CN110133366A - 一种谐波条件下的电网功率的计量系统和计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种谐波条件下电网功率的计量系统和计量方法，用于电能计量领域。其技术方案为：包括用于将输入信号变为正弦信号的谐波解耦网络，用于检测正弦信号的相互正交信号且输出基波及各次谐波的第一正交信号v′、第二正交信号qv′以及调整频率ω'的并联式二阶广义积分器‑锁频环结构，计算处理的计算处理单元和用于存储计算数据的数据存储单元。本发明的有益效果为：实时监测电网中基波及各次谐波的瞬时功率，通过检测的瞬时功率数据，从而计量出电网的基波及各次谐波的有功功率和无功功率，克服传统功率检测精度低、响应速度慢的缺点，实时计算基波及各次谐波的有功功率、无功功率数据。

Description

一种谐波条件下的电网功率的计量系统和计量方法

技术领域

本发明涉及电能计量领域，尤其涉及一种谐波条件下电网功率的计量系统和计量方法。

背景技术

谐波条件下基波和各次谐波的瞬时功率计算的关键是谐波检测算法。目前研究者针对这一点提出了多种谐波检测算法，其中应用最广泛的是快速傅里叶算法和均方根法，其中快速傅里叶算法会出现频谱泄露、栅栏效应的不足，当电网频率出现突变时，通过快速傅里叶算法计算到的频率、幅值以及相位的误差比较大，无法达到功率精确计算的要求。采用加窗插值的快速傅里叶算法可以降低使用快速傅里叶算法计算得到结果的误差，但同时为保证谐波分析精度，采样一般需要多个基波周期，计算量较大；均方根法需要对输入信号进行整周期采样，计算出整数倍周期的电压、电流有效值，但采样环节中会产生误差，且需要等待每一个周期的采样结果，速度慢、效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实时监测电网中基波及各次谐波的瞬时功率，通过检测的瞬时功率数据，从而计量出电网的基波及各次谐波的有功功率和无功功率，克服传统功率检测精度低、响应速度慢的缺点，实时计算基波及各次谐波的有功功率、无功功率数据的谐波条件下电网功率的计量系统及计量方法。

本发明是通过如下措施实现的：一种谐波条件下电网功率的计量系统，其特征在于，包括用于将输入信号变为各次谐波频率为单一频率正弦信号的谐波解耦网络，用于检测正弦信号的基波及各次谐波的相互正交信号且输出基波及各次谐波的第一正交信号v′、第二正交信号qv′以及调整频率ω'的并联式二阶广义积分器-锁频环结构，用于对所述第一正交信号和所述第二正交信号进行计算处理的计算处理单元和用于存储计算数据的数据存储单元，所述输入信号包括电压输入信号和电流输入信号，所述电压输入信号和所述电流输入信号为电网的采集信号。

所述计算处理单元，通过采集正弦量及正弦量正交分量的瞬时值，将电压矢量和电流矢量在α-β坐标系下进行分解，利用电压、电流矢量在α轴的瞬时值u、i和β轴上的瞬时值u'、i'，计算出瞬时有功功率p和瞬时无功功率q，得到的瞬时有功功率和无功功率，可以表示正弦条件下的有功功率和无功功率。

所述谐波解耦网络的输入端与输入电压信号和输入电流信号连接，所述谐波解耦网络的输出端和并联式二阶广义积分器-锁频环的输入端连接，所述计算处理单元的输入端与并联式二阶广义积分器-锁频环结构的输出端连接，所述计算处理单元用来将并联式二阶广义积分器-锁频环结构输出的基波和谐波信号进行数据采集、计算和传输，分别计算出基波和各次谐波的有功、无功功率。

所述谐波解耦网络由多路串行求差节点构成,每一路由若干个求差节点构成；

所述并联式二阶广义积分器-锁频环结构为若干个互相并联的二阶广义积分器-锁频环，所述调整频率输入到二阶广义积分器-锁频环的输入端，所述二阶广义积分器-锁频环包括若干个二阶广义积分器、锁频环和反馈环节；

