CN102890190B - 基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法 - Google Patents

Abstract

基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法。研究随机非线性负荷有功电能计量新方法是电能计量领域一个极具理论意义及应用价值的课题。本方法采用同步采集电路实现电压电流的同步采集，利用多小波分解算法实现电压电流的频带分解，实现基波、谐波、闪变、冲击电压电流的重构，通过同频带有功电能计量，实现基波、谐波、闪变、冲击有功功率的计量，通过不同频带间有功电能计量，实现各频率段信号相互作用产生的畸变有功功率的计量，并根据、谐波有功功率、闪变有功功率、冲击有功功率和畸变有功功率的方向确定随机非线性负荷源，为随机非线性负荷的有功电能计量与管理提供依据。本发明用于随机非线性负荷有功电能计量。

Description

基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法

技术领域

本发明涉及一种基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法。

背景技术

现代电网中，除了平稳的基波和谐波信号之外，还出现了准周期、时变的非平稳畸变信号，由此引发了复杂电网功率潮流的变化，突显了现有电能计量方式的不准确、不合理。传统的谐波和冲击性负载或者非线性负载条件下的电能计量方法是基于正弦电路功率理论和传统非正弦电路功率理论的，无法应用于现有的随机非线性负荷情况下的电能计量，因为传统的电路功率理论无法处理时变的随机非平稳信号及周期信号与随机非平稳混合信号。与此同时，国家智能电网建设的需要，对电能质量检测和治理提出了更高要求，非线性负荷的全波计量准确性存在诸多难题，而新能源接入和新能源装备的增加了电能计量复杂性，这也限制了基于传统电路功率理论的相关电能计量方法的应用。因此，研究随机非线性负荷有功电能计量新方法是电能计量领域一个极具理论意义及应用价值的课题。

已有的计量电力系统谐波电能计量的专利文件有" 一种谐波电能的计量方法"(200710119915.4)。其发明的目的是精确地测量电力系统中谐波电压、电流，降低传统FFT方法的计算复杂度。

己有的计量电力系统非线性负荷电能计量的专利文件有" 非线性负荷计量方法"(201010273234.5)。其发明的目的在于采用复化Newton-Cotes 积分算法实现非线性信号的积分运算。

己有的计量电力系统冲击性负荷电能计量的专利文件有" 一种冲击性负荷电能计量方法" (200710034364.7)。其发明的目的在于通过FFT 或者小波变换实现基波电能、谐波电能与闪变电能的计量。

已有技术的不足之处是在电力系统中，随机非线性负荷使得电网中谐波、电压波动与闪变、暂态冲击、非周期非线性及各种随机信号同时存在，对电能的准确计量带来影响，单独测量谐波、非线性或者闪变，其结果存在较大误差。

已有技术的不足之处是在电力系统中，FFT 只能处理传统的周期平稳信号，仅适用于谐波下的电能计量。小波变换作为现代信号处理技术，虽然可以应用于冲击性负荷的电能计量，但是由于小波不可能同时具有正交性、紧支撑性和对称性，所以，在进行小波分解时存在频谱混叠问题，牺牲了电能计量的准确性。

发明内容：

本发明的目的是提供一种采用多小波分频带算法实现随机非线性负荷的有功电能准确计量；通过小波基的互补特性，解决单一小波基产生的频谱混叠，因此能有效的提高随机非线性负荷的有功电能计量准确度。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，采用同步采集电路实现电压电流的同步采集，采用哈丁- 罗奇Hardin-Roach 预滤波将采集的电压电流转换为多小波分解需要的矢量初值信号，利用多小波分解算法实现电压电流的频带分解，通过多小波分频带重构方法及逆哈丁- 罗奇Hardin-Roach 变换实现基波、谐波、闪变、冲击电压电流的重构，通过同频带有功电能计量，实现基波、谐波、闪变、冲击有功功率的计量，通过不同频带间有功电能计量，实现各频率段信号相互作用产生的畸变有功功率的计量，并根据、谐波有功功率、闪变有功功率、冲击有功功率和畸变有功功率的方向确定随机非线性负荷源，为随机非线性负荷的有功电能计量与管理提供依据。

