包括具有网络接口和网络物理层接口以及模拟输入接口和数字输出输出接口的背板；
所述模拟输入接口通过一组并联的滤波转换电路分别接FPGA的相应输入端，所述滤波转换电路由带通滤波器和数模转换器组成；
所述数字输出输出接口通过背板网络接口和网络物理层接口接FPGA的对应输入端；
所述带通滤波器由串接的模拟前端电路、并联的第一和第二滤波电路构成；
所述模拟前端电路由将单一输入变换为两路原始输入的两路跟随回路构成，用以分别将2—9KHz、9—150KHz的信号传输到相应的滤波电路；
所述第一滤波电路由串联的第一低通滤波回路和第一高通滤波回路组成，用以提取原始输入信号中9KHz以下及150KHz以下的信号；
所述第二滤波电路由串联的第二低通滤波回路和第二高通滤波回路组成，用以提取原始输入信号中2KHz以上及9KHz以上的信号；
所述第一滤波电路和第二滤波电路分别通过相应的信号调制电路接对应的数模转换器的输入端，用以将滤波后的信号放大并抬升到预定采样精度和分辨率；
所述数模转换器的输出端接FPGA的相应输入端口。
本发明超高次谐波测量方法由FPGA按以下步骤进行：
第一步、将预定个数的周波数据分成等间隔的时间片；
第二步、每个时间片里取连续的预定数量的采样值作为计算时间窗口，进行DFT或FFT变换，得到所需频率分辨率；
第三步、取预定个频率分量，以得到的频率分辨率为间隔，分别去掉预定数的最低结果和最高结果；
第四步、从保留结果中进行取最大、取最小及平均值操作，得到各高次谐波的最大、最小和平均值。
本发明进一步的完善是：预先实测出所述带通滤波器的第一和第二滤波电路在预定频率点的幅频特性，得到一个分段滤波系数；再利用所述实测得到的幅频特性，采用插值法求出9-150KHz全频段的幅频特性滤波系数，用以修正所述第一滤波电路和第二滤波电路滤波后的信号。
本发明更进一步的完善是：所述第二步中，按2的n次方逐渐增加预定数量的采样值计算时间窗口，分别进行DFT或FFT变换，得到一组频率分辨率；根据硬件计算能力确定其中最合适的数据窗口对应的频率分辨率，作为所需频率分辨率。
现有技术中的普通谐波测量要求2-50次(100HZ—2.5KHz)，超高次谐波测量分为2-9KHz谐波测量和9-150KHz谐波测量，长期以来的做法为100Hz—2.5KHz采用一阶滤波器、2-9KHz采用二阶滤波器，而9-150Khz要实现充分滤波需要设置8阶滤波器，成为难点。本发明以实际分析数据源为原始信号数据，合理设计了二阶滤波器，与现有技术相比具有两大特点：一是现有技术对于2-9KHz及9-150KHz输出都采用2KHz带宽进行聚集，不符合IEC61000-4-30中2-9KHz信号采用200Hz带宽进行聚集、9-150KHz信号采用2KHz带宽进行聚集的要求；而本发明的“算法”则严格按照IEC61000-4-30(3.0版)拟定，因此相互一致、完全满足要求，可以对不同厂家/品牌的监测设备在同一种信号源的条件下监测出的结果具备可比性，从而实现区域监测的可重复性和一致性。二是现有技术针对9-150KHz信号滤波，通过仿真要达到理想滤波效果，需要设置8阶硬件滤波器；而本发明则采用2阶硬件滤波器与合理的滤波处理流程有机结合，从而在大大降低硬件要求的同时，保证了测量精度。因此采用本发明可以使测量数据具备可重复性和一致性，可以切实符合IEC 61000-4-30（3.0版）的要求。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明一个实施例的装置构成框图。
图2是图1实施例中信号处理过程框图。
图3是图2中的模拟前端电路图。
图4是图2中的低通滤波电路图。
图5是图2中的高通滤波电路图。
图6是图2中的信号调制电路图。
图7是图2中的模数转换电路图。
图8是本发明实测滤波效果比较图。
具体实施方式
实施例一
本实施例的超高次谐波测量装置的构成如图1所示（参见图2-图6），背板具有网络接口和网络物理层接口以及模拟输入接口和数字输出输出接口。模拟输入接口通过一组并联的滤波转换电路分别接现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array）的相应输入端，滤波转换电路由带通滤波器和数模转换器组成；数字输出输出接口通过背板网络接口和网络物理层接口接现场可编程逻辑门阵列的对应输入端；带通滤波器由串接的模拟前端电路、并联的第一和第二滤波电路构成。
