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電能計(jì)量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N電能計(jì)量方法及裝置，方法包括：對(duì)電信號(hào)進(jìn)行低通濾波，得到模擬信號(hào)；對(duì)所述模擬信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，得到多個(gè)離散信號(hào)；分別對(duì)各個(gè)離散信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)廣義快速S變換，得到各個(gè)離散信號(hào)各自對(duì)應(yīng)的第一結(jié)果矩陣；利用改進(jìn)廣義快速S變換的線性特性，對(duì)各個(gè)第一結(jié)果矩陣進(jìn)行線性分解，得到各個(gè)離散信號(hào)的各頻率分量對(duì)應(yīng)的第二結(jié)果矩陣；對(duì)各個(gè)第二結(jié)果矩陣分別依據(jù)逆變無(wú)損性進(jìn)行逆改進(jìn)廣義快速S變換，得到各個(gè)離散信號(hào)的各頻率分量的重構(gòu)時(shí)域信號(hào)；得到在所述A/D采樣間隔時(shí)間內(nèi)的電能消耗值，以得到預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)的電能消耗值。本申請(qǐng)可以實(shí)現(xiàn)高斯窗形狀能夠依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，且提高了運(yùn)算效率。
【專利說明】電能計(jì)量方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請(qǐng)涉及電力【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種電能計(jì)量方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 電能是現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)和生活中不可缺少的重要能源商品，它的生產(chǎn)、銷售、使用依 賴于由發(fā)電廠、供電部分及用戶三方組成的系統(tǒng)。因此，電能計(jì)量的準(zhǔn)確性與合理性直接影 響到發(fā)、供、用三方的經(jīng)濟(jì)利益及交易的公平性。
[0003] 目前，國(guó)內(nèi)外已有的電能表只能對(duì)穩(wěn)態(tài)畸變信號(hào)進(jìn)行電能計(jì)量，而對(duì)暫態(tài)畸變信 號(hào)的電能計(jì)量則顯得無(wú)能為力。但是，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中電機(jī)的頻繁啟動(dòng)、負(fù)載的投入等都會(huì)產(chǎn)生 巨大的暫態(tài)功率，而電能表卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)計(jì)量，從而使電力部門遭受巨大的損失。因此，深入 研究電網(wǎng)信號(hào)發(fā)生畸變時(shí)對(duì)電能計(jì)量的影響以及在此背景下如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、合理的電能計(jì) 量具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。
[0004] 目前常用的電能計(jì)量算法有S變換（Stockwell Transform)。S變換是 R. G. Stockwell于1996年提出并用于地震波信號(hào)檢測(cè)的算法，它是一種可逆的時(shí)頻分析方 法。但是，S變換存在高斯窗形狀不能夠依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整的缺點(diǎn)，并且由于S變換算 法的時(shí)頻矩陣信息量巨大，使得運(yùn)算耗費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)，運(yùn)算效率低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本申請(qǐng)實(shí)施例提供一種電能計(jì)量方法及裝置，以達(dá)到實(shí)現(xiàn) 高斯窗形狀能夠依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，且提高運(yùn)算效率的目的，技術(shù)方案如下：
[0006] 一種電能計(jì)量方法，包括：
[0007] 對(duì)需要進(jìn)行電能計(jì)量的電網(wǎng)中電信號(hào)進(jìn)行低通濾波，得到模擬信號(hào)；