所述的采用同步采集电路实现电压电流的同步采集是通过电力系统电压、电流采集系统，同步采集电压、电流信号时间序列，每个电压、电流信号时间序列包含N个采样点；电压、电流信号时间序列分别表示为和，；

然后对采集的电压、电流信号分别进行预处理，是将和分别转换为尺度函数的系数和，其中和为行向量，同时保持和的正交性和逼近阶；

选择多小波基函数，对预处理后的信号和分别进行多小波变换，得到高频信号、，、和低频信号、

（1）

（2）

（3）

其中表示多尺度分解的尺度，表示低通滤波器函数，，，表示各尺度下的高通滤波器函数；

第三步根据分解后的各低频系数与高频系数，分别重构各频率段向量信号；

（4）

（5）

第四步是对第三步获得的各向量信号进行后处理，得到基波信号和、谐波信号和、闪变信号和、冲击信号和及其他的畸变信号和；

第五步是利用重构的各种信号计算各自产生的有功功率及方向、各种信号互相作用产生的畸变有功功率及方向；

， （6）

其中表示各信号自身产生的有功功率，表示各信号之间产生的有功功率；第六步是根据计算的和的方向，确定有功电能的计量，即完成随机非线性负荷有功电能准确计量。

所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，所述的同步采集电路是将电压信号、电流信号进行同步采集的电路；根据随机非线性负荷有功电能分析的特点，对单相或三相电进行分析时，对各相电压、电流进行多路同步采样，消除采样不同步所造成的测量误差。

所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，所述的哈丁- 罗奇Hardin-Roach 预滤波是将电压、电流转换为多小波分析需要的矢量初值，同时保持电压信号、电流信号的正交性和逼近阶。

所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，所述的多小波分析是实现电压电流的矢量信号的频带分解，并重构出不同频带的电压电流矢量信号，即基波矢量信号、谐波矢量信号、闪变矢量信号、冲击矢量信号。

所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，所述的逆哈丁- 罗奇Hardin-Roach 变换是实现多小波分频带重构矢量信号到标量信号的转换，获得电压电流信号的各频率成分信号，即基波信号、谐波信号、闪变信号、冲击信号及其他畸变信号。

所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，所述的同频带有功电能计量是实现各频带信号自身产生的有功点，即基波电压与基波电流产生的基波有功电能，谐波电压与谐波电流产生的谐波有功电能，闪变电压与闪变电流产生的闪变有功电能，冲击电压与冲击电流产生的冲击有功电能及畸变电压与电流产生的畸变有功电能；同时，根据相关有功方向，确定畸变源的方向。

所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，所述的不同频带间有功电能计量是不同频带之间的电压电流之间产生的有功电能，主要包括基波电压与冲击电流、基波电压与畸变电流、谐波电压与冲击电流、谐波电压与畸变电流、闪变电压与冲击电流、闪变电压与畸变电流、冲击电压与畸变电流、基波电流与冲击电压、基波电流与畸变电压、谐波电流与冲击电压、谐波电流与畸变电压、闪变电流与冲击电压、闪变电流与畸变电压及冲击电流与畸变电压之间产生的有功电能；由于基波与谐波、闪变以及谐波与闪变之间是正交的，所以他们之间不产生有功电能。

有益效果：

1. 本发明本方法能同时对电网中的基波、谐波、闪变、冲击及其他畸变进行测量，对基波有功电能、谐波有功电能、闪变有功电能、冲击有功电能及其他畸变信号有功电能进行计量，实现对随机非线性负荷有功电能的准确计量。

