邱永生,王 燦,楊 宇
電氣化鐵道是我國交通運(yùn)輸?shù)闹饕α?,具有很多?yōu)越性,但是也存在一些問題,最主要的就是電力機(jī)車在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的電力諧波[1],使電網(wǎng)電壓波形產(chǎn)生畸變,給電網(wǎng)帶來極大危害。與此同時(shí),牽引線路獨(dú)特的諧波特征也成為一些保護(hù)的重要判據(jù)[2]。所以無論從諧波的抑制還是從諧波的應(yīng)用來看,諧波測量都非常關(guān)鍵。
目前諧波測量方法主要分為4類。第1類基于傅立葉變換的諧波測量,其主要優(yōu)點(diǎn)是精度較高,使用方便,而不足是計(jì)算量大造成檢測時(shí)間較長,當(dāng)信號頻率和采樣頻率不一致時(shí)會產(chǎn)生頻譜泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng),造成測量誤差。針對其不足提出的很多解決方案[4~6]都取得一些成果。基于傅立葉變換的諧波測量仍然是當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用的主要方法。第 2類是基于瞬時(shí)無功功率的諧波測量[7,8],第 3類和第4類則分別是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波測量[9,10]和基于小波分析的諧波測量[11~13],后 3類方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)[3],相關(guān)文獻(xiàn)都進(jìn)行了詳細(xì)闡述。
使用傅立葉算法計(jì)算諧波,如果計(jì)算諧波次數(shù)較少時(shí)一般直接使用DFT算法并合并同類項(xiàng)來計(jì)算各次諧波,如果計(jì)算諧波次數(shù)較高時(shí)一般則使用FFT算法。使用 FFT算法計(jì)算諧波時(shí)間較長,往往每隔一個(gè)基波周期以上時(shí)間計(jì)算一次或在程序的主循環(huán)中計(jì)算,實(shí)時(shí)性不夠強(qiáng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步以及對裝置要求的提高,有些地方往往要求每個(gè)采樣間隔都能提供當(dāng)前的諧波數(shù)值,以適應(yīng)保護(hù)控制或測量的需求,這時(shí)再使用以上2種計(jì)算方法就會使資源很緊張甚至不夠用。本文使用傅立葉遞推算法并采用簡化的測頻回路,運(yùn)算函數(shù)極其簡潔,可以在每個(gè)采樣中斷點(diǎn)計(jì)算出當(dāng)前各次諧波值,同時(shí)僅占用中斷內(nèi)極少的CPU時(shí)間,提高了運(yùn)算速度,為裝置的其他工作如保護(hù)運(yùn)算、控制等爭取了更多時(shí)間。
遞推法諧波測量仍然是基于傅立葉變換[14],設(shè)輸入量傅立葉級數(shù)表達(dá)如下:
式中,l為諧波的次數(shù),l= 0,1,…,m;ω為基波角頻率;Acl、Asl為第l次諧波的余弦和正弦分量的幅值。
根據(jù)傅立葉變化可得:
式中,Ts為采樣間隔,T=TsN為信號基波周期,則N為一個(gè)基波周期內(nèi)的采樣點(diǎn)。將式(2)和式(3)中x(t)按采樣順序離散化,并采用矩形積分近似可得:
Acl(k)、Asl(k)分別對應(yīng)當(dāng)前時(shí)刻點(diǎn)第l次諧波的余弦和正弦分量的幅值,同理可得前一采樣間隔時(shí)刻點(diǎn)Acl(k-1)、Asl(k-1)的計(jì)算公式:
分別用式(4)—式(6)和式(5)—式(7)整理,可得:
由式(8)和式(9)就可以求得各次諧波分量的模值和相位角[15]。由式(8)和式(9)可見,用遞推法計(jì)算基波及各次諧波非常簡潔,相對于 FFT來說運(yùn)算量非常小,更不用說普通DFT,而且該方法不需FFT算法要求的每周波采樣點(diǎn)N為2的整數(shù)次冪。隨著采樣頻率的增加,F(xiàn)FT算法計(jì)算時(shí)間成倍增長,而遞推法計(jì)算時(shí)間卻不變,這也是遞推法的重要優(yōu)點(diǎn)。
觀察式(8)和式(9),如果CPU在從存儲設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤,無論Acl(k-1)、Asl(k-1)、(2/N)cos(2lkπ/N)、(2/N)sin(2lkπ/N)、xk、x(k-N)中任何一個(gè)出錯(cuò),由于該方法是遞推的,就會導(dǎo)致該錯(cuò)誤一直保持在計(jì)算結(jié)果中,導(dǎo)致永遠(yuǎn)的錯(cuò)誤。當(dāng)然,針對現(xiàn)在的技術(shù)而言,CPU從存儲設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的可能性是非常小的,但仍要保證萬無一失。可采用比較雙數(shù)據(jù)區(qū)的方案來解決。首先是采樣值采用雙數(shù)據(jù)區(qū),Acl(k-1)、Asl(k-1)、(2/N)cos(2lkπ/N)、(2/N)sin(2lkπ/N)也同樣采用雙數(shù)據(jù)區(qū)。計(jì)算時(shí),分別對2個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行計(jì)算,將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,如果不相等則表明中間有出錯(cuò)環(huán)節(jié),將所有歷史數(shù)據(jù)清零重新開始計(jì)算。如果在一段時(shí)間內(nèi)出錯(cuò)大于一定的次數(shù),則裝置發(fā)告警信號或同時(shí)閉鎖裝置,請求維護(hù)。一般而言,現(xiàn)在的裝置數(shù)據(jù)采樣都采用雙緩沖區(qū),而Acl(k-1)、Asl(k-1)、(2/N)cos(2lkπ/N)、(2/N)sin(2lkπ/N)占用的存儲區(qū)數(shù)量并不大,至于 2次運(yùn)算和 FFT比較,由于遞推法本身運(yùn)算量就很小,并不會增加多少運(yùn)算量。因此,改進(jìn)后,相比FFT和DFT算法,裝置性能得到了極大提高。
