CN115436700A

CN115436700A - 一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法及系统

Info

Publication number: CN115436700A
Application number: CN202211088000.2A
Authority: CN
Inventors: 曹锐; 王云鹏; 吴丽蓉; 赵利; 阎晓红; 王金浩; 李�瑞; 李胜文; 刘翼肇; 杨洋
Original assignee: State Grid Electric Power Research Institute Of Sepc; Accupower Technologies Co ltd
Current assignee: State Grid Electric Power Research Institute Of Sepc; Accupower Technologies Co ltd
Priority date: 2022-09-07
Filing date: 2022-09-07
Publication date: 2022-12-06

Abstract

本发明属于电能计量补偿算法及系统技术领域，具体涉及一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法及系统，包括采样模块，用于获取线路直流电流以及直流电压，进行采样测量；处理模块，用于运用防脉冲干扰移动平均值法对采样数据进行优化，使采样误差减小；补偿模块，用于对处理模块传输的数据进行插值算法补偿和延时算法补偿；电能计量模块，用于通过补偿后的瞬时功率获得任意时刻的累积电能。本发明提出的改进型3次拉格朗日补偿算法，适用于中低压交直流配电网的高精度直流电能计量，在线路谐振和纹波频率变化的情况下，解决了电压和电流通道的延时不一致引起的电能计量不准确问题。

Description

一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法及系统

技术领域

本发明属于电能计量补偿算法及系统技术领域，具体涉及一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法及系统。

背景技术

近年来，随着直流输配电的快速发展，使直流电能表用于电网的贸易结算成为必然趋势，直流电能表工作在电压、电流范围宽且动态变化的环境中，要求直流电能表不仅有较宽的电流、电压测量范围，还要具有较高的测量准确度。为提高测量准确度，需要提高电压电流信号的同步采样率，一般来说，解决相位延时补偿算法分别从硬件和软件两方面着手，硬件补偿一般使用模拟滤波器，但是模拟滤波器的幅频特性无法做到理想，对频率变化的信号其幅值输出会有变化，只适合对频率比较稳定的信号进行相位补偿，另外模拟电路中使用的电阻、电容、电感为温度敏感器件不利于长期稳定工作；软件补偿分为时域补偿和频域补偿，频域补偿具有很高的准确度，但其只适合于频率比较稳定的场合且运算量非常大，同时会伴有一个周波的延时，对于频率不稳定的信号会造成频谱泄露，不适合直流纹波这种不稳定信号的补偿；目前的时域补偿主要使用FIR滤波器算法、插值算法和希尔伯特变换算法，其中，数字FIR滤波器具有较高的移相精度，但是和模拟滤波器一样，幅频特性不好，幅度会随着频率的变化而变化；希尔伯特变换更适合于90度移相；插值算法具有很好的线性特点，并且对频率变化不敏感，适合直流电能计量，但是插值算法也有一些弊端，一阶牛顿插值和一次拉格朗日插值的精度不高，而且常使用内插值，补偿的时延有限。

在直流电能表电路中，通常采用FPGA作为核心控制部件，主要完成A/D数据处理和时序控制。FPGA算法处理时间较长，通常为ms量级，是导致直流电能表时延的主要因素。此外晶振温漂参数不一致性，导致直流电能表的时延也不相同。

发明内容

针对现有技术的各种相位延迟补偿方法都不能很好的解决直流电能表电压电流信号同步采样的技术问题，本发明提供了一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法及系统，对电压及电流通道进行分开补偿，通过运用插值法和整数倍时延方法的结合，补偿了插值法运用在相位延迟补偿上精度不高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿系统，包括

采样模块，用于获取线路直流电流以及直流电压，进行采样测量；所述采样模块的输出端与处理模块的输入端相连；

处理模块，用于运用防脉冲干扰移动平均值法对采样数据进行优化，使采样误差减小；所述处理模块的输出端与补偿模块的输入端相连；

补偿模块，用于对处理模块传输的数据进行插值算法补偿和延时算法补偿；所述补偿模块的输出端与电能计量模块的输入端相连；

电能计量模块，用于通过补偿后的瞬时功率获得任意时刻的累积电能。

所述补偿模块包括延时模块和插值模块；所述延时模块和插值模块的输入端均与处理模块的输出端相连，所述延时模块和插值模块的输出端均与电能计量模块相连；

所述延时模块，用于通过电压采样值对瞬时功率进行采样周期整数倍时延补偿，延时模块是预估延迟+最大延迟模式来进行的，延时估计范围是从预估延时到最大延时预估延时+最大延时；