2. 本发明克服了传统方法频谱泄漏的问题，解决了随机非线性负荷有功电能计量不准确的问题，传统的快速傅立叶变换和小波变换方法无法实现。

3. 本发明同时计量谐波电能、闪变电能、冲击电能和各种信号之间产生的畸变电能，并且能够判断各种有功电能的方向，即产生畸变电能污染电网的畸变源，为随机非线性负荷的计量与收费管理提供可靠依据。

4. 本发明可以连续、长期对随机非线性负荷电能进行准确计量。

5. 本发明同时适用于谐波有功电能计量、非线性负荷有功电能计量和冲击性负荷有功电能计量，适用范围广。

附图说明：

附图1 是本产品的随机非线性负荷电能分布情况图。图中，随机非线性负荷除了影响线性负荷和污染电网外，随机非线性负荷之间也会互相污染。

附图 2 是本产品的电压、电流多小波分解重构原理图。

附图3 是本产品的随机非线性负荷电能计量方法原理图。

附图4 是本产品的有功电能计量流程图。

具体实施方式：

实施例1 ：

一种基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，采用同步采集电路实现电压电流的同步采集，采用哈丁- 罗奇Hardin-Roach 预滤波将采集的电压电流转换为多小波分解需要的矢量初值信号，利用多小波分解算法实现电压电流的频带分解，通过多小波分频带重构方法及逆哈丁- 罗奇Hardin-Roach 变换实现基波、谐波、闪变、冲击电压电流的重构，通过同频带有功电能计量，实现基波、谐波、闪变、冲击有功功率的计量，通过不同频带间有功电能计量，实现各频率段信号相互作用产生的畸变有功功率的计量，并根据、谐波有功功率、闪变有功功率、冲击有功功率和畸变有功功率的方向确定随机非线性负荷源，为随机非线性负荷的有功电能计量与管理提供依据。

实施例2 ：

实施例1 所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，所述的随机非线性负荷的有功电能计量是指对电力系统中的基波的有功电能、谐波的有功电能、闪变的有功电能、冲击的有功电能进行同时计量；所述的随机非线性负荷导致电力系统产生谐波畸变信号、闪变畸变信号、冲击畸变信号，随机非线性负荷的有功电能计量涉及基波有功电能计量、谐波有功电能计量、闪变有功电能计量、冲击有功电能计量。

实施例3 ：

实施例1 所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，所述的同步采集电路是将电压信号、电流信号进行同步采集的电路；根据随机非线性负荷有功电能分析的特点，对单相或三相电进行分析时，对各相电压、电流进行多路同步采样，消除采样不同步所造成的测量误差。

实施例4 ：

实施例1 所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，所述的哈丁-罗奇Hardin-Roach 预滤波是将电压、电流转换为多小波分析需要的矢量初值，同时保持电压信号、电流信号的正交性和逼近阶。

实施例5 ：

实施例1 所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，所述的多小波分析是实现电压电流的矢量信号的频带分解，并重构出不同频带的电压电流矢量信号，即基波矢量信号、谐波矢量信号、闪变矢量信号、冲击矢量信号。

实施例6 ：

实施例1 所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，所述的逆哈丁- 罗奇Hardin-Roach 变换是实现多小波分频带重构矢量信号到标量信号的转换，获得电压电流信号的各频率成分信号，即基波信号、谐波信号、闪变信号、冲击信号及其他畸变信号。

实施例7 ：

实施例1 所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，所述的同频带有功电能计量是实现各频带信号自身产生的有功点，即基波电压与基波电流产生的基波有功电能，谐波电压与谐波电流产生的谐波有功电能，闪变电压与闪变电流产生的闪变有功电能，冲击电压与冲击电流产生的冲击有功电能及畸变电压与电流产生的畸变有功电能；同时，根据相关有功方向，确定畸变源的方向。

