CN104267258A - 一种利用不完全s变换的谐波瞬时功率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波瞬时功率计算方法，该方法首先对同步采集的瞬时电压和瞬时电流数据截取10个基波作为一个计算周期，分别对其进行FFT运算，并从电压信号的FFT频谱提取基波和谐波频率 f_n ，接着针对电压和电流的 f_n 做不完全S变换分别求得复矩阵 T_v 和 T_i ，然后一方面，对 T_v 和 T_i 求其幅值分别得到幅值矩阵 M_Tv 和 M_Ti ，另一方面，对 T_i 求共轭得到 T_i *，然后将 T_v 与 T_i *的对应行做数组乘运算得到复矩阵 T_c ，并由 T_c 得到各谐波电压电流的瞬时相位差矩阵 Φ ，最后利用 M_Tv 和 M_Ti 及 Φ 分别计算基波和谐波的瞬时有功功率和无功功率，并根据瞬时功率的极性判断是谐波产生用户还是谐波消耗用户；本发明为谐波计量、合理计费和谐波污染责任划分提供可靠依据。

Description

一种利用不完全S变换的谐波瞬时功率计算方法

技术领域

本发明涉及谐波功率计算及计量领域，特别涉及一种谐波瞬时功率计算方法。

背景技术

随着非线性负载的不断增加和变频传动系统的广泛使用，造成大量谐波注入电网，对电力设备使用寿命和电能质量敏感设备稳定运行带来不利影响；另外，在传统的计量方式下，电网谐波使非谐波用户承受劣质电能质量的同时，还要额外承担不必要的谐波损耗造成的用电成本，而谐波产生用户却少计入了部分电量，这样不但不能划分污染电能质量的责任，电能计量计费也缺乏合理性。因此，有必要对谐波进行计量，判明谐波功率流动方向，为划分谐波污染责任和合理计费提供依据，进而促使电力用户减少对电网的谐波污染。

现有的谐波计量方式主要采用FFT方法和小波分析方法，FFT方法的准确性依赖于同步采样和信号的稳定性，而严格意义的同步采样难以实现，频谱泄露和栅栏效应难以避免，FFT的时域全局性和非线性负载的动态性也使FFT在计算谐波电量时难以达到很高的精度；小波方法具有很好的时频分析能力，对非稳态信号的计量能保持很高的精度，但小波采用带通滤波器方式对信号进行分频段处理，不能精确定位谐波频率，同时，小波系数与原始信号没有直接的相位关系，不能直接求取功率因素和判别谐波功率流向，且其对噪声敏感、计算量大。

本发明针对上述方法的不足，基于不完全S变换提出一种新的谐波功率计算方法。S变换具有时频分析能力，同时与原始信号保持直接的相位关系，通过不完全计算方法能够精确定位谐波频率，大大降低运算量，不完全S变换的复矩阵能够便捷计算各谐波的幅值和相位，为谐波功率计算和谐波计量提供了数学条件，为研制谐波计量系统奠定基础。

 

发明内容

本发明提供一种谐波功率计算方法，以解决谐波功率精确计算和流向判别问题。

所述谐波瞬时功率计算方法，包括数据采集模块、谐波频率检测模块、谐波幅值及相位差检测模块和谐波瞬时功率计算模块，其特征在于，所述数据采集模块由瞬时电压和瞬时电流的同步采样系统和数据缓冲区组成，实现数据不间断采样和10基波周期数据长度判断；所述谐波频率检测模块采用FFT分析采集的电压和电流频谱，并通过电压功率谱极大值包络检测谐波频率；所述谐波幅值及相位差检测模块针对检测的谐波对电压电流的FFT频谱做不完全S变换，并通过对应的变换矩阵求得谐波瞬时幅值和瞬时相位差，以供瞬时功率计算模块使用；所述谐波瞬时功率计算模块完成瞬时功率计算，并通过瞬时功率的极性判断谐波功率的流向。

