TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 12, Decembe r   2014, pp. 79 9 6  ~ 800 0   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i12.64 74          7996     Re cei v ed  Jun e  27, 2014; Revi sed Septe m ber  21, 201 4; Acce pted  Octob e r 16, 2 014   A High-accuracy Detection Method Research f o Electric Power Harmonic      Jingfan g Wa ng  Schoo l of Information Sci enc e and En gi neer ing, Hu na n Internatio nal Ec on omics Univ ersit y ,    Chan gsh a , Ch ina, postco de:4 102 05   email: matl ab_ b y s j @1 26.com       A b st r a ct   In this pa per,  a time-freq uen cy filter is d e si gne d, w h ich ca n detect th e frequ ency, a m pli t ude a n d   phas e of any  order  har mo ni cs and i n terh a r mo nics i n  sig nal by  mea n s of  time do mai n   conv oluti on. T h e   theory a n a l ysis  are carr ie d to  this  meth od  a nd the  calc ul ate for m ul a ar concl ude d, the  spectral  le aka g e   and  the  b a rrier  do mino  offect  are s h u n , the   non- integ e or der w a ve  ar e l ud ed, w h ic a r e e n g end ere d   i n   F ourier d o mai n . Experiment si mu lati on resu lts show  t hat ti me-fre qu ency filterin g conv olu t ion fluncti on c a n   be des ign ed a nd rea l i z e d   ne atly and co nve n ie ntly ; t he influenc es of fund amenta l  freque ncy fluctuatio o n   har mo nic  an al ysis ar e restra i ned  by  usi n g  the  ap proac p r esente d   in t h i s  pa per the   relative errors  of   calcul atin g fu n d a m e n tal fr eq uenc ies w i th   ma ny  order   h a r mo nics an d   i n terhar monics  are no more   than   0.000 08 , th e re lative  er or s of c a lcu l atin a m plitu des  are no  more  than 0.00 01 3 , and  thos e  of   calcul atin g initi a l ph ases ar e no more tha n  0 . 078 .     Ke y w ords : har mo nic a nalys is , time-freq uenc y filteri ng, conv oluti on,  freque ncy fluctuatio n     Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   High -p re cisio n  analysi s   of harm onic power me asu r em ent, harm oni c po wer fl o w   cal c ulatio n, netwo rk te st ing eq uipme n t,  powe r  system  h a rmonics com pen sation a nd  sup p re ssion  is of great  signifi can c e  [1]. Becau s e n on-syn c hron ou s sa mpling a nd  data   truncation, th e use of fa st Fouri e r tra n sf orm (F FT) al gorithm to ge nerate  harmo nic an alysi s  a nd  fence effe ct of spect r um le aka ge, the  accuracy of ha rmonic a nalysi s  [2-3].   To re du ce  su ch e r rors, scholars at h o m and abro ad  ba sed on recta ngul ar windo [4],  Han n ing  wind ow [5], Ham m ing win d o w  [6], Blackma n  wind ow [7], Blackm an -Harri s wi ndo [8],  Kaise r   wind o w  [9]  and  ot her wi ndo we d inte rpolatio n FFT   signal  analy s is alg o rithm s , FFT  ca n   redu ce  the e n co unter alo ne an d fen c e  effect  of  sp ectru m  lea k a ge p r obl ems  and im prove   the  detectio n  accura cy of harmonic p a ra m e ters, but  ca n not detect integer h a rm onics ha rmo n ics   near the  aski ng; u s com b ination  of hig h -en d   wind o w -b ased  dou ble-co sine  sp ectru m  [5,7,1 0] or  line [11-12] interpol ation  FFT algo rith m to es timat e  fundam ent al and the h a r moni c pa ra meters,  need to solve high-order  equatio n [13-15], comput i ng com p lex; contin uou s wavelet transf o rm   [16-17] ca n be  reali z ed betwe en/ha rmonic  dete c t i on,  but the   wavelet fun c t i ons of different  scale s  exist  in the freque ncy do main i n terferen ce,  whe n  the te st si gnal  co n t ains h a rm on ic  freque nci e close to, the d e tection meth od failure ; Prony method [ 18-1 9 ] is ha rmonic, ha rmo n ic  analysi s   and   modelin g of  i n ter-effective  way to  a c curately estim a te the  si nu soi dal  com pone nt of  freque ncy, a m plitude a n d  phase an gle ,  but the nee d to solve eq uation s  and t w o sets of o dd a  polynomial, computation a l compl e xity and high se ns iti v ity  to noise; there a r e oth e r metho d s [20- 22], or limite d  freq uen cy  resolution,  or com put ing  cap a city, bot h in the  spe c ific  appli c ati on  limitations.   