实施例8 ：

实施例1 所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，所述的不同频带间有功电能计量是不同频带之间的电压电流之间产生的有功电能，主要包括基波电压与冲击电流、基波电压与畸变电流、谐波电压与冲击电流、谐波电压与畸变电流、闪变电压与冲击电流、闪变电压与畸变电流、冲击电压与畸变电流、基波电流与冲击电压、基波电流与畸变电压、谐波电流与冲击电压、谐波电流与畸变电压、闪变电流与冲击电压、闪变电流与畸变电压及冲击电流与畸变电压之间产生的有功电能；由于基波与谐波、闪变以及谐波与闪变之间是正交的，所以他们之间不产生有功电能。

实施例9 ：

一种基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，本方法第一步是通过电

力系统电压、电流采集系统，同步采集电压、电流信号时间序列，每个电压、电流信号时间序列包含N 个采样点；电压、电流信号时间序列分别表示为和，；

第二步是对采集的电压、电流信号分别进行预处理，将和分别转换为尺度函数的系数和，其中和为行向量，同时保持和的正交性和逼近阶；

第三步是选择多小波基函数，对预处理后的信号和分别进行多小波变换，得到高频信号、，、和低频信号、

（1）

（2）

（3）

其中表示多尺度分解的尺度，表示低通滤波器函数，，，表示各尺度下的高通滤波器函数；

第三步根据分解后的各低频系数与高频系数，分别重构各频率段向量信号；

（4）

（5）

第四步是对第三步获得的各向量信号进行后处理，得到基波信号和、谐波信号和、闪变信号和、冲击信号和及其他的畸变信号和；

第五步是利用重构的各种信号计算各自产生的有功功率及方向、各种信号互相作用产生的畸变有功功率及方向；

， （6）

其中表示各信号自身产生的有功功率，表示各信号之间产生的有功功率；

第六步是根据计算的和的方向，确定有功电能的计量，即完成随机非线性负荷有功电能准确计量。

实施例10 ：

上述实施例所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，以下结合附图1、附图2、附图3、附图4 作详述，但不作为本发明的限定。

随机非线性负荷引起的谐波电能、闪变电能、冲击电能及其他畸变电能，直接影响有功电能计量的准确性与合理性。附图1 为电网中随机非线性用户与线性用户使用同一电源的情况，附图1 中给出了有功功率的分布情况，包括基波功率源（供电端）和畸变功率源( 随机非线性用户)。供电端提供的基波功率被三个用户(一个线性用户和两个随机非线性用户)分别消耗掉（、和）， 随机非线性用户将消耗掉的基波功率转换为谐波、闪变、冲击及其他畸变功率（和），一部分输送到电网中（和），另一部分给线性用户（和）和其他的随机非线性用户（和）。如果在线性用户和随机非线性用户端安装普通的电能表进行电能计量，则线性用户端指示的电能为，随机非线性用户一端指示的电能为，随机非线性用户二端指示的电能为。分析可以看到，线性用户不得不吸收由随机非线性用户产生的、对自身运行毫无用处、甚至有危害的畸变功率，还得为这一部分电能支付一定的费用；相反，随机非线性用户将一部分基波电能转换为畸变电能（谐波、闪变、冲击等），污染了电网，而且还不用付这部分的费用；同时，当供电端消耗较多谐波电能时，不仅会降低电力系统经济效益，还会影响电网的安全运行。根据上述分析可知，对随机非线性负荷带来的畸变信号进行有功电能计量，可以根据畸变有功功率的正负号确定畸变功率源。