所述二阶广义积分器包括依次串联的第一求差节点，放大器，第二求差节点，第一乘法器，第一积分环节、第二积分环节以及第二乘法器；

所述锁频环包括闭环连接的第三乘法器、积分控制器和第三积分环节，所述第一求差节点的输出端与所述第三乘法器连接，所述第三积分环节的输出端与所述第二乘法器连接；

所述反馈环节包括用于将第一积分环节的输出信号反馈给所述第一求差节点的第一反馈环，用于将所述第二乘法器的输出信号反馈给所述第二求差节点的第二反馈环。

所述二阶广义积分器-锁频环结构的工作原理为：二阶广义积分器-锁频环结构，包括：二阶广义积分器、锁频环和反馈环节，正弦信号输入到二阶广义积分器-锁频环结构中，获取基波及各次谐波的第一正交信号、第二正交信号；锁频环得到调整频率ω'，并使所述调整频率ω'与所述正弦信号基波频率ω的频率误差信号为零量；反馈回环将锁频环输出的调整频率ω'反馈至二阶广义积分器单元，作为输入信号频率ω。当锁频环调整频率ω'为输入信号基波频率ω时，二阶广义积分器-锁频环结构获得的第一正交信号和第二正交信号，幅值相同，相位相差90度。

其中，将调整频率作为新的输入频率输入到第一基于锁频环的二阶广义积分器结构中，同时将调整频率的2,3，…，n倍作为新的调整频率输入到其它并联的二阶广义积分器结构中，提取出基波及各次谐波的所述第一正交信号和第二正交信号。

所述正弦信号通过所述并联式二阶广义积分器-锁频环结构能够提取出基波及各次谐波的第一正交信号和第二正交信号，根据并联式二阶广义积分器-锁频环结构提取的第一正交信号和第二正交信号，所述计算处理单元能够计算出正弦信号中基波及各次谐波的幅值和相位信息，在正交坐标系下，根据幅值和相位信息将正弦信号中基波和各次谐波进行矢量分解，计算出基波及各次谐波的瞬时有功功率和瞬时无功功率，从而得到基波及各次谐波的有功功率和无功功率。

所述谐波解耦网络将所述输入信号变为各次谐波频率为单一频率的正弦信号，所述谐波解耦网络的第一路串行的所述求差节点依次将所述输入信号和所述并联式二阶广义积分器-锁频环结构输出的各次谐波的所述第一正交信号v₂′,v₃′,…,v_n′作差，第二路串行的所述求差节点依次将所述输入信号和所述第一正交信号v₁′,v₃′,…,v_n′作差，同理依次通过其它各路串行通路，使所述输入信号同时通过多路求差节点，使所述输入信号变为各次谐波频率为单一频率的正弦信号；

所述并联式二阶广义积分器-锁频环结构将所述正弦信号变为与所述正弦信号中基波及各次谐波幅值和相位相同的所述第一正交信号，与所述正弦信号中基波及各次谐波幅值相同，相位相差90度的第二正交信号，使所述二阶广义积分器-锁频环结构的调整频率与所述正弦信号的基波频率误差信号为零量；

所述计算单元通过所述第一正交信号和所述第二正交信号计算所述正弦信号中基波及各次谐波幅值和相位角，根据所述幅值和相位角计算有功功率和无功功率。

所述正弦信号的所述相角和所述幅值的计算公式为：

式中，θ为正弦信号的相角，A为正弦信号的幅值；

所述有功功率和所述无功功率的计算方式为：将所述正弦信号中基波及各次谐波变换到α-β坐标系下，所述正弦信号的电压信号的向量值为和电流信号的矢量为得到电压、电流的瞬时值u和i，则正交瞬时分量u'和i'，分别表示为：

则瞬时有功功率和瞬时无功功率分别可以表示为：

式中，φ是所述正弦信号的电压信号和电流信号的相位差，U、I是和的有效值，即所述幅值的P、Q分别为所述有功功率和所述无功功率。

所述正弦信号通过所述第一求差节点和所述第一反馈环相加减得到第一误差信号ε_ν，所述第一误差信号ε_ν通过放大器，得到kε_ν，kε_ν和所述第二反馈环的第二正交信号qv′，经所述第二求差节点相加减得到第二误差信号，所述第二误差信号经过所述第一乘法器和所述第一积分环节得到所述第一正交信号v′，所述第一正交信号v′通过所述第一反馈环反馈至所述第一求差节点；

所述第一正交信号v′经所述第一积分环节、所述第二积分环节和所述第二乘法器，得到所述第二正交信号qv′，所述第二正交信号通过所述第二反馈环反馈至所述第一乘法器；

所述第一误差信号ε_ν和所述第二正交信号qv′经所述第三乘法器、所述积分控制器和所述第三积分环节得到调整频率ω'，并使所述调整频率ω'与所述正弦信号的基波频率ω的频率误差信号为零量；

