CN114019231B - 一种用于直流电能计量的衰减直流提取方法 - Google Patents

一种用于直流电能计量的衰减直流提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于直流电能计量的衰减直流提取方法，属于直流电能计量技术领域，用于解决目前衰减直流提取精度不高的技术问题，具体包括步骤：获取被测电流信号，对电流信号进行预滤波；采用具有半周期距离的双子周期滤波器来估计衰减直流分量；计算衰减参数的估计值，利用衰减参数的估计值，计算衰减直流分量序列。本发明能够实现直流电能计量中衰减直流分量的精确提取，保证后续电能的精准计量。

Description

一种用于直流电能计量的衰减直流提取方法
技术领域
本发明主要涉及直流电能计量技术领域，具体涉及一种用于直流电能计量的衰减直流提取方法。
背景技术
电网和发电设施在不断地增长，对更高效、更环保的能源需求与日俱增。由于更容易使用，早期的电网开发人员使用交流电向世界供电，但在许多地区和场合，直流电可显著提高效率。直流计量在电动汽车充电站、可再生能源发电、服务器场、微电网和点对点能源共享方面有重要作用。
要测量负载所消耗的直流功率P＝VI，至少需要一个电流传感器和一个电压传感器。当低电压侧为地电位时，流过电表的电流通常在高电压侧测量，以便尽量减少未计量直流电能的风险。
当电流流过电阻时，产生的焦耳热与电流的平方成比例。这不仅会造成效率损失，而且自热效应还会影响分流电阻值，从而导致精度下降。为了限制自热效应，可使用低值电阻。但是，使用小电阻时，通过传感元件的电压也很小，有时会与系统的背景噪声相当。在这些情况下，要在微弱直流时实现所需精度并不容易。
近年来，针对衰减直流分量估计方法和DFT方法在估计电流相量方面的性能提升展开了广泛而深入的研究。例如，使用DFT滤波器与辅助平均滤波器相结合，以估计衰减直流分量并将其对DFT方法的影响降至最低。但是此类方法与传统的DFT方法相比，可能会出现一个样本的时间延迟，或者由于衰减直流分量的指数项线性近似，导致其在面对具有小时间常数的电流信号时精度降低。另外一类方法是利用偶数和奇数样本集；具体来讲，衰减直流分量由DFT滤波器的偶数和奇数样本集的虚部和实部提取的方法，在最小化相量误差方面表现良好，但除抗混叠滤波器外还需要辅助低通滤波器以去除电流信号噪声；而将DFT实部分解为偶数和奇数样本集，从而估计DDC参数的方法虽然适用于全周期和半周期DFT，但正确估计DDC指数参数所需的信息仍需要多于电流信号的一个周期。此外还有基于样本的方法，这种方法通常是通过全周期和半周期距离的电流信号样本、样本总和或者其积分来提取衰减直流分量；这种方法估计衰减直流分量方面速度很快，但其性能受到非标称条件和噪声条件的影响，导致直流电能计量准确度降低。
电力系统在瞬态条件下其电压和电流相量会产生振荡，无法保持恒定值。电流和电压信号在瞬态情况下，会出现一定时间常数后衰减的衰减直流分量。传统的滤波和谱分析方法，可用于估计瞬态电压，并将误差控制在可接受范围内。但对于瞬态电流的估计，还存在较大误差，导致直流电能计量准确度不足。其技术难点在于：(1)现有方法大都需要一个或多个辅助滤波器，其中一些对于噪声信号和高速应用是无效的；(2)谱分析方法无法满足电压和电流的衰减直流分量的提取要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种提取精度高的用于直流电能计量的衰减直流提取方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种用于直流电能计量的衰减直流提取方法，包括步骤：
获取被测电流信号，对电流信号进行预滤波；
采用具有半周期距离的双子周期滤波器来估计衰减直流分量；
计算衰减参数的估计值，利用衰减参数的估计值，计算衰减直流分量序列，从而便于后续电能的精准计量。
优选地，采用iddc[n]＝I0En的信号模型描述待提取的衰减直流分量，其中，I0是衰减直流分量的初始值，E＝e-Δt/τ是衰减直流分量中的衰减参数，Δt是电流信号的采样时间间隔，τ是衰减直流分量的时间常数。
优选地，双子周期滤波器的实现方式为：
S[n]＝I1,sc[n]-I3sc[n]，
其中，n＝1,2,…,N，滤波过程只有半周期距离，计算子周期序列1的I1,sc[n]和子周期序列2的I3sc[n]方式为：
其中，isc是采样得到的电流信号；δ0＝2π/N。
优选地，利用双子周期滤波方法估计衰减直流分量中的衰减参数，衰减参数E的估计值Ee为：
