CN113358922A - 非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法，包括：判断电网电压和电流信号中出现暂态变化的位置，将电网电压和电流信号进行分段，估计各段电压和电流信号的基波频率；划分基波、谐波以及间谐波的频带；设计低通滤波器和带通滤波器；对各段电压信号和电流信号使用压缩感知正交匹配追踪算法模型，得到提高了频率分辨率的信号频谱；将信号频谱与低通滤波器和带通滤波器的系数分别相乘，并做傅里叶逆变换，得到各频带的时域信号；根据各频带时域信号，计算基波、谐波、间谐波的电能和功率。由此，能够提高稳态和非稳态条件下电网信号电能和功率的测量准确性，且具有较强的对被测电网信号随机出现暂态变化的自适应能力。

Description

非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法

技术领域

本发明涉及电能计量技术领域，特别涉及一种非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法。

背景技术

随着电网架构日益复杂，各种变频装置大量使用，以及电弧炉、感应电机、矿井提升机、电焊机、电梯等非线性波动负荷更多接入，在电网电压、电流信号中产生了大量谐波和间谐波成分。谐波源和间谐波源不仅作为负荷要消耗功率，还可能向电网注入谐波功率和间谐波功率。传统的电能测量方式，是直接将电网电压、电流信号的瞬时采样值相乘再积分的所谓全电能测量方式。但按全电能测量方式结算电能，谐波源和间谐波源用户会少交电费，而受到谐波和间谐波干扰的广大普通用电户，则需要多交电费。即，以全电能测量方式进行电费结算，会影响电能计量和电力交易的公平性和合理性。因此，需要对基波、谐波和间谐波的电能和功率分别进行测量。然而，现有的基波、谐波和间谐波电能功率测量方法，普遍存在频谱泄漏、频谱混叠和栅栏效应等问题，导致测量准确度较低，且无法应用于非稳态电网信号的电能功率测量。

在目前的相关技术中，例如一种基于加窗插值傅里叶变换的电能功率测量方法，虽然可在同步采样和非同步采样条件下计算得到电压、电流各频率成分的幅值及相位，进而求得基波、谐波和间谐波的电能和功率，但存在频谱泄漏、伪谐波成分以及缺少时间信息等缺陷，对非稳态电网信号的测量准确性不高；例如一种基于时-频联合分析的电能功率测量方法，虽然能对非稳态的电压、电流信号进行频带分解，但因频带设计不尽合理，使各频率成分之间存在混叠，进而导致电能功率的测量准确性降低；例如一种基于参数化模型的电能功率测量方法，虽然使用一种特定的数学模型描述电压、电流信号，并依据采样数据估计模型参数，进而求解电压、电流信号中的基波、谐波和间谐波成分，但算法结构复杂，计算量大，尚难以应用于供电系统电能功率消耗的实时在线分析。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法，该方法能够提高稳态和非稳态电网信号条件下电能功率的测量准确性，且对被测电网信号的随机性变化具有较强的自适应能力。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法，包括：

设定采样频率和采样点数，获取电网电压信号和电网电流信号；

判断所述电网电压信号和所述电网电流信号中出现暂态变化的位置；

以所述出现暂态变化的位置为界，将所述电网电压信号和所述电网电流信号分段；

估计各段电压信号和电流信号的基波频率；

根据所述出现暂态变化的位置、所述采样频率以及所述各段电压信号和电流信号的基波频率划分基波、谐波以及间谐波的频带；

设计最低频带的低通滤波器和其他频带的带通滤波器；

设定目标频率分辨率，计算插值因子，对各段电压信号和电流信号使用压缩感知正交匹配追踪算法模型，得到频率分辨率提高的信号频谱；

将所述频率分辨率提高的信号频谱与低通滤波器和带通滤波器的系数分别相乘，并进行傅里叶逆变换，得到各频带的时域信号；

根据所述各频带的时域信号，计算基波、谐波、间谐波的电能和功率。

本发明实施例的非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法，

另外，根据本发明上述实施例的非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法还可以具有以下附加的技术特征：