如上所述，本发明的有功电能计量方法。准确计量基波电能、谐波电能、闪变电能、冲击电能及其他畸变电能。

附图2 示出了电力信号分解的原理框图。首先将电力系统电压、电流通过同步采集电路得到电压、电流信号的采样值。电压、电流信号时间序列分别表示为和，。然后，对采集的电压、电流信号分别进行Hardin-Roach预滤波得到进行多小波分解的初始值向量和，其中和为行向量，同时保持了和的正交性和逼近阶。接着选择GHM多小波，对预处理后的信号和分别进行多小波变换，得到高频信号、，、和低频信号、，其中表示多尺度分解的尺度。不同的尺度代表不同的频带范围，通过上述分解，即可得到基波信号系数、谐波信号系数、闪变信号系数、冲击信号系数及其他的畸变信号系数。利用分解后的各低频系数与高频系数，分别重构各尺度下的向量信号，对各向量信号进行逆Hardin-Roach 变换，即得到基波信号和、谐波信号和、闪变信号和、冲击信号和及其他的畸变信号和。

附图3 示出了随机非线性用户有功电能计量的框图，分别计算各种信号自身产生的有功电能及方向（基波电能、谐波电能、闪变电能、冲击电能及畸变电能15），然后计算各种信号互相作用产生的畸变有功电能及方向（畸变电能1- 畸变电能14），畸变信号自身产生的畸变有功电能15 与其他各信号互相作用产生的畸变有功电能统称为畸变有功电能。由于基波与谐波、闪变之间以及谐波与闪变之间是正交的关系，所以他们之间相互作用不产生有功电能。根据计算的各畸变功率的方向及负载用户的类型（线性用户和随机非线性用户），确定有功电能的计量，完成随机非线性负荷有功电能准确计量。

附图4 为具体的有功电能计量流程图。

（1） 预处理变换

主要完成标量电压、电流信号到多小波变换的初始矢量信号的变换，同时保持标量电压、电流信号的正交性及逼近阶。

（2） 多小波分解

利用GHM 多小波，对预处理后的矢量信号多小波分解，得到高频信号（不同频率段的信号系数）、， 、和低频信号、，其中表示多尺度分解的尺度，不同的尺度代表不同的频带范围。通过分解，得到基波信号系数、谐波信号系数、闪变信号系数、冲击信号系数及其他的畸变信号系数。

（3） 频带去噪

对分解的不同频段的系数进行软阈值去噪，去除系统的白噪声信号。

（4） 分频带多小波重构

将去噪后的多小波系数分不同的频段分别进行重构，得到重构后的基波矢量信号、谐波矢量信号、闪变矢量信号、冲击矢量信号及其他的畸变矢量信号。

（5） 预处理逆变换

预处理逆变换是预处理变换的反过程，即将重构后的基波矢量信号、谐波矢量信号、闪变矢量信号、冲击矢量信号及其他的畸变矢量信号还原为各频段的标量信号，即基波信号、谐波信号、闪变信号、冲击信号及其他的畸变信号。

（6） 同频段电压、电流计算有功电能

主要完成各不同信号自身产生的有功电能的计算及方向的确定。即获得基波有功电能、谐波有功电能、闪变有功电能、冲击有功电能及畸变信号自身产生的畸变有功电能15。

（7） 不同频段电压、电流计算有功电能

主要完成各不同信号之间互相作用产生的有功电能的计算及方向的确定。即畸变有功电能1 到畸变有功电能14。

通过以上流程即可精确计量随机非线性负荷的有功电能。

Claims (8)

1.一种基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法， 其特征是：采用同步采集电路实现电压电流的同步采集，采用哈丁-罗奇Hardin-Roach预滤波将采集的电压电流转换为多小波分解需要的矢量初值信号，利用多小波分解算法实现电压电流的频带分解，通过多小波分频带重构方法及逆哈丁-罗奇Hardin-Roach变换实现基波、谐波、闪变、冲击电压电流的重构，通过同频带有功电能计量，实现基波、谐波、闪变、冲击有功功率的计量，通过不同频带间有功电能计量，实现各频率段信号相互作用产生的畸变有功功率的计量，并根据谐波有功功率、闪变有功功率、冲击有功功率和畸变有功功率的方向确定随机非线性负荷源，为随机非线性负荷的有功电能计量与管理提供依据；

