CN109581045A - 一种满足iec标准框架的间谐波功率计量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种满足IEC标准框架的间谐波功率计量方法，包括：对目标用电网络的电网电压和电流信号进行采样，以10个基波周期为采样时间长度对数据进行分段分析，首先对电网电压采样信号进行插值FFT分析得到基波频率，然后基于基波频率对电网电压和电流采样信号进行样条插值，得到满足基波和谐波同步采样的电网电压和电流重构信号，接着对电网电压和电流重构信号分别进行FFT分析得到信号频谱，最后基于分离得到的间谐波频谱依次进行间谐波频率计算和功率计算。本发明算法简单，功率计算时不需要各频率分量的幅值和相位，测量精确度高，可正确指导电网部门进行间谐波源定位、间谐波电能计量及污染责任划分，引导用户采取治理措施，提高电能利用率。

Description

一种满足IEC标准框架的间谐波功率计量方法
技术领域
本发明涉及一种功率计量方法，具体涉及一种用于存在间谐波污染背景下的功率计量方法。
背景技术
随着智能电网技术的发展，越来越多的变频装置、风力发电机、光伏电站以及非线性负荷在电力系统中被广泛使用，由此会带来间谐波问题。间谐波电压电流的存在，会像谐波电压电流一样，引起电网电压电流波形的畸变、功率因数下降、以及电器设备的振动和噪声等电能质量问题，除此之外，间谐波电压还会引起电压闪变。
采取有效的激励措施来抑制电网中的间谐波水平是现代智能电网所要求的，所以很有必要对引起污染的间谐波源用户进行相应惩罚，并准确合理地划分各间谐波源用户的污染责任，而实现责任划分的前提是准确识别出间谐波源。为准确识别出间谐波源，并进一步量化分析各间谐波源对电网间谐波污染的贡献，首要前提是对各间谐波源的功率进行准确计量。
在存在间谐波污染的背景环境下，对间谐波功率进行计算，一般处理过程是：首先分别分析电网电压和电流的间谐波参数，包括幅值、频率和相位；然后针对不同频率的间谐波，分别根据其电压和电流的幅值和相位来计算间谐波功率。由于间谐波频率分布复杂且幅值较小，其参数测量容易受到基波和谐波的频谱泄漏影响，准确性不高。特别是间谐波相位，由于现有大多数方法在间谐波测量时往往采用的是先求取间谐波信号频率然后再基于频率求解幅值和相位的方法，误差累计会造成间谐波相位的测量误差非常大，而功率计算恰恰受相位测量误差的影响最大。如果采用传统方法进行功率计量，不仅难以得到准确的功率值，还有可能受到间谐波相位测量误差的影响，引起测得的间谐波功率极性发生变化，这将直接导致对间谐波源用户的误判。
发明内容
针对现有技术中利用间谐波幅值和相位来计算间谐波功率方法所存在的多种弊端，本发明提出了一种满足IEC框架的间谐波功率计量方法，其无需计算各频率分量的幅值和相位，并且计量更加准确。
本发明的主要思想是在IEC标准规定的时间窗口下，通过算法实现基波和谐波的“软件同步采样”，然后针对不受基波和谐波频谱泄漏影响的间谐波频谱，在仅求解间谐波频率的基础上，计算得到间谐波功率。本发明算法简单，在间谐波功率计算时不需要各频率分量的相位，测量精确度高，可正确指导电网部门进行间谐波源定位、间谐波电能计量及污染责任划分，引导用户采取治理措施，提高电能利用率。
本发明具体包括以下步骤：
步骤1：对目标用电网络的电压和电流信号进行采样，以10个基波周期为采样时间长度对数据进行分段分析，获得目标用电网络的原始电压和电流采样信号；
步骤2：对所述步骤1中的原始电压采样信号采用加汉宁窗的插值FFT算法进行分析，得到目标用电网络的基波频率；
步骤3：根据步骤2得到的基波频率，对所述步骤1中得到的原始电压和电流信号分别利用样条插值方法重构，得到满足同步采样要求的新的电压和电流信号；
步骤4：对所述步骤3中得到的新的电压和电流信号，采用加矩形窗的FFT算法进行分析，分离得到电压和电流信号的间谐波的频谱；
步骤5：对所述步骤4得到的电流信号的间谐波频谱，采用最大谱峰搜索法确定各次间谐波信号的最大谱线和临近次大谱线，计算各次间谐波信号的频率；
步骤6：对所述步骤4得到的电压和电流信号的间谐波频谱，根据步骤5得到的各次间谐波频率，计算各次间谐波功率。
本发明的有益效果在于：本发明能够对间谐波功率进行单独计量，可正确指导电网部门进行间谐波源定位、间谐波电能计量及污染责任划分，引导用户采取治理措施，提高电能利用率。本发明算法简单，在间谐波功率计算时不需要各频率分量的幅值和相位，测量精确度高。
附图说明
图1为本发明方法所采用的计量方法的流程图。
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。
本发明的间谐波功率计量方法具体包括以下步骤：
步骤1：对目标用电网络的电压和电流信号进行采样，以10个基波周期为采样时间长度对数据进行分段分析，获得目标用电网络的原始电压和电流采样信号；
步骤2：对所述步骤1中的原始电压采样信号采用加汉宁窗的插值FFT算法进行分析，得到目标用电网络的基波频率；
步骤3：根据步骤2得到的基波频率，对所述步骤1中得到的原始电压和电流信号分别利用样条插值方法重构，得到满足同步采样要求的新的电压和电流信号；
步骤4：对所述步骤3中得到的新的电压和电流信号，采用加矩形窗的FFT算法进行分析，分离得到电压和电流信号的间谐波的频谱；
步骤5：对所述步骤4得到的电流信号的间谐波频谱，采用最大谱峰搜索法确定各次间谐波信号的最大谱线和临近次大谱线，计算各次间谐波信号的频率；
步骤6：对所述步骤4得到的电压和电流信号的间谐波频谱，根据步骤5得到的各次间谐波频率，计算各次间谐波功率。
在步骤5中，用最大谱峰搜索法确定各次间谐波信号的最大谱线和临近次大谱线后，利用下式计算各次间谐波信号的频率：
1)判断间谐波信号频谱中临近次大谱线的位置，当临近次大谱线在最大谱线右侧时，间谐波信号频率
式中：Δt为采样时间间隔，N为采样点数，p为最大谱线对应的序号，λ1为第p根谱线与第p+1根谱线的虚部之比。
2)当临近次大谱线在最大谱线左侧时，间谐波信号频率
式中：λ2为第p根谱线与第p-1根谱线的虚部之比。
在步骤6中，计算各次间谐波功率时，采用下述方法：
考虑只含有单个间谐波频率成分的信号为
式中：Aih、fih和分别表示间谐波信号的幅值、频率以及相位。
该信号的离散傅里叶变换表达式为
式中：为只与间谐波频率fih有关的部分，用A+jB表示。
用XUih(n)、XIih(n)分别表示间谐波电压和电流的离散傅里叶变换，Uih Iih分别表示间谐波电压和电流的幅值，分别表示间谐波电压和电流的相位，可得：
由此，可知间谐波功率表示为：
其中：
通过上述公式，就可以在不需要知道间谐波的幅值和相位的条件下，准确确定间谐波的功率。
如图1所示，本发明中的用于间谐波功率计量的方法流程为：1)对原始的电压和电流信号进行采样；2)基波频率计算模块根据原始电网电压信号计算基波频率；3)电压样条插值重构模块和电流样条插值重构模块分别针对原始的电压和电流信号生成满足同步采样要求的新的电压和电流信号；4)电压FFT频谱分析模块和电流FFT频谱分析模块分别根据新的电压和电流信号计算电压间谐波频谱和电流间谐波频谱；5)间谐波频率计算模块根据电流间谐波频谱计算间谐波频率；6)间谐波功率计算模块根据间谐波频率、电压间谐波频谱和电流间谐波频谱计算间谐波功率。
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 (6)

