电力系统谐波检测方法综述

2019年第9期 1

电力系统谐波检测方法综述

陈和洋1,3 吴文宣2 郑文迪1 晁武杰3 唐志军3

（1. 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108；

2. 国网福建省电力有限公司，福州 350003；

3. 国网福建省电力有限公司电力科学研究院，福州 350007）

摘要 电力系统谐波检测为谐波治理提供了方向，同时也是谐波监测系统的核心。本文首先阐述了电力系统谐波的诸多危害；其次对一些传统检测方法和近期新方法展开讨论和分析，比如瞬时无功功率法、快速傅里叶变换法、小波变换法、希尔伯特-黄变换法等；最后阐述了将来谐波检测领域的发展趋势。

关键词：谐波检测；瞬时无功功率；快速傅里叶变换；小波变换；希尔伯特-黄变换；人工神经网络；复合检测

Reviews of power system harmonic measurement methods

Chen Heyang 1,3 Wu Wenxuan 2 Zheng Wendi 1 Chao Wujie 3 Tang Zhijun 3

(1. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350108;

2. State Grid Fujian Electric Power Co., Ltd, Fuzhou 350003;

3. Electric Power Reserch Institute of State Grid Fujian Electric Power Co., Ltd, Fuzhou 350007)

Abstract Power system harmonic detection provides the direction for harmonic control and is also the core of the harmonic monitoring system. This paper first expounds the many hazards of power system harmonics, and then discusses and analyzes some traditional detection methods and recent new methods, such as: instantaneous reactive power method, fast Fourier transform method, wavelet transform method, Hilbert-Hang transformation method, etc., finally pointed out the future development trend and personal outlook in the field of harmonic detection.

Keywords ：harmonic detection; instantaneous reactive power; fast Fourier transform (FFT); wavelet transform; Hilbert-Huang transform (HHT); artificial neural network (ANN); composite detection

100多年来，随着电力系统的不断发展，以非化石能源为主的新一代电力系统格局已经产生，将来清洁能源和可再生能源将占有很大的比重。在此背景下，电力电子元器件的大量使用导致电力系统不可避免地受到谐波的污染。电力系统中的谐波分量过大将造成诸多危害：①使电能利用率降低，电力系统设备产生附加能耗，同时增加了电气应力，影响设备安全稳定运行[1]；②大量分布式电源在公共连接点（point of common coupling, PCC ）集中被

接入，可能放大电网的谐波振荡；③在柔性直流输

电运行过程中，直流场持续的谐波扰动可能引发一

系列不稳定现象，从而影响系统的安全稳定运行；

④谐波还可能使得保护误动作，测量装置产生误差，甚至可能会对通信线路产生干扰，影响通信效果。 针对谐波产生的种种危害，我国在20世纪90年代就已经开展了谐波治理的相关研究，并制定了《电能质量：公用电网谐波》（GB/T 14549—93）国家标准对公共电网谐波允许值进行了限制。此后对电力系统进行谐波治理，改善电能质量成为一项持续而长久的工作。有源电力滤波器（active power

filter, APF ）是一种能够动态抑制谐波、全面改善电能质量的电力电子装置，谐波电流的精确、实时检测直接影响其动态抑制的效果。 对谐波信号进行高精度、实时地检测是谐波治

福建省自然基金项目（2017J01480）

国网福建省电力有限公司科技项目（52130416001P ）

2019年第9期

2

理的前提，对电能质量要求的不断提高又进一步推动谐波检测性能指标的提高，这促使人们不断去探寻更佳的新方法、新理论。本文对不同谐波检测方法进行梳理、总结，希望从中获得启发，为后续相关研究提供帮助。

1 谐波检测方法

谐波检测方法按常规划分，可以分为频域检测法、时域检测法和其他检测法；按是否具有选择性划分，又可以分为单独检测每个谐波幅度的选择性检测方法和将电流直接分成基波和谐波分量的非选择性检测方法。

下面，本文将对基于瞬时无功功率理论的谐波检测法、基于傅里叶变换的谐波检测法、基于小波变换的谐波检测法、基于希尔伯特-黄变换的谐波检测法、基于人工神经网络的谐波检测法、复合检测法以及近期出现的一些新方法和新理论展开分析。 1.1 基于瞬时无功功率理论的谐波检测法

