凌华科技PCI-9846高速数字化仪在谐波检测中的应用

标为电压总谐波畸变率（%）。

　　图2 110kV系统变电站相关曲线

　　由所测数据可知，110kV的电压总谐波含有率存在超过国家标准含量的现象（国家标准为2%）。

　　交-直-交型机车的低次谐波有了较大的改善，下图是电力系统某一为交-直-交型机车牵引站供电的220kV系统变电站一个时段的电流值曲线和电压总谐波畸变率曲线。

　　3-a为系统变电站一个时段的电流值曲线，横坐标为时间，纵坐标为电流值（A）；

　　3-b为系统变电站一个时段的电压总谐波含有率曲线图，横坐标为时间，纵坐标为电压总谐波畸变率（%）。

　　图3 220kV系统变电站相关曲线

　　根据所测数据，交-直-交机车的低次谐波得到很大的改善，为交-直-交型机车牵引站供电的220kV变电站电压谐波含有率基本满足国家标准要求（国家标准为2%）。但考虑目前谐波测试仪器一般仅测试50次谐波以下，更高次的高频谐波情况无法获知。

　　2.3 电动汽车充放电站谐波影响

　　电动汽车作为节能、环保新型交通工具，发展迅速，随之而来的，投运的电动汽车充放电站也越来越多。动力电池充电站属于非线性负荷，接入系统后会使电流发生畸变产生谐波。

　　下表为某一电动汽车充放电站在稳定工作时，注入低压侧母线谐波电流含有率（三相统计值，取95%概率大值，所选数据为检测数据中的典型值）参见下表。

　　3、解决方案

　　3.1 谐波分析理论

　　电网电压信号是不断波动的，其中除了基波和直流分量、整数次谐波，还有间谐波、次谐波以及高频谐波，即使采用跟踪锁相技术，也难以实现严格同步采样。本文选用基于傅里叶变换的谐波检测这一常用方法来获取各次谐波信号的幅值和频率。针对离散傅里叶变换处理后存在的频谱泄漏，包括长范围泄漏和短范围泄漏，通过选择适当的窗函数抑制长范围泄漏，同时根据所选的窗函数的形式对频率、幅值等进行插值修正，达到弥补短范围泄漏造成的误差。

　　电力系统谐波分析中常用基于余弦窗的组合窗，这类窗当选取时间是信号周期的整数倍时，窗频谱在各次整数倍谐波频率处幅值为零，即使系统信号频率在小范围波动，其泄漏也较小。常用的窗，如Hanning窗、Blackman窗等，主瓣宽度大，旁瓣幅值衰减快，频谱分辨力降低，频谱计算精度提高；而Haming窗等，旁瓣幅值一定时具有最小主瓣宽度，频谱分辨力提高，频谱精度降低，矩形窗具有最窄主瓣但其旁瓣幅值最大；还有折中的如Rife-Vincent（III）窗等。

　　根据所需的精度，选择项数。谐波的幅值修正公式及思路可参见相关文献。

　　本文采用Blackman窗和文献［7］中两根谱线加权平均的方法修正幅值等方法，对采集的电压数据进行谐波分析。

　　3.2 实验

　　实验使用的谐波源为FLUKE6100A，它用来校准一些检测仪器的电功率标准源。使用FLUKE6100A可以生成不规则的电能质量现象，如电压谐波，间谐波，波动谐波，闪变以及电压暂升和暂降。

　　数据采集系统为凌华科技PCI-9846高速数字化仪，ADLINK的PCI-9846板卡是高达40MS/s 的采样率16位4通道数字化转换器，可采集高达20MHz宽动态范围输入信号。能很好地处理电力系统的高频谐波。

　　在Matlab中建立板卡采样设置函数和谐波分析函数，相关实验过程及结果如下。

　　1）谐波

　　（a）FLUKE6100A以主频50Hz，幅值1V，叠加3次谐波，幅值10%（与主频幅值相比）；7次谐波，幅值5%；9次谐波，幅值1%。

　　主频50Hz时，PCI-9846采样谐波数据输出波形如下图。

　　由于PCI-9846高速数字化仪可采集高达20MHz宽动态范围的信号，且板上支持512MB的存储，方便同时分析电力系统中各种频率信号，包括各次谐波、间谐波、高频谐波以及次谐波，限于篇幅，不再赘述。

　　4、小结

　　针对电力系统中越来越严峻的谐波问题，文中采用传统的FFT加Blackman窗函数获取各次谐波信号的幅值和频率。用加窗函数的办法减小频谱泄漏，通过插值消除栅栏效应引起的误差。克服非整数次谐波检测存在频谱泄漏和栅栏现象等缺点。通过在Matlab中建立板卡采样设置函数和谐波分析函数，对FLUKE6100A电功率标准源产生的谐波、间谐波和高频谐波等，以凌华科技PCI-9846高速数字化仪作为数据采集工具，通过对谐波、间谐波和高频谐波的实验分析，验证谐波函数和采用PCI-9846作为分析采集工具的可行性和正确性。同时，PCI-9846高达20MHz宽动态范围输入信号处理能力，在处理电力系统的高频谐波中也得到了充分发挥。

　　参考文献：

1、《现代电能质量测量技术》何学农，美国福禄克公司