1.一种满足IEC标准框架的间谐波功率计量方法，其特征在于，所述方法包括：
对目标用电网络的电压和电流信号进行采样，以10个基波周期为采样时间长度对电压和电流信号的数据进行分段分析获得间谐波频谱，基于分离得到的间谐波频谱依次进行间谐波频率计算和功率计算，在间谐波功率计算时不需要各频率分量的幅值和相位。
2.根据权利要求1所述的一种满足IEC标准框架的间谐波功率计量方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
步骤1：对目标用电网络的电压和电流信号进行采样，以10个基波周期为采样时间长度对数据进行分段分析，获得目标用电网络的原始电压和电流采样信号；
步骤2：对所述步骤1中的原始电压采样信号采用加汉宁窗的插值FFT算法进行分析，得到目标用电网络的基波频率；
步骤3：根据步骤2得到的基波频率，对所述步骤1中得到的原始电压和电流信号分别利用样条插值方法重构，得到满足同步采样要求的新的电压和电流信号；
步骤4：对所述步骤3中得到的新的电压和电流信号，采用加矩形窗的FFT算法进行分析，分离得到电压和电流信号的间谐波的频谱；
步骤5：对所述步骤4得到的电流信号的间谐波频谱，采用最大谱峰搜索法确定各次间谐波信号的最大谱线和临近次大谱线，计算各次间谐波信号的频率；
步骤6：对所述步骤4得到的电压和电流信号的间谐波频谱，根据步骤5得到的各次间谐波频率，计算各次间谐波功率。
3.根据权利要求1所述的一种满足IEC标准框架的间谐波功率计量方法，其特征在于，所述方法采用下述公式计算间谐波功率：
式中：n为间谐波频率对应的频谱线序号，XUih(n)、XIih(n)分别表示间谐波电压和电流的离散傅里叶变换，Uih、Iih分别表示间谐波电压和电流的幅值，分别表示间谐波电压和电流的相位。
4.根据权利要求1所述的一种满足IEC标准框架的间谐波功率计量方法，其特征在于，所述步骤5包括根据临近次大谱线的位置的不同，采用不同方式进行简谐波频率计算。
5.根据权利要求1所述的一种满足IEC标准框架的间谐波功率计量方法，其特征在于，所述计量方法用于对智能电网中不同用户的间谐波信号进行计量。
6.一种基于权利要求1中所述的间谐波功率计量方法进行差异化电能收费的方法，所述方法包括利用权利要求1中所述的方法对不同用户的间谐波功率进行统计，确定各用户间谐波功率与总功率的比值；基于间谐波功率与总功率的比值设定不同的加权权重，对于间谐波功率超过与总功率比值超过预定阈值的用户，设定更大的权重，根据所设定的权重和用户的总消耗电能，进行加权运算确定各个用户的收费标准。
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