CN101788604A - 一种基于频域分析和序分量分析的电功率及电量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频域分析和序分量分析的电功率及电量测量方法，涉及电功率和电量测量技术领域。首先是对同一路电压、电流进行信号处理形成模拟信号，将处理后的电压电流信号经过抗混叠滤波形成采样信号；将采样信号进行模数转换形成数字信号；由处理器对利用离散傅立叶变换计算方法对模数转换的数字信号进行计算，再处理器对利用序分量分解方法对基波信号进行正序、负序、零序分解计算，将DFT和序分量分解后的数字信号进行综合计算形成如下参数：谐波有功功率、正序有功功率、负序有功功率、零序有功功率、总有功功率及电量。本发明测量精度高，为电力用户和供电公司全面准确的测量电力负荷的用电功率提供了一个行之有效的方法。

Description

一种基于频域分析和序分量分析的电功率及电量测量方法

技术领域

本发明涉及电功率和电量测量技术领域。

背景技术

随着电力电子技术的发展，各种非线性、非周期性和不对称负荷的投入使用，电力电子装置带来的谐波问题对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁，这些技术的应用在提高生产力的同时给电网带来了很大的负面效应，使得电网中有大量的谐波和负序存在，谐波和负序不但对电力设备、电力用户和通信线路构成了危害，而且还会影响到正常的电力负荷的功率测量精度。

现今测量方法，没有针对谐波和负序的频域分析和序分量分析的功率计算方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于频域分析和序分量分析的电功率和电量测量方法，从测量方法上消除了影响功率测量精度的谐波和负序等诸多因素，其测量精度高，为电力用户和供电公司全面准确地测量电力负荷的用电功率提供了一个行之有效的方法。

本发明的基本技术方案是：一种基于频域分析和序分量分析的电功率测量方法，其特征在于具有以下步骤：

a、首先是对同一路电压(Ua、Ub、Uc)进行电压信号处理形成低压模拟信号(Ua1、Ub1、Uc1)，对同一路电流(Ia、Ib、Ic)进行电流处理形成低压模拟信号(Ia1、Ib1、Ic1)；

b、将处理后的电压电流信号经过抗混叠滤波形成采样信号(Ua2、Ub2、Uc2、Ia2、Ib2、Ic2)；

c、将采样信号进行模数转换形成数字信号(Uan、Ubn、Ucn、Ian、Ibn、Icn)；

c、将采样信号进行模数转换形成数字信号(Uan、Ubn、Ucn、Ian、Ibn、Icn)；

d、由处理器对利用离散傅立叶变换计算方法(简称DFT)对模数转换的数字信号进行计算，再处理器对利用序分量分解方法(简称DFT)对基波信号进行正序、负序、零序分解计算，将DFT和序分量分解后的数字信号进行综合计算形成如下参数：谐波有功功率、正序有功功率、负序有功功率、零序有功功率和总有功功率。

所述的基于频域分析和序分量分析的电功率测量方法，其特征在于在一个采样周期内检测采集电压电流信号数量分为64点至256点，单位时间选为0.02s至10s。

一种基于频域分析和序分量分析的电量测量方法，其特征在于根据权利要求1所述的基于频域分析和序分量分析的电功率测量方法得到的基波功率、谐波功率、基波序功率、总无功功率、总有功功率，分别乘以单位时间间隔Δt，即分别得到基波电量、谐波电量、基波序电量、总无功电量、总有功电量。

本发明的积极效果是：本发明从测量方法上消除了影响功率测量精度的谐波和负序等诸多因素，利用离散傅立叶和序分量分解法能同时准确地测量电力负荷的谐波功率、正序有功功率、负序有功功率和零序有功功率，并由此测量出电力负荷的系统有功功率，其测量精度高，为电力用户和供电公司全面准确的测量电力负荷的用电功率提供了一个行之有效的方法。

以下结合实施例作详述，但不作为对本发明的限定。

具体实施方式

实施例1(并就DFT算法在本发明中的应用做一介绍)：

电力负荷中的电压、电流信号波形都是周期性非正弦波形，并且满足狄里赫利条件，因此它可展开成傅立叶级数。

由于谐波主要成分主要集中在50次以内的低频分量中。通过对电力负荷常见的波形进行DFT分析知道，DFT分析至50次谐波时就足以接近原来的波形，50次谐波频率为50×50＝2500HZ。根据采样定理，采样频率f_采≥2f_信号＝2×2500＝5000HZ，所以每个基波周期内至少要采集