所述第一正交信号和所述第二正交信号的传递函数公式分别为：

式中，v为正弦信号的电压信号或电流信号，ω′为调整频率，k为增益系数，v′第一正交信号，qv′第二正交信号。

一种谐波条件下电网功率的计量方法，其特征在于，步骤为：

(1)对电网进行电压信号和电流信号的采集，将采集的信号作为输入信号输入到谐波解耦网络，将所述输入信号变为各次谐波频率为单一频率的正弦信号；

(2)将所述正弦信号通过并联式二阶广义积分器-锁频环结构变为与所述正弦信号中基波及各次谐波幅值和相位相同的第一正交信号，与所述正弦信号中基波及各次谐波幅值相同，相位相差90度的第二正交信号，使所述二阶广义积分器-锁频环结构的调整频率与所述正弦信号频率的基波频率误差信号为零量；

(3)根据所述第一正交信号和所述第二正交信号计算所述正弦信号中基波及各次谐波幅值和相位角。

(4)根据所述正弦信号中基波及各次谐波的幅值和相位角确定所述正弦信号中基波及各次谐波瞬时向量值，根据所述正弦信号中基波及各次谐波的瞬时向量值计算基波及各次谐波瞬时有功功率和瞬时无功功率，根据所述瞬时有功功率和所述瞬时无功功率确定基波及各次谐波有功功率和无功功率。

步骤(1)具体为：所述谐波解耦网络的第一路串行的求差节点依次将所述输入信号和所述并联式二阶广义积分器-锁频环结构输出的各次谐波的所述第一正交信号v₂′,v₃′,…,v_n′作差，第二路串行的所述求差节点依次将所述输入信号和所述第一正交信号v₁′,v₃′,…,v_n′作差，同理依次通过其它各路串行通路，使所述输入信号同时通过多路求差节点，所述谐波解耦网络将所述输入信号变为所述正弦信号。

所述步骤(2)具体为:所述正弦信号通过所述第一求差节点和所述第一反馈环相加减得到第一误差信号ε_ν，所述第一误差信号ε_ν通过放大器，得到kε_ν，kε_ν和所述第二反馈环的第二正交信号qv′，经所述第二求差节点相加减得到第二误差信号，所述第二误差信号经过所述第一乘法器和所述第一积分环节得到所述第一正交信号v′，所述第一正交信号v′通过所述第一反馈环反馈至所述第一求差节点；

所述第一正交信号v′经所述第一积分环节、所述第二积分环节和所述第二乘法器，得到所述第二正交信号qv′，所述第二正交信号通过所述第二反馈环反馈至所述第一乘法器；

所述第一误差信号ε_ν和所述第二正交信号qv′经所述第三乘法器、所述积分控制器和所述第三积分环节得到调整频率ω'，并使所述调整频率ω'与所述正弦信号基波频率ω的频率误差信号为零量；

所述第一正交信号和所述第二正交信号的传递函数公式分别为：

式中，v为正弦信号的电压信号或电流信号，ω′为调整频率，k为增益系数，v′第一正交信号，qv′第二正交信号。

所述步骤(3)中，所述正弦信号的所述相角和所述幅值的计算公式为：

式中，θ为正弦信号的相角，A为正弦信号的幅值。

所述步骤(4)中所述有功功率和所述无功功率的计算方式为：将所述正弦信号中基波及各次谐波变换到α-β坐标系下，所述正弦信号的电压信号的向量值为和所述正弦信号的电流信号的矢量为得到电压、电流的瞬时值u和i，则正交瞬时分量u'和i'，分别表示为：

则瞬时有功功率和瞬时无功功率分别可以表示为：

式中，φ是所述正弦信号的电压信号和所述正弦信号的电流信号的相位差，U、I是和的有效值，即所述幅值的P、Q分别为所述有功功率和所述无功功率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：克服传统时域和频域算法的整周期采样和采样点数的限制，计算量小、效率高，实时对信号的有功功率和无功功率进行计量。

