CN103105529A - 一种基于参数分析的谐波电能计量系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于参数分析的谐波电能计量系统及其控制方法，包括三相电网数据采集模块、数据处理模块、数据管理模块以及外围模块。其中，三相电网数据采集模块通过并行接口与数据处理模块相连，数据处理模块通过异步串口与数据管理模块相连，数据管理模块与外围模块直接相连。采用本发明能够很好满足谐波电能计量要求，计量准确度优于GB/T-14549-93的A类标准要求，弥补了传统电能计量系统无法实现各次谐波电能精确计量的缺陷。

Description

一种基于参数分析的谐波电能计量系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种信号处理技术领域，具体是一种基于参数分析的谐波电能计量系统及其控制方法。

背景技术

电力系统中非线性负荷大量增加，特别是电力电子装置的广泛应用，使电网中产生了大量高次谐波，已成为影响电能质量的公害，对电力系统的安全、经济运行造成极大的影响。实时测量电网中的谐波含量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防治谐波危害，维护电网的安全运行十分必要。

目前电力系统普遍采用的感应式和电子式电能表均无法实现谐波电能的准确计量，造成非谐波源用户不仅吸收由谐波源用户所产生的对自身运行毫无用处、甚至有严重危害的谐波功率，还需为这一部分电能支付不必要的费用；相反，谐波源用户将电网提供的一部分电能转换为谐波电能，污染了电网，但其电能计量总量却为所用电量减去谐波电量，减少了耗电费用。可见，电能计量数据作为发电企业、输配电企业、电力用户之间进行贸易结算的依据，却由于电力谐波的存在无法准确计量、公正收费，损害了供电系统和非谐波源用户的利益。因此，电力行业亟需可有效进行谐波电能计量与分析管理的高精度、复费率、多功能谐波电能计量系统。

发明内容

本发明针对目前电力谐波存在无法准确计量、公正收费，以致于损害供电系统和非谐波源用户利益的突出问题，提出一种基于参数分析的谐波电能计量系统及其控制方法。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：一种基于参数分析的谐波电能计量系统，由三相电网数据采集模块、数据处理模块、数据管理模块以及外围模块组成，其中，三相电网数据采集模块通过并行接口与数据处理模块相连，数据处理模块通过异步串口与数据管理模块相连、数据管理模块与外围模块相连。

所述三相电网数据采集模块包括电阻分压网络、TA与电阻网络和采样芯片ADS8364。用来完成三相电网电压、电流信号的同步采样以及A/D转换。

所述数据处理模块采用信号处理器ADSP-BF533。并且采用基于布莱克曼窗插值快速傅里叶变换的谐波分析以及谐波电能计量方法对采集数据进行分析处理。

所述数据管理模块采用单片机M30624FGPFP，完成系统的显示、存储、通信以及功能选择等功能。

所述的基于参数分析的谐波电能计量系统的控制方法，包括如下步骤：首先当ADSP-BF533接收到512个采样数据后，进行低通数字滤波和加窗处理，然后采用快速傅里叶变换运算得到其离散频谱，再根据基于布莱克曼窗的插值快速傅里叶变换谐波分析算法计算出基波频率f₀、幅值A₀、初相位以及2～21次谐波频率f_i、幅值A_i和初相位

然后计算各次谐波有功、无功电能，以及电压、电流总谐波畸变率，处理后的数据通过异步串口发送到数据管理模块进行数据统计、存储、通信以及功能选择。

本发明的工作原理及过程是：

基于参数分析的谐波电能计量系统利用ADS8364实现对三相电网电压、电流信号的实时同步采样，采样数据通过并行接口送往DSP单元，ADSP-BF533利用布莱克曼窗的插值快速傅里叶变换算法对电流、电压波形进行频谱分析，并分离出基波分量以及2～21次谐波分量，凭借其高速性实时完成电参量测量、谐波分析、谐波电能计量任务；处理结果通过异步串口发送到数据管理模块，由M30624FGPFP芯片完成数据统计、存储、通信以及功能选择。

