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

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

【背景技術(shù)】
[0002] 電能是現(xiàn)代社會生產(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)濟利益及交易的公平性。
[0003] 目前，國內(nèi)外已有的電能表只能對穩(wěn)態(tài)畸變信號進行電能計量，而對暫態(tài)畸變信 號的電能計量則顯得無能為力。但是，工業(yè)現(xiàn)場中電機的頻繁啟動、負(fù)載的投入等都會產(chǎn)生 巨大的暫態(tài)功率，而電能表卻無法實現(xiàn)計量，從而使電力部門遭受巨大的損失。因此，深入 研究電網(wǎng)信號發(fā)生畸變時對電能計量的影響以及在此背景下如何實現(xiàn)準(zhǔn)確、合理的電能計 量具有重要的理論與現(xiàn)實意義。
[0004] 目前常用的電能計量算法有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檢測的算法，它是一種可逆的時頻分析方 法。但是，S變換存在高斯窗形狀不能夠依據(jù)實際情況進行調(diào)整的缺點，并且由于S變換算 法的時頻矩陣信息量巨大，使得運算耗費的時間長，運算效率低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決上述技術(shù)問題，本申請實施例提供一種電能計量方法及裝置，以達到實現(xiàn) 高斯窗形狀能夠依據(jù)實際情況進行調(diào)整，且提高運算效率的目的，技術(shù)方案如下：
[0006] 一種電能計量方法，包括：
[0007] 對需要進行電能計量的電網(wǎng)中電信號進行低通濾波，得到模擬信號；
[0008] 對所述模擬信號進行A/D采樣，得到多個離散信號；
[0009] 分別對各個離散信號進行改進廣義快速S變換，得到各個離散信號各自對應(yīng)的第 一結(jié)果矩陣，所述改進廣義快速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] 利用改進廣義快速S變換的線性特性，對各個第一結(jié)果矩陣進行線性分解，得到 各個離散信號的各頻率分量對應(yīng)的第二結(jié)果矩陣；
[0011] 對各個第二結(jié)果矩陣分別依據(jù)逆變無損性進行逆改進廣義快速S變換，得到各個 離散信號的各頻率分量的重構(gòu)時域信號；
[0012] 依據(jù)電能計量要求，對各個重構(gòu)時域信號進行對應(yīng)點相乘并將乘積結(jié)果累加，將 各個重構(gòu)時域信號的乘積結(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 間，得到在所述A/D采樣間隔時間內(nèi)的電能消耗值，以得到預(yù)設(shè)時間內(nèi)的電能消耗值。
[0013] 優(yōu)選的，分別對各個離散信號進行改進廣義快速S變換，得到各個離散信號各自 對應(yīng)的第一結(jié)果矩陣的過程，包括：
[0014] 采用離散改進廣義快速S變換表達式

【權(quán)利要求】
1. 一種電能計量方法，其特征在于，包括： 對需要進行電能計量的電網(wǎng)中電信號進行低通濾波，得到模擬信號； 對所述模擬信號進行A/D采樣，得到多個離散信號； 分別對各個離散信號進行改進廣義快速S變換，得到各個離散信號各自對應(yīng)的第一結(jié) 果矩陣，所述改進廣義快速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； 利用改進廣義快速S變換的線性特性，對各個第一結(jié)果矩陣進行線性分解，得到各個 離散信號的各頻率分量對應(yīng)的第二結(jié)果矩陣； 對各個第二結(jié)果矩陣分別依據(jù)逆變無損性進行逆改進廣義快速S變換，得到各個離散 信號的各頻率分量的重構(gòu)時域信號； 依據(jù)電能計量要求，對各個重構(gòu)時域信號進行對應(yīng)點相乘并將乘積結(jié)果累加，將各個 重構(gòu)時域信號的乘積結(jié)果累加值相加得到累加和，將所述累加和乘以A/D采樣間隔時間， 得到在所述A/D采樣間隔時間內(nèi)的電能消耗值，以得到預(yù)設(shè)時間內(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，分別對各個離散信號進行改進廣義快速S 變換，得到各個離散信號各自對應(yīng)的第一結(jié)果矩陣的過程，包括： 采用離散改進廣義快速S變換表達式
對各個離散信號進行 改進廣義快速S變換，得到各個離散信號各自對應(yīng)的第一結(jié)果矩陣，所述
為交流部分的離散改進廣義快速S變換 表達式，所述