附图说明

图1为本发明实施例的总体框图。

图2为本发明实施例中谐波解耦网络的结构图。

图3为本发明实施例中二阶广义积分器锁频环的结构原理图。

图4为本发明实施例中并联式二阶广义积分器-锁频环结构的结构图。

其中，附图标记为：1、第一求差节点；2、放大器；3、第二求差节点；4、第一乘法器4；5、第一积分环节；6、第二积分环节；7、第二乘法器；8、第三积分环节；9、积分控制器；10、第三乘法器；11、第一反馈环；12、第二反馈环。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。

参见图1-图4，，一种谐波条件下电网功率的计量系统，包括用于将输入信号变为各次谐波频率为单一频率正弦信号的谐波解耦网络，用于检测正弦信号的基波及各次谐波的相互正交信号且输出基波及各次谐波的第一正交信号v′、第二正交信号qv′以及调整频率ω'的并联式二阶广义积分器-锁频环结构，用于对第一正交信号和所述第二正交信号进行计算处理的计算处理单元和用于存储计算数据的数据存储单元，输入信号包括电压输入信号和电流输入信号，电压输入信号和电流输入信号为电网的采集信号。

并联式二阶广义积分器-锁频环结构，通过采集正弦量及正弦量正交分量的瞬时值，将电压矢量和电流矢量在α-β坐标系下进行分解，利用电压、电流矢量在α轴的瞬时值u、 i和β轴上的瞬时值u'、i'，计算出瞬时有功功率p和瞬时无功功率q，得到的瞬时有功功率和无功功率，可以表示正弦条件下的有功功率和无功功率。

谐波解耦网络的输入端与输入电压信号和输入电流信号连接，谐波解耦网络的输出端和并联式二阶广义积分器-锁频环的输入端连接，计算处理单元的输入端与并联式二阶广义积分器-锁频环结构的输出端连接，计算处理单元用来将并联式二阶广义积分器-锁频环结构输出的基波和谐波信号进行数据采集、计算和传输，分别计算出基波和各次谐波的有功、无功功率。

谐波解耦网络由多路串行求差节点构成,每一路由若干个求差节点构成；

并联式二阶广义积分器-锁频环结构为若干个互相并联的二阶广义积分器-锁频环，调整频率输入到二阶广义积分器-锁频环的输入端，二阶广义积分器-锁频环包括若干个二阶广义积分器、锁频环和反馈环节；

二阶广义积分器包括依次串联的第一求差节点1，放大器2，第二求差节点3，第一乘法器4，第一积分环节5、第二积分环节6以及第二乘法器7；

锁频环包括闭环连接的第三乘法器10、积分控制器9和第三积分环节8，第一求差节点1的输出端与第三乘法器10连接，第三积分环节8的输出端与第二乘法器7连接；

反馈环节包括用于将第一积分环节5的输出信号反馈给第一求差节点1的第一反馈环 11，用于将第二乘法器7的输出信号反馈给第二求差节点3的第二反馈环12。

二阶广义积分器-锁频环结构的工作原理为：二阶广义积分器-锁频环结构，包括：二阶广义积分器、锁频环和反馈环节，正弦信号输入到二阶广义积分器-锁频环结构中，获取基波及各次谐波的第一正交信号、第二正交信号；锁频环得到调整频率ω'，并使所述调整频率ω'与正弦信号基波频率ω的频率误差信号为零量；反馈回环将锁频环输出的调整频率ω' 反馈至二阶广义积分器单元，作为输入信号频率ω。当锁频环调整频率ω'为输入信号基波频率ω时，二阶广义积分器-锁频环结构获得的第一正交信号和第二正交信号，幅值相同，相位相差90度。

其中，将调整频率作为新的输入频率输入到第一基于锁频环的二阶广义积分器结构中，同时将调整频率的2,3，…，n倍作为新的调整频率输入到其它并联的二阶广义积分器结构中，提取出基波及各次谐波的第一正交信号和第二正交信号。

正弦信号通过并联式二阶广义积分器-锁频环结构能够提取出基波及各次谐波的第一正交信号和第二正交信号，根据并联式二阶广义积分器-锁频环结构提取的第一正交信号和第二正交信号，计算处理单元能够计算出正弦信号中基波及各次谐波的幅值和相位信息，在正交坐标系下，根据幅值和相位信息将正弦信号中基波和各次谐波进行矢量分解，计算出基波及各次谐波的瞬时有功功率和瞬时无功功率，从而得到基波及各次谐波的有功功率和无功功率。

