CN113030570A - 一种谐波电能检测方法和自适应滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐波电能检测方法和自适应滤波器，属于电网技术领域。本发明通过自适应滤波器，对基波信号和谐波信号进行检测，不仅减少了基波和高次谐波的影响，降低了计算成本，从而降低了谐波电能检测的成本，进一步的，还在FFT处理后通过反馈当前的基波频率到自适应滤波器，实现非正弦条件下的谐波电能检测计量，能够减少谐波检测时基波及高次谐波的干扰，降低计算量，提高非正弦条件下电能计量的准确度。

Description

一种谐波电能检测方法和自适应滤波器

技术领域

本发明涉及电网技术领域，特别涉及一种谐波电能检测方法和自适应滤波器。

背景技术

随着家用电器的发展，许多非线性负荷大量接入居民电网，造成电网产生大量谐波畸变干扰，对当前电能计量的准确性提出挑战，因此准确的对谐波进行检测并计量电能对当前电力行业具有重要意义。

现有的谐波分析通常采用FFT(快速傅里叶变换)实现谐波分析，但是由于实际电网信号往往含有丰富的谐波分量，而且谐波分量的幅值一般为基波分量的百分之几或更小。当通过现有技术所提供的方法进行非同步采样时，基波分量的频谱泄漏将严重影响谐波分量，谐波分量之间也会发生相互泄漏，导致谐波分析误差增加，降低了谐波电能检测的可靠性和准确性，从而进一步降低了电量检测的准确性，且在采用现有的方法实现谐波分析，避免谐波分量之间也会发生相互泄漏的过程中，计算量较大，从而会提高谐波电能检测的成本。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种谐波电能检测方法和自适应滤波器。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种谐波电能检测方法，所述方法包括：

