[发明专利]一种利用不完全S变换的谐波瞬时功率计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及谐波功率计算及计量领域，特别涉及一种谐波瞬时功率计算方法。

背景技术

随着非线性负载的不断增加和变频传动系统的广泛使用，造成大量谐波注入电网，对电力设备使用寿命和电能质量敏感设备稳定运行带来不利影响；另外，在传统的计量方式下，电网谐波使非谐波用户承受劣质电能质量的同时，还要额外承担不必要的谐波损耗造成的用电成本，而谐波产生用户却少计入了部分电量，这样不但不能划分污染电能质量的责任，电能计量计费也缺乏合理性。因此，有必要对谐波进行计量，判明谐波功率流动方向，为划分谐波污染责任和合理计费提供依据，进而促使电力用户减少对电网的谐波污染。

现有的谐波计量方式主要采用FFT方法和小波分析方法，FFT方法的准确性依赖于同步采样和信号的稳定性，而严格意义的同步采样难以实现，频谱泄露和栅栏效应难以避免，FFT的时域全局性和非线性负载的动态性也使FFT在计算谐波电量时难以达到很高的精度；小波方法具有很好的时频分析能力，对非稳态信号的计量能保持很高的精度，但小波采用带通滤波器方式对信号进行分频段处理，不能精确定位谐波频率，同时，小波系数与原始信号没有直接的相位关系，不能直接求取功率因素和判别谐波功率流向，且其对噪声敏感、计算量大。

本发明针对上述方法的不足，基于不完全S变换提出一种新的谐波功率计算方法。S变换具有时频分析能力，同时与原始信号保持直接的相位关系，通过不完全计算方法能够精确定位谐波频率，大大降低运算量，不完全S变换的复矩阵能够便捷计算各谐波的幅值和相位，为谐波功率计算和谐波计量提供了数学条件，为研制谐波计量系统奠定基础。

 

发明内容

本发明提供一种谐波功率计算方法，以解决谐波功率精确计算和流向判别问题。

所述谐波瞬时功率计算方法，包括数据采集模块、谐波频率检测模块、谐波幅值及相位差检测模块和谐波瞬时功率计算模块，其特征在于，所述数据采集模块由瞬时电压和瞬时电流的同步采样系统和数据缓冲区组成，实现数据不间断采样和10基波周期数据长度判断；所述谐波频率检测模块采用FFT分析采集的电压和电流频谱，并通过电压功率谱极大值包络检测谐波频率；所述谐波幅值及相位差检测模块针对检测的谐波对电压电流的FFT频谱做不完全S变换，并通过对应的变换矩阵求得谐波瞬时幅值和瞬时相位差，以供瞬时功率计算模块使用；所述谐波瞬时功率计算模块完成瞬时功率计算，并通过瞬时功率的极性判断谐波功率的流向。

所述的谐波瞬时功率计量方法依次并循环执行数据采集模块、谐波频率检测模块、谐波幅值及相位差检测模块和谐波瞬时功率计算模块，包括如下步骤：

S1：瞬时电压和电流数据同步采样暂存于数据缓冲区；

S2：如果采样数据长度达到10个基波周期，则将数据读取到计算区，数据缓冲区继续接收新的采样数据，同时进入步骤S3，否则等待缓冲区数据达到10个基波周期；

S3：分别对计算区的电压和电流数据进行标幺值处理和FFT运算，进入步骤S4；

S4：利用电压数据的FFT频谱，通过求取功率谱极大值包络检测电压的谐波频率，进入步骤S5；

S5：针对谐波频率分别求电压和电流数据的不完全S变换，得到行数与谐波数相等，而列数与10基波周期数据长度相等的电压不完全S变换复矩阵T_v和电流不完全S变换复矩阵T_i，进入步骤S6；

S6：对电流不完全S变换复矩阵求共轭，得到电流不完全S变换复共轭矩阵T_i*，进入步骤S7；

S7： T_v与T_i*做交叉运算，即将T_v与T_i*对应行做数组乘运算得到复矩阵T_c，并由T_c提取各谐波电压和电流的瞬时相位差矩阵Φ，由Φ中元素的极性判断对应谐波瞬时功率的流向，进入步骤S8；

S8：对Φ分别求余弦和正弦，得到相位差余弦矩阵Φ_cos和相位差正弦矩阵Φ_sin，进入步骤S9；