谐波解耦网络将所述输入信号变为各次谐波频率为单一频率的正弦信号，谐波解耦网络的第一路串行的所述求差节点依次将输入信号和所述并联式二阶广义积分器-锁频环结构输出的各次谐波的第一正交信号v₂′,v₃′,…,v_n′作差，第二路串行的所述求差节点依次将所述输入信号和第一正交信号v₁′,v₃′,…,v_n′作差，同理依次通过其它各路串行通路，使输入信号同时通过多路求差节点，使输入信号变为各次谐波频率为单一频率的正弦信号；

并联式二阶广义积分器-锁频环结构将正弦信号变为与正弦信号中基波及各次谐波幅值和相位相同的所述第一正交信号，与正弦信号中基波及各次谐波幅值相同，相位相差90 度的第二正交信号，使二阶广义积分器-锁频环结构的调整频率与正弦信号的基波频率误差信号为零量；

计算单元通过所述第一正交信号和第二正交信号计算正弦信号中基波及各次谐波幅值和相位角，根据幅值和相位角计算有功功率和无功功率。

正弦信号的相角和幅值的计算公式为：

式中，θ为正弦信号的相角，A为正弦信号的幅值；

有功功率和无功功率的计算方式为：将正弦信号中基波及各次谐波变换到α-β坐标系下，正弦信号的电压信号的向量值为和电流信号的矢量为得到电压、电流的瞬时值u 和i，则正交瞬时分量u'和i'，分别表示为：

则瞬时有功功率和瞬时无功功率分别可以表示为：

式中，φ是所述正弦信号的电压信号和电流信号的相位差，U、I是和的有效值，即幅值的P、Q分别为所述有功功率和所述无功功率。

正弦信号通过所述第一求差节点1和第一反馈环11相加减得到第一误差信号ε_ν，第一误差信号ε_ν通过放大器2，得到kε_ν，kε_ν和所述第二反馈环12的第二正交信号qv′，经第二求差节点3相加减得到第二误差信号，第二误差信号经过第一乘法器4和第一积分环节5得到第一正交信号v′，第一正交信号v′通过第一反馈环11反馈至第一求差节点1；

第一正交信号v′经第一积分环节1、第二积分环节6和第二乘法器7，得到第二正交信号qv′，第二正交信号通过所述第二反馈环12反馈至第一乘法器4；

第一误差信号ε_ν和第二正交信号qv′经第三乘法器10、积分控制器9和第三积分环节8 得到调整频率ω'，并使调整频率ω'与正弦信号的基波频率ω的频率误差信号为零量；

第一正交信号和所述第二正交信号的传递函数公式分别为：

式中，v为正弦信号的电压信号或电流信号，ω′为调整频率，k为增益系数，v′第一正交信号，qv′第二正交信号。

一种谐波条件下电网功率的计量方法，其特征在于，步骤为：

(1)对电网进行电压信号和电流信号的采集，将采集的信号作为输入信号输入到谐波解耦网络，将所述输入信号变为各次谐波频率为单一频率的正弦信号；

(2)将正弦信号通过并联式二阶广义积分器-锁频环结构变为与正弦信号中基波及各次谐波幅值和相位相同的第一正交信号，与正弦信号中基波及各次谐波幅值相同，相位相差90度的第二正交信号，使二阶广义积分器-锁频环结构的调整频率与正弦信号频率的基波频率误差信号为零量；

(3)根据第一正交信号和第二正交信号计算正弦信号中基波及各次谐波幅值和相位角。

(4)根据正弦信号中基波及各次谐波的幅值和相位角确定正弦信号中基波及各次谐波瞬时向量值，根据正弦信号中基波及各次谐波的瞬时向量值计算基波及各次谐波瞬时有功功率和瞬时无功功率，根据瞬时有功功率和瞬时无功功率确定基波及各次谐波有功功率和无功功率。

步骤(1)具体为：谐波解耦网络的第一路串行的求差节点依次将输入信号和并联式二阶广义积分器-锁频环结构输出的各次谐波的第一正交信号v₂′,v₃′,…,v_n′作差，第二路串行的求差节点依次将输入信号和第一正交信号v₁′,v₃′,…,v_n′作差，同理依次通过其它各路串行通路，使输入信号同时通过多路求差节点，谐波解耦网络将所述输入信号变为正弦信号。