為直流部分的離散改進廣義快速S變換表達式，a = 0， 1，......N-1，η = 1，......nmax-l，ρ = -width(n)，···，0，··· width(n)-l，所述 Ν 為待分 析電信號的采樣點數(shù)，所述At為待分析電信號的采樣時間間隔，所述h(kAt)為各個采樣 時刻的采樣值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述離散改進廣義快 速S變換表達式通過對改進廣義快速S變換公式進行離散變換得到，所述 改進廣義快速S變換公式為
所述
h(〇是待分析電信號，t是時移變量，f是頻 率，τ是時間，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 )是改進廣義尚斯窗； 其中，對改進廣義快速S變換公式進行離散變換的過程為： A :利用公式計算所述改進廣義高斯窗的頻域半徑，所述 為所 述頻域半徑；
B :計算頻率采樣點數(shù)目和中心頻率點的頻率值，所述頻率采樣點數(shù)目記為n_，所述中 心頻率點的頻率值記為fn，所述中心頻率點為頻率采樣點； C :計算出各個中心頻率點的改進廣義高斯窗離散半徑為
所述為widthn(n)改進廣義高斯窗離散半徑，L」是取整符號； D :計算出各個中心頻率點的頻譜的位移距離為
，所述centren為位 移距離； E :計算所述改進廣義高斯窗的各個頻域的覆蓋范圍，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 :計算所述待分析電信號的快速傅氏變換FFT結(jié)果，并對所述FFT結(jié)果進行移位，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 :計算出各個中心頻率點的改進廣義高斯窗的時域半徑為
p = -widthn(n), -widthn(n) +1, ...,0, ..., widthn(n) -1 ； Η :將所述第一 FFT結(jié)果分別與各個中心頻率點的頻譜的位移距離相加，得到各個中心 頻率點各自對應(yīng)的第二FFT結(jié)果，記為H[p+centren(n)]; I :將各個中心頻率點各自的第二FFT結(jié)果與其各自的改進廣義高斯窗的時域半徑相 乘，得到各個中心頻率點的運算結(jié)果，將各個運算結(jié)果按照FFT頻譜中分布位置進行排列， 得到排列結(jié)果，對所述排列結(jié)果進行IFFT操作，得到交流部分的離散改進廣義快速S變換 表達式。
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個頻率采樣點的頻率為fn(n從0開始），則相鄰兩個中心頻率的關(guān)系：
B12 :令第一個頻率中心點為直流點即& = 0，并依據(jù)
得到各個中心頻率點的頻率值fn，η = 0,……，nmax-l ; B13 :求解不等式
得到頻率采樣點數(shù)目nmax，所述f s為所述待分析 電信號的采樣頻率。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，利用改進廣義快速S變換的線性特性，對 各個第一結(jié)果矩陣進行線性分解，得到各個離散信號的各頻率分量對應(yīng)的第二結(jié)果矩陣 的過程，包括： 利用改進廣義快速S變換的線性特性S[h(t)] =S[x(t)+y(t)] =S[x(t)]+S[y(t)]， 在計算各個第一結(jié)果矩陣的某個頻率分量時，僅保留所述第一結(jié)果矩陣中對應(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應(yīng)的部分賦值為〇 ; 所述11(1:)、1(1:)、7(1:)為待分析信號且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，所述逆變無損性為：
所述逆改進廣義快速S變換的原理為
H(v+f) = a (v, f)/ffm(v), 所述a (v，f)為對所述時移變量t的傅里葉變換結(jié)果及對所述時間τ的傅里葉變換結(jié) 果，所述ν是對所述時移變量t的傅里葉變換，所述f是對所述τ的傅里葉變換，H(v+f)是 對待分析電信號的傅里葉變換結(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)電能計量要求，對任意一個重構(gòu)時 域信號進行對應(yīng)點相乘并將乘積結(jié)果累加的過程，包括： 對該重構(gòu)時域信號進行分離，得到各次諧波電壓、電流離散信號，分別記為un[k]、 in[k]; 依據(jù)公式
計算出該重構(gòu)時域信號單位時間內(nèi)消耗的電能。
8. -種電能計量裝置，其特征在于，包括： 濾波模塊，用于對需要進行電能計量的電網(wǎng)中電信號進行低通濾波，得到模擬信號； 采樣模塊，用于對所述模擬信號進行A/D采樣，得到多個離散信號； 第一變換模塊，用于分別對各個離散信號進行改進廣義快速S變換，得到各個離散信 號各自對應(yīng)的第一結(jié)果矩陣，所述改進廣義快速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，用于利用改進廣義快速S變換的線性特性，對各個第一結(jié)果矩陣進行線性 分解，得到各個離散信號的各頻率分量對應(yīng)的第二結(jié)果矩陣； 第二變換模塊，用于對各個第二結(jié)果矩陣分別依據(jù)逆變無損性進行逆改進廣義快速S 變換，得到各個離散信號的各頻率分量的重構(gòu)時域信號； 計算模塊，用于依據(jù)電能計量要求，對各個重構(gòu)時域信號進行對應(yīng)點相乘并將乘積結(jié) 果累加，將各個重構(gòu)時域信號的乘積結(jié)果累加值相加得到累加和，將所述累加和乘以A/D 采樣間隔時間，得到在所述A/D采樣間隔時間內(nèi)的電能消耗值，以得到預(yù)設(shè)時間內(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，用于采用離散改進廣義快速S變換表達式
