快速傅立叶变换在供电谐波检测中的应用

孙辉

摘 要：在电力系统中，谐波检测通常是作为抑制谐波的重要手段，准确有效地确定信号中的谐波分量，对于改善电能质量有重要意义。快速傅立叶变换（FFT）能够实现整数次谐波检测，本文介绍了FFT的基本原理，并针对4种不同的谐波试验结果进行了MATLAB仿真试验。4种变换结果比较表明，傅立叶变换能获取原始信号频率成分，并能有效实现各次谐波的分离、准确地检测到谐波出现的时刻、获取各次谐波的实时波形、识别振荡谐波的变化趋势。仿真试验的结果验证了该方法的有效性及频率估计的精确度。

关键词：谐波分量；谐波检测；电能质量；谐波分析；快速傅立叶变换

中图分类号：TM935 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）21-0150-02

引 言

近年来，由于各种非线性负载的广泛应用，电网中的无功功率和谐波污染已经成为一个非常严重的问题，谐波及间谐波问题已经引起广泛关注[1～2]。为准确地测量到谐波分量，首先必须对信号进行精确同步采样，否则，会在FFT算法中造成频谱泄漏[3]。

对谐波进行实时的监测，确切掌握系统谐波状况，对于防止谐波危害、维护电网的安全运行十分必要。目前谐波分析的方法有很多种，主要有基于FFT的检测方法、小波变换提取基波分量的方法、自适应电流检测方法、基于瞬时无功功率理论的p-q法和ip-iq法[4]。本文提出了一种基于FFT的电力系统谐波分析方法，此方法可準确地检测出次各次谐波分量和频率相近的谐波。

1 快速傅立叶变换

进行电力系统谐波分析的思想，是利用傅立叶变换将畸变波形分解成基频分量和各次谐波分量，通过频谱分析各次谐波分量的幅值和相位来描述波形畸变水平。傅立叶变换是对整个时间段的积分，为了得到一个时域信号的频域特征，必须使用信号在时域的全部信息[5]。

2 实验研究

在淮南矿业集团新庄孜矿的新工广变电站和新中央变电站内安装北京丹华昊博电气有限公司的电能质量在线检测装置，所安装电能质量在线监测装置分别接入I段母线和II段母线，两段母线又分别在有无滤波柜以及有无绞车的四种状态下分别检测谐波，并记录波形。分析各次谐波所占有效值的百分比，最后给出本次试验的结论。

以下分析新工广变电站I段、II段母线和新中央变电站的I段、II段母线分别在有无滤波柜以及有无绞车的四种情况下多次典型试验的波形及谐波所占有效值的百分比，重复进行的试验没有体现，试验波形和谐波所占有效值的百分比均取自丹华昊博公司KA2003-DNZL电能质量在线监测装置。

3 仿真分析

本文使用MATLAB软件作为仿真工具，验证了算法的准确性，以及易实现、跟踪速度快的优点。试验结果直接取自北京丹华昊博电力科技有限公司KA2003-DNZL电能质量在线监测装置，在信号采样方面，采样点数为400，然后将试验结果导入到MATLAB软件中，对仿真信号进行FFT分析，可以得到的电压、电流波形以及各次谐波幅值和百分比。

3.1 无滤波柜、无绞车

2017年5月25日10：30，利用新工广变电站I段母线，在无滤波柜、无绞车的情况下，对变电站供电电压、电流波形进行录波。

通过该电能质量在线监测装置直接测量出，进线电流有效值为832.7155A，波形如图1所示。各次谐波所占有效值的百分比如表1所示。

3.2 有滤波柜、无绞车

2017年5月25日11：13，利用新工广变电站II段母线，在有滤波柜、无绞车的情况下，对变电站供电电压、电流波形进行录波。

通过该电能质量在线监测装置直接测量出，进线电流有效值为67.5963A，波形如图2所示。各次谐波所占有效值的百分比如表2所示。

3.3 无电容、有绞车

2017年5月26日10：30，利用新中央变电站I段母线，在无电容、有绞车的情况下，对变电站供电电压、电流波形进行录波。该次试验主要检测绞车在启动过程中的谐波。

通过该电能质量在线监测装置直接测量出，绞车线路电流有效值为123.3276A，波形如图3所示。各次谐波所占有效值的百分比如表3所示。

3.4 有电容、有绞车

2017年5月26日11：18，利用新中央变电站II段母线，在有电容、有绞车的情况下，对变电站供电电压、电流波形进行录波。该次试验主要检测绞车在启动过程中的谐波。

通过该电能质量在线监测装置直接测量出，绞车线路电流有效值为120.4679A，波形如图4所示。各次谐波所占有效值的百分比如表4所示。

从以上的波形对比可以看出，在变电站没有绞车投入运行时，波形为具有近乎完美的正弦波，谐波可以忽略。但当绞车投入运行时，特别是在没有滤波柜和电容的情况下，电流波形会发生一定的畸变，既有较大的谐波分量。

4 结 论

谐波测量是检测电网谐波水平和分析采取抑制措施的重要手段。利用快速傅立叶变换进行多种谐波试验，并进行MATLAB仿真试验，表明信号经过傅立叶变换后可以获得各次谐波的有效值及其百分比，这为治理谐波污染提供了重要依据。

通过对淮南矿业集团新庄孜矿的新工广变电站和新中央变电站进行为期两天的谐波检测试验，并结合记录的波形，并结合MATLAB等软件对波形进行快速傅里叶变换，分析结论我们得出：

（1）当绞车在启动过程中，产生的谐波较大，主要谐波为5、7、11次；

（2）当没有绞车运行或是绞车在正常运行过程中，产生的谐波很小，可以忽略不计；

（3）装设滤波柜对谐波有一定的改善作用。

参考文献

[1]林海雪.电力系统中的间谐波问题[J].供用电，2001，18（3）：6～9.

[2]马 垚，曲轶龙.基于模糊变步长自适应谐波检测算法的研究[J].现代电力，2008，25（2）：1～4.

[3]张新刚，王泽忠，吴忠燕，李静威.谐波对电能计量影响的分析与测试[J].现代电力，2003，20（2）9：24～28.

[4]荣海舟，栗时平，逯培兵，郑 龙.基于最小二乘法原理与FFT的改进型谐波分析方法[J].现代电力，2008，25（2）：24～27.

[5]刘 芳，陈君诚，韩 璐，许丽云.基于小波变换和快速傅立叶变换的电网谐波分析[J].通信电源技术，2009，26（4）：17～19.

[6]张 斌，孙 静.基于Mallat算法和快速傅立叶变换的电能质量分析方法[J].电网技术，2007，31（19）：35～40.

收稿日期：2018-6-24

作者简介：孙 辉（1989-），男，硕士，主要研究方向为电力系统调度自动化技术、电力市场交易运行与分析。