基于离散频谱校正的电能计量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于离散频谱校正的电能计量方法，包括将转换为数字量的电压和电流信号采用窗长为N的Nuttall四项三阶窗进行时域截断；采用谱质心公式计算得到基波的谱质心和基波频率；估算谐波峰值位置，计算谐波谱质心和基波及各次谐波的最大谱峰位置和偏移量；确定基波谐波幅值修正系数，并计算被测电压、电流的基波、谐波幅值和相位；计算基波和谐波的电参数，完成电能计量。因此本发明专利技术方法不需要进行峰值搜索，不需要根据所加窗函数的类型计算偏移量，而且相省去了过零点检测，其直接采用FFT分析法进行计算，省去了复杂的窗谱运算，计算和分析得到的频率精度大大提高，而且程序实现简单，实时性好。

Energy metering method based on discrete spectrum correction

The invention discloses a method to measure discrete spectrum correction based on electricity, including the conversion to digital quantity of the voltage and current signals with window length N Nuttall four three order window is calculated using time domain truncation; spectral centroid and frequency spectrum centroid fundamental formula; harmonic estimation of peak position, the calculation of the maximum the peak position and the offset of the harmonic spectrum and the centroid of the fundamental and harmonics; determine the fundamental harmonic amplitude correction coefficient, and calculate the measured voltage and current harmonic, harmonic amplitude and phase; calculation of electrical parameters and harmonic wave, complete electrical energy measurement. Therefore, the method of the invention does not require peak search, does not need to calculate the offset according to the type of window function, but also eliminates the zero crossing detection, which directly uses FFT analysis method to calculate, eliminating the need for complex spectrum calculation and analysis of frequency operation, precision has been greatly improved, and the program is simple, real-time good.

【技术实现步骤摘要】
基于离散频谱校正的电能计量方法
本专利技术具体涉及一种基于离散频谱校正的电能计量方法。
技术介绍
随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们日常生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。电力系统谐波对电能计量的准确性有极大的影响，采用分别计量基波电能和谐波电能的计量是较合理的一种方式,随着技术的发展，市场对基波谐波计量精度的要求越来越高。根据电能计量领域目前的发展，谐波计量的设计方案主要有两种：一种是专门的计量芯片，另一种是DSP+专用AD+MCU。前一种方案成本较低，主要应用于普通单、三相表的设计中；后者成本相对较高，主要应用与关口表平台，关口表主要用于区域性电网、省级电网、光伏、风电、水电及电气化铁路等负载频繁变化的计量点，面对这种谐波含量大负荷多变的场合，该方案相比前者功能更加灵活，更容易满足复杂的需求。