This p ape pre s ent s a t i me-fre que ncy filter s, time domai n convolution  with high   accuracy by  detecting t he sig nal a m ong all  th e harm oni cs and the ha rmoni c fre q u ency,  amplitude  an d pha se. In th is pa per,  a th eoreti c al a nal ysis a nd  cal c ulation formul a is d e rived, t h e   method  to av oid the  Fo uri e (FFT do main  spe c tral  lea k ag e, the  entire  sub - b a rri er effect  and  non-wave   ph enome non. The simul a tion  results show  that: time-fre que ncy  co nvolution  filter  desi gn flexibl e , easy to u s e, this algo rit h m ca n elimi nate the h a rmonic i n terfe r ence an d imp r ove   sign al analysi s  pre c i s ion, hi gh accu ra cy for ha rmoni c a nalysi s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A High-accu racy Dete ction  Method Re search  for Ele c tri c  Powe r Harm onic (Jin g f ang Wa ng)  7997     2. The Time-Freque nc y  F ilter Design    Time-frequ en cy filter:     t j at e at at at t g 0 ) 90 ) ( 30 ) ( 12 ) ( ( ) , ( 6 5 4 0             ( 1 )     Whe r B a 3 2  Cent er fo r the filte r  pa ram e ters,  the  c oefficie n t B to adj ust  the filter  ban dwidth  (su c h a s  ta king B = 0.04),  ω 0 cente r  fre quen cy. The frequ en cy do main expression is:     7 0 6 6 0 5 5 0 4 0 0 )) ( ( 8 )) ( ( 4 )) ( ( 2 ) ( ) , ( j a a j a a j a a H G    ( 2)    Figure 1  sho w s the trend   of time-frequ ency filter  ch ara c teri stics,  (a) tren ds in  the time  domain  g r ap h, (b ) trend in the f r eq ue ncy d o ma in;  they chan ge  with the  cent er frequ en cy  ω 0.  By (2) a nd  Figure 1  (b) sho w s G  ( ω ω 0) only  in a n a rro w  band  ce ntered  ω 0 signifi cant  amplitude, th e other is al m o st ze ro. Fa rther a w ay fro m  the  ω 0, | G  ( ω ω 0) | is smaller.           Figure 1. Time-fre que ncy filter of time/frequen cy       3, Theore t ic al Analy s is a nd Calcula t ion Formulas  b y   3.1. Analy s is  of Con t inuo us    If  ω 0 centere d  within the range of na rro w -b and frequ ency  ω 1 of the harm oni c si gnal:     ) cos( ) ( 1 t A t f             ( 3 )     Its freque ncy  domain exp r e ssi on:     ] ) ( ) ( [ ) ( 1 1 j j e e A F             ( 4 )     )] ( ) ( ) ( ) ( [ ) ( ) ( ) ( ) , ( ) ( 1 0 1 1 0 1 0 0 j j e H e H A F H F G Y       (5)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  7996 – 80 00   7998 ] ) ( ) ( [ 2 ) , ( ) ( ) ( 1 1 0 1 0 1 0 t j j t j j e e H e e H A t g t f t y       (6)  Whe r e for the convol ution o peratio n,  0 | ) ( | 0 1 H :     Arg d t t y Arg d ))) ( ( ( 1  is  Angular                 (7)    | ) ( | | ) ( | 2 0 1 H t y A                                                              (8)    mod[] ) ( ( ] 2 , mod[ )) ( ( 0 1 1 H Arg t t y Arg  The rem a ind e r is divisi ble    (9)    3.2. Calculati on of Disc rete  Set of di scret e  samplin g freque ncy f s , t he  sam p ling   perio DT = fs 1 , Numb er of  sa mples  is  N; tak e   N 1 =[0.5N], N 2 =[0. 