所述插值模块，用于通过电流采样值对瞬时功率进行插值算法补偿，插值模块是3阶拉格朗日插值模块，插值速率是1到20，默认是4倍插值。

一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法，包括下列步骤：

S1、获取线路直流电流以及直流电压；

S2、使用防脉冲干扰移动平均值法对采样数据进行优化；

S3、对电压采样值向后挪动采样周期整数倍的时延补偿，用于补偿瞬时功率对应数值的整数部分；

S4、通过补偿后的瞬时功率获得任意时刻的累积电能，累积电能为i个采样区间瞬时功率的累加值；

S5、通过matlab对S4中的累积电能进行仿真，获得累计电能E(i)的输出结果。

所述S1中获取线路直流电流以及直流电压的方法为：采用基于磁调制器原理的高精度直流互感器对线路的直流电流进行采样测量；采用精密电阻分压传感器对线路的直流电压进行采样测量。

所述S2中使用防脉冲干扰移动平均值法对采样数据进行优化的方法为：将采样周期T均分成i个采样区间，i个采样区间的每一个采样区间内采集N个采样点；去除所述N个采样点中最大的x个点以及最小的y个点，并将剩余的采样点取平均值作为采样区间对应的平均采样值；采样周期T内的i个平均采样值作为优化后的采样数据；其中N＞x+y，所述N、x以及y均为自然数。

所述x＝2、y＝2，在采样周期T内，在第i时刻起，连续采i-N+1，i-N+2，i-N+3，……，i，共N个采样点，对这N个采样点排序，去掉其中最大和最小各2个数据，将剩余N-4采样值求平均值进而算出电流和电压值，其计算公式如下：

所述S3中对电压采样值向后挪动采样周期整数倍的时延补偿的方法为：对电流采样值向前使用n次插值算法补偿，用于补偿瞬时功率对应数值的小数部分；对于电压通道向后挪动采样周期整数倍的时延，整数倍移动采样信号无需插值，并且是无损的，使时延范围大大拓展了；对电流通道向前使用3次拉格朗日内插值，补偿非采样周期整数倍部分的时延。

所述对电压采样值向后挪动采样周期整数倍的时延补偿的公式为：

所述Δi为直流电压通道和直流电流通道非同步引起的时间差的等效补偿点数；等效补偿点数值为整数或小数；

当|Δi|>1时自动调整u_i的的整数部分，余数部分通过i_i插值算法补偿，一方面大大提高软件插值的范围，同时进行插值补偿部分的值很小，大幅提高插值精度；

其中，所述max(n，fix(Δi))为求n与fix(Δi)的最大值；所述fix(Δi)为对Δi向零方向取整；所述mod(n，Δi)为n除以Δi的余数；所述E(i)为第i采样点的累积电能；所述p(i)为第i点的瞬时功率；所述n为插值的点数，n越大则越接近于理想值；

所述瞬时功率p(i)需在充电机运行后采样点N值大于max(n，fix(Δi))后开始进行补偿运算。

所述S4中通过补偿后的瞬时功率获得任意时刻的累积电能的方法为：n取3，设：m＝mod(Δi)l＝fix(Δi)ma＝max(n，fix(Δi))，则对电压采样值向后挪动采样周期整数倍的时延补偿的公式改写为：

其中，E(i)为第i采样点的累积电能。

所述S5中通过matlab对S4中的累积电能进行仿真的方法为：通过matlab对3次自适应拉格朗日插值算法进行仿真，设定直流标准值为765.333，A/D采样率为10kHz。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明提出的改进型3次拉格朗日补偿算法，适用于中低压交直流配电网的高精度直流电能计量，在线路谐振和纹波频率变化的情况下，解决了电压和电流通道的延时不一致引起的电能计量不准确问题。本发明的算法精度可以提高两个数量级，同时不受时延的限制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明电能计量补偿系统的结构框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1所示，本实施例中的电能计量系统包括：采样模块，用于获取线路直流电流以及直流电压，进行采样测量；