点就能不失真地复原输入信号。

下面简要介绍一下本实用新型考虑谐波与负序情况下电功率的计算方法。

(1)、数字电压和电流信号的128点傅立叶展开式如下：

$U\left(h\right)=\underset{n=0}{\overset{128}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)e^{-j\frac{\mathrm{\πh}}{64}}=\underset{n=0}{\overset{127}{\mathrm{\Σ}}}u\left(n\right)(\cos \frac{\mathrm{\π}}{64}h-j\sin \frac{\mathrm{\π}}{64}h)$

$I\left(h\right)=\underset{n=0}{\overset{128}{\mathrm{\Σ}}}i\left(n\right)e^{-j\frac{\mathrm{\πh}}{64}}=\underset{n=0}{\overset{127}{\mathrm{\Σ}}}i\left(n\right)(\cos \frac{\mathrm{\π}}{64}h-j\sin \frac{\mathrm{\π}}{64}h)$

$\left[\begin{array}{c}\stackrel{.}{U}\\ {\stackrel{.}{I}}_1\\ {\stackrel{.}{I}}_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{U}}_{A,h}& {\stackrel{.}{U}}_{B,h}& {\stackrel{.}{U}}_{C,h}\\ {\stackrel{.}{I}}_{1A,h}& {\stackrel{.}{I}}_{1B,h}& {\stackrel{.}{I}}_{1C,h}\\ {\stackrel{.}{I}}_{2A,h}& {\stackrel{.}{I}}_{2B,h}& {\stackrel{.}{I}}_{2C,h}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{U}_{A,h}{e}^{{\mathrm{j\α}}_{A,h}}& U_{B,h}{e}^{j{\mathrm{\α}}_{B,h}}& U_{C,h}{e}^{{\mathrm{j\α}}_{C,h}}\\ I_{1A,h}{e}^{{\mathrm{j\β}}_{1A,h}}& I_{1B,h}{e}^{{\mathrm{j\β}}_{1B,h}}& I_{1C,h}{e}^{j{\mathrm{\β}}_{1C,h}}\\ I_{2A,h}{e}^{{\mathrm{j\β}}_{2A,h}}& I_{2B,h}{e}^{{\mathrm{j\β}}_{2B,h}}& I_{2C,h}{e}^{{\mathrm{j\β}}_{2C,h}}\end{array}\right]$

式中：h＝1，基波分量

h≥2，谐波分量h＝2，3，…，64

(2)、谐波电压、电流含有率

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{HRU}}_h\\ {\mathrm{HRI}}_{1,h}\\ {\mathrm{HRI}}_{2,h}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{HRU}}_{A,h}& {\mathrm{HRU}}_{B,h}& {\mathrm{HRU}}_{C,h}\\ {\mathrm{HRI}}_{1A,h}& {\mathrm{HRI}}_{1B,h}& {\mathrm{HRI}}_{1C,h}\\ {\mathrm{HRI}}_{2A,h}& {\mathrm{HRI}}_{2B,h}& {\mathrm{HRI}}_{2C,h}\end{array}\right]$

${\mathrm{HRU}}_{A,h}=\frac{U_{A,h}}{U_{A,1}}\×100\%$

${\mathrm{HRI}}_{1A,h}=\frac{I_{1A,h}}{I_{1A,1}}\×100\%$

${\mathrm{HRI}}_{A,h}=\frac{I_{2A,h}}{I_{2A,1}}\×100\%$

B相、C相的值类同。

(3)、基波电压电流的序分量及不平衡度

基波电压电流的序分量：

$\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{U}}^{+}& {\stackrel{.}{U}}^{-}& {\stackrel{.}{U}}^0\\ {\stackrel{.}{I}}_1^{+}& {\stackrel{.}{I}}_1^{-}& {\stackrel{.}{I}}_1^0\\ {\stackrel{.}{I}}_2^{+}& {\stackrel{.}{I}}_2^{-}& {\stackrel{.}{I}}_2^0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{U}^{+}{e}^{\mathrm{j\γ}+}& U^{-}{e}^{\mathrm{j\γ}-}& U^0{e}^{\mathrm{j\γ}0}\\ {\stackrel{.}{I}}_1^{+}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_1^{+}}& {\stackrel{.}{I}}_1^{-}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_1^{-}}& {\stackrel{.}{I}}_1^0{e}^{j{\mathrm{\θ}}_1^0}\\ {\stackrel{.}{I}}_2^{+}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_1^{+}}& {\stackrel{.}{I}}_2^{-}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_1^{-}}& {\stackrel{.}{I}}_2^0{e}^{j{\mathrm{\θ}}_1^0}\end{array}\right]$

