电力系统谐波检测方法概述

       摘要：文章从谐波检测的重要性和谐波检测所应达到的基本要求出发，对当前国内外存在的各种谐波检测方法进行归类和分析，重点阐述了各自的优势和缺点，以期为更好地进行谐波检测作理论准备。
       关键词：谐波检测；傅立叶变换；小波分析
       近年来，随着各种非平稳、非对称、非线性电气装置（如电力机车、变频器等）的投入使用，电网中的谐波含量急剧增长。大量谐波的存在不仅降低了电能质量，同时还影响到电网的安全稳定运行。因此，谐波必须得到有效治理。而谐波治理的基础和依据无疑是进行准确的谐波检测。
       从实际应用看，谐波检测的研究已获得不菲的成果，各种方法层出不穷，但这些方法都有各自优缺点和适用场合，需要进行系统梳理，以便更好地发挥各自特色。
1 谐波检测的主要作用
谐波检测是分析谐波源和治理谐波的关键步骤，其作用主要如下：
①能对谐波源的谐波产生情况进行准确定性，从而为“谁污染，谁治理”条款的实施提供科学依据。
②通过定期或不定期检测，掌控电网的谐波水平，从而确保电力系统设备的安全及经济运行。
③遇到谐波事故，进行合理检测后，能为事后治理提供决策帮助。
2 谐波检测的基本要求
谐波检测是解决谐波问题的关键因子，其基本要求如下：
①谐波测量的方法和测量数据的处理都须遵照GB/T 14549-93《电能质量：公用电网谐波》的要求。
②由于电网的状态转换速度非常之快，因此要求相关的谐波检测方法具有相应的动态跟踪能力。
③为了不产生误判，要求各类谐波检测方法具有一定的抗御杂波、噪音等非特征信号分量的能力。
④稳定性好。要求在电力系统各种运行情况（正常或异常）下都能测出谐波。
3 谐波检测的方法
       从根本上说，谐波检测其实就是对电力系统中特定点的电流和电压信号进行采集，然后作某种数学处理，并将提取出的特征量和相关标准进行比对的过程。
       它一般包括三个步骤：信号预处理、谐波幅值和相位测量、结果再处理。其中，信号预处理和结果再处理是谐波检测方法的核心，不同的谐波检测方法在这两个方面有着本质的区别。
3.1 模拟滤波器法
       我们知道，一般的信号处理方法有两大类，一类是基于频域理论的，一类是基于时域理论的。对谐波检测来说，基于频域理论的方法就是模拟滤波器法。该方法是最早被用来检测谐波的。其检测原理为：采用滤波器将基波电流分量滤除，得到谐波分量，或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。
       方法优点：简单有效，实现成本低，且因输出阻抗较小，所以相关的品质因素变得易于控制。
       方法缺点：①滤波电路由许多LC元件构成，这些元件决定了滤波频率，但同时它们受环境影响很大，较难获得稳定和理想的相频、幅频特性。②一般说来，一组滤波电路只能检测某个频率的谐波，因此，当需要同时检测多个谐波分量时，滤波电路会变得非常复杂，增加了实现难度。③当电网频率发生波动，检测精度会明显下降。且检测出的谐波中含有较多的基波分量。④该检测方法运行时，系统损耗较大。随着新的谐波检测方法的逐渐成熟，模拟滤波器往往不是优先选用的方法。
3.2 傅立叶变换法
       我们知道，谐波也是周期量，因此可以分解为傅立叶级数，如式（1）所示。f（t）=a0+cn sin（nωt+?n）（1）基于傅立叶变换的谐波检测法就是：对被检电信号按一定频率进行采样（按照香农采样定理，采样频率至少为最高频率分量的两倍），得到一组离散化数字序列，然后运用离散傅里叶变换过渡到快速傅里叶变换的原理，计算出基波和各次谐波的幅值与相位，以及谐波功率、谐波阻抗等更多信息。它是当今电力系统中常用的谐波检测方法。
方法优点：①当被检电信号中谐波的频率是工频的整倍数时，其测量精度是所有方法中最高的。②该方法实施起来比较简单和方便，且计算结果的内容丰富多彩。
方法缺点：①需要一定的采样时间作保障，且整个检测过程分两次变换才完成，计算量比较大，因此会花费较多的计算时间。一方面使得该检测方法的动态适应能力不强，另一方面也使检测结果的实时性不好（因检测结果体现的是一个长时间段内的谐波和无功电流情况）。②当存在间谐波（即谐波频率不是基波整数倍）时，用该方法进行检测将出现频谱泄漏和栅栏等现象，相应地计算结果中的谐波频率、相位和幅值都会不准确，以致达不到测量精度的要求。
       不过，虽然傅立叶变换存在着一些“胎伤”，但可以采取措施进行改进。常用的改进方法有：①采用双峰谱线修正算法；②采用加窗插值算法；③利用数字式锁相器（DPLL）使信号频率及采样频率同步，以此来对算法进行修正。
3.3 小波变换法
      小波分析是一门新兴的数学理论，是时域分析（特别是突变信号的分析与处理）的重要工具，而电力谐波正是具有随机出现、随机消失等显著特点，因此，利用小波变换进行谐波检测无疑是一个很好的选择。简要来说，小波变换法就是对谐波离散采样后，利用小波变换的数学方法，
将电网中的不同次谐波进行“区别”变换，并得到不同尺度的“投影结果”，从而将高频、奇异谐波明显显现出来。
       关于小波变换对不同次谐波的“区别”变换，可以用一个形象的比喻来说明：小波可看成一个能自动“调焦”的双时窗。当高频信息到来时，这个时窗变窄，信号的高频分量就变得细致和显著起来；当低频信息到来时，这个时窗又自动变宽，信号的低频分量就凸显出来。