电能质量在线监测装置是如何检测谐波的？

电能质量在线监测装置检测谐波的核心逻辑是：先精准采集电网电压 / 电流原始信号，再通过信号预处理滤除干扰，最后用专业算法分解信号中的基波与各次谐波成分，最终计算出谐波参数（如谐波含量、总谐波畸变率），整个过程需满足国标《GB/T 19862-2016 电能质量检测设备通用要求》中 “A 级精度” 标准（如谐波测量误差≤±0.5%）。具体流程可拆解为信号采集、预处理、谐波分析、数据输出四大环节，每个环节的技术细节如下：

一、第一步：信号采集 —— 获取高精度原始电压 / 电流信号

谐波检测的前提是 “精准捕获原始信号”，装置需通过专用传感器和采样电路，将电网的高电压、大电流信号转换为可处理的弱电信号，同时保证采样频率与精度。

1. 传感器选型：电压互感器（PT）与电流互感器（CT）

作用：将电网中高电压（如 10kV、35kV）、大电流（如 100A、500A）按固定比例 “降压 / 降流”，转换为装置可承受的弱电信号（通常电压信号 0~100V，电流信号 0~5A 或 0~1A），避免高电压 / 大电流损坏内部电路。

关键要求：

带宽足够宽：需覆盖 2~50 次谐波的频率范围（基波 50Hz 时，50 次谐波为 2500Hz），因此需选用 “宽频互感器”（带宽≥3kHz），普通工频互感器（带宽≤500Hz）会衰减高次谐波，导致检测不准；

线性度高：互感器的输出与输入需呈严格线性关系（非线性误差≤0.1%），否则会引入 “测量误差谐波”，干扰真实谐波检测（如非线性互感器会将基波信号失真，误判为谐波）。

2. 采样电路：高速 ADC（模数转换器）与同步采样

ADC 核心作用：将互感器输出的 “模拟信号”（连续电压 / 电流波形）转换为 “数字信号”（离散的数值序列），供后续算法分析。

关键参数：

采样率（Fs）：需满足 “奈奎斯特采样定理”（Fs≥2× 最高谐波频率），且为避免 “频谱混叠”（高频谐波被误判为低频信号），实际采样率需远高于理论值。国标要求监测装置采样率≥每周波 128 点（基波 50Hz 时，每周波 20ms，采样率 = 128 点 / 20ms=6400Hz），高端装置可达每周波 256 点（12800Hz），可覆盖 50 次谐波（2500Hz）；

采样精度：ADC 的 “位数” 需足够高（通常 16 位或 24 位），16 位 ADC 的量化误差≤0.0015%，可确保微弱谐波信号（如 0.1% 含量的高次谐波）不被量化误差掩盖。

同步采样：多通道（如 A、B、C 三相电压 / 电流）需严格同步采样（同步误差≤1μs），避免相位偏差导致谐波相位计算错误，通常通过 “GPS 同步时钟” 或 “硬件同步信号” 实现。

二、第二步：信号预处理 —— 滤除干扰，净化原始信号

原始采集的信号中会混入 “高频噪声”（如电磁干扰、电路噪声）和 “直流分量”，若不处理会干扰谐波分析结果，因此需通过预处理电路和算法净化信号。

1. 抗混叠滤波：消除高频噪声导致的频谱混叠

问题根源：若原始信号中存在高于 “采样率 / 2” 的高频噪声（如采样率 6400Hz 时，高于 3200Hz 的噪声），会被 ADC 误判为低频信号（即 “混叠”），例如 3500Hz 噪声会混叠成 3400Hz（6400-3500=2900？此处需纠正：混叠频率 =|Fs - f_noise|，若 Fs=6400Hz，f_noise=3500Hz，混叠后为 6400-3500=2900Hz，与 2900Hz 谐波混淆）。

解决方案：在 ADC 前加装 “低通抗混叠滤波器”，截止频率设定为 “最高谐波频率的 1.2~1.5 倍”（如 50 次谐波 2500Hz，截止频率设为 3000Hz），将高于截止频率的噪声滤除，确保进入 ADC 的信号仅含 2~50 次谐波。

