维普资讯 http://www.cqvip.com 第２５卷 第４期 国 外 电子测量技术 Ｖ０Ｌ ２５，ＮＯ．４ ２００６年４月 Ｆｏｒｅｉｇｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ａｐｒ．，２００６ 电力系统谐波检测方法的研究现状及其发展 罗德凌 唐朝晖。 （１．长沙航空职业技术学院电子电气工程系 湖南长沙４１０１２４） （２．中南大学信息科学与工程学院 湖南长沙４１００８３） 摘 要：随着各种电力电子变流装置的广泛应用，产生的谐波已成为污染电力系统的一大公害，准 确、实时地对电力系统谐波进行检测有着重要的意义。文中根据电力系统谐波分析原理，对近几年 电力系统谐波检测方法的研究现状进行阐述，讨论各种检测方法的特性，并对其发展趋势进行分析 和预测。 关键词：谐波 电力系统 检测方法 中图分类号：ＴＭ７ｌｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ Ｌｕｏ Ｄｅｌｉｎｇ ’ Ｔａｎｇ Ｚｈａｏｈｕｉ （１，Ｃｈａｎｇｓｈａ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０１２４） （２，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ—ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ，ｈａｒｍｏｎｉｃ ｈａｓ ａｌｒｅａｄｙ ｂｅｃｏｍｅ ａ ｓｅｒｉｏｕｓ ｅｆｆｅｃｔ ｔｏ ｐｏｌｌｕｔｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ａｃｃｕｒａｔｅ ａｎｄ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｆｏｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｈａｓ ｐｒｏｆｏｕｎｄ ｍｅａｎｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｓ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａｒｓ；ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｈａｒｍｏｎｉｃ，ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ． Ｏ 引 言 测、有谐波时各种电流量的测量方法及手段、谐波补 偿和抑制、谐波标准等问题ｌ２ｊ。 近年来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电 谐波检测是谐波问题的一个重要组成部分，也 力电子变流装置在电力系统、工业及家庭中的应用 是研究和分析谐波问题的主要依据和出发点。谐波 日益广泛，给人们带来了极大的方便。但与此同时 检测的主要作用有：①鉴定实际电力系统及谐波源 电力电子装置带来谐波问题对电力系统安全、稳定、 的谐波水平是否符合标准规定，包括对所有谐波源 经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来极大 设备投运时的检测。②电气设备调试、投运时谐波 影响，对电力设备危害尤其严重［１］。因此，对电力系 检测，以确保设备投运后电力系统和设备的安全及 统谐波问题研究已被人们逐渐重视。在谐波存在的 经济运行。⑧谐波故障或异常原因的测量。④谐波 情况下如何测量功率和谐波电流等有关电气量就显 专题测试，如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大 得非常重要。 等Ⅲ。 谐波问题包括畸变波形的分析方法、谐波源分 电力系统的谐波由于受非线性、随机性、分布 析、谐波的影响及危害、电网谐波潮流计算、谐波检 性、非平稳性及复杂性等因素影响，对谐波进行准确 作者简介： 罗德凌，男－，长沙航空职业技术学院教师，现在中南大学攻读硕士学位，研究方向为电力０ｇ－Ｔ技术和电力谐波分析。 唐朝晖，男，中南大学副教授，在读博士，研究方向为计算机应用、先进控制理论。 