可选地，在本发明的一个实施例中，通过任意暂态检测方法或高频信号检测方法，判断所述电网电压信号和所述电网电流信号中出现暂态变化的位置。

可选地，在本发明的一个实施例中，估计各段电压信号和电流信号的基波频率，包括：

通过加窗插值傅里叶变换方法或采用时频变换方法或利用谱估计方法或利用同步相量测量方法估计各段电压信号和电流信号的基波频率。

可选地，在本发明的一个实施例中，根据所述出现暂态变化的位置、所述采样频率以及所述各段电压信号和电流信号的基波频率划分基波、谐波以及间谐波的频带，包括：

各段电压信号、电流信号的基波和谐波的频带范围满足：

其中，h为正整数，代表谐波次数，当h＝1时，代表基波；k为正整数，代表信号的段序号，N_k为出现暂态变化的位置、f_s为采样频率，f_1k为各段电压信号u_k(n)、电流信号i_k(n)的基波频率；

各段信号的间谐波频带范围满足：

其中，C代表补集。

可选地，在本发明的一个实施例中，通过任意正交小波函数设计所述最低频带的低通滤波器和其他频带的带通滤波器。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述压缩感知正交匹配追踪算法模型的输入为所述插值因子、各段电压信号和电流信号，输出为频率分辨率提高至目标频率分辨率的信号频谱。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述目标频率分辨率的取值范围为：Δf≤0.5Hz。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述插值因子P为：

其中，Δf为目标频率分辨率，N_k为出现暂态变化的位置，f_s为采样频率，k为正整数，代表信号的段序号。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述基波、谐波、间谐波的电能和功率，包括：总电能、基波电能、谐波电能、间谐波电能、基波有功功率、谐波有功功率、间谐波有功功率、基波视在功率、谐波视在功率、电流畸变功率，以及电压畸变功率。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法的流程图；

图2为根据本发明一个实施例的基波频带、谐波频带和间谐波频带的示意图；

图3为根据本发明一个实施例的低通滤波器和带通滤波器的幅频响应的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法。

图1为根据本发明一个实施例的非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法的流程图。

如图1所示，该非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法包括以下步骤：

步骤S1，设定采样频率f_s、采样点数N，获取电网的电压信号u(n)和电流信号i(n)。

步骤S2，判断电网电压信号u(n)和电流信号i(n)中出现暂态变化的位置N_k(k＝1,2,3,…)。

可选地，在一些实施例中，判断出现暂态变化位置的方法，可以是任意暂态检测方法；也可以是高频信号检测方法，即当高频信号在N_k处超过设定阈值q时(q一般取电网电压或电网电流信号幅值的3％到5％)，就认定为在N_k处出现了暂态的变化。

步骤S3，以出现暂态变化的位置为界，将电网电压信号和电网电流信号分段。

可选地，以出现暂态变化的位置N_k为界，将电网电压信号u(n)分为第1段电压信号u₁(n)(0<n≤N₁)、第2段电压信号u₂(n)(N₁<n≤N₂)、第3段电压信号u₃(n)(N₂<n≤N₃)、…，将电网电流信号i(n)分为第1段电流信号i₁(n)(0<n≤N₁)、第2段电流信号i₂(n)(N₁<n≤N₂)、第3段电流信号i₃(n)(N₂<n≤N₃)、…。

步骤S4，估计各段电压信号u_k(n)、电流信号i_k(n)的基波频率f_1k(k＝1,2,3,…)。

可选地，在一些实施例中，各段电压信号u_k(n)、电流信号i_k(n)的基波频率，既可采用加窗插值傅里叶变换的方法获得，也可以通过时频变换的方法获得，也可使用谱估计的方法获得，还可以利用同步相量测量方法得到。

步骤S5，根据出现暂态变化的位置N_k、采样频率f_s以及各段电压信号u_k(n)和电流信号i_k(n)的基波频率f_1k划分基波、谐波以及间谐波的频带。

各段信号的基波、谐波、间谐波的频带范围，具体包括：

a)各段信号的基波和谐波频带满足下述范围：

其中，h为正整数，代表谐波次数，当h＝1时，代表基波；k为正整数，代表信号的段序号。

b)各段信号的间谐波的频带满足下述范围：

其中，C代表补集。

步骤S6，设计最低频带的低通滤波器和其他频带的带通滤波器。

可选地，在一些实施例中，低通滤波器和带通滤波器，可以用任意正交小波函数设计实现。

步骤S7，设定目标频率分辨率，计算插值因子，对各段电压信号和电流信号使用压缩感知正交匹配追踪算法模型，得到频率分辨率提高的信号频谱。

设定目标频率分辨率Δf，计算插值因子P，构建压缩感知正交匹配追踪算法模型，其中，压缩感知正交匹配追踪算法模型的输入，是插值因子P和各段电压信号u_k(n)、电流信号i_k(n)，输出为频率分辨率提高至目标频率分辨率Δf的信号频谱。