對各個離散信號進行改進廣義快速S變換，得到各個離散信號各自對應(yīng)的第一結(jié)果矩 陣，所述
為交流部分的離散改進廣義快 速S變換表達式，所述
為直流部分的離散改進廣義快速S變換表達式， a = 0,1，......N-1，η = 1，......nmax_l，ρ = -width (η)，…，0，…width (η) -1，所述 Ν 為待分析電信號的采樣點數(shù)，所述At為待分析電信號的采樣時間間隔，所述h(kAt)為各 個采樣時刻的采樣值； 所述離散改進廣義快速S變換表達式通過對改進廣義快 速S變換公式進行離散變換得到，所述改進廣義快速S變換公式
為 所述 5
h(〇是待分析電信號，t是時移變量，f是頻 率，τ是時間，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，用于對改進廣義快速S變換公式進行離散變換； 所述第三變換模塊包括： 第一計算單元，用于利用公式 計算所述改進廣義高斯窗的頻域半 徑，所述
為所述頻域半徑； 第二計算單元，用于計算頻率采樣點數(shù)目和中心頻率點的頻率值，所述頻率采樣點數(shù) 目記為η_，所述中心頻率點的頻率值記為fn，所述中心頻率點為頻率采樣點； 第三計算單元，用于計算出各個中心頻率點的改進廣義高斯窗離散半徑為
所述為widthn(n)改進廣義高斯窗離散半徑，
是取整符號； 第四計算單元，用于計算出各個中心頻率點的頻譜的位移距離為
所述centren為位移距離； 第五計算單元，用于計算所述改進廣義高斯窗的各個頻域的覆蓋范圍，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); 第六計算單元，用于計算所述待分析電信號的FFT結(jié)果，并對所述FFT結(jié)果進行移位， 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)； 第七計算單元，用于計算出各個中心頻率點的改進廣義高斯窗的時域半徑為
p = -widthn(n), -widthn(n) +1, ...,0, ..., widthn(n) -1 ； 第八計算單元，用于將所述第一 FFT結(jié)果分別與各個中心頻率點的頻譜的位移距離相 力口，得到各個中心頻率點各自對應(yīng)的第二FFT結(jié)果，記為H[p+centren(n)]; 第九計算單元，用于將各個中心頻率點各自的第二FFT結(jié)果與其各自的改進廣義高斯 窗的時域半徑相乘，得到各個中心頻率點的運算結(jié)果，將各個運算結(jié)果按照FFT頻譜中分 布位置進行排列，得到排列結(jié)果，對所述排列結(jié)果進行IFFT操作，得到交流部分的離散改 進廣義快速S變換表達式。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述第二計算單元包括：第一計算子 單元，用于今第η個頻率采樣點的頻率為fn(η從0開始），則相鄰兩個中心頻率的關(guān)系：
第二計算子單元，用于今第一個頻率中心點為直流點即f〇 = 〇,并依據(jù)
得到各個中心頻率點的頻率值fn，η = 0,……，nmax-l ; 第三計算子單元，用于求解不等式
得到頻率采樣點數(shù)目nmax，所 述fs為所述待分析電信號的采樣頻率。
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)]，在計算某個頻率分量 時，僅保留所述第一結(jié)果矩陣中對應(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應(yīng)的部分賦值為0 ; 所述11(1:)、1(1:)、7(1:)為待分析信號且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，所述計算模塊包括： 分離單元，用于對該重構(gòu)時域信號進行分離，得到各次諧波電壓、電流離散信號，分別 記為 un[k]、in[k]; 第十計算單元，用于依據(jù)公式
計算出該重構(gòu)時域信號單位時間 內(nèi)消耗的電能。
【文檔編號】G01R22/10GK104090159SQ201410339464
【公開日】2014年10月8日 申請日期: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, 雷萬鈞, 丁忠安 申請人:國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院, 西安交通大學(xué)