2. 信号调理：放大、降噪与直流分量去除

放大与降噪：对于微弱的谐波信号（如含量＜1% 的高次谐波），通过 “可编程增益放大器（PGA）” 将信号放大至 ADC 的最佳量化范围（如 0~5V），同时通过 “差分放大电路” 抑制共模噪声（如电网中的电磁干扰），信噪比（SNR）提升至 60dB 以上（噪声幅度＜信号幅度的 0.1%）；

直流分量去除：电网中可能存在微量直流分量（如光伏逆变器的直流泄漏），若不去除会导致傅里叶变换（后续算法）的 “直流偏置误差”，因此通过 “高通滤波器”（截止频率 0.1Hz）将直流分量（0Hz）滤除，仅保留交流信号（基波 + 谐波）。

三、第三步：谐波分析 —— 核心算法分解基波与各次谐波

这是谐波检测的 “核心环节”，装置通过专用算法从预处理后的数字信号中，分离出基波（50Hz）和 2~50 次谐波（100Hz~2500Hz），并计算各次谐波的幅值、相位、含量。主流算法分为 “经典稳态算法” 和 “现代动态算法” 两类，适配不同谐波场景（稳态 / 时变谐波）。

1. 经典算法：快速傅里叶变换（FFT）—— 适配稳态谐波

FFT 是目前绝大多数监测装置的核心算法，适用于稳态谐波（谐波幅值、频率长期稳定，如工业变频器的固定谐波），原理是将 “时域信号”（随时间变化的电流 / 电压）转换为 “频域信号”（不同频率的幅值分布），直接读取各次谐波的参数。

基本原理：任何周期性交流信号（如含谐波的电压 / 电流）都可分解为 “基波 + 各次谐波” 的叠加，FFT 通过数学计算，将时域的 N 个采样点转换为频域的 N/2 个频率点，每个频率点对应一个 “频率分量” 的幅值和相位，其中：

第 1 个频率点（除直流分量外）对应基波（50Hz）；

第 k 个频率点对应 k 次谐波（50×k Hz）。

关键优化：解决 FFT 的固有缺陷FFT 存在 “频谱泄漏” 和 “栅栏效应” 两个缺陷，若不优化会导致谐波检测误差：

频谱泄漏：若采样时间不是基波周期的整数倍（如采样 10.01ms，基波周期 20ms，不是整数倍），频域的能量会从真实频率向相邻频率扩散，导致谐波幅值计算偏小。解决方案：加窗函数（如汉宁窗、布莱克曼窗），通过窗函数的 “平滑效应” 减少泄漏，汉宁窗可将泄漏误差从 10% 降至 1% 以内；

栅栏效应：FFT 的频率分辨率（Δf=Fs/N）固定，若谐波频率不是 Δf 的整数倍（如谐波频率 150.5Hz，Δf=10Hz），会被 “栅栏” 挡住，无法准确检测。解决方案：提高采样点数 N（如 N=8192，Fs=6400Hz，Δf=6400/8192≈0.78Hz），缩小频率分辨率，让谐波频率落在频率点上。

2. 现代算法：小波变换、卡尔曼滤波 —— 适配动态谐波

新能源场景中，谐波常为动态时变谐波（如光伏出力波动导致的谐波幅值变化、风机启停的暂态谐波），FFT 因 “固定时间窗”（需采集整数个基波周期，如 20ms），无法实时跟踪谐波变化，需采用现代算法：

小波变换（WT）：

原理：通过 “可变时间窗” 分析信号 —— 高频信号（高次谐波）用窄时间窗（快速跟踪变化），低频信号（基波 / 低次谐波）用宽时间窗（提高频率精度），可同时获取信号的 “时间信息” 和 “频率信息”，适合检测暂态谐波（如持续 10ms 的 5 次谐波突增）；

应用：风电变流器启停时的暂态谐波检测，可捕捉到 FFT 无法检测的 “瞬时谐波峰值”（如 10ms 内 5 次谐波从 1% 升至 5%）。

卡尔曼滤波（KF）：

原理：通过 “预测 - 更新” 循环，实时估计谐波的幅值和相位，假设谐波幅值随时间线性变化，基于前一时刻的谐波参数预测当前值，再用实际采样值修正预测值，适合跟踪缓慢变化的动态谐波（如光伏云层遮挡导致的 3 次谐波缓慢波动）；

