CN102662106A - 谐波电网电能计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波电网电能计量方法，采集用户注入电网的谐波含量及谐波，计算不同时段的谐波波形的波形畸变率THD，判断波形畸变率THD与预设波形畸变率阈值关系，分别采用不同的计量方式来计算电能，本发明在谐波条件下根据波形畸变率THD的不同设一个门槛值（参照国家谐波标准限值）以分别采用不同的计量方式，区分用户是谐波用户还是非谐波用户，如果谐波影响较大，仍视作线性用户，则计量其消耗的基波电能和谐波电能之和，同时记录其注入电网的谐波电能作为技术参考指标；如果谐波影响很大，属典型谐波源负荷，则计量其消耗的基波电能、谐波电能和注入电网的谐波电能绝对值之和，最终达到治理谐波的目的。

Description

谐波电网电能计量方法

技术领域

本发明涉及电网电能计量技术领域，特别涉及一种谐波电网电能的计量方法。

背景技术

目前，用于电力系统电能计量的各式各样仪表数以亿计。但是，绝大多数电能计量仪表的设计原理都是基于正弦周期电压、电流信号的假设，其理论基础是正弦电路功率理论。少量高档电能计量仪表的设计原理基于非正弦周期电压、电流信号的假设，其理论基础为传统的非正弦电路功率理论。

然而，随着现代科学技术的飞速发展，高电压、大容量的冲击性设备：如电弧炉、轧钢机、粉碎机、电力牵引机等已广泛应用，不仅使电力系统各种污染日益严重，电能质量也日趋劣化，而且由于这类设备具有严重的功率冲击、三相平衡、谐波、间谐波、电压与电流剧变等复杂特性，直接影响着电能计量的正确性，使得采用基于正弦电路功率理论或传统非正弦电路功率理论而设计的电能计量仪表均不能真实反映其从电力系统吸收的电能。

谐波问题涉及谐波源分析、畸变波形分析方法、谐波补偿与抑制、谐波限制标准和谐波下的电能计量等。电能计量是发电企业、输变电企业和用电客户三方结算的依据，在谐波条件下电能计量不能用传统的电子数字式计量所采用的简单功率代数和来计算。感应式和电子式电能表均会显现出其先天的不足，都无法正确反映基波电能和谐波电能。

因此急需一种在谐波条件下的电网电能计量方法。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种在谐波条件下的电网电能计量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的谐波电网电能计量方法，包括以下步骤：首先采集用户注入电网的谐波含量及谐波，计算不同时段的谐波波形的波形畸变率THD，然后判断波形畸变率THD与预设波形畸变率阈值关系，最后分别采用不同的计量方式来计算电能，所述计算电能计量方式包括通过计算基波功率和谐波功率的代数和的第一计量方式、只计量基波电能的第二计量方式和同时计量基波电能和谐波电能并区分谐波电能的正负的第三计量方式。

