CN108089052B - 一种用于间谐波背景下的电能计量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于间谐波背景下的电能计量方法，所述方法包括：对电网电压和电流信号进行同步采样，并对电压和电流采样信号进行交直流分离分别获得交流和直流信号，基于所分离出的交流和直流信号进行电能计量。本发明能够对直流电能、基波电能、谐波电能和间谐波电能进行分别计量，以指导电网部门能按照实际注入或消纳电力谐波和间谐波的情况对各用户进行相应电费的分摊，引导用户采取措施，提高电能利用率。
Description
技术领域
本发明涉及一种电能计量方法，具体涉及一种用于间谐波背景下的电能计量方法。
背景技术
在当前智能电网的大环境下，越来越多的电力电子装置、波动电源以及波动负荷在电力系统中被广泛使用，由此带来的谐波和间谐波问题变得愈发突出。针对谐波和间谐波污染严重的电网，为准确计量相应负荷实际消耗的电能量，减小电能计量误差，需要在传统电能计量方法基础上，增加计及谐波和间谐波产生的电能损耗，以明确电网和用户之间，或者是不同用户之间的谐波和间谐波污染责任，从而引导非线性负荷用户采取措施，减少向电网注入谐波和间谐波。
传统方式下采用全电能计量方式，直接按电能定义式将时域电压电流信号采样值相乘后积分来计算总电能，这种方式下线性负荷用户在遭受谐波和间谐波危害的同时，还要多交电费，而非线性负荷向电网注入谐波和间谐波干扰，却还少交电费。后来部分企业尝试采用基波电能计量方式，虽然可避免线性负荷用户承担额外的电力谐波和间谐波有功电能电费，但非线性负荷用户的谐波和间谐波污染行为并未得到相应的衡量和处罚。
本发明提出了一种可对直流电能、基波电能、谐波电能和间谐波电能进行分别计量的方法，以指导电网部门能按照实际注入或消纳电力谐波和间谐波的情况对各用户进行相应电费的分摊，引导电力用户抑制电力谐波和间谐波，提高电能利用率。
发明内容
本发明提供一种用于间谐波背景下的电能计量装置及方法，能够有效分离直流、基波、谐波和间谐波，实现对直流电能、基波电能、谐波电能和间谐波电能的分别计量。
本发明的具体技术方案是提供了一种用于间谐波背景下的电能计量方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：对与目标用户相连通的电网电压和电流信号进行同步采样；
步骤2：对所述步骤1中的电压和电流采样信号分别进行均值滤波得到电压和电流的直流信号，并将原始信号与直流信号相减分离得到电压和电流交流信号；
步骤3：根据已知的交流信号基波频率ω0，对所述步骤2中得到的电压交流信号进行窄带带通滤波得到电压基波信号；
步骤4：对所述步骤3中得到的电压基波信号采用基频EPLL提取电压和电流信号的基频ω1以及电压基波信号的正交分量，并将所述步骤2获得的电压交流信号与电压基波信号相减分离得到电压谐波和间谐波信号；
步骤5：根据基频ω1对所述步骤2中得到的电流信号采用基频EPLL提取电流基波信号的正交分量，并将所述步骤2获得的电流交流信号与电流基波信号相减分离得到电流谐波和间谐波信号；
步骤6：根据基频ω1计算谐波频率2ω1,3ω1,L，对步骤4得到的电压谐波和间谐波信号，以及步骤5得到的电流谐波和间谐波信号，由相同的并联EPLL结构分别提取各次电压和电流谐波信号的正交分量，并将电压和电流谐波和间谐波信号与电压和电流谐波信号相减分离得到电压和电流间谐波信号；
步骤7：由步骤2得到的电压和电流直流信号计算直流电能；由步骤4和步骤5得到的电压和电流信号的基波正交分量，计算基波电能；由步骤6得到的电压和电流信号的各次谐波正交分量，计算谐波电能；由步骤6得到的电压和电流间谐波信号，计算间谐波电能，进行分别输出。
本发明的方法可以采用下述的装置来实现，其包括电压传感器、电流传感器、信号调理电路、数据采集卡、电能计算模块、结果显示及报表输出模块和工控机，
其中：信号调理电路和数据采集卡全部安装于工控机内部，工控机通过数据采集卡获得电压和电流的输入数据，然后利用工控机内的电能计算模块完成对直流电能、基波电能、谐波电能和间谐波电能的分别计算，最后通过结果显示及报表输出模块将检测和分析结果显示在工控机自带的液晶屏上，数据文件以二进制格式文件保存于工控机中。
本发明的有益效果在于：本发明能够对直流电能、基波电能、谐波电能和间谐波电能进行分别计量，以指导电网部门能按照实际注入或消纳电力谐波和间谐波的情况对各用户进行相应电费的分摊，引导用户采取措施，提高电能利用率。
本发明采用了独特的谐波和间谐波电能计算方式，首先通过信号分离技术依次提取基波、谐波和间谐波信号分量，然后通过时域算法提取信号的正交分量来分别计算直流电能、基波电能、谐波电能和间谐波电能，可有效抑制幅值较大的信号对幅值较小信号的频谱泄漏影响，计量精度高，同步性和实时性好。
附图说明
图1为本发明方法中相应信号流的示意图。
图2为本发明中所采用的增强型锁相环EPLL的原理框图；
图3为本发明所述瞬时功率算法的原理框图。
图4为本发明方法所采用的计量装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明的电能计量方法具体包括以下步骤：
步骤1：对与目标用户相连通的电网电压和电流信号进行同步采样；