维普资讯 http://www.cqvip.com 国外 电子测最技术 第２５卷 检测并非易事，因此人们在不断探索更为有效的谐 波检测方法及其实现技术，文中对现有的谐波检测 方法进行综述，讨论各种检测方法的特性，并对其发 展趋势进行分析和预测。 发起了极大的推动作用。这两种方法都能准确地测 量对称的三相三线制电路的谐波值。ｉｐ—ｉｑ法适用 范围广，不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不 对称时也同样有效，图２是用ｉｐ、ｉｑ检测三相电路谐 １ 电力系统谐波检测的主要方法 目前，电力系统谐波检测主要是通过谐波电流 波电流的原理框图。而使用Ｐ—ｑ法测量电网电压 畸变时的谐波会存在较大误差。 的测量来实现，它主要有以下几种方法： １．１ 采用模拟带通或带阻滤波器检测 早期的谐波检测都是基于频域理论，采用模拟 滤波原理实现。图１所示为模拟并行滤波式谐波测 量装置框图［３］。由图可见，输入信号经放大后送入 一组并行联结的带通滤波器，滤波器的中心频率 ｆ１、ｆ２、…、ｆｎ是固定不变的（为工频的整数倍），且ｆｌ ＜ｆ２＜…＜ｆｎ 图１模拟并行滤波式谐波检测装置方框图 此种检测方法的优点是实现电路简单、输出阻 抗低、经济并且品质因素容易控制。但是该方法也 有明显的缺陷：（１）实现电路的滤波中心频率ｆ１、ｆ２、 …、ｆｎ对元件参数很敏感，受外界环境的影响很大， 因此很难获得理想的幅频特性及相频特性；（２）检测 的谐波中含有较多的基波分量，检测精度较低；（３） 仅能对少量谐波进行检测，如要检测多次谐波分量， 实现电路将变得复杂，设计上存在很大困难。 由于存在很大不足，而电力系统谐波检测要求 的不断提高以及各种新检测方法的不断推出，目前 基本上很少应用这种检测方法。 １．２基于瞬时无功功率的谐波检测 为了能在线实时监测和补偿谐波，日本学者赤 木泰文等人于１９８４年提出了基于瞬时无功功率理 论，并在此基础上提出了两种谐波电流的检测方法： ｐ－－ｑ法和ｉｐ～ｉｑ法＿４Ｊ，它是目前有源滤波器（Ａｃ— ｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆｉｌｔｅｒ简称ＡＰＦ）中应用最广的检测谐 波电流方法，对于谐波和无功补偿装置的研究和开 图２用ｉｐ、ｉｑ检测三相电路谐波电流的原理框图 这两种谐波电流的检测方法的优点是当电网电 压对称且无畸变时，各电流分量（基波正序无功分 量、不对称分量及高次谐波分量）的测量电路比较简 单，并且延时小。虽然被测量的电流中谐波构成和 采用滤波器的不同，因而会有不同的延时，但延时最 多不超过１个电源周期。如电网中最典型的谐波 源——三相整流器，其检测的延时约为１／６周期。 可见，该方法具有很好的实时性，缺点是硬件多，花 费大，并且该理论是基于三相三线制电路。对于单 相电路，必须首先将三相电路分解，然后构造基于瞬 时无功功率理论的单相电路谐波检测电路。 近几年，国内外许多学者对瞬时无功功率理论 进行了研究和发展，并提出广义瞬时无功功率理论， 在此基础上提出基于广义瞬时无功功率理论的谐波 检测方法，已初步应用与工程实践。基于广义瞬时 无功功率理论与瞬时无功功率理论一样，在解决谐 波总量实时检测方面比较方便，而对各次谐波检测 则达不到要求。 ． １．３基于傅立叶变换的谐波检测 基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也 是最广泛的一种方法。它由离散傅立叶变换过渡到 快速傅立叶变换的基本原理构成，这种方法根据采 集到的１个周期的电流值或电压值进行计算，得到 该电流所包含的谐波次数以及各次谐波的幅值和相 位系数，将拟抵消的谐波分量通过傅里叶变换器得 出所需的误差信号，再将该误差进行Ｆｏｕｒｉｅｒ反变 换，即可得补偿信号口］。 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第４期 罗德凌等：电力系统谐波检测方法的研究现状及其发展 使用此方法测量谐波，精度较高，功能较多，使 用方便。其缺点是需要一定时问的电流值，且需进 行二次变换，计算量大，计算时间长，从而使得检测 时问较长，检测结果实时性较差。而且在采样过程 中，当信号频率和采样频率不一致时，使用该方法会 产生频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出的信号参 数（即频率、幅值和相位）不准确，尤其是相位的误差 很大，无法满足测量精度的要求，因此必须对算法进 行改进。