基波电压不平衡度：

${\mathrm{\ϵ}}_U^{-}=\frac{U^{-}}{U^{+}}\×100\%,$ ${\mathrm{\ϵ}}_U^0=\frac{U^0}{U^{+}}\×100\%$

基波电流不平衡度：

${\mathrm{\ϵ}}_{I_1}^{-}=\frac{{I_1}^{-}}{{I_1}^{+}}\×100\%,$ ${\mathrm{\ϵ}}_{I_2}^{-}=\frac{{I_2}^{-}}{{I_2}^{+}}\×100\%$

${\mathrm{\ϵ}}_{I_1}^0=\frac{{I_1}^0}{{I_1}^{+}}\×100\%,$ ${\mathrm{\ϵ}}_{I_2}^0=\frac{{I_2}^0}{{I_2}^{+}}\×100\%$

(4)、基波功率和基波功率因数

基波功率：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{S}}_{\mathrm{1,1}}\\ {\stackrel{.}{S}}_{\mathrm{2,1}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}(P_{1A,1}+P_{1B,1}+P_{1C,1})+j(Q_{1A,1}+Q_{1B,1}+Q_{1C,1})\\ (P_{2A,1}+P_{2B,1}+P_{2C,1})+j(Q_{2A,1}+Q_{2B,1}+Q_{2C,1})\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{1,1}}+j{Q}_{\mathrm{1,1}}\\ P_{\mathrm{2,1}}+j{Q}_{\mathrm{2,1}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{S}}_{\mathrm{1,1}}{e}^{j{\mathrm{\α}}_{\mathrm{1,1}}}\\ {\stackrel{.}{S}}_{\mathrm{2,1}}{e}^{j{\mathrm{\α}}_{\mathrm{2,1}}}\end{array}\right]$

$P_{1A,1}+j{Q}_{1A,1}={\stackrel{.}{U}}_{A,1}\×{\stackrel{.}{I}}_{1A,1}^{*}$

$P_{2A,1}+j{Q}_{2A,1}={\stackrel{.}{U}}_{A,1}\×{\stackrel{.}{I}}_{2A,1}^{*}$

$\left\{\begin{array}{cc}{S}_{\mathrm{1,1}}=\sqrt{P_{\mathrm{1,1}}^2+Q_{\mathrm{1,1}}^2},& {\mathrm{\α}}_{\mathrm{1,1}}={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{Q_{\mathrm{1,1}}}{P_{\mathrm{1,1}}}\\ S_{\mathrm{2,1}}=\sqrt{P_{\mathrm{2,1}}^2+Q_{\mathrm{2,1}}^2},& {\mathrm{\α}}_{\mathrm{2,1}}={\mathrm{tg}}^{-1}\frac{Q_{\mathrm{2,1}}}{P_{\mathrm{2,1}}}\end{array}\right.$

基波功率因数：

$\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\α}}_{1A,1}& \cos {\mathrm{\α}}_{1B,1}& \cos {\mathrm{\α}}_{1C,1}\\ \cos {\mathrm{\α}}_{2A,1}& \cos {\mathrm{\α}}_{2B,1}& \cos {\mathrm{\α}}_{2C,1}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\frac{P_{1A,1}}{S_{1A,1}}& \frac{P_{1B,1}}{S_{1B,1}}& \frac{P_{1C,1}}{S_{1C,1}}\\ \frac{P_{2A,1}}{S_{2A,1}}& \frac{P_{2B,1}}{S_{2B,1}}& \frac{P_{2C,1}}{S_{2C,1}}\end{array}\right]$

(5)、谐波功率分量

$\left[\begin{array}{ccc}{\stackrel{.}{S}}_{1A,h}& {\stackrel{.}{S}}_{1B,h}& {\stackrel{.}{S}}_{1C,h}\\ {\stackrel{.}{S}}_{2A,h}& {\stackrel{.}{S}}_{2B,h}& {\stackrel{.}{S}}_{2C,h}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{P}_{1A,h}+j{Q}_{1A,h}& P_{1B,h}+j{Q}_{1B,h}& P_{1C,h}+j{Q}_{1C,h}\\ P_{2A,h}+j{Q}_{2A,h}& P_{2B,h}+j{Q}_{2B,h}& P_{2C,h}+j{Q}_{2C,h}\end{array}\right]$

${\stackrel{.}{S}}_{1A,h}=P_{1A,h}+j{Q}_{1A,h}={\stackrel{.}{U}}_{1A,h}{\stackrel{.}{I}}_{1A,h}^{*}$