[0008] 對(duì)所述模擬信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，得到多個(gè)離散信號(hào)；
[0009] 分別對(duì)各個(gè)離散信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)廣義快速S變換，得到各個(gè)離散信號(hào)各自對(duì)應(yīng)的第 一結(jié)果矩陣，所述改進(jìn)廣義快速S變換是在S變換的基礎(chǔ)上引入高斯窗寬度調(diào)節(jié)因子和直 流分量處高斯窗寬度調(diào)節(jié)因子以及采用快速算法的思想得到的；
[0010] 利用改進(jìn)廣義快速S變換的線性特性，對(duì)各個(gè)第一結(jié)果矩陣進(jìn)行線性分解，得到 各個(gè)離散信號(hào)的各頻率分量對(duì)應(yīng)的第二結(jié)果矩陣；
[0011] 對(duì)各個(gè)第二結(jié)果矩陣分別依據(jù)逆變無(wú)損性進(jìn)行逆改進(jìn)廣義快速S變換，得到各個(gè) 離散信號(hào)的各頻率分量的重構(gòu)時(shí)域信號(hào)；
[0012] 依據(jù)電能計(jì)量要求，對(duì)各個(gè)重構(gòu)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)相乘并將乘積結(jié)果累加，將 各個(gè)重構(gòu)時(shí)域信號(hào)的乘積結(jié)果累加值相加得到累加和，將所述累加和乘以A/D采樣間隔時(shí) 間，得到在所述A/D采樣間隔時(shí)間內(nèi)的電能消耗值，以得到預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)的電能消耗值。
[0013] 優(yōu)選的，分別對(duì)各個(gè)離散信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)廣義快速S變換，得到各個(gè)離散信號(hào)各自 對(duì)應(yīng)的第一結(jié)果矩陣的過程，包括：
[0014] 采用離散改進(jìn)廣義快速S變換表達(dá)式

【權(quán)利要求】
1. 一種電能計(jì)量方法，其特征在于，包括： 對(duì)需要進(jìn)行電能計(jì)量的電網(wǎng)中電信號(hào)進(jìn)行低通濾波，得到模擬信號(hào)； 對(duì)所述模擬信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，得到多個(gè)離散信號(hào)； 分別對(duì)各個(gè)離散信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)廣義快速S變換，得到各個(gè)離散信號(hào)各自對(duì)應(yīng)的第一結(jié) 果矩陣，所述改進(jìn)廣義快速S變換是在S變換的基礎(chǔ)上引入高斯窗寬度調(diào)節(jié)因子和直流分 量處高斯窗寬度調(diào)節(jié)因子以及采用快速算法的思想得到的； 利用改進(jìn)廣義快速S變換的線性特性，對(duì)各個(gè)第一結(jié)果矩陣進(jìn)行線性分解，得到各個(gè) 離散信號(hào)的各頻率分量對(duì)應(yīng)的第二結(jié)果矩陣； 對(duì)各個(gè)第二結(jié)果矩陣分別依據(jù)逆變無(wú)損性進(jìn)行逆改進(jìn)廣義快速S變換，得到各個(gè)離散 信號(hào)的各頻率分量的重構(gòu)時(shí)域信號(hào)； 依據(jù)電能計(jì)量要求，對(duì)各個(gè)重構(gòu)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)相乘并將乘積結(jié)果累加，將各個(gè) 重構(gòu)時(shí)域信號(hào)的乘積結(jié)果累加值相加得到累加和，將所述累加和乘以A/D采樣間隔時(shí)間， 得到在所述A/D采樣間隔時(shí)間內(nèi)的電能消耗值，以得到預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)的電能消耗值。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，分別對(duì)各個(gè)離散信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)廣義快速S 變換，得到各個(gè)離散信號(hào)各自對(duì)應(yīng)的第一結(jié)果矩陣的過程，包括： 采用離散改進(jìn)廣義快速S變換表達(dá)式
對(duì)各個(gè)離散信號(hào)進(jìn)行 改進(jìn)廣義快速S變換，得到各個(gè)離散信號(hào)各自對(duì)應(yīng)的第一結(jié)果矩陣，所述
為交流部分的離散改進(jìn)廣義快速S變換 表達(dá)式，所述