所述的采用同步采集电路实现电压电流的同步采集是通过电力系统电压、电流采集系统，同步采集电压、电流信号时间序列，每个电压、电流信号时间序列包含N个采样点；电压、电流信号时间序列分别表示为和，；

然后对采集的电压、电流信号分别进行预处理，是将和分别转换为尺度函数的系数和，其中和为行向量，同时保持和的正交性和逼近阶；

选择多小波基函数，对预处理后的信号和分别进行多小波变换，得到高频信号、，、和低频信号、

（1）

（2）

（3）

其中表示多尺度分解的尺度，表示低通滤波器函数，，，表示各尺度下的高通滤波器函数；

第三步根据分解后的各低频系数与高频系数，分别重构各频率段向量信号；

（4）

（5）

第四步是对第三步获得的各向量信号进行后处理，得到基波信号和、谐波信号和、闪变信号和、冲击信号和及其他的畸变信号和；

第五步是利用重构的各种信号计算各自产生的有功功率及方向、各种信号互相作用产生的畸变有功功率及方向；

， （6）

其中表示各信号自身产生的有功功率，表示各信号之间产生的有功功率；第六步是根据计算的和的方向，确定有功电能的计量，即完成随机非线性负荷有功电能准确计量。

2.根据权利要求1基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，其特征是：所述的随机非线性负荷的有功电能计量是指对电力系统中的基波的有功电能、谐波的有功电能、闪变的有功电能、冲击的有功电能进行同时计量；所述的随机非线性负荷导致电力系统产生谐波畸变信号、闪变畸变信号、冲击畸变信号，随机非线性负荷的有功电能计量涉及基波有功电能计量、谐波有功电能计量、闪变有功电能计量、冲击有功电能计量。

3.根据权利要求1所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，其特征是：所述的同步采集电路是将电压信号、电流信号进行同步采集的电路：根据随机非线性负荷有功电能分析的特点，对单相或三相电进行分析时，对各相电压、电流进行多路同步采样，消除采样不同步所造成的测量误差。

4.根据权利要求1所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，其特征是：所述的哈丁-罗奇Hardin-Roach预滤波是将电压、电流转换为多小波分析需要的矢量初值，同时保持电压信号、电流信号的正交性和逼近阶。

5.根据权利要求1所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，其特征是：所述的多小波分析是实现电压电流的矢量信号的频带分解，并重构出不同频带的电压电流矢量信号，即基波矢量信号、谐波矢量信号、闪变矢量信号、冲击矢量信号。

6.根据权利要求1所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，其特征是：所述的逆哈丁-罗奇Hardin-Roach变换是实现多小波分频带重构矢量信号到标量信号的转换，获得电压电流信号的各频率成分信号，即基波信号、谐波信号、闪变信号、冲击信号及其他畸变信号。

7.根据权利要求1所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，其特征是：所述的同频带有功电能计量是实现各频带信号自身产生的有功点，即基波电压与基波电流产生的基波有功电能，谐波电压与谐波电流产生的谐波有功电能，闪变电压与闪变电流产生的闪变有功电能，冲击电压与冲击电流产生的冲击有功电能及畸变电压与电流产生的畸变有功电能；同时，根据相关有功方向，确定畸变源的方向。

8.根据权利要求1所述的基于多小波的随机非线性负荷有功电能计量方法，其特征是：所述的不同频带间有功电能计量是不同频带之间的电压电流之间产生的有功电能，主要包括基波电压与冲击电流、基波电压与畸变电流、谐波电压与冲击电流、谐波电压与畸变电流、闪变电压与冲击电流、闪变电压与畸变电流、冲击电压与畸变电流、基波电流与冲击电压、基波电流与畸变电压、谐波电流与冲击电压、谐波电流与畸变电压、闪变电流与冲击电压、闪变电流与畸变电压及冲击电流与畸变电压之间产生的有功电能；由于基波与谐波、闪变以及谐波与闪变之间是正交的，所以他们之间不产生有功电能。