可选地，目标频率分辨率Δf的取值范围为：Δf≤0.5Hz。

插值因子P满足下述等式：

其中，k为正整数，代表信号的段序号。

步骤S8，将频率分辨率提高的信号频谱与低通滤波器和带通滤波器的系数分别相乘，并进行傅里叶逆变换，得到各频带的时域信号。

步骤S9，根据各频带的时域信号，计算基波、谐波、间谐波的电能和功率。

可选地，在一些实施例中，基波、谐波、间谐波的电能和功率，进一步包括：总电能、基波电能、谐波电能、间谐波电能、基波有功功率、谐波有功功率、间谐波有功功率、基波视在功率、谐波视在功率、电流畸变功率，以及电压畸变功率等。

为了便于更好地理解本发明，以下结合附图及具体的实施例，对本发明实施例的非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法进行详细的示例性描述。

1)设定采样频率f_s、采样点数N，获取电网的电压信号u(n)和电流信号i(n)，这里选取采样频率f_s＝6400Hz，采样点数N＝1280，电网电压信号为稳态信号，电网电流信号为非稳态信号，其中均含有基波、谐波和间谐波成分，电压信号和电流信号的仿真模型具体为：

其中，s(n)为单位阶跃序列；N₀＝0，代表采样起始点；N₁＝640，表征非稳态电流信号中出现暂态变化的位置；N₂＝1280，表示采样的终止点。电压信号、电流信号的基波、谐波和间谐波成分的幅值和初相角信息，被提供在表1中；基波频率f₁＝50Hz。

表1电压电流信号的基波、谐波及间谐波参数

2)判断电网的电压信号u(n)和电流信号i(n)中出现暂态变化的位置N_k(k＝1,2,3,…)。对出现暂态变化的位置N_k，可采用高频信号检测方法确定。利用离散小波变换，将电网的电压信号u(n)和电流信号i(n)分为低频子信号和高频子信号，当电网电流信号i(n)的高频子信号在N₁＝640处出现超过设定阈值q＝3％max{i(n)}的变化时，即认定为其在N₁＝640处出现了暂态变化。

3)以出现暂态变化的位置N₁为界，将电网电压信号u(n)分为第1段电压信号u₁(n)(N₀<n≤N₁)和第2段电压信号u₂(n)(N₁<n≤N₂)，将电网电流信号i(n)分为第1段电流信号i₁(n)(N₀<n≤N₁)和第2段电流信号i₂(n)(N₁<n≤N₂)，其中，N₀＝0，N₁＝640，N₂＝1280。

4)估计各段电压信号u_k(n)、电流信号i_k(n)的基波频率f_1k(k＝1,2)。对基波频率f_1k(k＝1,2)，可采用加卷积窗双峰插值的方法估计得到。

5)划分基波频带、谐波频带和间谐波频带，其中，频带范围需要根据出现暂态变化的位置N_k、采样频率f_s和各段电压信号u_k(n)、电流信号i_k(n)(k＝1,2)的基波频率f_1k进行计算。划分的基波频带、谐波频带和间谐波频带，如图2所示。各段信号的基波、谐波、间谐波的频带范围，具体包括：

a)各段信号的基波和谐波频带满足下述范围：

其中，h为正整数，代表谐波次数，当h＝1时，代表基波；k为正整数，代表信号的段序号，这里k＝1,2。

b)各段信号的间谐波的频带满足下述范围：

其中，C代表补集。

6)设计最低频带的低通滤波器和其他频带的带通滤波器。这里，低通滤波器和带通滤波器使用Meyer小波函数设计实现。低通滤波器和带通滤波器的幅频响应，如图3所示。

7)设定目标频率分辨率Δf，计算插值因子P，构建压缩感知正交匹配追踪算法模型，其中，压缩感知正交匹配追踪算法模型的输入是插值因子P和各段电压信号u_k(n)、电流信号i_k(n)，输出为频率分辨率提高至目标频率分辨率Δf的信号频谱。这里的目标频率分辨率Δf的取值为0.5Hz。插值因子P需要根据出现暂态变化的位置N_k、采样频率f_s、目标频率分辨率Δf进行计算。插值因子P满足下述等式：