為直流部分的離散改進(jìn)廣義快速S變換表達(dá)式，a = 0， 1，......N-1，η = 1，......nmax-l，ρ = -width(n)，···，0，··· width(n)-l，所述 Ν 為待分 析電信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，所述At為待分析電信號(hào)的采樣時(shí)間間隔，所述h(kAt)為各個(gè)采樣 時(shí)刻的采樣值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述離散改進(jìn)廣義快 速S變換表達(dá)式通過對(duì)改進(jìn)廣義快速S變換公式進(jìn)行離散變換得到，所述 改進(jìn)廣義快速S變換公式為
所述
h(〇是待分析電信號(hào)，t是時(shí)移變量，f是頻 率，τ是時(shí)間，α與β是高斯窗寬度調(diào)節(jié)因子，Y是直流分量處高斯窗寬度調(diào)節(jié)因子， wm(t_ τ，α，β，γ )是改進(jìn)廣義尚斯窗； 其中，對(duì)改進(jìn)廣義快速S變換公式進(jìn)行離散變換的過程為： A :利用公式計(jì)算所述改進(jìn)廣義高斯窗的頻域半徑，所述 為所 述頻域半徑；
B :計(jì)算頻率采樣點(diǎn)數(shù)目和中心頻率點(diǎn)的頻率值，所述頻率采樣點(diǎn)數(shù)目記為n_，所述中 心頻率點(diǎn)的頻率值記為fn，所述中心頻率點(diǎn)為頻率采樣點(diǎn)； C :計(jì)算出各個(gè)中心頻率點(diǎn)的改進(jìn)廣義高斯窗離散半徑為
所述為widthn(n)改進(jìn)廣義高斯窗離散半徑，L」是取整符號(hào)； D :計(jì)算出各個(gè)中心頻率點(diǎn)的頻譜的位移距離為
，所述centren為位 移距離； E :計(jì)算所述改進(jìn)廣義高斯窗的各個(gè)頻域的覆蓋范圍，覆蓋范圍由fstart(n)和fmd(n)表 征，其中，fstart(〇) = 〇，fstart(n+l) = centren(n)+widthn(n)+widthn(n+l)，η = 0，......， nmax-l? fend (η) = fstart(n)+2widthn(n)； F :計(jì)算所述待分析電信號(hào)的快速傅氏變換FFT結(jié)果，并對(duì)所述FFT結(jié)果進(jìn)行移位，得到 第一 FFT結(jié)果，記為H[p]，所述第一 FFT結(jié)果中頻譜信息中的直流結(jié)果位于中心，負(fù)頻分量 和正頻分量分別位于兩側(cè)； G :計(jì)算出各個(gè)中心頻率點(diǎn)的改進(jìn)廣義高斯窗的時(shí)域半徑為
p = -widthn(n), -widthn(n) +1, ...,0, ..., widthn(n) -1 ； Η :將所述第一 FFT結(jié)果分別與各個(gè)中心頻率點(diǎn)的頻譜的位移距離相加，得到各個(gè)中心 頻率點(diǎn)各自對(duì)應(yīng)的第二FFT結(jié)果，記為H[p+centren(n)]; I :將各個(gè)中心頻率點(diǎn)各自的第二FFT結(jié)果與其各自的改進(jìn)廣義高斯窗的時(shí)域半徑相 乘，得到各個(gè)中心頻率點(diǎn)的運(yùn)算結(jié)果，將各個(gè)運(yùn)算結(jié)果按照FFT頻譜中分布位置進(jìn)行排列， 得到排列結(jié)果，對(duì)所述排列結(jié)果進(jìn)行IFFT操作，得到交流部分的離散改進(jìn)廣義快速S變換 表達(dá)式。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟B包括： B11 :令第η個(gè)頻率采樣點(diǎn)的頻率為fn(n從0開始），則相鄰兩個(gè)中心頻率的關(guān)系：
B12 :令第一個(gè)頻率中心點(diǎn)為直流點(diǎn)即& = 0，并依據(jù)
得到各個(gè)中心頻率點(diǎn)的頻率值fn，η = 0,……，nmax-l ; B13 :求解不等式
得到頻率采樣點(diǎn)數(shù)目nmax，所述f s為所述待分析 電信號(hào)的采樣頻率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，利用改進(jìn)廣義快速S變換的線性特性，對(duì) 各個(gè)第一結(jié)果矩陣進(jìn)行線性分解，得到各個(gè)離散信號(hào)的各頻率分量對(duì)應(yīng)的第二結(jié)果矩陣 的過程，包括： 利用改進(jìn)廣義快速S變換的線性特性S[h(t)] =S[x(t)+y(t)] =S[x(t)]+S[y(t)]， 在計(jì)算各個(gè)第一結(jié)果矩陣的某個(gè)頻率分量時(shí)，僅保留所述第一結(jié)果矩陣中對(duì)應(yīng)該頻率分量 的部分，令所述第一結(jié)果矩陣中除該頻率分量之外的頻率分量對(duì)應(yīng)的部分賦值為〇 ; 所述11(1:)、1(1:)、7(1:)為待分析信號(hào)且11(1:)=1(1:)+7(1:)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述逆變無(wú)損性為：