关口表作为一款成熟的产品，不仅要求更高的电能计量精度，而且要求更低的运行功耗。而目前针对基波、谐波的幅值、相位和频率的高精度计量已经提出许多算法，这其中有相当一部分算法因为实现复杂难以在嵌入式系统中做到实时性要求，且实现越复杂，相应的会提高系统运行功耗，因而寻找一种计量精度高，实现简单，而且时间和空间复杂性能满足现有硬件平台的算法尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种精度相对较高、实时性好且算法简单的基于离散频谱校正的电能计量方法。本专利技术提供的这种基于离散频谱校正的电能计量方法，包括如下步骤：S1.将电压和电流信号通过采样转换为数字量，采用窗长为N的Nuttall四项三阶窗对转换后的数字量进行时域截断，得到截断后信号的频谱信号Y(k)；所述频谱信号Y(k)包括电压频谱值Yu(k)和电流频谱值Yi(k)；S2.根据步骤S1得到的电压频谱值Yu(k)，采用谱质心公式计算得到基波的谱质心ksc1和基波频率f0；S3.采用步骤S2得到的基波频率f0估算谐波峰值位置并采用谱质心公式计算得到谐波谱质心ksch，并进一步计算得到基波和各次谐波的最大谱峰位置kh和偏移量λh；S4.根据步骤S3中得到的偏移量确定基波谐波幅值修正系数g(λh)，并计算得到被测电压、电流的基波、谐波幅值和相位；S5.根据步骤S4得到的被测电压、电流的基波、谐波幅值和相位计算基波和谐波的电参数，从而完成电能的计量。步骤S1所述的得到截断后信号的频谱信号Y(k)，具体为采用FFT分析得到截断后信号的频谱信号Y(k)。步骤S1所述的窗长为N的Nuttall四项三阶窗，具体为Nuttall四项三阶窗的主瓣宽度为主瓣内有8根谱线。所述的窗长为N的Nuttall四项三阶窗满足如下算式：式中n＝1,2,…,N-1；bm为窗函数系数，满足步骤S2所述的计算得到基波谱质心ksc1和基波频率f0，具体为采用如下步骤计算得到：A.根据谱质心公式计算得到基波谱质心ksc1：式中且为向下取整函数，fmin为信号基波频率的最小值，fmax为信号基波频率的最大值，Δf＝fs/N，fs为模数转换的采样频率，N为FFT算法的分析点数；B.根据步骤A得到的基波谱质心ksc1计算测到基波频率f0：f0＝ksc1*Δf。步骤S3所述的计算得到谐波谱质心ksch、基波和各次谐波的最大谱峰位置kh和偏移量λh，具体为采用如下步骤计算得到：a.采用如下算式估算谐波谱峰值位置其中h的取值为2,3,…,M；M为信号的最大谐波次数；b.根据步骤a得到的采用如下算式计算得到谐波谱质心ksch：c.根据步骤b得到的谐波谱质心ksch，采用如下公式计算得到基波和各次谐波的最大谱峰位置kh：kh＝round(ksch)式中round()为四舍五入函数；d.根据步骤c得到的最大谱峰位置kh计算得到偏移量λh：λh＝kh-ksch。步骤S4所述的确定基波谐波幅值修正系数g(λh)，具体为采用如下公式进行计算：其中p1～p5均为常数。步骤S4所述的计算得到被测电压、电流的基波、谐波幅值和相位，具体为采用如下校正公式对幅值和相位进行校正：A＝|Y(kh)|g(λh)式中A为修正后的幅值，θ为修正后的相位，angle(Y(kh))表示Y(kh)的相位值。步骤S5所述的计算基波和谐波的电参数，具体为采用如下算式计算基波和谐波的电参数：定义基波谐波电压幅值Uh、电压相位θuh、电流幅值Ih、电流相位θih，h＝1,2,…,63；相位差：θh＝θuh-θih基波谐波有功功率：Ph＝UhIhcos(θuh-θih)基波谐波无功功率：Qh＝UhIhsin(θuh-θih)全波电压：全波电流：全波有功：全波无功：基波有功电能量：EP＝P1·t，t为时间；基波无功电能量：EQ＝Q1·t，t为时间；谐波有功电能量：t为时间；谐波无功电能量：t为时间；全波有功电能量：EP＝P·t，t为时间；全波无功电能量：EQ＝Q·t，t为时间。本专利技术提供的这种基于离散频谱校正的电能计量方法，首先采用谱质心法精确找出信号谱峰值，用以消除非同步采样下产生的频谱泄露和栅栏响应；进一步的对电压、电流的频谱值采用幅值修正公式和相位修正公式进行校正，最终求得全波、基波和谐波电参量和电能量；因此本专利技术方法不需要进行峰值搜索，不需要根据所加窗函数的类型计算偏移量，而且相省去了过零点检测，其直接采用FFT分析法进行计算，省去了复杂的窗谱运算，计算和分析得到的频率精度大大提高，而且程序实现简单，实时性好。附图说明图1为本专利技术方法的方法流程图。图2为本专利技术方法的谱质心计算示意图。图3为本专利技术方法的校正系数拟合曲线。