通过自适应滤波器，对电网中的原始信号进行分离，获得所述原始信号的基波信号与谐波信号；

计算所述基波信号和所述谐波信号的电能，并根据所述基波信号的电能和所述谐波信号的电能，计算所述原始信号的电能；

根据所述谐波信号的谐波参数，获取所述基波信号的基波参数；

根据所述基波参数，调节所述自适应滤波器。

可选的，所述计算所述基波信号的电能包括：

对基波信号进行FFT处理，得到基波参数u₁和i₁，及其正交分量u₁’和i₁’；

根据所述基波参数，使用单相瞬时功率法，计算所述基波信号的电能。

可选的，所述计算所述谐波信号的电能包括：

对所述谐波信号进行加窗FFT分析，得到各次谐波参数u_m和i_m，及其正交分量u_m’和i_m’；

根据所述各次谐波参数，使用单相瞬时功率法，计算谐波信号的电能；

其中，所述m为谐波次数，所述m为正整数。

可选的，所述根据所述基波参数，使用单相瞬时功率法，计算所述基波信号的电能包括：

通过以下公式计算基波信号的有功功率P₁：

P₁＝0.5×(u₁i₁+u'₁i'₁)；

通过以下公式计算基波信号的电能E_pf：

E_pf＝P₁×t；

所述根据所述各次谐波参数，使用单相瞬时功率法，计算谐波信号的电能包括：

通过以下公式计算谐波信号的有功功率P_m：

P_m＝0.5×(u_mi_m+u'_mi'_m)；

通过以下公式计算谐波信号的电能E_ph：

其中，t为时间。

可选的，所述谐波参数包括实时谐波信号点的频率，所述基波参数包括实时基波信号点的频率，所述根据所述谐波信号的谐波参数，获取所述基波信号的基波参数包括：

获取所述谐波参数中预设频率区间内，满足预设条件的实时谐波信号点的频率；

设置所述满足预设条件的实时谐波信号点的频率，为所述实时基波信号点的频率。

可选的，所述自适应滤波器配置RLS算法，所述根据所述基波参数，调节所述自适应滤波器包括：

根据所述实时基波信号点的频率，作为所述RLS算法的输入参数。

可选的，所述计算所述基波信号和所述谐波信号的电能之前，所述方法还包括：

对所述谐波信号使用低通滤波器以滤除高次谐波；

其中，所述低通滤波器的阶数为10阶，其截止频率为650Hz。

可选的，所述对所述谐波信号进行加窗FFT分析过程中，窗函数为：

其中，1≦n≦N，N为采样点数。

另一方面，提供了一种自适应滤波器，所述自适应滤波器包括自适应滤波模块，还包括：

分离模块，用于通过所述自适应滤波模块，对电网中的原始信号进行分离，获得所述原始信号的基波信号与谐波信号；

计算模块，用于计算所述基波信号和所述谐波信号的电能，并根据所述基波信号的电能和所述谐波信号的电能，计算所述原始信号的电能；

获取模块，用于根据所述谐波信号的谐波参数，获取所述基波信号的基波参数；

调节模块，用于根据所述基波参数，调节所述自适应滤波模块。

可选的，所述计算模块具体用于：

所述计算所述基波信号的电能，包括：

对基波信号进行FFT处理，得到基波参数u₁和i₁，及其正交分量u₁’和i₁’；

根据所述基波参数，使用单相瞬时功率法，计算所述基波信号的电能；

计算所述谐波信号的电能，包括：

对所述谐波信号进行加窗FFT分析，得到各次谐波参数u_m和i_m，及其正交分量u_m’和i_m’；

根据所述各次谐波参数，使用单相瞬时功率法，计算谐波信号的电能；

其中，所述m为谐波次数，所述m为正整数。

可选的，所述计算模块具体用于：

根据所述基波参数，使用单相瞬时功率法，计算所述基波信号的电能，包括：

通过以下公式计算基波信号的有功功率P₁：

P₁＝0.5×(u₁i₁+u'₁i'₁)；

通过以下公式计算基波信号的电能E_pf：

E_pf＝P₁×t；

根据所述各次谐波参数，使用单相瞬时功率法，计算谐波信号的电能，包括：

通过以下公式计算谐波信号的有功功率P_m：

P_m＝0.5×(u_mi_m+u'_mi'_m)；

通过以下公式计算谐波信号的电能E_ph：

其中，t为时间。

可选的，所述谐波参数包括实时谐波信号点的频率，所述基波参数包括实时基波信号点的频率，所述获取模块具体用于：

获取所述谐波参数中预设频率区间内，满足预设条件的实时谐波信号点的频率；

设置所述满足预设条件的实时谐波信号点的频率，为所述实时基波信号点的频率。

可选的，所述自适应滤波器配置RLS算法，所述调节模块具体用于：

根据所述实时基波信号点的频率，作为所述RLS算法的输入参数。

可选的，所述计算模块还用于：

对所述谐波信号使用低通滤波器以滤除高次谐波；

其中，所述低通滤波器的阶数为10阶，其截止频率为650Hz。

可选的，所述计算模块还配置有窗函数，所述窗函数为：

其中，1≦n≦N，N为采样点数。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过自适应滤波器，对基波信号和谐波信号进行检测，降低了计算成本，从而降低了谐波电能检测的成本，进一步的，在FFT处理后通过反馈当前的基波频率到自适应滤波器，实现非正弦条件下的谐波电能检测计量，能够减少谐波检测时基波及高次谐波的干扰，降低计算量，提高非正弦条件下电能计量的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种谐波电能检测方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种自适应滤波器原理图；

图3是本发明实施例提供的一种自适应滤波器频率响应示意图；

图4是本发明实施例提供的一种时域波形与频域响应图；

图5是本发明实施例提供的一种自适应滤波器结构示意图；

图6是本发明实施例提供的含有谐波的单相电压波形图；

图7是本发明实施例提供的含有谐波的单相电压幅频图；

图8是本发明实施例提供的基波信号波形图；

图9是本发明实施例提供的谐波信号波形图；

图10是本发明实施例提供的谐波信号幅频图；

图11是本发明实施例提供的另一种基波信号波形图；

图12是本发明实施例提供的另一种谐波信号波形图；

图13是本发明实施例提供的另一种谐波信号幅频图；

图14是本发明实施例提供的另一种谐波信号幅频图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参照图1所示，本发明实施例提供了一种谐波电能检测方法，包括：