所述逆改進(jìn)廣義快速S變換的原理為
H(v+f) = a (v, f)/ffm(v), 所述a (v，f)為對(duì)所述時(shí)移變量t的傅里葉變換結(jié)果及對(duì)所述時(shí)間τ的傅里葉變換結(jié) 果，所述ν是對(duì)所述時(shí)移變量t的傅里葉變換，所述f是對(duì)所述τ的傅里葉變換，H(v+f)是 對(duì)待分析電信號(hào)的傅里葉變換結(jié)果。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，依據(jù)電能計(jì)量要求，對(duì)任意一個(gè)重構(gòu)時(shí) 域信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)相乘并將乘積結(jié)果累加的過程，包括： 對(duì)該重構(gòu)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分離，得到各次諧波電壓、電流離散信號(hào)，分別記為un[k]、 in[k]; 依據(jù)公式
計(jì)算出該重構(gòu)時(shí)域信號(hào)單位時(shí)間內(nèi)消耗的電能。
8. -種電能計(jì)量裝置，其特征在于，包括： 濾波模塊，用于對(duì)需要進(jìn)行電能計(jì)量的電網(wǎng)中電信號(hào)進(jìn)行低通濾波，得到模擬信號(hào)； 采樣模塊，用于對(duì)所述模擬信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，得到多個(gè)離散信號(hào)； 第一變換模塊，用于分別對(duì)各個(gè)離散信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)廣義快速S變換，得到各個(gè)離散信 號(hào)各自對(duì)應(yīng)的第一結(jié)果矩陣，所述改進(jìn)廣義快速S變換是在S變換的基礎(chǔ)上引入高斯窗寬 度調(diào)節(jié)因子和直流分量處高斯窗寬度調(diào)節(jié)因子以及采用快速算法的思想得到的； 分解模塊，用于利用改進(jìn)廣義快速S變換的線性特性，對(duì)各個(gè)第一結(jié)果矩陣進(jìn)行線性 分解，得到各個(gè)離散信號(hào)的各頻率分量對(duì)應(yīng)的第二結(jié)果矩陣； 第二變換模塊，用于對(duì)各個(gè)第二結(jié)果矩陣分別依據(jù)逆變無(wú)損性進(jìn)行逆改進(jìn)廣義快速S 變換，得到各個(gè)離散信號(hào)的各頻率分量的重構(gòu)時(shí)域信號(hào)； 計(jì)算模塊，用于依據(jù)電能計(jì)量要求，對(duì)各個(gè)重構(gòu)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)相乘并將乘積結(jié) 果累加，將各個(gè)重構(gòu)時(shí)域信號(hào)的乘積結(jié)果累加值相加得到累加和，將所述累加和乘以A/D 采樣間隔時(shí)間，得到在所述A/D采樣間隔時(shí)間內(nèi)的電能消耗值，以得到預(yù)設(shè)時(shí)間內(nèi)的電能 消耗值。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述第一變換模塊包括： 第一變換單元，用于采用離散改進(jìn)廣義快速S變換表達(dá)式
對(duì)各個(gè)離散信號(hào)進(jìn)行改進(jìn)廣義快速S變換，得到各個(gè)離散信號(hào)各自對(duì)應(yīng)的第一結(jié)果矩 陣，所述
為交流部分的離散改進(jìn)廣義快 速S變換表達(dá)式，所述
為直流部分的離散改進(jìn)廣義快速S變換表達(dá)式， a = 0,1，......N-1，η = 1，......nmax_l，ρ = -width (η)，…，0，…width (η) -1，所述 Ν 為待分析電信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)，所述At為待分析電信號(hào)的采樣時(shí)間間隔，所述h(kAt)為各 個(gè)采樣時(shí)刻的采樣值； 所述離散改進(jìn)廣義快速S變換表達(dá)式通過對(duì)改進(jìn)廣義快 速S變換公式進(jìn)行離散變換得到，所述改進(jìn)廣義快速S變換公式
為 所述 5
h(〇是待分析電信號(hào)，t是時(shí)移變量，f是頻 率，τ是時(shí)間，α與β是高斯窗寬度調(diào)節(jié)因子，Y是直流分量處高斯窗寬度調(diào)節(jié)因子， wm(t_ τ，α，β，γ )是改進(jìn)廣義商斯窗。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，還包括： 第三變換模塊，用于對(duì)改進(jìn)廣義快速S變換公式進(jìn)行離散變換； 所述第三變換模塊包括： 第一計(jì)算單元，用于利用公式 計(jì)算所述改進(jìn)廣義高斯窗的頻域半 徑，所述
