关键词:
电能质量分析仪
IEC61000-4-30Ed3.0A级
高频/超谐波与间谐波检测
闪变检测
MUSIC
Prony
摘要:
智能电网与电动汽车的快速发展推动了电能质量检测标准的升级和国际接轨,以应对电力电子设备引发的谐波、间谐波、高频干扰及电压闪变对电网稳定性和设备安全的挑战。当前,IEC 61000-4-30 Ed3.0 A级标准已在国际上得到广泛应用,而国内相关研究仍以Ed2.0 S级为主。该标准对算法性能提出了更高要求,新增包括IEC 61000-4-15的F1类闪变测量以及IEC 61000-4-30附录C中对2 kHz–150kHz高频谐波的测试规范。核心挑战在于:F1类闪变测量需提升高频干扰抑制、瞬态信号分析和非对称波动检测能力,以增强算法对电网波动的敏感度和适应性;2kHz-150 kHz谐波测试发展趋势则要求提高频谱分辨率,减少高频谐波混叠,增强非稳态信号处理能力,以精确捕捉快速瞬态特征。针对上述标准要求,本文重点研究满足其关键性能指标的检测算法,为高等级电能质量分析的算法设计与实现提供参考。
(1)设计并实现了符合闪变F1级的检测算法,包括瞬时闪变和短时闪变检测,并对几种典型的闪变检测算法进行了应用比较。其中,瞬时闪变检测采用了平方解调-滤波器链算法和Prony分解-希尔伯特变换(Prony-Hilbert,PH)算法,其中PH算法在高频噪声环境下表现出更强的鲁棒性。短时闪变检测则采用累积概率分布(Cumulative Probability Distribution,CPF)-线性插值法和三次样条插值-多项式外推(Cubic Spline Interpolation-Polynomial Extrapolation,CSI-PE)算法,其中CSI-PE算法进一步提高了低概率区间的累积概率计算精度与运算速度。
(2)针对闪变F1级优化,分别在d参数波动电压检测和短时闪变检测方面进行了改进。在d参数检测中,设计并实现了基于窗口时间的信号处理算法,以提升稳态与非稳态特征的捕捉精度。在短时闪变检测方面,经测试现有算法均无法满足相位跳变测试的误差要求。为此,提出分段PH算法,先基于STFT精确检测相位跳变点,再结合分段正弦建模实现信号精准重构。最终,采用分段PH+CSI-PE算法计算短时闪变,使测量误差均值降至2.4%。
(3)为提升2 kHz–150 kHz频段的谐波检测精度及非稳态信号处理能力,本文采用FFT和STFT进行频谱分析作为基线方法,并针对其频谱泄漏、窗函数截断效应及抗噪性能不足的问题,提出一种基于多信号分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)的频谱分析算法。该方法有效解决了密集频谱分离与非整周期采样误差问题,实现了全频段谐波与间谐波的同步精确检测,在幅值误差控制于10%以内的同时,显著提升了复杂频谱场景下的分辨能力。
(4)2 kHz-150 kHz频段的谐波检测方面,针对MUSIC算法需人工设定先验参数的问题,设计了自适应阈值调参法,以自动确定M和p,提升了频幅提取精度。为降低特征值分解的计算复杂度,引入了Krylov子空间算法,将复杂度从立方降低到了线性,并通过稀疏化矩阵R优化了内存占用。针对最小二乘法计算量大的问题,采用了共轭梯度法迭代求解幅值,使关键频点的幅值误差降低了一个数量级,并将复杂度由平方降低到了线性。最终,结合了自适应调参、稀疏矩阵-Krylov算法与共轭梯度法,设计了MUSIC改进方案,兼顾了计算效率与频幅估计精度。
依据IEC 61000-4-15 F1类闪变和IEC 61000-4-30附录C对2 kHz-150kHz高频/超谐波、间谐波的测试要求,利用标准源或信号发生器输出了复合信号,并通过高精度功率分析仪采集了真机数据进行离线分析。结果表明,d参数检测算法、PH法、CSI-PE法和分段PH+CSI-PE法已满足了所有F1类测试点;MUSIC改进方案在所有测量点上,频率与幅值误差均控制在10%以内,并在含噪与复杂频谱环境下表现出色。研究成果为A级电能质量分析仪数据处理的关键算法提供了可行方案。