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基于凯塞窗的谐波检测算法

更新时间:2016-07-05

随着电力系统的发展和广泛应用,电能对人们的生产和生活都有不可替代的作用。但是在电力系统中,由于大量电子设备和非线性负载,使得相关的电流和电压波形产生较大程度的畸变,即谐波污染[1-3]。近年来,谐波对电网的影响也越来越受到电力部门的重视,国内外的专家、学者均对电力谐波的影响[4-5]、计量[6-7]和抑制[8]进行广泛研究。1999年,张伏生等人[9]通过海明窗和布莱克曼窗的插值算法对FFT进行改进,可以减小频谱泄露,提高谐波测量的精度。2012年,房国志等人[10]提出基于FFT(Fast Fourier Transform)和小波包变换的综合检测方法,用傅里叶变换识别谐波分量,再用小波包对谐波进行定位和提取,有效减少了信号提取的运算量。张鹏等人[11]结合加窗插值算法,提出基于离散小波变换的谐波分析方法,通过加窗插值算法计算基波频率,再对信号进行频率调制,用离散小波变换分离谐波分量再计算幅值和相位,提高了谐波的分析精度。2013年,王彭等人[12]采用时域准同步方法减少频谱泄露的影响,再用梳状滤波器对谐波和间谐波进行分离计算,实现对谐波和间谐波较为精准的测量。目前,许多谐波分析方法中,谐波的分析精度较高,但对于基波的分析误差却相对偏大,在不增大基波分析误差的同时,尽量减小谐波分析误差是提高电能分析的关键。

本文对信号的频谱泄露和非同步采样带来的幅度误差进行分析,提出使用窗函数的幅度恢复系数分析谐波幅度误差,并对信号通过不同窗函数和凯塞窗的不同β值进行实验仿真,得出不同窗函数对信号分析的误差趋势。

1 FFT的频谱泄露分析

在对信号进行处理时,不可能取无限长的数据,即采取数据的截断。在时域中截断数据,即在原信号上乘上一个窗函数。而时域函数相乘,在频域是其频谱的卷积。由于窗函数不可能取无限宽,即其频谱不可能为冲击函数,信号的频谱域窗函数的卷积必然产生展宽和拖尾现象,造成频谱泄露和频谱间干扰。

设谐波信号的函数为

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x(n)=Asin(2πft+φ)

(1)

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(2)

式中,Afψ分别为信号的幅度、频率和相位。由矩形窗函数的为RN(n),其频率响应为WR(ejw)

(3)

(4)

在计算基波和谐波幅值时,利用窗函数特性,降低信号旁瓣峰值,使频谱间干扰减小。但导致信号幅值降低,为恢复原信号的幅值,利用信号无泄漏时幅值相等,可求出窗函数的恢复系数[13]。其公式为

(5)

由图2可知,当凯塞窗的β值增大时,其通带纹波和阻带最小衰减都逐渐变小,同时窗函数的过渡带也相应增大。

(6)

式中,α为主瓣和旁瓣之间的差值。β是一个可自由选择的参数,用于调整主瓣宽度和旁瓣电平。凯塞窗的DTFT为

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(7)

则可得信号的频谱图如图1所示。

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图1 信号加矩形窗频谱图

从图中可以看出,信号加窗后频谱出现泄露。当同步采样时,信号频谱在整数次谐波上的幅度为零,信号频谱则不会发生泄漏,当非同步采样时,泄漏频谱的整数次谐波的幅度不为零,使得信号分析发生误差。

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2 Kaiser窗的分析

在信号截断时,由于信号的傅里叶变换是以截断的数据为周期进行延拓,但信号截断在非整数周期时,在波形的前后连接处出现跳跃,从而产生高频分量。通过加窗,可以降低截断数据边缘幅值,使波形的前后连续,从而减小高频分量。凯塞窗是一种适应性较强的窗,可根据需要调节主瓣宽度和旁瓣电平,其窗函数的表达式为

(8)

式中,I0(x)是第一类变形零阶贝塞尔函数,可采用无穷级数来表达

(9)

β=

(10)

由卷积的定理可知

(11)