优势：抗噪声能力强，即使信号中存在噪声，也能稳定输出谐波参数，误差≤0.5%。

四、第四步：数据处理与输出 —— 计算谐波参数并展示 / 上传

谐波分析完成后，装置需计算国标要求的谐波参数，并以 “本地显示 + 远程上传” 的方式输出结果，供运维人员监控或电网主站分析。

1. 核心谐波参数计算

根据《GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波》，装置需计算以下关键参数：

各次谐波含量（Hn）：第 n 次谐波的幅值与基波幅值的百分比，公式为：Hn​=U1​Un​​×100%(电压谐波)或Hn​=I1​In​​×100%(电流谐波)（如 5 次谐波电压幅值 1.5kV，基波幅值 10kV，则 H5=15%）；

总谐波畸变率（THD）：所有次谐波的方均根值与基波方均根值的百分比，公式为：THD=U1​U22​+U32​+⋯+U502​​​×100%国标要求 220kV 电网 THDv≤2%，10kV 配网 THDv≤4%；

谐波相位（φn）：各次谐波与基波的相位差（如 5 次谐波相位滞后基波 30°），用于分析谐波源方向（判断谐波来自电网侧还是用户侧）。

2. 数据输出方式

本地显示：装置自带液晶屏或 LED 屏，实时显示当前 THD、各次谐波含量（如 H3=1.2%、H5=0.8%）、超标告警状态（如 THDv＞2% 时红灯告警）；

远程上传：通过通信接口（以太网、4G/5G、RS485）将谐波数据上传至 “电能质量监测主站” 或 “电网调度系统”，上传频率可配置（如稳态数据 1 分钟 1 次，暂态谐波事件实时上传），通信协议符合 DL/T 645-2007 或 IEC 60870-5-104；

数据存储：本地存储历史谐波数据（如 SD 卡或硬盘），存储时长≥1 年，支持按时间查询（如查询某天 10:00-11:00 的 5 次谐波变化曲线），数据格式符合 COMTRADE 标准（便于故障溯源）。

五、关键硬件支撑：确保谐波检测的实时性与精度

除了算法，装置的硬件性能直接影响谐波检测效果，核心硬件包括：

高速处理器：采用 DSP（数字信号处理器，如 TI 的 TMS320 系列）或 FPGA（现场可编程门阵列），FFT 计算需在 “1 个基波周期内完成”（20ms 内），DSP 的运算速度需≥100MIPS（百万条指令 / 秒），FPGA 可通过硬件并行计算，将 FFT 耗时缩短至 1ms 以内；

高精度时钟：内置 “恒温晶体振荡器（OCXO）”，频率稳定度≤±0.1ppm（百万分之一），确保采样率长期稳定（避免采样率漂移导致 FFT 误差），同时通过 GPS 对时（同步精度≤1μs），实现多测点谐波数据的时间对齐（如分析不同变电站的谐波传播路径）；

电磁兼容（EMC）设计：装置需通过 GB/T 17626 系列抗干扰测试（如静电放电 ±6kV、浪涌 ±2kV），内部采用 “屏蔽接地” 和 “滤波电容”，避免电网中的电磁干扰（如变频器、电机的干扰）影响谐波检测精度。

总结：谐波检测的完整逻辑链

电能质量在线监测装置检测谐波的逻辑链可概括为：电网信号→互感器降压 / 降流→抗混叠滤波→ADC 模数转换→FFT / 小波变换分解谐波→计算 THD 与各次谐波含量→本地显示 / 远程上传

其中，FFT 算法是稳态谐波检测的核心，小波变换适配新能源的动态谐波，而 “高精度采样 + 抗干扰硬件” 是确保检测精度的基础。最终，装置输出的谐波数据需满足国标 A 级精度要求，为新能源场站的谐波治理（如加装 APF、SVG）提供精准依据。

审核编辑 黄宇