專利名稱：一種在線自適應諧波電流檢測系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種諧波電流分量的快速檢測系統，特別是一種在線 自適應諧波電流檢測系統，用于電流信號處理技術領域。
(二)
背景技術：
當前，有源電力濾波器在電力系統中的應用前景日益看好。它 所采用的諧波電流檢測方法非常重要，決定了諧波電流的檢測精度和 動態響應特性，因而直接影響諧波電流的補償效果。能否快速而準確 實時地檢測出系統中諧波和無功分量，是它成功應用的前提條件。
基于瞬時無功功率理論檢測法就是一種十分常見的方法，它的 檢測補償效果比較明顯，但只能檢測電流中的諧波分量，不能檢測出 電壓中的。且控制電路相對復雜，所需計算量也是較大的。所以在實 時性要求較高的系統中有明顯的局限性。還有些采用人工神經元網絡 (AM)的方法來檢測諧波。它們采用了模擬并行諧波檢測裝置的基本 原理，但這種方法需要大量的時間來訓練樣本，也難以滿足實時的要 求。另有已應用的傳統的自適應檢測方法，此類方法基于自適應噪聲 對消原理，系統閉環檢測，故魯棒性好；實時計算量小，簡潔快速； 工作特性不受硬件器件參數變化和電壓波形畸變的影響，具有良好的 自適應能力。但該方法存在著固有的局限性。即電壓不對稱畸變時檢 測精度不高甚至不能檢測出來，而且動態響應速度和檢測精度能存在 相互制約關系如果為保證諧波計算的高檢測精度，則動態響應速度 很慢；如果提高動態響應速度則又會明顯降低檢測的精度。所以該方 法難以同時達到最佳的檢測精度和動態響應速度。
(三)
發明內容
本發明的目的在于提供一種在線自適應諧波電流檢測系統，它結 合自適應濾波器的特殊性能和快速準確的監測技術，可獲得高精度的 監測效果，大大地提高了自適應諧波電流檢測系統的大大提高了系統 檢測精度、動態響應特性、穩定性和可靠性，并從最大程度上減小網 損、提高系統穩定性、減小事故損失，提高供電質量。
本發明的技術方案 一種在線自適應諧波電流檢測系統，其特征 在于該系統是由信號預處理部分、參考正交信號產生部分、包含計算 機軟件的自適應濾波部分以及計算機分析和顯示部分構成；所說的信 號預處理部分輸入端接輸入電流信號，輸出端接自適應濾波部分的輸 入端；參考正交信號產生部分輸入端接參考電壓信號，輸出端接入自 適應濾波部分的輸入端；自適應濾波部分輸出端接入計算機分析和顯 示部分。
上述所說的信號預處理部分是由耦合變壓器或電抗器構成，將藕 合變壓器或電抗器輸出端的電流信號轉化成適當濾波、放大的電壓信 號。
上述所說的參考正交信號產生部分是由包含帶通濾波器和比較 器的信號預處理電路、包含CD4046芯片、計數/分頻器的鎖相倍頻 電路以及正余弦計算電路構成；帶通濾波器的輸出端連接比較器的正 向輸入端，傳遞濾波后的電網電壓信號；比較器的輸出端連接CD4046 芯片的信號輸入端，傳遞同步方波信號，同時比較器的輸出端為正余 弦計算電路提供過零觸發信號；CD4046芯片的信號輸出端分別為鎖 相電路和正余弦計算電路提供電壓同步信號，分頻器輸出的分頻信號 連接到CD4046芯片的信號輸入端。
上述所說的參考正交信號產生部分中采用可以提高系統檢測精 度和動態響應特性的鎖相環電路產生參考電壓，并在積分器前串接低 通濾波器。
上述所說的自適應濾波部分是由乘法器、加法器、積分器、前置 低通濾波器以及自適應預測濾波器構成；信號預處理部分的輸入端連 接需檢測的輸入電流，輸出端連接一加法器；加法器輸出端連接乘法 器，參考正交電路產生的兩個信號分別接入此乘法器，乘法器輸出端 依次經過低通濾波器，自適應預測濾波器，積分器相連后分別接入乘 法器；乘法器輸出端回饋到加法器中作代數運算后得到需檢測的諧 波。