步骤2：对所述步骤1中的电压和电流采样信号分别进行均值滤波得到电压和电流的直流信号，并将原始信号与直流信号相减分离得到电压和电流交流信号；
步骤3：根据已知的交流信号基波频率ω0，对所述步骤2中得到的电压交流信号进行窄带带通滤波得到电压基波信号；
步骤4：对所述步骤3中得到的电压基波信号采用基频EPLL提取电压和电流信号的基频ω1以及电压基波信号的正交分量，并将所述步骤2获得的电压交流信号与电压基波信号相减分离得到电压谐波和间谐波信号；
步骤5：根据基频ω1对所述步骤2中得到的电流信号采用基频EPLL提取电流基波信号的正交分量，并将所述步骤2获得的电流交流信号与电流基波信号相减分离得到电流谐波和间谐波信号；
步骤6：根据基频ω1计算谐波频率2ω1,3ω1,L，对步骤4得到的电压谐波和间谐波信号，以及步骤5得到的电流谐波和间谐波信号，由相同的并联EPLL结构分别提取各次电压和电流谐波信号的正交分量，并将电压和电流谐波和间谐波信号与电压和电流谐波信号相减分离得到电压和电流间谐波信号；
步骤7：由步骤2得到的电压和电流直流信号计算直流电能；由步骤4和步骤5得到的电压和电流信号的基波正交分量，计算基波电能；由步骤6得到的电压和电流信号的各次谐波正交分量，计算谐波电能；由步骤6得到的电压和电流间谐波信号，计算间谐波电能，进行分别输出。
采用增强型锁相环EPLL结构，可以提取正弦信号的频率和正交分量。图2所示为基于基频EPLL结构提取基频和基频正交信号的原理性示意，其中为幅值为A1，频率为ω1，相位为的基频正弦信号。在该结构中，ω0为已知的基频，μi(i＝1～3)则是该锁相结构的参数调节常量，用来控制整个锁相结构的收敛速度和稳态误差等测量特性。其中μ1用以控制幅值的测量特性，μ2和μ3控制频率和相位的测量特性，设定典型值μ1＝10、μ2＝100和μ3＝0.2。通过基频EPLL结构，可以同时提取基频ω1，以及基频正交分量和
直流电能WD直接根据积分公式进行计算，即t时刻累积消耗的直流电能为：
式中：UD为测量提取的直流电压幅值，ID为测量提取的直流电流幅值。
基波电能W1根据积分公式可得：
式中：U1、ω1和分别为基波电压幅值、频率和相位，I1、ω1和分别为基波直流电流幅值、频率和相位。
在本发明中，根据图3所示的方法，由提取的电压基频正交分量和以及电流基频正交分量和采用下述公式计算基波电能，即：
间谐波总电能Wih根据下述公式进行计算，即：
式中：Uihm、ωihm和分别为第m个电压间谐波的幅值、频率和相位，Iihn、ωihn和分别为第n个电流间谐波的幅值、频率和相位，M和N分别为电压间谐波分量和电流间谐波分量的个数。
如图4所示，本发明中的用于间谐波背景下的电能计量装置具体包括电压传感器、电流传感器、信号调理电路、数据采集卡、电能计算模块、结果显示及报表输出模块和工控机。
其中：信号调理电路和数据采集卡全部安装于工控机内部，工控机通过数据采集卡获得输入数据，然后利用工控机内的电能计算模块完成对直流电能、基波电能、谐波电能和间谐波电能的分别计算，最后通过结果显示及报表输出模块将检测和分析结果显示在工控机自带的液晶屏上，数据文件以二进制格式文件保存于工控机中。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于间谐波背景下的电能计量方法，其特征在于，所述方法包括：
对电网电压和电流信号进行同步采样，并对电压和电流采样信号进行交直流分离分别获得交流和直流信号，基于所分离出的交流和直流信号进行电能计量，所述方法包括下述步骤：
步骤1：对与目标用户相连通的电网电压和电流信号进行同步采样；
步骤2：对所述步骤1中的电压和电流采样信号分别进行均值滤波得到电压和电流的直流信号，并将原始信号与直流信号相减分离得到电压和电流交流信号；
步骤3：根据已知的交流信号基波频率ω0，对所述步骤2中得到的电压交流信号进行窄带带通滤波得到电压基波信号；
步骤4：对所述步骤3中得到的电压基波信号采用基频EPLL提取电压和电流信号的基频ω1以及电压基波信号的正交分量，并将所述步骤2获得的电压交流信号与电压基波信号相减分离得到电压谐波和间谐波信号；
步骤5：根据基频ω1对所述步骤2中得到的电流交流信号采用基频EPLL提取电流基波信号的正交分量，并将所述步骤2获得的电流交流信号与电流基波信号相减分离得到电流谐波和间谐波信号；
步骤6：根据基频ω1计算谐波频率2ω1,3ω1,…，对步骤4得到的电压谐波和间谐波信号，以及步骤5得到的电流谐波和间谐波信号，由相同的并联EPLL结构分别提取各次电压和电流谐波信号的正交分量，并将电压和电流谐波和间谐波信号与电压和电流谐波信号相减分离得到电压和电流间谐波信号；
步骤7：由步骤2得到的电压和电流直流信号计算直流电能；由步骤4和步骤5得到的电压和电流信号的基波正交分量，计算基波电能；由步骤6得到的电压和电流信号的各次谐波正交分量，计算谐波电能；由步骤6得到的电压和电流间谐波信号，计算间谐波电能，进行分别输出。
2.根据权利要求1所述的用于间谐波背景下的电能计量方法，其特征在于，所述方法采用下述装置实现，该装置包括：电压传感器、电流传感器、信号调理电路、数据采集卡、电能计算模块、结果显示及报表输出模块和工控机。
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