目前，改进的傅立叶变换在减少频谱泄漏 上有３种方法：（１）利用加窗插值算法对快速傅立叶 算法进行修正的方法［６］。该方法可减少泄漏，有效 地抑制谐波之间的干扰和杂波及噪声的干扰，从而 可以精确测量到各次谐波电压和电流的幅值及相 位。（２）修正理想采样频率法 。这种方法的主要 思想是对每个采样点进行修正，得到理想采样频率 下的采样值。该方法计算量不大，并不需要添加任 何硬件，实时性比上一种方法好，适合在线测量，但 只能减少５０ 的泄漏。（３）利用数字式锁相器 （ＤＰＬＩ ）使信号频率和采样频率同步。图３为频率 同步数字锁相装置框图。图中数字式相位比较器把 取自系统的电压信号的相位和频率与锁相环输出的 同步反馈信号进行相位比较。当失步时，数字式相 位比较器输出与二者相位差和频率差有关的电压， 经滤波后控制并改变压控振荡器的频率。直到输入 频率和反馈信号频率同步为止。一旦锁定，便将跟 踪输入信号频率变化，保持二者的频率同步，输出的 同步信号去控制对信号的采样和加窗函数。这种方 法实时性较好［１｛］。 信号频率 步频 输入 输出 图３频率同步数字锁相装置框图 目前，在电力系统稳态谐波检测中大多数采用 快速傅立叶变换及其改进算法，而对于波动谐波或 快速变化的谐波，则需另寻他法。 １．４ 基于神经网络的谐波检测 神经网络在提高计算能力、对任意连续函数的 逼近能力、学习理论及动态网络的稳定性分析等方 面都取得了丰硕的理论成果，在许多领域还得到实 际应用，如模式识别与图像处理、控制与优化、预测 与管理、通信等［。Ｉ。 神经网络应用于电力系统谐波检测尚属起步阶 段，它主要有３方面的应用：①谐波源辨识；②电力 系统谐波预测；③谐波检测。将神经网络应用于谐 波检测，主要涉及网络构建、样本的确定和算法的选 择Ｅ 。 用人工神经网络实现谐波与无功电流检测不仅 对周期性变化的电流具有很好的跟踪性能，而且对 各种非周期变化的电流也能进行快速跟踪，对高频 随机干扰有良好的识别能力。 基于神经网络的谐波检测方法具有许多优点， 计算量小；检测精度高；实时性好，可以实时检测任 意整数次谐波；对数据流长度的敏感性低；抗干扰性 强，在谐波检测中可以应用随机模拟信号处理方法， 对信号源中的非有效成分当作噪声处理。但是，神 经网络在谐波检测中的实际应用还有很多问题，例 如，没有规范的神经网络构造方法，没有规范的确定 需要样本数方法、需要大量的训练成本等等。另外。 神经网络作为当前的一种新理论和新方法、研究和 应用的时间还很短，在具体实际方面还有许多要完 善的地方，因此目前在谐波检测中还处于初步探讨 阶段。 １．５ 基于小波变换的谐波检测 小波变换是一种十分有效的时频分析工具，它 克服了傅立叶变换在分析非稳态信号方面的局限 性，即在频域完全局部化而在时域完全无局部性的 缺点。 小波变换采用不同尺度的分析方法，能在信号 的不同部位得到最佳的时域分辨率和频域分辨率， 特别适用于边缘和峰值突变信号的处理和特征抽 取，为非稳态信号的分析提供了一条新的途径口 。 利用小波变换能将电力系统中产生的高次谐波 变换投影到不同的尺度上，从而明显地表现出高频、 奇异高次谐波信号的特性，特别是小波包具有将频 率空间进一步细分的特性，从而为谐波分析提供了 可靠依据。小波变换是一个时间和频率的局域变 换，对波动谐波、快速变化谐波的检测有很大的优越 性，目前是此类谐波检测的主要方法。 通过对含有谐波的电流信号进行正交小波分 解，分析了电流信号的各个尺度的分解结果，并利用 维普资讯 http://www.cqvip.com ８ 国 外 电子测量技术 第２５卷 多分辨的概念将低频段（高尺度）上的结果看作不含 谐波的基波分量。基于这种算法，可以利用软件构 成谐波检测环节，且能快速跟踪谐波的变化＿ｌ引。 但是小波变换并不能完全取代傅立叶变换，这 是因为小波变换在稳态谐波检测方面并不具有理论 研究奠定基础，为新检测方法和检测手段提供依据。 （６）利用小波变换、神经网络进行谐波分析也是・ 当今谐波检测的重要发展趋势。 ３ 结束语 根据不同情况合理选择谐波检测方法，为谐波 分析提供详细、准确、实时的数据和信号，是提高检 测效果、改善电能质量的重要一步。国内外对这方 优势，另外小波变换的理论和应用在谐波检测方面 尚处于初始阶段，还存在许多不完善之处，例如缺乏 系统规范的最佳小波基的选取方法。