基于五项余弦窗FFT三峰插值的电能计量方法技术

本发明专利技术设计的一种基于五项余弦窗FFT三峰插值的电能计量方法，它基于新型五项余弦窗FFT的三峰插值修正公式，FFT的频移性和新型五项余弦窗函数的频谱在基波、谐波和间谐波峰值频率点最大谱线及其左、右两条最近谱线的幅值，利用多项式拟合公式，拟合出信号基波、谐波和间谐波的通用的幅值、相位和频率插值修正公式；根据通用的幅值、相位和频率插值修正公式计算被测电压信号、电流信号的基波、谐波和间谐波的幅值、相位和频率参量；进而计算基波电能、谐波电能、间谐波电能以及总电能。本发明专利技术具有较高的计算准确度。

Power metering method based on five cosine window FFT three peak interpolation

The invention designs a method to measure five cosine window three FFT peak power based on interpolation, its correction formula of three model five peak interpolation cosine window based on FFT, FFT spectrum and frequency shift model five cosine window function in the fundamental and harmonic and inter harmonic frequency spectrum and the maximum peak the left and right two recent spectrum amplitude, using polynomial fitting formula, fitting out the signal of fundamental and harmonic and inter harmonic current amplitude, phase and frequency interpolation formula; according to the current amplitude, phase and frequency interpolation formula of measured voltage signal and current signal fundamental, harmonics and inter harmonics the amplitude, phase and frequency parameters; and the calculation of fundamental power, harmonic power, harmonic energy and total energy. The invention has higher calculation accuracy.