所述的谐波瞬时功率计量方法依次并循环执行数据采集模块、谐波频率检测模块、谐波幅值及相位差检测模块和谐波瞬时功率计算模块，包括如下步骤：

S1：瞬时电压和电流数据同步采样暂存于数据缓冲区；

S2：如果采样数据长度达到10个基波周期，则将数据读取到计算区，数据缓冲区继续接收新的采样数据，同时进入步骤S3，否则等待缓冲区数据达到10个基波周期；

S3：分别对计算区的电压和电流数据进行标幺值处理和FFT运算，进入步骤S4；

S4：利用电压数据的FFT频谱，通过求取功率谱极大值包络检测电压的谐波频率，进入步骤S5；

S5：针对谐波频率分别求电压和电流数据的不完全S变换，得到行数与谐波数相等，而列数与10基波周期数据长度相等的电压不完全S变换复矩阵T _v 和电流不完全S变换复矩阵T _i ，进入步骤S6；

S6：对电流不完全S变换复矩阵求共轭，得到电流不完全S变换复共轭矩阵T _i *，进入步骤S7；

S7： T _v 与T _i *做交叉运算，即将T _v 与T _i *对应行做数组乘运算得到复矩阵T _c ，并由T _c 提取各谐波电压和电流的瞬时相位差矩阵Φ，由Φ中元素的极性判断对应谐波瞬时功率的流向，进入步骤S8；

S8：对Φ分别求余弦和正弦，得到相位差余弦矩阵Φ _cos 和相位差正弦矩阵Φ _sin ，进入步骤S9；

S9：对T _v 和T _i 求模，得到电压幅值矩阵M _Tv 和电流幅值矩阵M _Ti ，将M _Tv 和M _Ti 的对应行做数组乘，得到对应各谐波的瞬时视在功率矩阵S _vi ，进入步骤S10；

S10：将S _vi 和Φ _cos 的对应行做数组乘，得到对应各谐波频率的瞬时有功功率，将S _vi 和Φ _sin 的对应行做数组乘，得到对应各谐波的瞬时无功功率，进入步骤S11；

S11：返回步骤S2，准备下10个基波周期的瞬时功率计算。

采用所述谐波瞬时功率计算方法，能够精确检测谐波频率并计算其瞬时有功功率和无功功率，相对于小波方法本发明方法计算量较小，相对于FFT方法本发明方法精度受同步采样影响小，适应性更好。

附图说明

图1为本发明所述谐波瞬时功率计算方法的功能模块和计算流程图。

图2为本发明实施实例检测谐波频率实现框图。

图3为本发明采用的不完全S变换求解流程。

具体实施方式

为解决谐波功率精确计算和流向判断问题，本发明提供一种谐波瞬时功率计算方法，以下结合附图对本发明的优选实施实例进行阐述，需要说明的是，优选实施实例是为了进一步说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1为本发明所述谐波瞬时功率计算方法的功能模块和计算流程图，所述方法包括如下具体实施步骤：

S1：瞬时电压和电流数据同步采样暂存于数据缓冲区；

S2：如果采样数据长度达到10个基波周期，则将数据读取到计算区，数据缓冲区继续接收新的采样数据，同时进入步骤S3，否则等待缓冲区数据达到10个基波周期；

S3：分别对计算区的电压和电流数据进行标幺值处理和FFT运算，进入步骤S4；

所述标幺值处理采用如下公式：v=v _i /v _N ；i=i _i /i _N ，v _i 和i _i 分别为采集的电压和电流数据，v _N 和i _N 分别为数据采集点的额定电压和额定电流。

S4：利用电压数据的FFT频谱，通过求取功率谱极大值包络检测电压的谐波频率，进入步骤S5；

如图2所示，所述检测谐波频率采用电压数据v的FFT功率谱包络极大值动态测度指标D _yn 确定，即由阈值公式：f _n =find(D _yn >10)确定有效谐波频率，其中find( )为查找函数。

S5：针对谐波频率分别求电压和电流数据的不完全S变换，得到行数与谐波数相等，而列数与10基波周期数据长度相等的电压不完全S变换复矩阵T _v 和电流不完全S变换复矩阵T _i ，进入步骤S6；

所述不完全S变换求解流程如图3所示。

S6：对电流不完全S变换复矩阵求共轭，得到电流不完全S变换复共轭矩阵T _i *，进入步骤S7；

S7：T _v 与T _i *做交叉运算，即将T _v 与T _i *对应行做数组乘运算得到复矩阵T _c ，并由T _c 提取各谐波电压和电流的瞬时相位差矩阵Φ，由Φ中元素的极性判断对应谐波瞬时功率的流向，进入步骤S8；