步骤(2)具体为:正弦信号通过第一求差节点1和第一反馈环11相加减得到第一误差信号ε_ν，所述第一误差信号ε_ν通过放大器2，得到kε_ν，kε_ν和所述第二反馈环12的第二正交信号qv′，经第二求差节点3相加减得到第二误差信号，第二误差信号经过第一乘法器4 和第一积分环节5得到第一正交信号v′，第一正交信号v′通过第一反馈环11反馈至第一求差节点1；

第一正交信号v′经第一积分环节1、第二积分环节6和第二乘法器7，得到第二正交信号qv′，第二正交信号通过第二反馈环12反馈至第一乘法器4；

第一误差信号ε_ν和第二正交信号qv′经第三乘法器10、积分控制器9和第三积分环节8 得到调整频率ω'，并使调整频率ω'与正弦信号的基波频率ω的频率误差信号为零量；

第一正交信号和第二正交信号的传递函数公式分别为：

式中，v为正弦信号的电压信号或电流信号，ω′为调整频率，k为增益系数，v′第一正交信号，qv′第二正交信号。

步骤(3)中，正弦信号的所述相角和所述幅值的计算公式为：

式中，θ为正弦信号的相角，A为正弦信号的幅值。

步骤(4)中有功功率和无功功率的计算方式为：将正弦信号中基波及各次谐波变换到α-β坐标系下，正弦信号的电压信号的向量值为和正弦信号的电流信号的矢量为得到电压、电流的瞬时值u和i，则正交瞬时分量u'和i'，分别表示为：

则瞬时有功功率和瞬时无功功率分别可以表示为：

式中，φ是正弦信号的电压信号和正弦信号的电流信号的相位差，U、I是和的有效值，即幅值的P、Q分别为有功功率和无功功率。

需要说明的是，上述的二阶广义积分器-锁频环在工作中分为以下步骤：(1)放大器2，正弦信号接收第一反馈环的第一正交信号，两者通过第一求差节点1相加减得到误差信号ε_ν，误差信号通过放大器1，其放大比例为k，得到kε_ν。(2)第一积分环节5，kε_ν和第二反馈环12反馈的第二正交信号qv′，经过第二求差节点3得到第二误差信号，第二误差信号经过第一乘法器4和第一积分环节5得到第一正交信号v′，第一正交信号通过第一反馈环11反馈至放大器2的输入端。(3)第二积分环节6，第一正交信号v′经过第一积分环节 5后，然后经过第二乘法器7和第二积分环节6，得到第二正交信号qv′，第二正交信号通过第二反馈环12返回至第一乘法器4。(4)锁频环由误差信号ε_ν和第二正交信号qv′来检测输入信号的频率信息，ε_ν和第二正交信号qv′通过第三乘法器10得到频率误差信号ε_f，然后经积分控制器9得到谐振频率ω'，调节积分控制器9使谐振频率ω'与正弦信号频率ω的频率误差信号为零量。

需要说明的是，上述谐波解耦网络在工作中为以下步骤：(1)利用谐波解耦网络使输入信号中的各次谐波实现解耦，解耦后的输入信号重新变为各次谐波频率的单一频率的正弦信号。(2)解耦后的各次谐波分别进入各自的二阶广义积分器结构，经过短暂的计算过渡过程，每个二阶广义积分器结构的输入信号被其余二阶广义积分器结构检测的谐波成分清理干净。

根据谐波条件下电网功率的计量系统和计量方法搭建基波和各次谐波的有功、无功功率计算的计量仿真平台原理。

在MATALB/Simulink里建立基于并联式广义积分器-锁频环的基波和各次谐波有功功率计量的仿真平台，仿真参数设置如下：

下表分别给出了谐波条件下，根据谐波条件下电网功率的计量系统和计量方法得到的仿真结果。通过下表的结果明显的看出，谐波条件下基于并联式广义积分器-锁频环的基波和各次谐波有功功率计量方法能够精确的计量得到基波和各次谐波有功功率。

同时，搭建基于并联式二阶广义积分器-锁频环的基波和各次谐波无功功率计量的仿真平台。仿真参数设置如下：

下表分别给出了谐波条件下无功功率根据所述功率计量方法得到的仿真结果。通过下表的结果明显的看出，谐波条件下，基于并联式二阶广义积分器-锁频环的基波和各次谐波功率计量方法，能够精确的计量得到基波和各次谐波无功功率。