(6)、基波序功率分量

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{.}{S}}_{\mathrm{1,1}}\\ {\stackrel{.}{S}}_{\mathrm{2,1}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{1,1}}+j{Q}_{\mathrm{1,1}}\\ P_{\mathrm{2,1}}+j{Q}_{\mathrm{2,1}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}3(P_1^{+}+P_1^{-}+P_1^0)+j3(Q_1^{+}+Q_1^{-}+Q_1^0)\\ 3(P_2^{+}+P_2^{-}+P_2^0)+j3(Q_2^{+}+Q_2^{-}+Q_2^0)\end{array}\right]$

$P_1^{+}+j{Q}_1^{+}=U^{+}{I}_1^{+}{e}^{j({\mathrm{\γ}}^{+}-{\mathrm{\θ}}_1^{+})}$

若

则

否则

若

则

否则

其余类同。

(7)、总功率及总功率因数

谐波功率负值负计、正值正计总有功功率：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1=P_{1A}+P_{1B}+P_{1C}=3(P_1^{+}+P_1^{-}+P_1^0)+\underset{h=2}{\overset{100}{\mathrm{\Σ}}}(P_{1A,h}+P_{1B,h}+P_{1C,h})\\ P_2=P_{2A}+P_{2B}+P_{2C}=3(P_2^{+}+P_2^{-}+P_2^0)+\underset{h=2}{\overset{100}{\mathrm{\Σ}}}(P_{2A,h}+P_{2B,h}+P_{2C,h})\end{array}\right.$

谐波功率负值正计、正值负计总有功功率：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_1^M={P^M}_{1A}+{P^M}_{1B}+{P^M}_{1C}=(P_1^{+}-P_1^{-}-P_1^0)-\underset{h=2}{\overset{100}{\mathrm{\Σ}}}(P_{1A,h}+P_{1B,h}+P_{1C,h})\\ P_2^M={P^M}_{2A}+{P^M}_{2B}+{P^M}_{2C}=(P_2^{+}-P_2^{-}-P_2^0)-\underset{h=2}{\overset{100}{\mathrm{\Σ}}}(P_{2A,h}+P_{2B,h}+P_{2C,h})\end{array}\right.$

总无功功率：

$\left\{\begin{array}{c}{Q}_1=Q_{1A}+Q_{1B}+Q_{1C}\\ Q_2=Q_{2A}+Q_{2B}+Q_{2C}\end{array}\right.$

总视在功率：

$\left\{\begin{array}{c}{S}_1=\sqrt{P_1^2+Q_1^2}\\ S_2=\sqrt{P_2^2+Q_2^2}\end{array}\right.$

总功率因数：

$\left\{\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\α}}_1=\frac{P_1}{S_1}\\ \cos {\mathrm{\α}}_2=\frac{P_2}{S_2}\end{array}\right.$

则系统总有功功率为：

P_总＝3(P_正+P_负+P_零)+P_∑h

(8)、由上述(4)、(5)、(6)、(7)得到的基波功率、谐波功率、基波序功率、和总无功功率、总有功功率分别乘以单位间隔Δt，即分别得到基波电量、谐波电量、基波序电量、和总无功电量、总有功电量。

上述字母符号及其含义对照见下表。

上述字母符号及其含义对照表

Claims (3)

1.一种基于频域分析和序分量分析的电功率测量方法，其特征在于具有以下步骤：

a、首先是对同一路电压(Ua、Ub、Uc)进行电压信号处理形成低压模拟信号(Ua1、Ub1、Uc1)，对同一路电流(Ia、Ib、Ic)进行电流处理形成低压模拟信号(Ia1、Ib1、Ic1)；

b、将处理后的电压电流信号经过抗混叠滤波形成采样信号(Ua2、Ub2、Uc2、Ia2、Ib2、Ic2)；

c、将采样信号进行模数转换形成数字信号(Uan、Ubn、Ucn、Ian、Ibn、Icn)；

d、由处理器对利用离散傅立叶变换计算方法对模数转换的数字信号进行计算，再处理器对利用序分量分解方法对基波信号进行正序、负序、零序分解计算，将DFT和序分量分解后的数字信号进行综合计算形成如下参数：谐波有功功率、正序有功功率、负序有功功率、零序有功功率和总有功功率。

2.根据权利要求1所述的基于频域分析和序分量分析的电功率测量方法，其特征在于在一个采样周期内检测采集电压电流信号数量分为64点至256点，单位时间选为0.02s至10s。

3.一种基于频域分析和序分量分析的电量测量方法，其特征在于根据权利要求1或2所述的基于频域分析和序分量分析的电功率测量方法得到的基波功率、谐波功率、基波序功率、总无功功率、总有功功率，分别乘以单位时间间隔Δt，分别得到基波电量、谐波电量、基波序电量、总无功电量、总有功电量。