图4为本专利技术方法的谐波频率误差精度。图5为本专利技术方法的谐波幅值误差精度。图6为本专利技术方法的谐波相位误差精度。具体实施方式如图1所示为本专利技术方法的方法流程图：本专利技术提供的这种基于离散频谱校正的电能计量方法，包括如下步骤：S1.将电压和电流信号通过采样转换为数字量，采用窗长为N的Nuttall四项三阶窗对转换后的数字量进行时域截断，采用FFT分析得到截断后信号的频谱信号Y(k)；所述频谱信号Y(k)包括电压频谱值Yu(k)和电流频谱值Yi(k)；在具体实施时，优选Nuttall四项三阶窗的主瓣宽度为主瓣内有8根谱线；所述的窗长为N的Nuttall四项三阶窗满足下式：式中n＝1,2,…,N-1；bm为窗函数系数，满足b0＝0.338946，b1＝0.481973，b2＝0.161054，b3＝0.018027；所述的施加窗函数是对离散电压u(n)、电流信号i(n)做如下处理：u’(n)＝u(n)*w(n)，i’(n)＝i(n)*w(n)；u’(n)和i’(n)经FFT分析后得到离散频谱Yu(k)和Yi(k)，为便于分析，统一采用Y(k)表示；S2.根据步骤S1得到的电压频谱值Yu(k)，采用谱质心公式计算(图2为本专利技术方法的谱质心计算示意图)得到基波的谱质心ksc1和基波频率f0；具体为采用如下步骤计算得到：A.根据谱质心公式计算得到基波谱质心ksc1：式中且为向下取整函数，fmin为信号基波频率的最小值，具体为45Hz；fmax为信号基波频率的最大值，具体为65Hz；Δf＝fs/N，fs为模数转换的采样频率，N为FFT算法的分析点数；B.根据步骤A得到的基波谱质心ksc1计算测到基波频率f本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于离散频谱校正的电能计量方法，包括如下步骤：S1.将电压和电流信号通过采样转换为数字量，采用窗长为N的Nuttall四项三阶窗对转换后的数字量进行时域截断，得到截断后信号的频谱信号Y(k)；所述频谱信号Y(k)包括电压频谱值Yu(k)和电流频谱值Yi(k)；S2.根据步骤S1得到的电压频谱值Yu(k)，采用谱质心公式计算得到基波的谱质心ksc1和基波频率f0；S3.采用步骤S2得到的基波频率f0估算谐波峰值位置

【技术特征摘要】
1.一种基于离散频谱校正的电能计量方法，包括如下步骤：S1.将电压和电流信号通过采样转换为数字量，采用窗长为N的Nuttall四项三阶窗对转换后的数字量进行时域截断，得到截断后信号的频谱信号Y(k)；所述频谱信号Y(k)包括电压频谱值Yu(k)和电流频谱值Yi(k)；S2.根据步骤S1得到的电压频谱值Yu(k)，采用谱质心公式计算得到基波的谱质心ksc1和基波频率f0；S3.采用步骤S2得到的基波频率f0估算谐波峰值位置并采用谱质心公式计算得到谐波谱质心ksch，并进一步计算得到基波和各次谐波的最大谱峰位置kh和偏移量λh；S4.根据步骤S3中得到的偏移量确定基波谐波幅值修正系数g(λh)，并计算得到被测电压、电流的基波、谐波幅值和相位；S5.根据步骤S4得到的被测电压、电流的基波、谐波幅值和相位计算基波和谐波的电参数，从而完成电能的计量。2.根据权利要求1所述的基于离散频谱校正的电能计量方法，其特征在于步骤S1所述的得到截断后信号的频谱信号Y(k)，具体为采用FFT分析得到截断后信号的频谱信号Y(k)。3.根据权利要求2所述的基于离散频谱校正的电能计量方法，其特征在于步骤S1所述的窗长为N的Nuttall四项三阶窗，具体为Nuttall四项三阶窗的主瓣宽度为主瓣内有8根谱线。4.根据权利要求3所述的基于离散频谱校正的电能计量方法，其特征在于所述的窗长为N的Nuttall四项三阶窗满足如下算式：式中n＝1,2,…,N-1；bm为窗函数系数，满足5.根据权利要求4所述的基于离散频谱校正的电能计量方法，其特征在于步骤S2所述的计算得到基波谱质心ksc1和基波频率f0，具体为采用如下步骤计算得到：A.根据谱质心公式计算得到基波谱质心ksc1：式中且为向下取整函数，fmin为信号基波频率的最小值，fmax为信号基波频率的最大值，Δf＝fs/N，fs为模数转换的采样频率，N为FFT算法的分析点数；B.根据步骤A得到的基波谱质心ksc1计算测到基波频率f0：f0＝ksc1*Δf。6.根据权利要求5所述的基于离散频谱校正的电能计量方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：周杰文，任智仁，汪龙峰，黄杰，杨辉，
申请(专利权)人：威胜集团有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43