為所述頻域半徑； 第二計(jì)算單元，用于計(jì)算頻率采樣點(diǎn)數(shù)目和中心頻率點(diǎn)的頻率值，所述頻率采樣點(diǎn)數(shù) 目記為η_，所述中心頻率點(diǎn)的頻率值記為fn，所述中心頻率點(diǎn)為頻率采樣點(diǎn)； 第三計(jì)算單元，用于計(jì)算出各個(gè)中心頻率點(diǎn)的改進(jìn)廣義高斯窗離散半徑為
所述為widthn(n)改進(jìn)廣義高斯窗離散半徑，
是取整符號(hào)； 第四計(jì)算單元，用于計(jì)算出各個(gè)中心頻率點(diǎn)的頻譜的位移距離為
所述centren為位移距離； 第五計(jì)算單元，用于計(jì)算所述改進(jìn)廣義高斯窗的各個(gè)頻域的覆蓋范圍，覆蓋范圍由 fstart(n)和 fend(n)表征，其中，fstart(〇) = 〇, fstart(n+l) = centren(n)+widthn(n)+widthn( η+1)，η = 0，......，η隱-1，fend(n) = fstart(n)+2widthn(n); 第六計(jì)算單元，用于計(jì)算所述待分析電信號(hào)的FFT結(jié)果，并對(duì)所述FFT結(jié)果進(jìn)行移位， 得到第一 FFT結(jié)果，記為H[p]，所述第一 FFT結(jié)果中頻譜信息中的直流結(jié)果位于中心，負(fù)頻 分量和正頻分量分別位于兩側(cè)； 第七計(jì)算單元，用于計(jì)算出各個(gè)中心頻率點(diǎn)的改進(jìn)廣義高斯窗的時(shí)域半徑為
p = -widthn(n), -widthn(n) +1, ...,0, ..., widthn(n) -1 ； 第八計(jì)算單元，用于將所述第一 FFT結(jié)果分別與各個(gè)中心頻率點(diǎn)的頻譜的位移距離相 力口，得到各個(gè)中心頻率點(diǎn)各自對(duì)應(yīng)的第二FFT結(jié)果，記為H[p+centren(n)]; 第九計(jì)算單元，用于將各個(gè)中心頻率點(diǎn)各自的第二FFT結(jié)果與其各自的改進(jìn)廣義高斯 窗的時(shí)域半徑相乘，得到各個(gè)中心頻率點(diǎn)的運(yùn)算結(jié)果，將各個(gè)運(yùn)算結(jié)果按照FFT頻譜中分 布位置進(jìn)行排列，得到排列結(jié)果，對(duì)所述排列結(jié)果進(jìn)行IFFT操作，得到交流部分的離散改 進(jìn)廣義快速S變換表達(dá)式。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述第二計(jì)算單元包括：第一計(jì)算子 單元，用于今第η個(gè)頻率采樣點(diǎn)的頻率為fn(η從0開始），則相鄰兩個(gè)中心頻率的關(guān)系：
第二計(jì)算子單元，用于今第一個(gè)頻率中心點(diǎn)為直流點(diǎn)即f〇 = 〇,并依據(jù)
得到各個(gè)中心頻率點(diǎn)的頻率值fn，η = 0,……，nmax-l ; 第三計(jì)算子單元，用于求解不等式
得到頻率采樣點(diǎn)數(shù)目nmax，所 述fs為所述待分析電信號(hào)的采樣頻率。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述分解模塊具體用于利用改進(jìn)廣義快 速S變換的線性特性S [h (t) ] = S [X (t) +y (t) ] = S [X (t) ] +S [y (t)]，在計(jì)算某個(gè)頻率分量 時(shí)，僅保留所述第一結(jié)果矩陣中對(duì)應(yīng)該頻率分量的部分，令所述第一結(jié)果矩陣中除該頻率 分量之外的頻率分量對(duì)應(yīng)的部分賦值為0 ; 所述11(1:)、1(1:)、7(1:)為待分析信號(hào)且11(1:)=1(1:)+7(1:)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述計(jì)算模塊包括： 分離單元，用于對(duì)該重構(gòu)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行分離，得到各次諧波電壓、電流離散信號(hào)，分別 記為 un[k]、in[k]; 第十計(jì)算單元，用于依據(jù)公式
計(jì)算出該重構(gòu)時(shí)域信號(hào)單位時(shí)間 內(nèi)消耗的電能。
【文檔編號(hào)】G01R22/10GK104090159SQ201410339464
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月16日
【發(fā)明者】鄭可, 歐習(xí)洋, 侯興哲, 周全, 紀(jì)靜, 彭鵬, 雷萬(wàn)鈞, 丁忠安 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院, 西安交通大學(xué)