进一步，所述预设波形畸变率阈值包括上限预设波形畸变率阈值和下限预设波形畸变率阈值，

所述波形畸变率THD小于下限预设波形畸变率阈值，则采用第一计量方式；

所述波形畸变率THD大于上限预设波形畸变率阈值，则采用第三计量方式；

所述波形畸变率THD在上限预设波形畸变率阈值和下限预设波形畸变率阈值之间时，则采用第二计量方式。

进一步，所述第一计量方式，通过以下公式计算电能：W＝w₁+∑w_n；

其中，W1表示负荷消耗的基波电能，Wn表示负荷注入电网或消耗N次谐波电能，其中Wn<0为负荷产生的谐波功率，Wn>0为负荷消耗的谐波功率；

所述第二计量方式，通过以下公式计算电能：

W＝w₁+∑w_n，

W_h＝∑w_n(w_n＜0)，

其中，Wh表示负荷注入电网的谐波电能之和；

所述第三计量方式，通过以下公式计算电能：

W＝w₁+|∑w_n|

W_h＝∑w_n(w_n＜0)。

进一步，所述第一计量方式采用电子式电能表来计算基波功率和谐波功率的代数和；

所述第二计量方式采用在常规电能表的电流、电压回路前加装滤波装置或在电子式电能表上加装滤波装置后来计算计量基波电能；

所述第三计量方式采用能同时分别计量基波电能和谐波电能的电能表来计算电能。

进一步，所述上限预设波形畸变率阈值为5％；所述下限预设波形畸变率阈值为2％。

进一步，所述基波电能，通过以下公式计算：

式中：W₁代表基波电能，U₁,I₁分别表示基波电压和基波电流的有效值，代表基波电压和基波电流的相位差，t代表计量的时间区间；

所述谐波电能，通过以下公式计算：

式中：W_n代表n次谐波电能，U_n,I_n分别表示n次谐波电压和n次谐波电流的有效值，

代表n次谐波电压和n次谐波电流的相位差，t代表计量的时间区间；W_h代表所有谐波总电能；

所述注入电网的谐波电能，通过以下公式计算：

且W_n＜0。

本发明的优点在于：本发明在谐波条件下根据波形畸变率THD的不同设一个门槛值（参照国家谐波标准限值）以分别采用不同的计量方式，须区分用户是谐波用户还是非谐波用户，对谐波用户进行限制和处罚，从而实现用电的科学管理，如果谐波影响很小，则视作线性用户；如果谐波影响较大，则仍视作线性用户，计量其消耗的基波电能和谐波电能之和，同时记录其注入电网的谐波电能作为技术参考指标；如果谐波影响很大，属典型谐波源负荷，则计量其消耗的基波电能、谐波电能和注入电网的谐波电能绝对值之和，同时记录其注入电网谐波电能，因此该电能计量方式实质上就是对污染大的谐波源用户采用计量手段实施限制，使用户采取技术改造或更换设备等方式以减少注入电网的谐波，最终达到治理谐波的目的。

本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其它优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明实施例提供的谐波电网电能计量方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的谐波电网电能计量方法流程图，如图所示：本发明提供的谐波电网电能计量方法，包括以下步骤：

首先采集用户注入电网的谐波含量及谐波，

计算不同时段的谐波波形的波形畸变率THD，

然后判断波形畸变率THD与预设波形畸变率阈值关系；

最后分别采用不同的计量方式来计算电能，

所述波形畸变率THD小于下限预设波形畸变率阈值，则采用第一计量方式；

所述波形畸变率THD大于上限预设波形畸变率阈值，则采用第三计量方式；

所述波形畸变率THD在上限预设波形畸变率阈值和下限预设波形畸变率阈值之间时，则采用第二计量方式。

所述计算电能计量方式包括通过计算基波功率和谐波功率的代数和的第一计量方式、只计量基波电能的第二计量方式和同时计量基波电能和谐波电能并区分谐波电能的正负的第三计量方式。

所述预设波形畸变率阈值包括上限预设波形畸变率阈值和下限预设波形畸变率阈值，

所述第一计量方式，通过以下公式计算电能：W＝w₁+∑wx；

其中，W1表示负荷消耗的基波电能，Wn表示负荷注入电网或消耗N次谐波电能，其中Wn<0为负荷产生的谐波功率，Wn>0为负荷消耗的谐波功率；

所述第二计量方式，通过以下公式计算电能：

W＝w₁+∑w_n，

W_h＝∑w_n(w_n＜0)，

其中，Wh表示负荷注入电网的谐波电能之和；

所述第三计量方式，通过以下公式计算电能：

W＝w₁+|∑w_n|

W_h＝∑w_n(w_n＜0)。

所述第一计量方式采用电子式电能表来计算基波功率和谐波功率的代数和；

所述第二计量方式采用在常规电能表的电流、电压回路前加装滤波装置或在电子式电能表上加装滤波装置后来计算计量基波电能；

所述第三计量方式采用能同时分别计量基波电能和谐波电能的电能表来计算电能。

所述上限预设波形畸变率阈值为5％；所述下限预设波形畸变率阈值为2％。

对信号采用加窗插值的FFT变换，可获得信号中基波以及各次谐波的幅值和有效值，基于此可计算基波电能和谐波电能。

设频率为f_m、幅值为A_m、初相位为θ_m，最高谐波次数为P的谐波信号x(t)，以采样频率f_s将其离散化得序列x(n)，用长度为N的Blackman-Harris窗序列w_B-H(n)对x(n)加权截断，得离散加窗信号x_w(n)：

x_w(n)＝x(n)·w_B-H(n)  n=0,1,2,…N-1           (1)