（1）基于布莱克曼窗的改进快速傅里叶变换电力谐波分析

离散时间的布莱克曼窗函数为

$w_B\left(n\right)=0.42-0.5\cos \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{N}\right)+0.08\cos \left(\frac{4\mathrm{\πn}}{N}\right)---\left(1\right)$

式中，n=0,1,..,N-1。

根据傅立叶变换理论，布莱克曼窗的频谱函数为

$W_B\left(\mathrm{\ω}\right)=0.42W_R\left(\mathrm{\ω}\right)$

$+0.25[W_R(\mathrm{\ω}-\frac{2\mathrm{\π}}{N})+W_R(\mathrm{\ω}+\frac{2\mathrm{\π}}{N})]$

$+0.04[W_R(\mathrm{\ω}-\frac{4\mathrm{\π}}{N})+W_R(\mathrm{\ω}+\frac{4\mathrm{\π}}{N})]---\left(2\right)$

式中，W_R(·)为矩形窗频谱函数，表达式为

$W_R\left(w\right)=\frac{\sin (\mathrm{Nw}/2)}{\sin (w/2)}{e}^{-j(N-1)w/2}---\left(3\right)$

设包含多项整数次谐波的时域信号为

式中，H表示谐波的个数；当h=0时，r₀1，f₀、A₀、

分别为基波的频率(Hz)、幅值(V)和初相位(°)；当h≠0时，r_hf₀、A_h、

分别为第h项谐波的频率(Hz)、幅值(V)和初相位(°)。

信号x(t)经过采样率为f_s的数据采集系统均匀采样后得到的离散序列为

信号x(n)被窗函数W_B(n)截短为N点长序列，进行傅立叶变换后，其离散频谱为

式中，k₀＝f₀N/f_s。

不失一般性，设需要测量的为第i(i≤H)次谐波，为简单起见，忽略其余各次谐波对第i次谐波的泄露影响，此时，式(6)变为

由于栅栏效应，第i次谐波对应的峰值点偏离离散频率点。设峰值点左右两侧的谱线分别为第k₁和k₂条谱线，这两条谱线也即峰值点附近幅值最大和次最大的谱线，显然，k₁≤r_ik₀≤k₂=k₁+1。在离散频谱中找到这两条谱线，可确定k₁和k₂。令这两条谱线幅值分别是y₁=X′(k₁)和y₂=X′(k₂)|，则

$\frac{y_1}{y_2}=\frac{\left|W_B(2\mathrm{\π}(k_1-r_i{k}_0)/N)\right|}{\left|W_B(2\mathrm{\π}(k_2-r_i{k}_0)/N)\right|}---\left(8\right)$

由于0≤r_ik₀-k₁≤1，引入参数α=r_ik₀-k₁-0.5（α∈[-0.5,0.5]），设β＝(y₂-y₁)/(y₂+y₁)，式(8)经过变量代换后为

$\mathrm{\β}=\frac{\left|W_B(2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}+0.5)/N)\right|-\left|W_B(2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}-0.5)/N)\right|}{\left|W_B(2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}+0.5)/N)\right|+\left|W_B(2\mathrm{\π}(-\mathrm{\α}-0.5)/N)\right|}---\left(9\right)$

则式(9)是一个以α为自变量，β为因变量的函数，记为β＝f(α)，其反函数记为α=f-1(β)。采用多项式逼近方法计算f-1(.)，考虑到算法的实时性，逼近次数一般不超过7次。计算出α后，r_ik₀的计算式为

r_ik₀=α+k₁+0.5       (10)

则第i次谐波的频率为

f_i＝r_ik₀f_s/N       (11)

相位计算式为

幅值修正是对k₁和k₂两根谱线幅值进行加权平均，计算公式为

$A_i=\frac{y_1+y_2}{|W_B(2\mathrm{\π}(k_1-r_i{k}_0)/N|+|W_B(2\mathrm{\π}(k_2-r_i{k}_0)/N|}---\left(13\right)$