本发明未经述的技术特征可以通过或采用现有技术实现，在此不再赘述，当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种谐波条件下电网功率的计量系统，其特征在于，包括用于将输入信号变为各次谐波频率为单一频率正弦信号的谐波解耦网络，用于检测正弦信号的基波及各次谐波的相互正交信号且输出基波及各次谐波的第一正交信号v′、第二正交信号qv′以及调整频率ω'的并联式二阶广义积分器-锁频环结构，用于对所述第一正交信号和所述第二正交信号进行计算处理的计算处理单元和用于存储计算数据的数据存储单元，所述输入信号包括电压输入信号和电流输入信号，所述电压输入信号和所述电流输入信号为电网的采集信号。

2.根据权利要求1所述的谐波条件下电网功率的计量系统，其特征在于，所述谐波解耦网络由多路串行求差节点构成,每一路由若干个求差节点构成；

所述并联式二阶广义积分器-锁频环结构为若干个互相并联的二阶广义积分器-锁频环，所述调整频率输入到二阶广义积分器-锁频环的输入端，所述二阶广义积分器-锁频环包括若干个二阶广义积分器、锁频环和反馈环节；

所述二阶广义积分器包括依次串联的第一求差节点，放大器，第二求差节点，第一乘法器，第一积分环节、第二积分环节以及第二乘法器；

所述锁频环包括闭环连接的第三乘法器、积分控制器和第三积分环节，所述第一求差节点的输出端与所述第三乘法器连接，所述第三积分环节的输出端与所述第二乘法器连接；

所述反馈环节包括用于将第一积分环节的输出信号反馈给所述第一求差节点的第一反馈环，用于将所述第二乘法器的输出信号反馈给所述第二求差节点的第二反馈环。

3.根据权利要求2所述的谐波条件下电网功率的计量系统，其特征在于，所述谐波解耦网络将所述输入信号变为各次谐波频率为单一频率的正弦信号，所述谐波解耦网络的第一路串行的所述求差节点依次将所述输入信号和所述并联式二阶广义积分器-锁频环结构输出的各次谐波的所述第一正交信号v₂′,v₃′,…,v_n′作差，第二路串行的所述求差节点依次将所述输入信号和所述第一正交信号v₁′,v₃′,…,v_n′作差，同理依次通过其它各路串行通路，使所述输入信号同时通过多路求差节点，使所述输入信号变为各次谐波频率为单一频率的正弦信号；

所述并联式二阶广义积分器-锁频环结构将所述正弦信号变为与所述正弦信号中基波及各次谐波幅值和相位相同的所述第一正交信号，与所述正弦信号中基波及各次谐波幅值相同，相位相差90度的第二正交信号，使所述二阶广义积分器-锁频环结构的调整频率与所述正弦信号的基波频率误差信号为零量；

所述计算单元通过所述第一正交信号和所述第二正交信号计算所述正弦信号中基波及各次谐波幅值和相位角，根据所述幅值和相位角计算有功功率和无功功率。

4.根据权利要3所述的谐波条件下电网功率的计量系统，其特征在于，所述正弦信号的所述相角和所述幅值的计算公式为：

式中，θ为正弦信号的相角，A为正弦信号的幅值；

所述有功功率和所述无功功率的计算方式为：将所述正弦信号中基波及各次谐波变换到α-β坐标系下，所述正弦信号的电压信号的向量值为和电流信号的矢量为得到电压、电流的瞬时值u和i，则正交瞬时分量u'和i'，分别表示为：

则瞬时有功功率和瞬时无功功率分别可以表示为：

式中，φ是所述正弦信号的电压信号和电流信号的相位差，U、I是和的有效值，即所述幅值的P、Q分别为所述有功功率和所述无功功率。

5.根据权利要3所述的谐波条件下电网功率的计量系统，其特征在于，所述正弦信号通过所述第一求差节点和所述第一反馈环相加减得到第一误差信号ε_ν，所述第一误差信号ε_ν通过放大器，得到kε_ν，kε_ν和所述第二反馈环的第二正交信号qv′，经所述第二求差节点相加减得到第二误差信号，所述第二误差信号经过所述第一乘法器和所述第一积分环节得到所述第一正交信号v′，所述第一正交信号v′通过所述第一反馈环反馈至所述第一求差节点；

