民用建筑电气间谐波检测问题的研究

薛 巍 薛小峰

(1.山东泰开箱变有限公司，山东 泰安 271000; 2.泰安青年汽车有限公司，山东 泰安 271000)

0 引言

随着民用建筑电气系统的发展，间谐波问题越来越引起人们的关注［1-7］。间谐波是指那些频率是基波频率非整数倍的干扰分量。民用电气系统中存在一些时变负荷，如含有铁磁材料的电工设备。这类负载的电气特性是随时间变化而变化的，根据流经该负荷的电流分解的傅立叶级数，可能不是基波的整数倍谐波，而是它的分数谐波(fractional harmonics)，称之为非整次谐波(noninteger harmonics)或间谐波(inter harmonics)。而低于工频的间谐波，通常称为次谐波(sub harmonics)。间谐波现象正受到人们的日益重视。IEC61000-2-1将间谐波定义为在电压和电流信号的谐波之间频率与基波频率不成整数倍关系的信号。电焊机、电弧炉等设备是传统的间谐波产生源，带AC/DC或DC/AC变换器的各种电力电子设备，如变频器、串级调速装置等，逐步成为新的间谐波发生源。间谐波的存在给民用建筑电气系统的运行、保护和控制带来非常大的危害。频率高于基波频率的间谐波会干扰音频设备正常工作，引起感应电机噪声和振动等;频率低于基波频率的间谐波会引起电压闪变，低频继电器的异常运行等等。

可靠、准确的间谐波检测是合理评价间谐波危害、有效治理间谐波污染的重要前提条件。由于间谐波往往具有非平稳和频率随机等特性，用传统方法难以对其进行准确检测。间谐波检测已经成为制约深入研究和有效治理间谐波的瓶颈问题。

1 间谐波检测技术研究现状

基于傅立叶变换的传统间谐波检测方法建立在信号整周期采样的基础上，检测间谐波时会产生较大的频谱泄漏和栅栏误差，不能满足间谐波检测精度要求。加窗插值傅立叶方法虽然能够减少频谱泄漏并有效地抑制间谐波之间的干扰，但是该方法频率分辨率低，即要求的采样数据时窗长，导致该方法实时性较差，特别不适合用来分析非平稳的、参数随时间变化的间谐波。国际电工委员会在IEC标准61000-4-7中根据Parseval定理针对间谐波检测引入群和子群的方法［8］，但是该方法仍然存在频率分辨率低的问题。近年来一些基于现代信号处理技术的方法被用于间谐波检测:Prony间谐波检测方法建立在复指数信号线性组合模型的基础上，可以提供较高的频率分辨率，但是其噪声敏感性限制了该方法的广泛应用;迭代DFT方法建立在信号核函数变换的基础上，能够实现较高的频率分辨率，但是该方法需要进行逆矩阵的迭代运算，计算量非常大。自适应陷波滤波器通过自动修正滤波器参数来实现高分辨率间谐波检测，但是该方法也存在暂态响应时间长、频率分辨率低的问题。

2 间谐波检测技术的展望——子空间方法

子空间方法建立在信号自相关矩阵特征分解的基础上，其频率分辨率不受采样数据窗长度的限制，为间谐波检测提供了一种新的途径。该方法最早由Pisarenko提出，他注意到自相关矩阵最小特征多项式z变换的零点与信号频率的对应关系。后续的相关工作表明信号自相关矩阵的特征向量可以划分噪声子空间和信号子空间，这些子空间与被测信号存在一定的物理相关性和数值对应关系。如果能够把噪声子空间和信号子空间的信息有机结合起来，研究这些子空间与被测信号的物理相关性，确定子空间与间谐波参数的数值对应关系，研究基于这些数值对应关系的高分辨率间谐波检测方法，可实现电力系统间谐波的准确、可靠检测。

［1］林海雪.现代电能质量的基本问题［J］.电网技术，2001，25(10):5-12.

［2］肖湘宁，徐永海.电能质量问题剖析［A］.电能质量国际研讨会［C］.2002:296-300.

［3］全国无线电干扰标准化技术委员会.电磁兼容标准实施指南［M］.北京:中国标准出版社，1999:9.

［4］韩英铎.信息电力与FACTS及DFACTS技术［J］.电力系统自动化，2000(19):1-7.

［5］孙树勤.电压波动和闪变［M］.北京:中国电力出版社，1998.

［6］刘小彩，肖湘宁.电能质量评估与分析方法的研究［D］.北京:华北电力大学(北京)工学硕士论文，1997:12.

［7］EN50160，Voltage characteristics of electricity supplied by public distribution system［S］.

［8］Testing and Measurement Techniques-GeneralGuide on Harmonics and Interharmonics measurements and Instrumentation，for Power Supply Systems and Equipment Connected Thereto，IEC Std.61000-4-7，2002.