β=5,β=10,β=15时,凯塞窗的归一化频率性能如图2所示。

图2 凯塞窗β值变化的衰减特性

式中,X(w)为原序列的频谱,WR(ejw)为矩形窗函数的频谱。其中

在应用的各种窗函数中,常用的窗为矩形窗、三角窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗和凯塞窗,几种窗函数的基本性能,结果如表1所示。

1 不同窗函数基本性能比较

窗函数旁瓣峰值/dB过度带宽/dB阻带最小衰减/dB矩形窗-134π/N-21三角窗-258π/N-25汉宁窗-318π/N-44海明窗-418π/N-53布莱克曼窗-5712π/N-74凯塞窗(β=7.865)-5710π/N-80

从表2可以看出,凯塞窗的基本性能良好,使用灵活。在谐波的分析中,由于谐波的次数较多,为提高对谐波电能的计量,需要提高频谱的分辨率,即尽量的减小过度带宽。为此,凯塞窗在满足通带纹波和阻带衰减的同时,尽量减少过渡带的增加。

x(n)以fs均匀采样,得到一组序列

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即截断后的序列为y(n)=x(n)RN(n)。则截断后有限长序列的频谱为

在使用FFT进行分析时,由于采样点并非是谐波频率点,所以在计算时得到的幅度值和实际幅度值之间存在误差,且在进行数字信号分析时,需要截断信号进行分析,导致信号频谱产生泄露,其泄露的频谱干扰了谐波的计算,从而使谐波分量发生改变。

Kt=A/A

(12)

其恢复系数计算的方法由两种:一种为对窗函数作频谱分析,A′为零频率时窗函数的幅值,此时,A为1;另一种计算方法为A为谐波理论幅值,A′为无频谱泄露时,谐波加窗后的幅值。

为了恢复信号的幅度值,需计算窗函数的幅度恢复系数,常用的窗函数恢复系数如表2所示。

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2 常用窗函数幅度恢复系数

窗函数幅度恢复系数矩形窗1汉宁窗2海明窗1.852三角形窗2布莱克曼窗2.381凯塞窗(β=10)2.55914812凯塞窗(β=15)3.12010658凯塞窗(β=20)3.5948559凯塞窗(β=25)4.01419249凯塞窗(β=30)4.39417822

3 仿真分析

采用文献[14~15]给出的信号模型,其21次谐波的信号模型为

(13)

式中,信号的基波频率f1为50.2 Hz,采样频率fs为10 000 Hz,数据长度为8 192点,Uiψi为信号的幅值和初始相位,信号如表3所示。

3 仿真信号的基波与谐波成分

iUi/Vφi/(°)iUi/Vφi/(°)12205.05120.74024.439130.8510.531060.5140.1115431231512556-52.7160.0653.162.1146170.4-13273.297180.048581.956190.030.892.343.1200.005103100.8-19210.0122111.14.1

信号通过加凯塞窗后,采用数值比较,找到信号频率,用窗函数幅度恢复系数,得到恢复后的信号幅度值。利用恢复的信号幅度和理论信号幅度相比较,绘制不同β值时和不同窗函数的幅度误差曲线,分别如图3和图4所示。

图3 凯塞窗不同β值的幅度误差

图4 不同窗函数的幅度误差

从图中可以看出,通过窗函数的幅度恢复,凯塞窗的谐波幅度误差比三角形窗,汉宁窗和布莱克曼窗更小。随着β值的增大,凯塞窗各阶谐波的幅度误差都在逐渐的减小,当β=30时,谐波幅度误差小于4%。

4 结束语

本文通过对凯撒窗在主瓣和旁瓣的幅频特性进行

了分析,并通过实验仿真比较在不同β值下的幅度误差,选取合适的β值与三角窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗之间的幅度误差比较。仿真结果表明,凯塞窗的β值增大时,谐波的幅度误差减小;当β=10时,凯塞窗通过幅度恢复得到的误差小于其它窗函数。当β=30时,凯塞窗的幅度恢复误差小于4%。可知在幅度恢复方法中凯塞窗具有幅度误差更小的优越性,对谐波的检测具有一定参考意义。

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李晨,李川,姜飞,张长胜
《电子科技》 2018年第05期
《电子科技》2018年第05期文献

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