傅立葉遞推法大大降低了諧波測量的運(yùn)算量,但是測頻并使采樣同步才是消除頻譜泄漏的關(guān)鍵。同步測頻的框圖見圖1。
圖1 同步測頻框圖
低通濾波器是使用RC的濾波,屬于基礎(chǔ)類的被動濾波,在選擇合適的R、C的精度和溫漂指標(biāo),可以將波形的畸變控制在一個(gè)可預(yù)期的范圍內(nèi)。
經(jīng)過低通后的波形進(jìn)入幅值比較,由于和固定幅值比較,理論上可以得到一個(gè)周期性的方波,但是考慮有可能出現(xiàn)多次諧波,波形并非周期的正弦波形,所以需要進(jìn)行再次濾波,準(zhǔn)確地甄別出基波的頻率。這些都將在FPGA內(nèi)進(jìn)行集中處理。
FPGA內(nèi)使用的是 100 MHz時(shí)鐘源,相對50 Hz的基波而言,可以做到非常好的分辨率。在波形經(jīng)過幅值變化比較后,首先進(jìn)行一次數(shù)字FIR濾波,然后對些許毛刺進(jìn)行分析,分析波頭位置,并鎖頻,計(jì)算基波周期數(shù),推算出周期,同時(shí)同步調(diào)整采樣周期,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)頻率跟蹤及采樣控制。
在牽引變電所的實(shí)際應(yīng)用中,由于饋線電壓電流的基波頻率是一致的,而用電壓作為測頻信號相對電流而言顯然更為穩(wěn)定,故一般采用母線電壓作為測頻信號源。
以上方法已經(jīng)應(yīng)用于DSA96系列電氣化鐵道保護(hù)和監(jiān)控裝置的研制中,該系列裝置采用TI公司最新 32位雙核芯片Davinci。以每周波采樣64點(diǎn)為例,分別對采用 FFT算法和采用遞推法諧波測量進(jìn)行比較,表1中僅指計(jì)算一路模擬量的諧波對應(yīng)的時(shí)間值。
表1 遞推法和FFT計(jì)算諧波比較表
由表1可見,2種諧波測量方法的測量精度是一致的,但計(jì)算速度上遞推法遠(yuǎn)優(yōu)于 FFT算法,隨著采樣頻率和需計(jì)算模擬量通道的增加,該優(yōu)點(diǎn)將越來越明顯。將該方法應(yīng)用于綜合諧波保護(hù)以及諧波抑制距離保護(hù)都顯著地提高了保護(hù)出口時(shí)間。
由以上闡述可見,采用帶校驗(yàn)的遞推法相對于FFT算法而言具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)速度快,隨著采樣頻率和模擬量通道的增加,該優(yōu)點(diǎn)越來越明顯;
(2)每基波周期采樣點(diǎn)不要求為2的整數(shù)次冪,擴(kuò)大了應(yīng)用范疇;
(3)算法簡單,程序?qū)崿F(xiàn)簡潔方便。
因此,在工程實(shí)踐中采用帶校驗(yàn)的遞推法計(jì)算諧波實(shí)用可行,值得推廣。
[1]譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)(第二版)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2007.
[2]任麗茹,蒼洪途.一種新型電氣化鐵道饋線保護(hù)裝置[J].吉林電力,2006,(2):54-56.
[3]邢小麗.電氣化鐵道諧波測量方法綜述[J].東北電力技術(shù),2008,(1):45-47.
[4]李群湛,解紹鋒,賀建閩.電氣化鐵道電能質(zhì)量主要問題[J].世界軌道交通,2005,綜合版:22-25.
[5]畢會靜,趙書強(qiáng).電力系統(tǒng)諧波測量方法[J].電氣時(shí)代,2005,(10):63-66.
[6]Alessandro Ferreero.High accuracy Fourier analysis based on synehronous sampling techniques[J].IEEE Tans on IM,1992,41(6):780-785.
[7]葉忠明,董伯藩,錢照明.諧波電流的提取方法比較[J].電力系統(tǒng)自動化,1997,21(12):21-24.
[8]楊君,等.一種單相電路諧波及無功電流的檢測新方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),1996,11(3):42-46.
[9]金雄飛,樂秀.電網(wǎng)諧波測量方法評述[J].繼電器,2003,31(8):11-14.
[10]王群,吳寧,王兆安.一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電力諧波測量方法[J].電力系統(tǒng)自動化,1998,22(11):35-39.
[11]王建賾,等.基于小波變換的時(shí)變諧波檢測[J].電力系統(tǒng)自動化,1988,22(8):52-55.
[12]Chen Mingtang.A hybrid digital algorithm for harmonic and flicker measurements.Proceedings of the IEEE Power Engineering Society Transmission and Distribution Conference, 2002,2:1 488-1 493.
[13]王文勇.基于 Harr小波的時(shí)變諧波檢測[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,31(20):80-83.
[14]朱聲石.高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)原理與技術(shù)(第三版)[M].北京:中國電力出版社,2005.
[15]牟龍華,金敏.微機(jī)保護(hù)傅立葉算法分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,31(6):91-93.