[发明专利]基于Kaiser窗FFT单峰插值的电能计量方法

说明书

技术领域

本发明涉及供电系统电能计量领域以及数字化电能计量领域，具体涉及一种基于Kaiser窗FFT单峰插值的电能计量方法。

背景技术

随着越来越多的电气化铁道、轧钢机、电弧炉、电动汽车充电桩、提升机、智能家电、电梯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电力谐波和间谐波。大量电力谐波、间谐波、直流衰减、电压跌落等干扰成分，造成了供电电网电流、电压波形的畸变。这些干扰的存在，不仅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，是直接按电能定义，将电压、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。而风力发电机和光伏电站的并网发电，以及电弧炉、轧钢机、电力机车、充电桩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、污染源，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，谐波源用户虽然会向电网注入大量谐波干扰，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；同时，这种全电能计量方式也没有考虑因非同步采样而导致的频谱泄露和栅栏效应，故采用这种电能计量方式，无疑可能带来较大误差。

而另一种所谓基波电能计量方式，虽然可解决普通电力用户的用电公平性问题，使普通电力用户不必为谐波电能多交电费，但谐波源用户仍仅需支付基波电能电费，而其向供电电网注入的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，均未能解决如何对谐波源用户向供电电网注入谐波、间谐波等所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用户向供电系统注入谐波等干扰。

因此，针对具体、典型动态非线性负荷造成供电系统电流、电压波形畸变，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，是高精度电能计量的一个前提。常用的方法是对被测信号施加窗函数，傅里叶变换、插值修正等运算。具体是在对被测信号进行FFT前，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；再借助插值修正，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。

但这些已有算法仍存在的问题是：1)由于窗函数的频谱性能是固定不变的，故在对动态信号进行加窗插值修正算法时，计算精度受到窗函数固定旁瓣性能的限制，导致被测信号中的谐波成分由于受到频谱泄露的影响的无法精确提取，从而使电能计量的计算准确度降低；2)单峰插值修正公式较复杂、易受频谱泄漏影响，计算准确度较差；双峰插值算法对峰值频点附近蕴含谱线信息利用不充分；三峰插值算法未考虑峰值频点左右对称谱线的全面信息；四峰插值算法计算精度最高但算法计算量大大增加，难以满足实时电能计量等更高要求；3)现有插值修正算法中，普遍存在偶次谐波电能计算准确度较差的问题。

有鉴于此，有必要提供一种基于Kaiser窗FFT单峰插值的电能计量方法，以满足实际应用需要。

发明内容