94N], Com p u t ing discrete  convol ution:     N k i k f i g DT k y N k N k i , , 2 , 1 ) ( ) ( ) ( } , 1 min{ } , 1 max{                  (10)    ) 11 ( function Sign  ; , , ))} 1 ( ( )) ( ( ( , 0 max{ 2 )) 1 ( ( )) ( ( ) ( 2 1 N N k k y Arg k y Arg Sign k y Arg k y Arg k    (11 )     The ha rmoni c frequen cy f (Hz), amplitud e A, the initial phase  φ  ( ) as , res p ec tively:    2 1 ) ( ) 1 ( 2 1 2 N N k k N N fs f                         (12)    fs f 2 1                                            (13)    2 1 | ) ( | ) 1 ( | ) ( | 2 1 2 0 1 N N k k y N N H A                (14)    ) 15 ( )) ( ( }) ] 2 , ) 1 ( 2 mod[ ))} ( ( ( , 0 max{ 2 )) ( ( { ( ) 1 ( 1 0 1 1 2 2 1 H Arg fs f k k y Arg Sign k y Arg N N N N k    (15 )     )}) ( , 0 max{ 2 ( 180 Sign             ( 1 6 )       4. Experimental Ev aluation   Signal  co ntains fu nda men t al, DC,  bet wee n  2  an d  3  harmoni c ha rmoni c,  a nd thei para m eters in  Table 1, the expre ssi on:     6 0 ) cos( ) ( i i i i t A t f             ( 1 6 )     Its sampli ng f r equ en cy fs = 2000 Hz, n u m ber of  sam p les  N =  500 0. This meth o d  re sults  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     A High-accu racy Dete ction  Method Re search  for Ele c tri c  Powe r Harm onic (Jin g f ang Wa ng)  7999 are i n  Ta ble  1 the  rig h depa rtment.  To the  ha rm onic freq uen cy, amplitud e ,  initial pha se of  testing the va lue of the real  value and are plotted in  the same pl ot, the re sult is very accu rate.                 Figure 2. The  harmo nic  ch ara c teri stics  of the  true value of para m e t ers  comp are d  with the  measured val ues      Table  1 h a rmonic of the  frequ en cy f =  350. 7 H spe c ific icon  nea r the  d e tection   algorith m s 3,  Figure (a ), (b), (c ) of the  absci ssa as t he sample  p o ints. Figu re  (a) th e type (10)  the magnitud e , Figure (c) signal after  filtering  in fre quen cy dom ain inverse F ourie r tran sfo r (IFFT) of th e amplitu de,  both i n  the  sa me  500   points;  Figu re (b) th e type  (11 )  tran sient  freque ncy.           Figure 3. The  result s of har monic frequ e n cy f = 350.7 H 5. Conclusio n    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 12, Decem ber 20 14 :  7996 – 80 00   8000 This pa per p r esents a  tim e -fre que ncy f ilter , thro ugh  the time -d o m ain  co nvolu t ion can  accurately de tect the signa l between all  the  harmo nics and the ha rmonic freque ncy, amplitud and  pha se. In  this pa per,  theoreti c al  an alysis an cal c ulatio n fo rm ula i s  d e rive d ,  the meth od  to  avoid the Fo urie r (FF T ) d o main  spe c tral leak age, t he entire su b - ba rrie r  effect  and no n-wa ve   phen omen on.  The  simulati on re sult s sh ow that: time -freque ncy  co nvolution filte r  de sign flexi b le,  proje c t imple m entation an d the algorith m  is si mple  convenie n t, quick respon se.  This algo rith can elimi nate  the harmo nic interfere n ce and imp r ov e sign al analysi s  pre c i s ion, hi gh accu ra cy for  harm oni c ana lysis.       Referen ces   [1]  Ortme y er T H Chakr a varthi K R , Mahmou A A.  T he effects of po w e r s y stem h a rmon i cs on po w e r   s y stem e qui p m ent an d lo ad s.  IEEE Trans. on Pow e r Ap paratus  and S ystems . 19 85;  104( 9): 255 5- 256 3.   [2]  Gregori o  A, Mario S, Am erig o T .   W i ndo w s  a nd  i n ter pol ation  al gori t hms to impr ove e l ectrica l   measur ement accurac y . IEEE Trans. on Instrum e ntation and Meas urem ent.  1989; 38( 4): 856-8 63.   [3]  X U E H, YANG RG.  Pre c ise  alg o r it h m s fo ha rmo n i cs an a l ysis b a s e d  on  FFT a l g o r it h m .  Procee din g s   of the CSEE. 2002; 22( 12): 10 6-11 0.  [4]  Jain VK, Co lli ns WL, Davis DC. Hig h-accu ra c y   ana lo g measur ements v i a inter pol ated  F F T .   IEEE   T r ans. Instrum.  Meas.  1979; 2 8 (2): 113- 12 2.  [5]  PAN W ,  QIAN  YSH, Z H OU E. Po w e r h a r m onics me asu r ement b a se on  w i nd o w a nd i n terpo l ate d   FFF  ( ) dual interpo l ate d  F F T  algorithms.  T r ansacti ons of Chin a Electrot echn ical Soc i et y . 1994; 2(1) :   50-5 4 .   [6]  X I L XU  WS, YU  YL.  A fas t  har mon i c d e t ection  metho d  bas ed  on  r eeurs i ve  DF T [ C]. Electroni c   Measur e m ent and  Instru me nt s . ICEM107. 8th Internatio na l C onfer ence  on . 2007: 97 2-97 6.   [7]  QIAN H, Z H AO RX, C H EN  T .  Interharmonics  ana l y sis  base d  o n  in terpol ating   w i ndo w e d F F T   algorithm.  IEEE Trans. Power De1.  200 7; 2 2 (2): 106 4-1 0 6 9 .   [8] HARRIS  FJ.  On the us e o f  w i ndow s for har mo nic a n a lysis w i th the  discrete F o ur ier transfor m Procee din g s of  the IEEE. 1978; 66(1): 51-8 3 .     [9]  Gao YP, T eng  Z S H, W en H,  et al.  Harmo nic a n a l ysis  b a sed  on  Kais e r   w i n d o w   p has e differ enc e   correctio n and  its appl icatio n.  Scientific Instru m . 20 09; 30( 4): 767-7 7 3   [10]  PANG H, LI  D X , Z U  Y X , et  al.  An im pr oved algor ithm  for  har moni c   analysis  of power system  usi ng  FFT te ch n i qu e .  Proceed in gs o f  the CSEE. 2003; 23(6): 5 0 -5 4.   [11]  AGREZ  D. W e ighte d  muh i po i n t interpo l ate d  DFT   to improve ampl itud e e s ti mation of m u ltifreq uenc sign al.  IEEE Tr ans. Instrum .   Meas.  200 2; 5 1 (2): 287- 29 2.   [12]  AGREZ  D. D y namics of  e q u ene estimatio n  in the fre q u enc y d o mai n .  IEEE Trans. Instrum .  Meas .   200 7; 56(6): 21 11-2 118.    [13]  LIN HC. Inter- harmo nic i dent ificatio usi ng grou p-harm oni c w e ig htin g a p p roac h bas ed  on the F F T IEEE Trans. P o wer Eleetr.  20 08; 23(3): 1 309 -131 9.   [14]  Lob os T ,  Leo no w i cz  Z ,  Rez m er J, et  al.  Hi gh-r e so lutio n  spectrum- e sti m ation  metho d s for s i gn a l   analy sis in po w e r s y stems.  IEEE Trans. Instr u m .  Meas.  2 0 0 6 ; 55(1): 21 9-2 25.   [15]  Lig uori  C, Pa o lill o A,  Pi gnotiI  A. Estimation  of sig nal  par ameters i n  the  freque nc y d o m ain  in th e   prese n ce of h a rmonic i n terfer ence: A comp a r ative an al ysis.   IEEE Trans. Instrum .  Meas.  200 6; 55(2):   562- 569.   [16]  Xu e H, Yan g  RG. Morlet w a vel e t bas e d  detecti on o f  nonint eger  harmo nics. Po w e Syste m   T e chno logy . 2 002; 26( 12): 41 -44.   [17]  Pham V L , W   ong  KP.  Wav e let-transfor m - based algorithm   fo r  har m onic analysis  of  power syste m   waveform s.  IEE Proceed in g of Generatio n, T r ansmissi on a nd Distri butio n. 1999; 1 46(3):  249- 254.   [18]  Leo no w i cz Z ,  Lobos T ,  Rezmer J. Advanced  spectr um estim a tion meth ods  for signa l an al ysis in po w e r   electro n ics.   IEEE Transactions on Industrial Electronics . 2 003; 50( 3): 514 -519.    [19]  Ding YF , Ch en g HZ H, Lu GY, etal. Spectru m  es tim ation  of harmo nics a nd int e rharm o n i cs base d  o n   pron y a l gor ith m T r ansaction s of China El ec trotechnic a l So ciety . 2005. 2 0 ( 10): 94-9 7 .   [20]  Cai  T ,  Duan  SHX,  Li u F   R i . Po w e r H a r m onic  Ana l ysi s  Base on   Real-V al ued  S pectral  MUSIC   Algorit hm.  T r ansactio n s of Chin a Electrotec hnic a l Soci ety . 200 9; 24(1 2 ): 149-1 55.   [21]  W en H, T eng   Z  SH, Z eng  B ,  et al.  Hi gh  a ccu rac y   ph ase  estimati on  al gorithm  bas ed  on  sp ectra l   leak age c ance l latio n  for electri c al harm onic.  Scientific Instru m . 20 09; 30( 11 ): 2354-2 3 6 0 [22]  Su YX,  Liu Z H  G, Li K, et al. Electric  Ra il w a y   Harmo nic  Detectio n Bas ed o n  HHT  Method.  R a ilw ay   Society . 200 9; 31(6): 33- 38      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.