其中，k为正整数，代表信号的段序号，这里k＝1,2。

8)将提高频率分辨率的信号频谱与低通滤波器和带通滤波器的系数分别相乘，并做傅里叶逆变换，得到各频带的时域信号。

9)根据各频带时域信号，计算基波、谐波、间谐波的电能和功率。相应的仿真计算结果，见表2。

表2电能和功率的仿真计算结果

根据仿真结果可以看出，本发明提出的非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法，的确具有较高的测量准确性。

根据本发明实施例的非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法，准确判断电压、电流信号中出现暂态变化的时刻，并对出现暂态变化之间的信号段精细划分基波、谐波和间谐波频带，基于频带信息设计相互正交的频带滤波器，并提高信号频谱的频率分辨率，使之与滤波器相匹配，进而得到各频带的时域信号，最终计算得到基波、谐波和间谐波的电能和功率，如此，有助于提高电能功率的测量准确性，并适用于稳态和非稳态电网信号条件下电能和功率的测量，对被测电网信号的随机性变化具有较强的自适应能力，应用前景十分广泛。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种非稳态电网信号的基波、谐波、间谐波电能功率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

设定采样频率和采样点数，获取电网电压信号和电网电流信号；

判断所述电网电压信号和所述电网电流信号中出现暂态变化的位置；

以所述出现暂态变化的位置为界，将所述电网电压信号和所述电网电流信号分段；

估计各段电压信号和电流信号的基波频率；

根据所述出现暂态变化的位置、所述采样频率以及所述各段电压信号和电流信号的基波频率划分基波、谐波以及间谐波的频带；

设计最低频带的低通滤波器和其他频带的带通滤波器；

设定目标频率分辨率，计算插值因子，对各段电压信号和电流信号使用压缩感知正交匹配追踪算法模型，得到频率分辨率提高的信号频谱；

将所述频率分辨率提高的信号频谱与低通滤波器和带通滤波器的系数分别相乘，并进行傅里叶逆变换，得到各频带的时域信号；

根据所述各频带的时域信号，计算基波、谐波、间谐波的电能和功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

通过任意暂态检测方法或高频信号检测方法，判断所述电网电压信号和所述电网电流信号中出现暂态变化的位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，估计各段电压信号和电流信号的基波频率，包括：

通过加窗插值傅里叶变换方法或采用时频变换方法或利用谱估计方法或利用同步相量测量方法估计各段电压信号和电流信号的基波频率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述出现暂态变化的位置、所述采样频率以及所述各段电压信号和电流信号的基波频率划分基波、谐波以及间谐波的频带，包括：

各段电压信号、电流信号的基波和谐波的频带范围满足：

其中，h为正整数，代表谐波次数，当h＝1时，代表基波；k为正整数，代表信号的段序号，N_k为出现暂态变化的位置、f_s为采样频率，f_1k为各段电压信号u_k(n)、电流信号i_k(n)的基波频率；

各段信号的间谐波频带范围满足：

其中，C代表补集。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过任意正交小波函数设计所述最低频带的低通滤波器和其他频带的带通滤波器。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压缩感知正交匹配追踪算法模型的输入为所述插值因子、各段电压信号和电流信号，输出为频率分辨率提高至目标频率分辨率的信号频谱。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标频率分辨率的取值范围为：Δf≤0.5Hz。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述插值因子P为：

其中，Δf为目标频率分辨率，N_k为出现暂态变化的位置，f_s为采样频率，k为正整数，代表信号的段序号。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基波、谐波、间谐波的电能和功率，包括：总电能、基波电能、谐波电能、间谐波电能、基波有功功率、谐波有功功率、间谐波有功功率、基波视在功率、谐波视在功率、电流畸变功率，以及电压畸变功率。

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