上述所說的自適應濾波部分的計算機軟件組成涉及自適應濾波 部分中自適應算法的改進，其步驟為①基于動態系統平均原理，依 據最小方差原理得出算法數學公式；②增加"""2環節，"""2表示自適
應預測濾波器的LMS算法的學習效率，它決定算法的收斂速度；③對 信號中產生的無法補償的延時和相移予以補償；④通過適當的調節" 改善系統的動態響應。
上述所說的計算機分析和顯示部分是由信號接收裝置以及計算 機構成；信號接收裝置接收檢測系統輸出信號，其分析顯示波形和所 需數據由計算機輸出。
本發明的工作原理與工作過程",通過鎖相環電路產生兩個正交 的參考輸入量及sin^和及cosW。由于輸出電流/。(/)中含有基波、諧波 分量，因而將其與兩正交參考輸入量i sinwf和/ cosM^相乘后，通過由 前置低通濾波器和自適應預測濾波器組成自適應濾波器部分，通過改 進的自適應濾波LMS算法的學習和分析，對信號中產生的延時和相移 提前進行預測后予以補償。周期積分環節得到基波的有功和無功的平 均電流/,和/,，其余頻率成分信號經周期釈分后為0 。平均電流o和 /9再分別與及sinw和i cos ^相乘后的得到瞬時基波有功和無功 Z9W 。通過加法器實現^ = i,、、，即諧波分量。
自適應濾波部分工作過程為了補償低通濾波器所引起的延時， 自適應濾波器必須提前進行預測。我們采用2個單位的滯后單元和無 相位移FIR濾波器串聯,基于自適應有限脈沖響應(FIR)的預測濾波器, 能在負載發生變化時，自動調整參數，保證預測的精度。自適應預測濾 波器"的中心頻率為參考信號的頻率w。。參考頻率同輸入以,采樣， 獲得離散形式。濾波器經過同步采樣后采用LMS算法和自適應學習迭 代過程來完成諧波檢測。低通濾波器的主要工作是給自適應算法提供 一個標準信號，如果低通濾波器提供的信號混有諧波成份或干擾，則 自適應濾波器輸出信號必然含有較大的諧波成份。因此，低通濾波器 的性能直接影響整個系統檢測的效果。系統要求采用動態響應速度 快、靜態檢測誤差小、階數低的濾波器。
本發明的優越性在于(1)此系統基于自適應干擾對消原理， 采用最小方差理論和平均原理對自適應濾波算法進行分析，對信號中 產生的無法補償的延時和相移予以補償.提高了檢測系統的動態響應 特性和精度；(2)提出的了改進型自適應濾波算法，克服了傳統的 自適應檢測方法存在著的固有局限性，即動態響應速度慢，在輸入不對稱畸變時檢測諧波的精度差的缺點。此法加快了 LMS算法的收斂速 度"，改善了系統的響應速度。而且經過理論上的證明系統是穩定的， 具有較強的自適應性,不受檢測波形變化影響。在系統電流嚴重畸變 時能實時高精度地檢測出諧波分量；(3)系統也可同時檢測出基波 的有功和無功分量，便于APF的無功電流補償；(4)采用鎖相環產 生參考電壓的方法，不但可以將電壓信號的采樣干擾降到最低，而且 所產生的參考電壓還是非常完美的正弦波形，避免了參考電壓波形畸 變對檢測結果的影響；(5)在積分器前串接低通濾波器的方法，大 大提高了系統檢測精度和動態響應特性；(6 )此系統同樣適應于電 壓各分量的檢測。
(四)
附圖1為本發明所涉一種在線自適應諧波電流檢測系統總體結 構框圖。
附圖2為本發明所涉一種在線自適應諧波電流檢測系統的參考 正交信號產生部分電路結構示意圖。
附圖3為本發明所涉一種在線自適應諧波電流檢測系統的自適 應濾波部分的電路結構示意圖。
附圖4為本發明所涉一種在線自適應諧波電流檢測系統的自適 應濾波部分自適應改進算法的結構示意圖。
附圖5為本發明所涉一種在線自適應諧波電流檢測系統的傳統 自適應諧波電流檢測示意圖。
(五)
具體實施例方式
實施例 一種在線自適應諧波電流檢測系統(見圖1)，其特征 在于該系統是由信號預處理部分、參考正交信號產生部分、計算機軟 件的自適應濾波部分以及計算機分析和顯示部分構成；所說的信號預