对该加窗信号进行离散傅里叶变换可得离散频谱X_w(k)：

$X_w\left(k\right)=X_w\left(e^{\mathrm{j\&omega;}}\right){|}_{\mathrm{\&omega;}\&GreaterEqual;0,\mathrm{\&omega;}=k\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}}=\underset{m=0}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{A_m}{2}{e}^{j{\mathrm{\&theta;}}_m}{W}_{B-H}\left(e^{j(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}k-{\mathrm{\&omega;}}_m)}\right)---\left(2\right)$

考虑采样不同步，即时间窗t_p＝NT_s不为信号基波周期T₁的整数倍，设

$\mathrm{\&lambda;}=\frac{t_p}{T_1}=\frac{{\mathrm{NT}}_s}{T_1}=L+\mathrm{\&delta;}---\left(3\right)$

其中,L为最接近NT_s/T₁的正整数，δ为由非同步采样造成的频率偏差。

则第m次谐波的频率为

$f_m=\frac{{\mathrm{\&omega;}}_m}{2\mathrm{\&pi;}{T}_s}=\frac{(L_m+{\mathrm{\&delta;}}_m)\mathrm{\&Delta;\&omega;}}{2\mathrm{\&pi;}{T}_s}=\frac{(L_m+{\mathrm{\&delta;}}_m)2\mathrm{\&pi;}}{2\mathrm{\&pi;}{T}_{s}N}=(L_m+{\mathrm{\&delta;}}_m)\mathrm{\&Delta;f}---\left(4\right)$

由上式得

$\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_m=k\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}-\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}(L_m+{\mathrm{\&delta;}}_m)=-{\mathrm{\&delta;}}_m\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}---\left(5\right)$

将(5)式代入窗函数频域表达式得

$W_{B-H}\left(e^{j(\mathrm{\&omega;}-{\mathrm{\&omega;}}_m)}\right)=$

$\underset{\mathrm{\&eta;}=0}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\left|a_{\mathrm{\&eta;}}\right|}{2}\left\{W_R^0\right[\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}(\mathrm{\&eta;}-{\mathrm{\&delta;}}_m)]+W_R^0[\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}(-\mathrm{\&eta;}-{\mathrm{\&delta;}}_m)\left]\right\}{e}^{j\frac{N-1}{N}\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&delta;}}_m}---\left(6\right)$

因此，由式(2)可得第m次谐波的幅值为

$A_m=\frac{2\left|X_w\left(L_m\right)\right|}{\underset{\mathrm{\&eta;}=0}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{\left|a_{\mathrm{\&eta;}}\right|}{2}\left\{W_R^0\right[\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}(\mathrm{\&eta;}-{\mathrm{\&delta;}}_m)]+W_R^0[\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}(-\mathrm{\&eta;}-{\mathrm{\&delta;}}_m)\left]\right\}}---\left(7\right)$

第m次谐波的相位为：

${\mathrm{\&theta;}}_m=\mathrm{angle}\left[X_w\left(L_m\right)\right]-\frac{N-1}{N}\mathrm{\&pi;}{\mathrm{\&delta;}}_m---\left(8\right)$

求解谐波参数时，利用信号谐波频点附近的2根或多根谱线构造关于频率偏差量δ_m的方程，解出该方程即可求出δ_m的值。从而根据式（7）和式（8）可得基波和各次谐波的幅值和相位，因此：