【技术实现步骤摘要】
基于五项余弦窗FFT三峰插值的电能计量方法
本专利技术涉及数字化电能计量
，具体涉及一种基于五项余弦窗FFT三峰插值的电能计量方法。
技术介绍
随着越来越多的电气化铁道、电动汽车充电桩、智能家电等非线性动态电力负荷的投入使用，在供电电网中产生了大量的电力谐波和间谐波。电力谐波、间谐波、直流衰减、电压跌落等干扰成分的存在，不仅造成了供电电网电流、电压波形的畸变，严重影响供电电能质量，危及供电系统的安全稳定运行，甚至导致严重的电力事故，造成巨大的经济损失，而且还影响电能计量的准确性。电能是电网公司、售电公司等进行经济核算的依据，其能否被正确、准确地计量，直接关系到电力供需双方的经济效益。传统的电能计量方式，是直接按照电能的定义，将电压和电流信号的瞬时采样值相乘、再进行时间积分来计算电能的所谓全电能计量方式。而电气化铁道、电动汽车充电桩、智能家电等非线性动态电力负荷的大量投运，在供电电网中，不仅作为负荷要消耗功率，而且作为谐波源和污染源，其造成供电电流、电压波形畸变的同时，会向供电电网注入大量谐波及间谐波功率等。若按传统的全电能计量方式计量电能，产生谐波的用电户可能会向电网注入大量谐波干扰，但却还少交电费；而广大的普通用电户不仅受到谐波的干扰和危害，而且还要多交电费。故采用全电能计量方式，无疑可能带来较大的电能计量误差。而另一种电能计量方式，是所谓基波电能计量方式。采用它，虽然可以解决普通电力用户的用电公平性问题，即可使普通电力用户不必为谐波电能多交电费，但产生谐波的用电户仍仅需支付基波电能电费，而其向供电电网注入电力谐波污染却未受到任何处罚。可见，不论是采用全电能计量方式还是使用基波电能计量方式，均未能解决产生谐波源的用电户向供电电网注入谐波、间谐波造成电能计量不准确的问题，更谈不上如何通过惩罚措施尽可能削弱谐波源产生用户向供电系统注入的谐波等干扰。因此，针对具体、典型的动态非线性负荷造成供电系统电流、电压波形的畸变，如何更准确地提取出基波、谐波和间谐波的幅值、相位和频率等参数，是准确计量电能的前提。常用的方法，是对被测信号施加窗函数、进行傅里叶变换以及插值修正等运算。具体是在对被测信号进行FFT前，给其施加合适的窗函数，以抑制因非同步采样和非整周期截断造成的频谱泄漏；对施加窗函数的电压、电流信号进行傅里叶变换，以得到其离散的频谱；再借助插值修正公式，补偿栅栏效应导致的误差。论文“基于多项式逼近的单峰谱线插值算法在间谐波分析中的应用”(肖先勇等.电网技术，2008)，给出了基于Hanning窗、Hamming窗、Blackman-Harris窗、Rife-Vincent窗的单峰谱线插值修正公式；论文“应用FFT进行电力系统谐波分析的改进算法”(庞浩等.中国电机工程学报，2003)，给出了基于矩形窗、Triangle窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗的双峰插值修正公式；论文“基于三谱线插值FFT的电力谐波分析算法”(牛胜锁等.中国电机工程学报，2012)、论文“基于五项莱夫-文森特窗的三谱线插值FFT谐波分析”(朱俊伟等.电气技术，2015)、论文“基于Nuttall窗的三峰插值谐波算法分析”(翟瑞淼等.电力系统保护与控制，2015)，分别给出了基于Hanning窗、Hamming窗、Blackman窗、Blackman-Harris窗、Rife-Vincent窗、Nuttall窗的三峰谱线插值修正公式；论文“基于四谱线插值FFT的电网谐波检测方法”(郝柱等.电力系统保护与控制，2014)和论文“基于Nuttall窗四谱线插值FFT的电力谐波分析”(李得民等.电力系统保护与控制，2016)，分别给出了基于Triangle窗、Hanning窗、Hamming窗、Blackman、Nuttall窗的四峰谱线插值修正公式。上述这四类插值修正算法中，单峰谱线插值修正公式较复杂、易受频谱泄漏的影响；双峰谱线算法对峰值频点附近蕴含的频谱线信息利用不充分，计算准确度较差；四峰谱线插值算法的计算准确度最高，但算法计算量大大增加，难以满足对电能进行、实时等更高要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于五项余弦窗FFT三峰插值的电能计量方法，该方法充分利用了峰值频率点最大谱线及其左、右两条最近谱线的信息以及新型五项余弦窗函数具有的优良主、旁瓣性能，旨在提高并保证电能计量的准确度。为解决上述技术问题，本专利技术所设计的基于五项余弦窗FFT三峰插值的电能计量方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤S101：基于五项余弦窗FFT三峰插值修正公式，FFT的频移性和五项余弦窗函数的频谱在基波、谐波和间谐波峰值频率点最大谱线及该最大谱线左、右两条最近谱线的幅值，得到三峰谱线幅值的比值参数β的公式；步骤S102：对三峰谱线幅值的比值参数β进行多项式拟合，拟合出基于五项余弦窗FFT三峰谱线插值的通用频率修正系数α的公式；步骤S103：根据被测信号的幅值修正公式，拟合出通用的幅值修正系数g(α)的公式；步骤S104：根据通用的幅值修正系数g(α)和通用频率修正系数α，得到通用的幅值修正公式、相位修正公式和频率修正公式；步骤S2：根据所述通用的幅值、相位和频率修正公式，计算被测电压和电流信号的基波、谐波和间谐波成分的幅值、相位和频率参量；步骤S3：根据所述被测电压和电流信号的基波、谐波和间谐波的幅值、相位和频率参量，分别计算出基波电能、谐波电能、间谐波电能以及总电能。所述步骤S2具体包括如下步骤：步骤S201：对电压、电流信号分别施加五项余弦窗函数并进行FFT变换，以得到所述电压、电流信号施加新型五项余弦窗函数的频谱；步骤S202：利用峰值检测技术，分别检测出被测电压和电流信号的基波、谐波以及间谐波峰值点最大谱线及该最大谱线左、右两条最近谱线的幅值；步骤S203：利用三峰谱线幅值的比值参数公式，分别计算出电压和电流信号的基波、谐波以及间谐波峰值点处的三峰谱线幅值的比值参数β的值；步骤S204：根据电压和电流信号的基波、谐波以及间谐波峰值点处的三峰谱线幅值比值参数β的值，并代入拟合出的通用频率修正系数α的公式，进而计算出被测电压和电流信号的基波、谐波以及间谐波峰值点处的频率修正系数α的值；步骤S205：根据所计算出的频率修正系数α的值，代入拟合出的通用的幅值修正系数g(α)的公式，得到被测电压和电流信号的基波、谐波及间谐波峰值点处的幅值修正系数g(α)的值；步骤S206：将所得所述频率修正系数α和幅值修正系数g(α)的值，分别带入通用的幅值、相位和频率插值修正公式，插值修正出被测电压和电流信号的基波、谐波和间谐波的幅值、相位和频率等参量。所述频率修正系数α的计算公式为：α＝1.38888888·β-0.10716678·β3+0.01652129·β5-0.00300526·β7，其中，β为三峰谱线幅值的比值参数。所述幅值修正系数g(α)的计算公式为：g(α)＝2.03174603+0.36840261·α2+0.03539348·α4+0.00246968·α6，其中，α为频率修正系数。所述通用的幅值修正公式为A＝(y1+2y2+y3)·g(α)/N；其中，y2为频谱曲线峰值点最大谱线第k1条谱线的幅值，y1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于五项余弦窗FFT三峰插值的电能计量方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤S101：基于五项余弦窗FFT三峰插值修正公式，FFT的频移性和五项余弦窗函数的频谱在基波、谐波和间谐波峰值频率点最大谱线及该最大谱线左、右两条最近谱线的幅值，得到三峰谱线幅值的比值参数β的公式；步骤S102：对三峰谱线幅值的比值参数β进行多项式拟合，拟合出基于五项余弦窗FFT三峰谱线插值的通用频率修正系数α的公式；步骤S103：根据被测信号的幅值修正公式，拟合出通用的幅值修正系数g(α)的公式；步骤S104：根据通用的幅值修正系数g(α)和通用频率修正系数α，得到通用的幅值修正公式、相位修正公式和频率修正公式；步骤S2：根据所述通用的幅值、相位和频率修正公式，计算被测电压和电流信号的基波、谐波和间谐波成分的幅值、相位和频率参量；步骤S3：根据所述被测电压和电流信号的基波、谐波和间谐波的幅值、相位和频率参量，分别计算出基波电能、谐波电能、间谐波电能以及总电能。