模拟前端电路如图3所示，由将单一输入变换为两路原始输入的U1A、U1B两路跟随回路构成，用以分别将2—9KHz、9—150KHz的信号传输到相应的第一和第二滤波电路。
如图4和图5所示，第一滤波电路由串联的U2A第一低通滤波回路和U3A第一高通滤波回路组成，只要选择合适参数的阻容器件即可实现提取原始输入信号中9KHz以下及150KHz以下的信号。第二滤波电路由串联的U2B第二低通滤波回路和U4B第二高通滤波回路组成，同样只要选择合适参数的阻容器件即可实现提取原始输入信号中2KHz以上及9KHz以上的信号。由于9KHz-150KHz的过度频带较窄，因此在本实施例中未采用传统的带通滤波器，而是采用低通与高通滤波回路串联的方式实现带通功能。
如图6所示，第一滤波电路和第二滤波电路分别通过U4A、U3构成应的信号调制电路接对应的数模转换器的输入端，将滤波后的信号放大并抬升到预定采样精度和分辨率。最后，参见图7，数模转换器的输出端接现场可编程逻辑门阵列的相应输入端口。
本实施例装置中的FPGA按以下步骤实现超高次谐波测量：
第一步、将预定个数的周波数据分成等间隔的时间片；具体为将整个10周波数据分成等间隔的时间片，比如：32，则每个时间片包含的数据点数为204800/32=6400点。
第二步、每个时间片里取连续的预定数量的采样值作为计算时间窗口，进行DFT或FFT变换，得到所需频率分辨率；具体为每个时间片里取连续的512个采样值作为计算的时间窗口，做DFT（离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform）或FFT（快速傅里叶变换）计算，则此时的频率分辨率就是(204800/512)*5Hz=2KHz。
第三步、取预定个频率分量，以得到的频率分辨率为间隔，分别去掉预定数的最低结果和最高结果；具体为得到256个频率分量后，以2KHz为间隔，去掉最低的4个结果和最高的181个结果，剩下的71个幅值就是从8KHz到150KHz的分量。
第四步、从保留结果中进行取最大、取最小及平均值操作，得到各高次谐波的最大、最小和平均值。具体为从32个结果当中进行取最大、取最小或平均值的操作，可以得到一个200ms计算时间内各次高次谐波（8-150KHz）的最大、最小和平均值，同时还可以输出一个总的最大值（所有71个值）。
以上第一步中，可以在每个时间片的数据窗上按2的n次方增加，每增加2倍，频率分辨率会增加到2倍，最终根据硬件的计算能力确定最合适的数据窗口和频率分辨率，当然这样带来的数据输出也会成倍的增加，需要酌情评估确定。
此外，预先通过实测出硬件滤波电路、即带通滤波器的第一和第二滤波电路在固定频率点(10KHz、20KHz…150KHz以10KHz为间隔)的幅频特性，形成一个分段滤波系数，再利用实测的幅频特性，采用插值算法计算出9-150KHz全频段的幅频特性滤波系数,根据全频段的幅频特性滤波系数，对硬件采集到的信号进行软件滤波，实质修正第一滤波电路和第二滤波电路滤波后的信号，抑制硬件2阶滤波带来的频段泄漏，这样可以进一步提高谐波的测量精度。
图8是实测的滤波效果图，通过标准源给装置加入频次从9-150KHz、幅值为3V的谐波信号，蓝色曲率较大的曲线是只经过两阶硬件滤波，未经软件滤波得到的9-150kHz幅频特性，可以看出其滤波效果仍不够理想，曲率较小的曲线为同等条件下再经过软件滤波处理后得到的幅频特性，可以看出滤波效果进一步改善。
每个时间片里取连续的512个采样值数据窗做DFT计算时，计算结果的频率分辨率是2KHz，当数据窗口增加到2倍时，也就是1024个采样值时，其计算结果的频率分辨率可到1KHz，但同时计算量也会增加2倍左右，所以数据窗越大其频率分辨率越小，最终根据硬件的计算能力和DFT的优化程序确定合适的数据窗口。
试验表明，本实施例采用2阶硬件滤波器与合理的滤波处理流程有机结合，因此可以使测量数据具备可重复性和一致性，显著提高了超高次谐波的测量精度。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。例如，FPGA也可以采用其它功能接近的智能器件代替。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
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