所述判断谐波瞬时功率流向的规则为：如果θ>0，则吸收谐波功率；如果θ<0，则发出谐波功率。

S8：对Φ分别求余弦和正弦，得到相位差余弦矩阵Φ _cos 和相位差正弦矩阵Φ _sin ，进入步骤S9；

S9：对T _v 和T _i 求模，得到电压幅值矩阵M _Tv 和电流幅值矩阵M _Ti ，将M _Tv 和M _Ti 的对应行做数组乘，得到对应各谐波的瞬时视在功率矩阵S _vi ，进入步骤S10；

S10：将S _vi 和Φ _cos 的对应行做数组乘，得到对应各谐波频率的瞬时有功功率，将S _vi 和Φ _sin 的对应行做数组乘，得到对应各谐波的瞬时无功功率，进入步骤S11；

S11：返回步骤S2，准备下10个基波周期的瞬时功率计算。

以上所述的本发明的实施方式，并非成为本发明保护范围的限定，倘若对本发明实施方式进行各种变形或修改，但尚在本发明的精神和原则之内，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种谐波瞬时功率计算方法，包括数据采集模块、谐波频率检测模块、谐波幅值及相位差检测模块和谐波瞬时功率计算模块，其特征在于，所述数据采集模块由瞬时电压和瞬时电流的同步采样系统和数据缓冲区组成，实现数据不间断采样和10基波周期数据长度判断；所述谐波频率检测模块采用FFT分析采集的电压和电流频谱，并通过电压功率谱极大值包络检测谐波频率；所述谐波幅值及相位差检测模块针对检测的谐波对电压电流的FFT频谱做不完全S变换，并通过对应的变换矩阵求得谐波瞬时幅值和瞬时相位差，以供瞬时功率计算模块使用；所述瞬时功率计算模块完成瞬时功率计算，并通过谐波瞬时功率的极性判断谐波功率的流向。

2.根据权利要求1所述的谐波瞬时功率计量方法，依次并循环执行数据采集模块、谐波频率检测模块、谐波幅值及相位差检测模块和谐波瞬时功率计算模块，其特征在于，所述计算方法包括如下步骤：

S1：瞬时电压和电流数据同步采样暂存于数据缓冲区；

S2：如果采样数据长度达到10个基波周期，则将数据读取到计算区，数据缓冲区继续接收新的采样数据，同时进入步骤S3，否则等待缓冲区数据达到10个基波周期；

S3：分别对计算区的电压和电流数据进行标幺值处理和FFT运算，进入步骤S4；

S4：利用电压数据的FFT频谱，通过求取功率谱极大值包络检测电压的谐波频率，进入步骤S5；

S5：针对谐波频率分别求电压和电流数据的不完全S变换，得到行数与谐波数相等，而列数与10基波周期数据长度相等的电压不完全S变换复矩阵T _v 和电流不完全S变换复矩阵T _i ，进入步骤S6；

S6：对电流不完全S变换复矩阵求共轭，得到电流不完全S变换复共轭矩阵T _i *，进入步骤S7；

S7：T _v 与T _i *做交叉运算，即将T _v 与T _i *对应行做数组乘运算得到复矩阵T _c ，并由T _c 提取各谐波电压和电流的瞬时相位差矩阵Φ，由Φ中元素的极性判断对应谐波瞬时功率的流向，进入步骤S8；

S8：对Φ分别求余弦和正弦，得到相位差余弦矩阵Φ _cos 和相位差正弦矩阵Φ _sin ，进入步骤S9；

S9：对T _v 和T _i 求模，得到电压幅值矩阵M _Tv 和电流幅值矩阵M _Ti ，将M _Tv 和M _Ti 的对应行做数组乘，得到对应各谐波的瞬时视在功率矩阵S _vi ，进入步骤S10；

S10：将S _vi 和Φ _cos 的对应行做数组乘，得到对应各谐波频率的瞬时有功功率，将S _vi 和Φ _sin 的对应行做数组乘，得到对应各谐波的瞬时无功功率，进入步骤S11；

S11：返回步骤S2，准备下10个基波周期的瞬时功率计算。