處理部分輸入端接輸入電流信號，輸出端接自適應濾波部分的輸入
端；參考正交信號產生部分輸入端接參考電壓信號，輸出端接入自適 應濾波部分的輸入端；自適應濾波部分輸出端接入計算機分析和顯示 部分。如圖1所示，參考電壓信號、通過鎖相環電路產生兩個正交的 參考輸入量化inW和^cosw"計算主程序是圖中對電流信號，電壓信 號的乘法、積分運算和自適應算法收斂學習運算。^和、為基波的有
功和無功的平均電流，z;w和^)為基波電流的瞬時有功和無功量。^為
檢測的諧波分量。
上述所說的信號預處理部分是由耦合變壓器或電抗器構成，將藕 合變壓器或電抗器輸出端的電流信號轉化成電壓信號，適當濾波、放 大。
上述所說的參考正交信號產生部分(圖2)是由包含帶通濾波器 和比較器的信號預處理電路、包含CD4046芯片、計數/分頻器的鎖 相倍頻電路以及正余弦計算電路構成；帶通濾波器帶寬可以根據電網 頻率變化的范圍設計，濾波后的電網電壓信號仍然可能含有諧波成 分，經過比較器整形后輸出的就是標準方波了，良好設計的比較器上 升沿和下降沿均可達到數十納秒級的銳度，對參考電壓相位的影響可 以忽略不計，比較器的輸出為電壓同步信號，分別供給鎖相電路和正 余弦計算電路使用.鎖相倍頻電路由1片CD4046和一片計數/分頻 器組成，二者共同完成同步信號的倍頻功能.分頻器的分頻比就是倍 頻的次數n，電網頻率為50Hz，則CIM046的中心頻率設定在fz50n， 便可以在一定的頻率范圍內達到頻率鎖定。CD4046的2個輸入信號 分別是同步信號和分頻器輸出的分頻信號，二者頻率相同。CD4046 的輸出是倍頻后的高頻同步信號。正余弦計算電路由比較器產生過零 觸發信號，不論電網頻率如何變化，每周期都有n次觸發信號，每次 觸發信號的時間和相位間隔是相等的。
上述所說的參考正交信號產生部分中采用可以提高系統檢測精 度和動態響應特性的鎖相環電路產生參考電壓及在積分器前串接低 通濾波器的方法。
上述所說的自適應濾波部分(圖3)是由乘法器、加法器、積分 器、前置低通濾波器以及自適應預測濾波器構成；信號預處理部分的 輸入端連接需檢測的輸入電流，輸出端連接一加法器；加法器輸出端 連接乘法器，參考正交電路產生的兩個信號分別接入此乘法器，乘法 器輸出端依次經過低通濾波器，自適應預測濾波器，積分器相連后分 別接入乘法器；乘法器輸出端回饋到加法器中作代數運算后得到需檢 測的諧波。
上述所說的計算機分析和顯示部分是由信號接收裝置以及計算
機構成；信號接收裝置接收檢測系統輸出信號，經過計算機分析顯示 波形和所需數據。
上述所說的自適應部分的計算機軟件(圖4)組成主要涉及到自 適應濾波部分中自適應算法的改進①基于動態系統平均原理，依據 最小方差原理得出算法數學公式②增加"""2環節，"'，"2表示自適應預 測濾波器的LMS算法的學習效率，它決定算法的收斂速度；③對信號 中產生的無法補償的延時和相移予以補償；④通過適當的調節"改善 系統的動態響應。
上述所說的計算機軟件組成主要涉及到自適應濾波部分中自適 應算法是基于傳統的自適應諧波電流檢測方法(圖5)。
現以電流諧波狀況嚴重的方波為例，其電流波形的畸變率THD (Total Harmonics Distortion)高達48.33%。對于沒有采用改進 方法的傳統的自適應諧波電流檢測方法，調整積分器增益，盡管可是 的檢測精度很高，濾除計算出的諧波分量后THD降為1.58%，但這 需要將近15個周期的動態響應才能達到這樣的效果；而如果盡量使 動態響應速度快，半個周期就能收斂，但檢測精度差，濾除計算出的 諧波分量后THD高為6.5^%。而采用本案的自適應諧波電流檢測改 進方法，只要10ms即半個工頻周期的動態響應就能達到濾除計算出 的諧波分量后THD降為1.58%的效果。可見改進的方法不僅動態響 應特快，而且檢測精度也相當的高。