其中，S[n]为估计的衰减直流分量，衰减参数的估计值Ee是一个随序列索引n改变的值。
优选地，利用衰减参数的估计值计算衰减直流分量序列ie-ddc[p]的公式为：
其中，p＝1,2,…,N-1。
优选地，采用抗混叠低通滤波器对被测量电流信号进行预滤波，以避免出现奈奎斯特现象。
优选地，抗混叠滤波器的截止频率不高于500Hz；滤波后的电流信号通过模数转换器转换为数字信号isc；再从isc中截取连续的一段，记为isc[n]，进行后续的直流分量估计。
本发明还公开了一种用于直流电能计量的衰减直流提取系统，包括：
第一程序模块，用于获取被测电流信号，对电流信号进行预滤波；
第二程序模块，用于采用具有半周期距离的双子周期滤波器来估计衰减直流分量；
第三程序模块，用于计算衰减参数的估计值，利用衰减参数的估计值，计算衰减直流分量序列。
本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的用于直流电能计量的衰减直流提取方法的步骤。
本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的用于直流电能计量的衰减直流提取方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明运用包含衰减直流分量的初始值和衰减参数的衰减直流分量模型，采用双子周期滤波方法滤除谐波和随机噪声干扰，采用双子周期滤波方法估计衰减直流分量中的衰减参数，从而计算衰减直流分量的检测结果，能够实现直流电能计量中衰减直流分量的精确提取，保证后续电能的精准计量。
附图说明
图1为本发明的方法在实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例的用于直流电能计量的衰减直流提取方法，包括步骤：
获取被测电流信号，对电流信号进行预滤波；
采用具有半周期距离的双子周期滤波器来估计衰减直流分量；
计算衰减参数的估计值，利用衰减参数的估计值，计算衰减直流分量序列，从而便于后续电能的精准计量。
本发明运用包含衰减直流分量的初始值和衰减参数的衰减直流分量模型，采用双子周期滤波方法滤除谐波和随机噪声干扰，采用双子周期滤波方法估计衰减直流分量中的衰减参数，从而计算衰减直流分量的检测结果，能够实现直流电能计量中衰减直流分量的精确提取。
在一具体实施例中，运用包含衰减直流分量的初始值和衰减参数的衰减直流分量模型来描述待提取的衰减直流分量，其中模型数学表达式为：
iddc[n]＝I0En
其中，I0是衰减直流分量的初始值，E＝e-Δt/τ是衰减直流分量中的衰减参数，Δt是电流信号的采样时间间隔，τ是衰减直流分量的时间常数。
在一具体实施例中，采用双子周期滤波方法滤除谐波和随机噪声干扰，其中双子周期滤波的实现方式为：
S[n]＝I1,sc[n]-I3sc[n]
其中，n＝1,2,…,N，滤波过程只有半周期距离，计算子周期序列1的I1,sc[n]和子周期序列2的I3sc[n]方式为：
其中，isc是采样得到的电流信号；δ0＝2π/N。
在一具体实施例中，通过双子周期滤波方法估计衰减直流分量中的衰减参数，衰减参数E的估计值为：
其中，衰减参数的估计值Ee是一个随序列索引n改变的值。
在一具体实施例中，利用计算衰减直流分量的检测结果，衰减直流分量的估计式ie-ddc[p]为：
其中，p＝1,2,…,N-1。
本发明采用具有半周期距离的双子周期滤波器来估计衰减直流分量，可以克服谐波和随机噪声等干扰，只需得到电流信号的3N/4的样本，即可正确估计E的指数项并得到衰减直流分量，具有简单易行的优点。
下面结合一具体实施例对上述方法做详细说明：
将采样频率设置为1000Hz，使用抗混叠低通滤波器对被测量电流信号进行预滤波，以避免出现奈奎斯特现象，抗混叠滤波器的截止频率不高于500Hz。滤波后的电流信号通过模数转换器转换为数字信号isc。从isc中截取连续的一段，长度为N＝2000，记为isc[n]，且n＝1,2,…,2000。
为提取直流电流信号中的衰减直流分量，采用iddc[n]＝I0En的信号模型描述待提取的衰减直流分量，其中，I0是衰减直流分量的初始值，E＝e-Δt/τ是衰减直流分量中的衰减参数，Δt＝1/1000是电流信号的采样时间间隔，τ是衰减直流分量的时间常数。
采用双子周期滤波方法滤除谐波、随机噪声干扰，计算式为：
S[n]＝I1,sc[n]-I3sc[n]，
其中，n＝1,2,…,2000，滤波过程只有半周期距离，计算子周期序列1的I1,sc[n]和子周期序列2的I3sc[n]的方式为：
其中，δ0＝π/1000。
获得衰减直流分量的结果S[n]后，计算衰减参数E的估计值：