【技术特征摘要】
1.一种基于五项余弦窗FFT三峰插值的电能计量方法，其特征在于，它包括如下步骤：步骤S101：基于五项余弦窗FFT三峰插值修正公式，FFT的频移性和五项余弦窗函数的频谱在基波、谐波和间谐波峰值频率点最大谱线及该最大谱线左、右两条最近谱线的幅值，得到三峰谱线幅值的比值参数β的公式；步骤S102：对三峰谱线幅值的比值参数β进行多项式拟合，拟合出基于五项余弦窗FFT三峰谱线插值的通用频率修正系数α的公式；步骤S103：根据被测信号的幅值修正公式，拟合出通用的幅值修正系数g(α)的公式；步骤S104：根据通用的幅值修正系数g(α)和通用频率修正系数α，得到通用的幅值修正公式、相位修正公式和频率修正公式；步骤S2：根据所述通用的幅值、相位和频率修正公式，计算被测电压和电流信号的基波、谐波和间谐波成分的幅值、相位和频率参量；步骤S3：根据所述被测电压和电流信号的基波、谐波和间谐波的幅值、相位和频率参量，分别计算出基波电能、谐波电能、间谐波电能以及总电能。2.根据权利要求1所述的基于五项余弦窗FFT三峰插值的电能计量方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括如下步骤：步骤S201：对电压、电流信号分别施加五项余弦窗函数并进行FFT变换，以得到所述电压、电流信号施加新型五项余弦窗函数的频谱；步骤S202：利用峰值检测技术，分别检测出被测电压和电流信号的基波、谐波以及间谐波峰值点最大谱线及该最大谱线左、右两条最近谱线的幅值；步骤S203：利用三峰谱线幅值的比值参数公式，分别计算出电压和电流信号的基波、谐波以及间谐波峰值点处的三峰谱线幅值的比值参数β的值；步骤S204：根据电...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵云斌，王路，高磊，陈璐，周璐，欧新，刘晓波，穆青青，
申请(专利权)人：贵州电网有限责任公司贵阳供电局，国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，
类型：发明
国别省市：贵州,52