101、通过自适应滤波器，对电网中的原始信号进行分离，获得所述原始信号的基波信号与谐波信号。

具体的，该自适应滤波器的原理如图2所示，该过程可以为：

采集电网中的电压、电流信号并转换为数字信号输出，采样点数为N；

N点序列的原始信号为期望信号d(t)，该N点序列的原始信号的电压值为u(n)，电流值为i(n)；其中：

电压的输入信号可以为：

电流的输入信号可以为：

x(t)＝10×sin(2×π×f_x×t)；

电流和电压的输出信号可以为：

y(t)＝x^T(t)×w(t)；

误差信号为：

ε(t)＝d(t)-y(t)

其中，f_x为步骤104中所述的基波参数，进一步的，该基波参数为基频率；w(t)为自适应滤波器系数，其计算公式如下：

w(t)＝w(t-1)+e(t)×S_D(t)×x(t)；

其中，e(t)表示先验误差，S_D(t)表示输入信号矢量的确定性自相关矩阵，其计算公式如下：

e(t)＝d(t)-x^T(t)×w(t-1)；

其中，λ为遗忘因子。

102、计算基波信号和谐波信号的电能，并根据基波信号的电能和谐波信号的电能，计算原始信号的电能。

103、根据谐波信号的谐波参数，获取基波信号的基波参数。

104、根据基波参数，调节自适应滤波器。

可选的，步骤102中，计算基波信号的电能可以为：

201、对基波信号进行FFT处理，得到基波参数u₁和i₁，及其正交分量u₁’和i₁’；

202、根据基波参数，使用单相瞬时功率法，计算基波信号的电能。

可选的，步骤102中，计算谐波信号的电能可以为：

301、对谐波信号进行加窗FFT分析，得到各次谐波参数u_m和i_m，及其正交分量u_m’和i_m’；

302、根据各次谐波参数，使用单相瞬时功率法，计算谐波信号的电能；

其中，m为谐波次数，m为正整数。

可选的，步骤202所述的过程可以为：

通过以下公式计算基波信号的有功功率P₁：

P₁＝0.5×(u₁i₁+u'₁i'₁)；

通过以下公式计算基波信号的电能E_pf：

E_pf＝P₁×t；

可选的，步骤302所述的过程可以为：

通过以下公式计算谐波信号的有功功率P_m：

P_m＝0.5×(u_mi_m+u'_mi'_m)；

通过以下公式计算谐波信号的电能E_ph：

其中，t为时间。

可选的，谐波参数包括实时谐波信号点的频率，基波参数包括实时基波信号点的频率，步骤103所述的过程可以为：

401、获取谐波参数中预设频率区间内，满足预设条件的实时谐波信号点的频率；

具体的，该预设频率区间49Hz到51Hz之间，该满足预设条件可以为：

取预设频率区间的最大值点，电压信号当最大值点的幅度超过5时或对于电流信号当最大值点的幅度超过0.5的多个实时谐波信号点。

402、设置满足预设条件的实时谐波信号点的频率，为实时基波信号点的频率。

可选的，自适应滤波器配置RLS算法，步骤104所述的过程可以为：

根据实时基波信号点的频率，作为RLS算法的输入参数。

可选的，步骤102之前，方法还包括：

对谐波信号使用低通滤波器以滤除高次谐波；

其中，低通滤波器的阶数为10阶，其截止频率为650Hz。

在实际应用中，该低通滤波器可以为巴特沃斯型IIR数字低通滤波器，其传递函数为：

式中，n为滤波器阶数，w_c为截至频率，w_p为通频带边缘频率；

具体来说，滤波器阶数为10阶，其截止频率为650Hz，其频率响应图如图3所示。

可选的，步骤301所述的对谐波信号进行加窗FFT分析过程中，窗函数为：

其中，1≦n≦N，N为采样点数。

在实际应用中，该窗函数可以为汉宁窗函数，时域波形与频域响应图如图4所示。

通过自适应滤波器，对基波信号和谐波信号进行检测，且由于居民用电中谐波成分主要时3、5、7等奇次谐波，95％属于13次谐波以内，因此只需要在一定范围内进行加窗FFT，不仅减少了基波和高次谐波的影响，降低了计算成本，从而降低了谐波电能检测的成本，进一步的，在FFT处理后通过最大值法可以反馈当前的基波频率到自适应滤波器，从而实现非正弦条件下的谐波电能检测计量，能够减少谐波检测时基波及高次谐波的干扰，降低计算量，提高非正弦条件下电能计量的准确度。