所述第一正交信号v′经所述第一积分环节、所述第二积分环节和所述第二乘法器，得到所述第二正交信号qv′，所述第二正交信号通过所述第二反馈环反馈至所述第一乘法器；

所述第一误差信号ε_ν和所述第二正交信号qv′经所述第三乘法器、所述积分控制器和所述第三积分环节得到调整频率ω'，并使所述调整频率ω'与所述正弦信号的基波频率ω的频率误差信号为零量；

所述第一正交信号和所述第二正交信号的传递函数公式分别为：

式中，v为正弦信号的电压信号或电流信号，ω′为调整频率，k为增益系数，v′第一正交信号，qv′第二正交信号。

6.一种谐波条件下电网功率的计量方法，其特征在于，步骤为：

(1)对电网进行电压信号和电流信号的采集，将采集的信号作为输入信号输入到谐波解耦网络，将所述输入信号变为各次谐波频率为单一频率的正弦信号；

(2)将所述正弦信号通过并联式二阶广义积分器-锁频环结构变为与所述正弦信号中基波及各次谐波幅值和相位相同的第一正交信号，与所述正弦信号中基波及各次谐波幅值相同，相位相差90度的第二正交信号，使所述二阶广义积分器-锁频环结构的调整频率与所述正弦信号频率的基波频率误差信号为零量；

(3)根据所述第一正交信号和所述第二正交信号计算所述正弦信号中基波及各次谐波幅值和相位角。

(4)根据所述正弦信号中基波及各次谐波的幅值和相位角确定所述正弦信号中基波及各次谐波瞬时向量值，根据所述正弦信号中基波及各次谐波的瞬时向量值计算基波及各次谐波瞬时有功功率和瞬时无功功率，根据所述瞬时有功功率和所述瞬时无功功率确定基波及各次谐波有功功率和无功功率。

7.根据权利要求6所述的谐波条件下电网功率的计量方法，其特征在于，步骤(1)具体为：所述谐波解耦网络的第一路串行的求差节点依次将所述输入信号和所述并联式二阶广义积分器-锁频环结构输出的各次谐波的所述第一正交信号v₂′,v₃′,…,v_n′作差，第二路串行的所述求差节点依次将所述输入信号和所述第一正交信号v₁′,v₃′,…,v_n′作差，同理依次通过其它各路串行通路，使所述输入信号同时通过多路求差节点，所述谐波解耦网络将所述输入信号变为所述正弦信号。

8.根据权利要求6所述的谐波条件下电网功率的计量方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为:所述正弦信号通过所述第一求差节点和所述第一反馈环相加减得到第一误差信号ε_ν，所述第一误差信号ε_ν通过放大器，得到kε_ν，kε_ν和所述第二反馈环的第二正交信号qv′，经所述第二求差节点相加减得到第二误差信号，所述第二误差信号经过所述第一乘法器和所述第一积分环节得到所述第一正交信号v′，所述第一正交信号v′通过所述第一反馈环反馈至所述第一求差节点；

所述第一正交信号v′经所述第一积分环节、所述第二积分环节和所述第二乘法器，得到所述第二正交信号qv′，所述第二正交信号通过所述第二反馈环反馈至所述第一乘法器；

所述第一误差信号ε_ν和所述第二正交信号qv′经所述第三乘法器、所述积分控制器和所述第三积分环节得到调整频率ω'，并使所述调整频率ω'与所述正弦信号基波频率ω的频率误差信号为零量；

所述第一正交信号和所述第二正交信号的传递函数公式分别为：

式中，v为正弦信号的电压信号或电流信号，ω′为调整频率，k为增益系数，v′第一正交信号，qv′第二正交信号。

9.根据权利要求6所述的谐波条件下电网功率的计量方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述正弦信号的所述相角和所述幅值的计算公式为：

式中，θ为正弦信号的相角，A为正弦信号的幅值。

10.根据权利要求6所述的谐波条件下电网功率的计量方法，其特征在于，所述步骤(4)中所述有功功率和所述无功功率的计算方式为：将所述正弦信号中基波及各次谐波变换到α-β坐标系下，所述正弦信号的电压信号的向量值为和所述正弦信号的电流信号的矢量为得到电压、电流的瞬时值u和i，则正交瞬时分量u'和i'，分别表示为：

则瞬时有功功率和瞬时无功功率分别可以表示为：

式中，φ是所述正弦信号的电压信号和所述正弦信号的电流信号的相位差，U、I是和的有效值，即所述幅值的P、Q分别为所述有功功率和所述无功功率。