20世纪80年代，日本学者赤木泰文首次提出了三相电路的瞬时无功功率理论，此后该理论经过不断发展、完善，产生了基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法[2]。该方法的优点是，动态响应速度快，实时性好，检测延时不到一个电源周期。三相电路有两种检测方法，即p-q 法和i p -i q 法。

在三相三线制电路中，当电网电压存在畸变时，因为p-q 法无法准确地检测谐波，而i p -i q 法采用锁相环技术隔离了畸变量对检测的影响，所以检测结果是准确的[3]。通过模拟电路构造一个三相系统来实现单相电路检测的难度很大，文献[4]通过低通滤波器扩大增益获得瞬时有功电流和瞬时无功电流的幅值I p 、I q ，进而可获得瞬时值i p (t )、i q (t )，即

s p q h h

s p q s f ()()()()()()()()()()i t i t i t i t i t i t i t i t i t i t =++⎧⎪⎨

⎡⎤=−+=−⎪⎣⎦⎩ （1） 由式（1）即可求得瞬时谐波电流i h (t )，避免构造三相电路，且算法复杂度也大大降低。

1.2 基于傅里叶变换的谐波检测法

快速傅里叶变换（fast Fourier transform, FFT ）法精度较高且容易实现，是目前谐波检测领域广泛使用的方法，但计算量大，检测耗时长，实时性较差，当采样周期和信号周期不同步时，会产生频谱泄漏和栅栏效应[5]；当采样频率不满足采样定理时，还会产生频率混叠现象。

发生频谱泄漏的主要原因是由于FFT 将无限长序列作截断化处理后、使原来的频谱向边缘扩散造成的。通过加窗函数和谱线校正消除频谱泄漏是目前主要采用的方法。窗函数有很多种，选择合适的窗函数显得尤为重要。在FFT 的基础上添加6种窗函数进行比较后的结果表明，加窗后幅值检测精度得到了大幅提高[6]，相位精度也得到了显著提高[7]。文献[8-9]分别提出单、双峰谱线插值修正算法，精度和抗噪能力都得到了提升。文献[10]采用全相位频谱分析方法，同时对Nutall 窗函数进行改进，改进后的算法基本不受频率波动和测量噪声的影响。文献[11]提出了一种广义离散傅里叶变换，通过重新配置梳状滤波器，提高了系统的动态响应性能和系统灵活性。文献[12]将自适应Kaiser 自卷积窗与快速鲁棒检测方法相结合，使每个采样窗下的信号变得平稳，实现了非平稳信号的谐波检测。此外，还可以通过修改理想采样频率法、同步采样法、准同步采样法等来抑制频谱泄漏。尽管加窗函数和谱线校正能够消除频谱泄漏，但额外增加了算法的复杂度，同时也降低了谐波分析的分辨率。

1.3 基于小波变换的谐波检测法

小波变换的优势在于，无论时域还是频域都能够获得局部信息，用于分析非平稳信号和瞬变信号十分合适，但由于小波变换的频带非均匀划分，即低频频带窄而高频频带宽，所以可能会产生小波混叠和频谱泄漏现象，从而产生测量误差。

文献[13]在国内较早提出将小波变换理论应用到电力系统谐波检测，随着尺度的增加，高频分量逐渐被滤除，低频段（高尺度）的变换值可被认为是不含谐波的基波分量。文献[14]用Mallat 算法将信号按不同分辨率分解到不同子频段，然后将多次重构的子频段（待测信号的基波）与待测信号相减得到了谐波信号。为了实现非整数次谐波的检测，文献[15]通过小波变换系数的傅里叶变换值，将频率靠近的整数次和非整数次谐波分离，产生了理想的检测效果。文献[16]讨论了在不同范围内的采样频率对谐波检测效果带来的影响。文献[17]通过采用多相和转置的结构来节约现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA ）上的存储资源，从经济性的角度考虑了算法实现的成本和计算复杂度。文献[18]提出了一种基于非抽取小波包变换（undecimated wavelet packet transform, UWPT ）的快速算法，同时比较了FFT 、DWPT （单周期、