实施例二

参照图5所示，本发明实施例提供了一种自适应滤波器5，该自适应滤波器5包括自适应滤波模块501，还包括：

分离模块502，用于通过自适应滤波模块，对电网中的原始信号进行分离，获得原始信号的基波信号与谐波信号；

计算模块503，用于计算基波信号和谐波信号的电能，并根据基波信号的电能和谐波信号的电能，计算原始信号的电能；

获取模块504，用于根据谐波信号的谐波参数，获取基波信号的基波参数；

调节模块505，用于根据基波参数，调节自适应滤波模块。

可选的，计算模块503具体用于：

计算基波信号的电能，包括：

对基波信号进行FFT处理，得到基波参数u₁和i₁，及其正交分量u₁’和i₁’；

根据基波参数，使用单相瞬时功率法，计算基波信号的电能；

计算谐波信号的电能，包括：

对谐波信号进行加窗FFT分析，得到各次谐波参数u_m和i_m，及其正交分量u_m’和i_m’；

根据各次谐波参数，使用单相瞬时功率法，计算谐波信号的电能；

其中，m为谐波次数，m为正整数。

可选的，计算模块503具体用于：

根据基波参数，使用单相瞬时功率法，计算基波信号的电能，包括：

通过以下公式计算基波信号的有功功率P₁：

P₁＝0.5×(u₁i₁+u'₁i'₁)；

通过以下公式计算基波信号的电能E_pf：

E_pf＝P₁×t；

根据各次谐波参数，使用单相瞬时功率法，计算谐波信号的电能，包括：

通过以下公式计算谐波信号的有功功率P_m：

P_m＝0.5×(u_mi_m+u'_mi'_m)；

通过以下公式计算谐波信号的电能E_ph：

其中，t为时间。

可选的，谐波参数包括实时谐波信号点的频率，基波参数包括实时基波信号点的频率，获取模块504具体用于：

获取谐波参数中预设频率区间内，满足预设条件的实时谐波信号点的频率；

设置满足预设条件的实时谐波信号点的频率，为实时基波信号点的频率。

可选的，自适应滤波器配置RLS算法，调节模块405具体用于：

根据实时基波信号点的频率，作为RLS算法的输入参数。

可选的，计算模块503还用于：

对谐波信号使用低通滤波器以滤除高次谐波；

其中，低通滤波器的阶数为10阶，其截止频率为650Hz。

可选的，计算模块503还配置有窗函数，窗函数为：

其中，1≦n≦N，N为采样点数。

为了进一步说明本发明实施例所述的谐波电能检测方法和自适应滤波器，下面将结合仿真对谐波电能检测方法和自适应滤波器进行验证。该仿真过程可以为：

采用含有基波、3次、5次、7次、9次、11次、13次、15次、21次稳态谐波以及白噪声的单相电压信号作为输入，该单相电压信号具体为：

其中，f₁为基波频率，假设f₁为50.3Hz，白噪声信噪比SNR＝-20，自适应滤波器中f_x初始值为50Hz。

该含有谐波的单相电压波形图如图5所示，该含有谐波的单相电压幅频图如图6所示，通过该自适应滤波器分离后的基波信号波形图如图7所示，谐波信号波形图如图8所示，谐波信号幅频图如图9所示。此时f_x与实际基波频率不一致效果较差，通过极大值法提取实时基波频率(即执行步骤103)，反馈到自适应滤波器后(即执行步骤104)，基波信号波形图如图10所示，谐波信号波形图如图11所示，谐波信号幅频图如图12所示。对谐波信号使用低通滤波器滤除掉高次谐波后幅频图如图13所示。由结果可得我们的算法可以很好地准确的检测到谐波电压。由此可知，本发明实施例所述的谐波电能检测方法和自适应滤波器，可以实现非正弦条件下的谐波电能检测计量，能够减少谐波检测时基波及高次谐波的干扰，降低计算量，提高非正弦条件下电能计量的准确度。