将小波变换和 神经网络结合起来对谐波进行分析，并设计和开发 基于小波变换的谐波监测仪将会是很有意义的。 综上所述，带通滤波是早期模拟式谐波检测装 置的基本原理；瞬时无功功率理论可用于谐波的瞬 时检测和无功补偿等谐波治理领域；傅立叶变换是 目前谐波检测中应用最多、应用最广泛的基本理论 依据；神经网络理论和小波分析方法应用于谐波测 量是目前正在致力研究的新方法和新理论，它可以 提高谐波测量的实时性和精度。 ２谐波检测的发展趋势 目前，很多学者、专业技术人员在谐波检测方面 进行了深入细致的研究，已经在理论和实际上得到 了初步实现，但是还不够完善。随着现代化建设的 向前发展，各种电力电子装置的广泛应用，电力系统 变得愈加复杂，对电能质量要求也日益提高，这就对 谐波检测方法理论和实现技术提出了更高要求。未 来谐波检测的主要发展趋势为： （１）谐波检测算法向智能化、复杂化发展；谐波 求解方法从简单的函数分析方法向复杂的数值分析 和信号处理方向发展，针对非稳态波形畸变等问题， 寻求新的数学方法。 （２）由确定性、慢时变的谐波检测向随机、实时 条件下转变；谐波检测的实时分析与控制目标相结 合，使检测与控制一体化。 （３）完善现有的谐波检测理论体系，研究一些新 的检测方法，实现快速、暂态谐波跟踪，是电力系统 安全稳定运行深入发展的需要。 （４）谐波检测效果向高精度、快速度和高可靠性 发展，以满足实际应用需要，如多通道谐波分析仪和 电能质量检测仪等高智能仪器的开发和研制。 （５）建立一套能将传统功率理论包括在内、物理 意义明确的通用功率理论，为谐波特性识别方法的 面的研究都比较重视，在线谐波检测的理论和应用 正在不断发展。随着各种先进技术和理论的应用， 特别是计算机在谐波检测中的具体使用，谐波检测 的实时性和精度要求一旦解决，相信电网谐波检测 技术将逐渐得到发展和完善。 参考文献 ［１］王兆安，等．谐波抑制和无功功率补偿［Ｍ］．北京：机械 工业出，１９９８． ［２］涂春鸣，罗 安．电网谐波分析与治理一体化系统的研 究［Ｊ］．计算机测量与控制．２００３．１２（７）：６３２ ６３４． ［３］吕润如．等．电力系统高次谐波［Ｍ］．北京：中国电力出 版社．１９９８． ［４］李圣清，罗 飞，张昌凡．基于ｉｐ及ｉｑ运算方式的改进 型谐波电流检测方法［Ｊ］．电气传动，２００３，３３（２）：４８— ５Ｏ． ［５］张伏生，等．电力系统谐波分析的高精度Ｆｏｕｒｉｅｒ算法 ［Ｊ］．中国电机ｌ丁程学报，１９９９，１０（３）：６３—６６． ［６］Ｇｒａｎｄｋｅ Ｔ．Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕ— ｒｌｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓ ｏｆ ｗｅｉｇｈｔｅｄ ｓｉｇｎａｌｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ ＩＭ，１９８３，３２：３５０－３５５． ［７］Ｘｉ Ｊｉａｎｇｔａｏ．Ａ ｎｅｗ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａ— ｃｙ ｏｆ ｐｅｒｉｏｄｉｃ ｓｉｇｎａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ ＩＭ， １９９６，８：８２７－８３０． ［８］Ｆｅｒｒｅｒｏ Ａ．Ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ Ｆｏｕｉｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｙｎ— ｃｈｒｏｎｏｕｓ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ｏｎ ＩＭ， １９９２，４１（６）：７８０—７８５． ［９］张乃饶，等．神经网络与模糊控制［Ｍ］．北京：清华大学 出版社，１９９８． ［１Ｏ］袁曾任．人工神经元网络及其应用ｒＭ］．北京：清华大 学出版社，１９９９． ［１１］任震，等．小波分析及其在电力系统中的应用ｒＪ］．电 力系统自动化，１９９７，２１（１２）：５７。１３－１７． ［１２］杨桦，等．基于小波变换检测谐波的新方法Ｉ－Ｊ］．电力 系统自动化。１９９６，２１（１０）：３９—４１．