其中，衰减参数的估计值Ee是一个随序列索引n改变的值。
利用所计算的衰减参数的估计值Ee，计算衰减直流分量序列ie-ddc[p]，计算式为：
其中，p＝1,2,…,N-1。
对于不同衰减直流分量的时间常数，分别采用本发明的方法与离散傅里叶变换得到的衰减直流分量的初始值I0相对误差结果如表1所示。表1结果表明，本发明的方法提取精度更高，能够满足直流电能精确计量的要求。
表1衰减直流分量的初始值I0相对误差结果(％)
方法 τ＝10ms τ＝20ms τ＝50ms τ＝200ms
本发明方法 2.60 0.71 0.04 0.01
离散傅里叶变换 10.50 4.60 0.71 0.35
本发明实施例还公开了一种用于直流电能计量的衰减直流提取系统，包括：
第一程序模块，用于获取被测电流信号，对电流信号进行预滤波；
第二程序模块，用于采用具有半周期距离的双子周期滤波器来估计衰减直流分量；
第三程序模块，用于计算衰减参数的估计值，利用衰减参数的估计值，计算衰减直流分量序列。
本发明的用于直流电能计量的衰减直流提取系统，与上述提取方法相对应，同样具有如上方法所述的优点。
本发明实施例进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的用于直流电能计量的衰减直流提取方法的步骤。本发明实施例还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的用于直流电能计量的衰减直流提取方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现各种功能。存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(FlashCard)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其它易失性固态存储器件等。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于直流电能计量的衰减直流提取方法，其特征在于，包括步骤：
获取被测电流信号，对电流信号进行预滤波；
采用具有半周期距离的双子周期滤波器来估计衰减直流分量；
计算衰减参数的估计值，利用衰减参数的估计值，计算衰减直流分量序列；
双子周期滤波器的实现方式为：
，
其中，n=1,2,…,N，滤波过程只有半周期距离，计算子周期序列1的和子周期序列2的/>方式为：
其中，isc是采样得到的电流信号；δ0=2π/N；
利用双子周期滤波方法估计衰减直流分量中的衰减参数，衰减参数E的估计值Ee为：
其中，S[n]为估计的衰减直流分量，衰减参数的估计值Ee是一个随序列索引n改变的值；
利用衰减参数的估计值计算衰减直流分量序列的公式为：
其中，p=1,2,…,N-1。
2.根据权利要求1所述的用于直流电能计量的衰减直流提取方法，其特征在于，采用的信号模型描述待提取的衰减直流分量，其中，/>是衰减直流分量的初始值，E=e-Δt/τ是衰减直流分量中的衰减参数，Δt是电流信号的采样时间间隔，τ是衰减直流分量的时间常数。
3.根据权利要求1～2中任意一项所述的用于直流电能计量的衰减直流提取方法，其特征在于，采用抗混叠低通滤波器对被测量电流信号进行预滤波，以避免出现奈奎斯特现象。
4.根据权利要求3所述的用于直流电能计量的衰减直流提取方法，其特征在于，抗混叠滤波器的截止频率不高于500Hz；滤波后的电流信号通过模数转换器转换为数字信号isc；再从isc中截取连续的一段，记为isc[n]，进行后续的直流分量估计。
5.一种用于直流电能计量的衰减直流提取系统，用于执行如权利要求1～4中任意一项所述的用于直流电能计量的衰减直流提取方法的步骤，其特征在于，包括：
第一程序模块，用于获取被测电流信号，对电流信号进行预滤波；
第二程序模块，用于采用具有半周期距离的双子周期滤波器来估计衰减直流分量；
第三程序模块，用于计算衰减参数的估计值，利用衰减参数的估计值，计算衰减直流分量序列。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1～4中任意一项所述的用于直流电能计量的衰减直流提取方法的步骤。
7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1～4中任意一项所述的用于直流电能计量的衰减直流提取方法的步骤。
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