电力系统谐波检测研究现状及发展趋势

电力系统谐波检测研究现状及发展趋势

摘要：近年来，随着电力电子技术的飞速发展和电力电子装置的应用日益广泛，加剧了对电力系统的污染，其所带来的谐波问题也日趋严重，由电力系统谐波引

起的电能质量问题越来越被重视。谐波检测是谐波问题研究的一个重要内容，也

是分析和研究谐波问题的出发点和主要依据。由于谐波本身固有的特性，使得准

确的对谐波进行检测并非易事，因此各国的学者对谐波检测问题进行了不断的探

索和广泛的研究。本文对电力系统现有的谐波检测方法进行了介绍和分析，并对

其发展趋势做出了展望。

关键词：电力系统；谐波

引言

随着国民经济的发展，整个社会对电力的需求也越来越大，波动负载.、电弧

类负载（如电弧炉、电弧焊机、具有磁力镇流器放电类型的照明灯}勃变频调整装置、晶闸管整流供电器件、同步串级一调速装置和循环变流器等广泛应用于电力

系统中。这些设备的应用将引起电流幅值、相位、波形发生或快或慢的变化，于

是产生含有连续和离散成分的间谐波。目前间谐波己成为继谐波之后，又影响波

形畸变的重要因素同时，随着分布式电源的接入和摺能电网的发展，间谐波的含

量有增大趋势，间谐波检测的必要性日益显现田。日前国内未见对间谐波检测方

法的综述文章。谐波检测的各种方法进行了详细的分析，并讨论了间谐波检测方

法的发展趋势

1、电力系统谐波测量的基本要求

1）谐波测量方法和数据处理必须遵照1993年国家颁布的标准GB/T14549-93，即《电能质量公用电网谐波》。2）精度要求。为达到减少误差和精确测量的目的，须制定一些测量精度，以表示抗御噪声、杂波等非特征信号分量的能力。3）速度要求。要求具有较快的动态跟踪能力，测量时滞性小。4）鲁棒性好。在电

力系统的正常、异常运行情况下都能测出谐波。5）实践代价小。此项要求往往

与上述要求相冲突，在实践中应酌情考虑，在达到应用要求的前提下，应力求获

得较高的性能价格比。

2、电力谐波测量的主要方法

2.1模拟滤波器谐波检测法

早期的谐波检测方法采用模拟滤波器原理实现，即采用模拟带阻滤波器或者

模拟带通滤波器。图1所示为模拟并行滤波式谐波测量装置框图。该方法的优点

是电路结构简单，经济，输出阻抗低，品质因素易于控制。但该方法也存在许多

缺点：只能检测少量谐波；当电网频率波动时，检测出的谐波电流中包含较多的

基波分量，检测精度下降；滤波器的中心频率受元件参数和外界环境影响较大，

获得理想的幅频特性及相频特性比较困难；大大增加了有源补偿器的容量和运行

损耗。由于存在上述不足，目前该方法已较少采用。

图1模拟并行滤波式谐波检测装置方框图

2.2基于傅里叶变换的谐波检测法

目前谐波检测中应用最广泛的算法是基于快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）原理构成的，FFT是在离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）的基础上发展起来的，它是通过采集多个基波周期内的电流或

电压值进行数据处理，从而得到信号中所含有谐波的次数、幅值、相位等信息，

再将拟抵消的谐波分量经傅里叶变换得出的误差信号进行傅里叶反变换得到补偿

信号。此方法在使用时，不仅方便，而且精度高、功能丰富。但由于其采样时间长、采样数据量较大，且需要经过傅里叶正反两次变换，计算量较大，耗费时间长，导致检测时间长、实时性较差。在采样时，如果采样频率和信号频率不匹配

会产生频谱泄露和栅栏效应，从而使频率、幅值、相位等谐波参数测量误差较大，难以满足高精度测量的要求。

图2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

输人信号频率变化，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困。

图2频率同步数字锁相装置框图

2.3基于小波变换的谐波测量方法

小波变换是针对傅里叶分析方法在分析非稳态信号方面的局限性形成和发展

起来的一种十分有效的时频分析工具。当前小波变换在谐波测量中的应用研究成

果主要有：（1）利用小波变换和最小二乘法相结合来代替基于Kalman滤波的时

变谐波跟踪方法，它将各次谐波的时变幅值投影到正交小波基构成的子空间，然

后利用最小二乘法估计其小波系数，将时变谐波的幅值估计问题转换成了常系数

估计问题，从而具有较快的跟踪速度。（2）利用小波变换的小波包具有将频率

空间进一步细分的特性以及电力系统中产生的高次谐波投影到不同的尺度上会明

显地表现出高频、奇异高次谐波信号的特性进行谐波分析。（3）通过对含有谐

波信号进行正交小波分解，分析原信号的各个尺度的分解结果，达到检测各种谐

波分量的目的，从而具有快速的跟踪速度。（4）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网络的谐波监测仪。

2.4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、通信等叫。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。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。

3、电力系统谐波检测的研究发展趋势

近年来谐波检测在理论与实际中已经取得了丰硕的成果，然而随着电力系统

的飞速发展以及电能质量要求的逐渐提高，对谐波检测方法及其实现技术也提出

了更高的要求。未来谐波检测的主要发展趋势如下：（1）谐波检测对象研究从

以稳态谐波检测研究为主转向非稳态谐波检测。（2）谐波检测算法向复杂化、

智能化发展；谐波的求解方法向复杂的数值分析与信号处理方向发展，为解决非

稳态波形畸变等问题寻找新的算法。（3）充分利用现有各种谐波检测方法的优点，并且完善现有的谐波检测理论体系，研究探索新方法，实现快速、暂态谐波

跟踪，是保障电力系统安全运行的需要。（4）谐波检测实现技术研究将从模拟

电路技术和不可编程数字电路技术转向高速高精度的可编程器件技术尤其是ARM