所述基波电能，可由下式计算：

式中：W₁代表基波电能，U₁,I₁分别表示基波电压和基波电流的有效值，

代表基波电压和基波电流的相位差，t代表计量的时间区间。

所述谐波电能，

$W_h=\underset{n=1}{\overset{P}{\mathrm{\&Sigma;}}}{W}_n$

式中：W_n代表n次谐波电能，U_n,I_n分别表示n次谐波电压和n次谐波电流的有效值，

代表n次谐波电压和n次谐波电流的相位差，t代表计量的时间区间；W_h代表所有谐波总电能。

所述注入电网的谐波电能，

且W_n＜0。

下面结合图1具体说明本发明实施例提供的谐波电网电能计量方法流程：

S1：计算波形畸变率THD，并判断波形畸变率THD是否满足条件：THD<2％，如果是，则进入下一步；如果否，则转入下一步骤S；

S2：通过以下公式计算电能：W＝w₁+∑w_n；

其中，W1表示负荷消耗的基波电能，Wn表示负荷注入电网或消耗N次谐波电能，其中Wn<0为负荷产生的谐波功率，Wn>0为负荷消耗的谐波功率；

S3：判断波形畸变率THD是否满足条件：THD>5％，如果是，则进入下一步；如果否，则转入下一步骤S；

S4：通过以下公式计算电能：

W＝w₁+∑w_n，

W_h＝∑w_n(w_n＜0)，

其中，Wh表示负荷注入电网的谐波电能之和；

S5：通过以下公式计算电能：

W＝w₁+|∑w_n|

W_h＝∑w_n(w_n＜0)。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.谐波电网电能计量方法，其特征在于：包括以下步骤：首先采集用户注入电网的谐波含量及谐波，计算不同时段的谐波波形的波形畸变率THD，然后判断波形畸变率THD与预设波形畸变率阈值关系，最后分别采用不同的计量方式来计算电能，所述计算电能计量方式包括通过计算基波功率和谐波功率的代数和的第一计量方式、只计量基波电能的第二计量方式和同时计量基波电能和谐波电能并区分谐波电能的正负的第三计量方式。

2.根据权利要求1所述的谐波电网电能计量方法，其特征在于：所述预设波形畸变率阈值包括上限预设波形畸变率阈值和下限预设波形畸变率阈值，

所述波形畸变率THD小于下限预设波形畸变率阈值，则采用第一计量方式；

所述波形畸变率THD大于上限预设波形畸变率阈值，则采用第三计量方式；

所述波形畸变率THD在上限预设波形畸变率阈值和下限预设波形畸变率阈值之间时，则采用第二计量方式。

3.根据权利要求2所述的谐波电网电能计量方法，其特征在于：所述第一计量方式，通过以下公式计算电能：W＝w₁+∑w_n；

其中，W1表示负荷消耗的基波电能，Wn表示负荷注入电网或消耗N次谐波电能，其中Wn<0为负荷产生的谐波功率，Wn>0为负荷消耗的谐波功率；

所述第二计量方式，通过以下公式计算电能：

W＝w₁+∑w_n，

W_h＝∑w_n(w_n＜0)，

其中，W_h表示负荷注入电网的谐波电能之和；

所述第三计量方式，通过以下公式计算电能：

W＝w₁+|∑w_n|，

W_h＝∑w_n(w_n＜0)。

4.根据权利要求3所述的谐波电网电能计量方法，其特征在于：所述第一计量方式采用电子式电能表来计算基波功率和谐波功率的代数和；

所述第二计量方式采用在常规电能表的电流、电压回路前加装滤波装置或在电子式电能表上加装滤波装置后来计算计量基波电能；

所述第三计量方式采用能同时分别计量基波电能和谐波电能的电能表来计算电能。

5.根据权利要求4所述的谐波电网电能计量方法，其特征在于：所述上限预设波形畸变率阈值为5％；所述下限预设波形畸变率阈值为2％。

6.根据权利要求5所述的谐波电网电能计量方法，其特征在于：所述基波电能，通过以下公式计算：

式中：W₁代表基波电能，U₁,I₁分别表示基波电压和基波电流的有效值，代表基波电压和基波电流的相位差，t代表计量的时间区间；

所述谐波电能，通过以下公式计算：

式中：W_n代表n次谐波电能，U_n,I_n分别表示n次谐波电压和n次谐波电流的有效值，

代表n次谐波电压和n次谐波电流的相位差，t代表计量的时间区间；W_h代表所有谐波总电能；

所述注入电网的谐波电能，通过以下公式计算：且W_n＜0。

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