上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本发明的可选实施例，在此不再一一赘述。

需要说明的是：上述实施例提供的自适应滤波器在执行谐波电能检测方法时，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将自适应滤波器的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。另外，上述实施例提供的谐波电能检测方法和自适应滤波器实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例，这里不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种谐波电能检测方法，其特征在于，所述方法包括：

通过自适应滤波器，对电网中的原始信号进行分离，获得所述原始信号的基波信号与谐波信号；

计算所述基波信号和所述谐波信号的电能，并根据所述基波信号的电能和所述谐波信号的电能，计算所述原始信号的电能；

根据所述谐波信号的谐波参数，获取所述基波信号的基波参数；

根据所述基波参数，调节所述自适应滤波器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述基波信号的电能包括：

对基波信号进行FFT处理，得到基波参数u₁和i₁，及其正交分量u₁’和i₁’；

根据所述基波参数，使用单相瞬时功率法，计算所述基波信号的电能。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述谐波信号的电能包括：

对所述谐波信号进行加窗FFT分析，得到各次谐波参数u_m和i_m，及其正交分量u_m’和i_m’；

根据所述各次谐波参数，使用单相瞬时功率法，计算谐波信号的电能；

其中，所述m为谐波次数，所述m为正整数。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，

所述根据所述基波参数，使用单相瞬时功率法，计算所述基波信号的电能包括：

通过以下公式计算基波信号的有功功率P₁：

P₁＝0.5×(u₁i₁+u'₁i'₁)；

通过以下公式计算基波信号的电能E_pf：

E_pf＝P₁×t；

所述根据所述各次谐波参数，使用单相瞬时功率法，计算谐波信号的电能包括：

通过以下公式计算谐波信号的有功功率P_m：

P_m＝0.5×(u_mi_m+u'_mi'_m)；

通过以下公式计算谐波信号的电能E_ph：

其中，t为时间。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述谐波参数包括实时谐波信号点的频率，所述基波参数包括实时基波信号点的频率，所述根据所述谐波信号的谐波参数，获取所述基波信号的基波参数包括：

获取所述谐波参数中预设频率区间内，满足预设条件的多个实时谐波信号点的频率；

设置所述多个实时谐波信号点的频率，为所述实时基波信号点的频率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述自适应滤波器配置RLS算法，所述根据所述基波参数，调节所述自适应滤波器包括：

根据所述实时基波信号点的频率，作为所述RLS算法的输入参数。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述计算所述基波信号和所述谐波信号的电能之前，所述方法还包括：

对所述谐波信号使用低通滤波器以滤除高次谐波；

其中，所述低通滤波器的阶数为10阶，其截止频率为650Hz。

8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述谐波信号进行加窗FFT分析过程中，窗函数为：

其中，1≦n≦N，N为采样点数，N为正整数。

9.一种自适应滤波器，其特征在于，包括自适应滤波模，还包括：

分离模块，用于通过所述自适应滤波模块，对电网中的原始信号进行分离，获得所述原始信号的基波信号与谐波信号；

计算模块，用于计算所述基波信号和所述谐波信号的电能，并根据所述基波信号的电能和所述谐波信号的电能，计算所述原始信号的电能；

获取模块，用于根据所述谐波信号的谐波参数，获取所述基波信号的基波参数；

调节模块，用于根据所述基波参数，调节所述自适应滤波模块。

10.根据权利要求9所述的自适应滤波器，其特征在于，所述计算模块具体用于：

所述计算所述基波信号的电能，包括：

对基波信号进行FFT处理，得到基波参数u₁和i₁，及其正交分量u₁’和i₁’；

根据所述基波参数，使用单相瞬时功率法，计算所述基波信号的电能；

计算所述谐波信号的电能，包括：

对所述谐波信号进行加窗FFT分析，得到各次谐波参数u_m和i_m，及其正交分量u_m’和i_m’；

根据所述各次谐波参数，使用单相瞬时功率法，计算谐波信号的电能；

其中，所述m为谐波次数，所述m为正整数。

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