（2）谐波电能计量

设由式(13)得到第h次谐波峰值电压、峰值电流分别为A_h,u、A_h,i，由式(12)得到第h次谐波电压、电流相位分别为

参考GB/T-14549-93，考虑2～21次谐波，由瞬时值法可得谐波有功功率P_act、无功功率P_rea分别为

ADS8364完成一次512个点采样所用的时间T_s为T_s=512/f_s=1.6ms，时间T_s内，2～21次谐波有功电能W_act、无功电能W_re计算式为

$W_{\mathrm{act}}={\∫}_0^{T_s}{P}_{\mathrm{act}}\mathrm{dt}=P_{\mathrm{act}}\·T_s---\left(16\right)$

$W_{\mathrm{rea}}={\∫}_0^{T_s}{P}_{\mathrm{rea}}\mathrm{dt}=P_{\mathrm{rea}}\·T_s---\left(17\right)$

本发明的有益效果在于：

能够很好满足谐波电能计量要求，计量准确度优于GB/T-14549-93的A类标准要求，弥补了传统电能计量系统无法实现各次谐波电能精确计量的缺陷。

附图说明

图1为本发明所述的基于参数分析的谐波电能计量系统的结构方框图。

图2为本发明所述的基于参数分析的谐波电能计量系统的处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1所示，本发明所述的基于参数分析的谐波电能计量系统，包括三相电网数据采集模块、数据处理模块、数据管理模块以及外围模块四个部分。其中，三相电网数据采集模块包括电阻分压网络、TA与电阻网络以及ADS8364芯片，实现对电网三相电压、电流信号的实时同步采样；采样数据通过并行接口送往数据处理模块中；数据处理模块采用ADSP-BF533芯片，基于布莱克曼窗的插值快速傅里叶变换算法对电流、电压波形进行频谱分析处理，分离出基波分量以及2～21次谐波分量，处理结果通过异步串口发送到数据管理模块，由M30624FGPFP芯片完成数据统计、存储、通信以及功能选择等，最后通过外围模块完成数据的显示输出。

如图2所示，本发明所述基于参数分析的谐波电能计量系统的控制方法步骤如下：首先当ADSP-BF533接收到512个采样数据后，进行低通数字滤波和加窗处理，然后采用快速傅里叶变换运算得到其离散频谱，再根据基于布莱克曼窗的插值快速傅里叶变换谐波分析算法计算出基波频率f₀、幅值A₀、初相位

以及2～21次谐波频率f_i、幅值A_i和初相位

然后计算各次谐波有功、无功电能，以及电压、电流总谐波畸变率等；处理后的数据通过异步串口发送到数据管理模块进行数据统计、存储、通信以及功能选择。

Claims (5)

1.一种基于参数分析的谐波电能计量系统，其特征在于，该系统由三相电网数据采集模块、数据处理模块、数据管理模块以及外围模块组成，其中，三相电网数据采集模块通过并行接口与数据处理模块相连，数据处理模块通过异步串口与数据管理模块相连、数据管理模块与外围模块相连。

2.如权利要求1所述的基于参数分析的谐波电能计量系统，其特征在于，所述三相电网数据采集模块包括电阻分压网络、TA与电阻网络和采样芯片ADS8364。

3.如权利要求1所述的基于参数分析的谐波电能计量系统，其特征在于，所述数据处理模块采用信号处理器ADSP-BF533。

4.如权利要求1所述的基于参数分析的谐波电能计量系统，其特征在于，所述数据管理模块采用单片机M30624FGPFP。

5.如权利要求1所述的基于参数分析的谐波电能计量系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：首先当ADSP-BF533接收到512个采样数据后，进行低通数字滤波和加窗处理，然后采用快速傅里叶变换运算得到其离散频谱，再根据基于布莱克曼窗的插值快速傅里叶变换谐波分析算法计算出基波频率f₀、幅值A₀、初相位

以及2～21次谐波频率f_i、幅值A_i和初相位

然后计算各次谐波有功、无功电能，以及电压、电流总谐波畸变率，处理后的数据通过异步串口发送到数据管理模块进行数据统计、存储、通信以及功能选择。

Images