權利要求
1、一種在線自適應諧波電流檢測系統，其特征在于該系統是由信號預處理部分、參考正交信號產生部分、包含計算機軟件的自適應濾波部分以及計算機分析和顯示部分構成；所說的信號預處理部分輸入端接輸入電流信號，輸出端接自適應濾波部分的輸入端；參考正交信號產生部分輸入端接參考電壓信號，輸出端接入自適應濾波部分的輸入端；自適應濾波部分輸出端接入計算機分析和顯示部分。
2、 根據權利要求1所說的一種在線自適應諧波電流檢測系統， 其特征在于所說的信號預處理部分是由耦合變壓器或電抗器構成，將 藕合變壓器或電抗器輸出端的電流信號轉化成適當濾波、放大的電壓 信號。
3、 根據權利要求1所說的一種在線自適應諧波電流檢測系統，其特征在于所說的參考正交信號產生部分是由包含帶通濾波器和比較器的信號預處理電路、包含CD4046芯片、計數/分頻器的鎖相倍 頻電路以及正余弦計算電路構成 ，帶通濾波器的輸出端連接比較器的 正向輸入端，傳遞濾波后的電網電壓信號；比較器的輸出端連接 CD4046芯片的信號輸入端，傳遞同步方波信號，同時比較器的輸出 端為正余弦計算電路提供過零觸發信號；CD4046芯片的信號輸出端 分別為鎖相電路和正余弦計算電路提供電壓同步信號，分頻器輸出的 分頻信號連接到CD4046芯片的信號輸入端。
4、根據權利要求3所說的一種在線自適應諧波電流檢測系統， 其特征在于所說的參考正交信號產生部分中采用可以提高系統檢測 精度和動態響應特性的鎖相環電路產生參考電壓，并在積分器前串接 低通濾波器。
5、根據權利要求1所說的一種在線自適應諧波電流檢測系統， 其特征在于所說的自適應濾波部分是由乘法器、加法器、積分器、前 置低通濾波器以及自適應預測濾波器構成；信號預處理部分的輸入端 連接需檢測的輸入電流，輸出端連接一加法器；加法器輸出端連接乘 法器，參考正交電路產生的兩個信號分別接入此乘法器，乘法器輸出端依次經過低通濾波器，自適應預測濾波器，積分器相連后分別接入乘法器；乘法器輸出端回饋到加法器中作代數運算后得到需檢測的諧 波。
6、根據權利要求5所說的一種在線自適應諧波電流檢測系統， 其特征在于所說的自適應濾波部分的計算機軟件組成涉及自適應濾 波部分中自適應算法，其步驟為①基于動態系統平均原理，依據最 小方差原理得出算法數學公式；②增加"""2環節，"""2表示自適應預 測濾波器的LMS算法的學習效率，它決定算法的收斂速度；③對信號 中產生的無法補償的延時和相移予以補償；④通過適當的調節"改善 系統的動態響應。
7、根據權利要求1所說的一種在線自適應諧波電流檢測系統， 其特征在于所說的計算機分析和顯示部分是由信號接收裝置以及計 算機構成；信號接收裝置接收檢測系統輸出信號，其分析顯示波形和 所需數據由計算機輸出。
全文摘要
一種在線自適應諧波電流檢測系統，其特征在于該系統是由信號預處理部分、參考正交信號產生部分、計算機軟件的自適應濾波部分以及計算機分析和顯示部分構成。本發明的優越性在于本系統對信號中產生的無法補償的延時和相移予以補償，提高了檢測系統的動態響應特性和精度；提出的了改進型自適應濾波算法，克服了傳統的自適應檢測方法存在著的固有局限性；系統可檢測出基波的有功和無功分量，便于APF的無功電流補償；采用鎖相環產生參考電壓的方法，可將電壓信號的采樣干擾降到最低，并產生正弦波形的參考電壓；在積分器前串接低通濾波器的方法，提高了系統檢測精度和動態響應特性；本系統同樣適應于電壓各分量的檢測。
文檔編號G01R19/25GK101187682SQ200710150390
公開日2008年5月28日 申請日期2007年11月26日 優先權日2007年11月26日
發明者杰 何, 明 侯, 周永兵, 周雪松, 張智勇, 輝 王, 馬幼捷, 娟 龔 申請人:天津理工大學