处理模块，用于运用防脉冲干扰移动平均值法对采样数据进行优化，使采样误差减小；处理模块的输出端与瞬时功率补偿单元输入端相连；

补偿模块，补偿模块包括延时模块和插值模块，用于对处理模块传输的数据进行插值算法补偿和延时算法补偿。

延时模块，用于通过电压采样值对瞬时功率进行采样周期整数倍时延补偿，延时模块是预估延迟+最大延迟模式来进行的。延时估计范围是从[预估延时-最大延时预估延时+最大延时]。

插值模块，用于通过电流采样值对瞬时功率进行插值算法补偿，插值模块是3阶拉格朗日插值模块，插值速率是1到20，默认是4倍插值。

在本实施例中，用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法包括：

步骤一、获取线路直流电流以及直流电压，采用基于磁调制器原理的高精度直流互感器对线路的直流电流进行采样测量；采用精密电阻分压传感器对线路的直流电压进行采样测量；

步骤二、使用防脉冲干扰移动平均值法对采样数据进行优化，即将采样周期T均分成i个采样区间，i个采样区间的每一个采样区间内采集N个采样点；去除所述N个采样点中最大的x个点以及最小的y个点，并将剩余的采样点取平均值作为采样区间对应的平均采样值；采样周期T内的i个平均采样值作为优化后的采样数据；其中N＞x+y，所述N、x以及y均为自然数；

以x＝2、y＝2为例，即在采样周期T内，在第i时刻起，连续采i-N+1，i-N+2，i-N+3，……，i，共N个采样点，对这N个采样点排序，去掉其中最大和最小各2个数据，将剩余N-4采样值求平均值进而算出电流和电压值。其计算公式如下：

步骤三、对电压采样值向后挪动采样周期整数倍的时延补偿，用于补偿瞬时功率对应数值的整数部分；对电流采样值向前使用n次插值算法补偿，用于补偿瞬时功率对应数值的小数部分。对于电压通道向后挪动采样周期整数倍的时延，整数倍移动采样信号无需插值，并且是无损的，带来的好处是时延范围大大拓展了。对于电流通道向前使用3次拉格朗日内插值，补偿非采样周期整数倍部分的时延。解决了纹波频率不稳定信号的高精度相位补偿。

式中Δi为直流电压通道和直流电流通道非同步引起的时间差的等效补偿点数。等效补偿点数值可以为整数或小数。

当|Δi|>1时自动调整u_i的的整数部分，余数部分通过i_i插值算法补偿，一方面可以大大提高软件插值的范围，同时进行插值补偿部分的值很小，可大幅提高插值精度。

其中，max(n，fix(Δi))为求n与fix(Δi)的最大值；fix(Δi)为对Δi向零方向取整；mod(n，Δi)为n除以Δi的余数；E(i)为第i采样点的累积电能；p(i)为第i点的瞬时功率；n为插值的点数，n越大则越接近于理想值。

n为插值的点数(或阶数)，n越大则越接近于理想值，但是运行量也相应大大提高，一般取值≤3。

瞬时功率p(i)需在充电机运行后采样点N值大于max(n，fix(Δi))后开始进行补偿运算。

步骤四、通过补偿后的瞬时功率获得任意时刻的累积电能，累积电能为i个采样区间瞬时功率的累加值。

以n取3为例，设:m＝mod(Δi)l＝fix(Δi)ma＝max(n，fix(Δi))则公式(1)可改写为式(2)

其中，Pi为第i采样点的累积电能；

步骤五、通过matlab对式2进行仿真，可获得累计电能E(i)的输出结果。

通过matlab对3次自适应拉格朗日插值算法进行仿真，设定直流标准值为765.333，A/D采样率为10kHz。采用自适应拉格朗日算法后，插值误差不会随着补偿时延的增大而增大，而是自动以采样时间呈周期性变化；直流信号纹波频率越低或采样率越大则误差越小。

3次自适应拉格朗日插值算法引起的相对误差的详细数据如表1所示(其中标准值设定为765.333)。

纹波脉动频率(Hz)	仿真计算结果	相对误差(％)
			0	765.3354	0.000317
200	765.3387	0.000751
			500	765.3405	0.000983
800	765.3527	0.002574
			1000	765.3359	0.000381
1200	765.4304	0.012732

表1

通过matlab仿真使用3次自适应拉格朗日插值法，其算法引起的误差小于e^-6，所以取n＝3完全可以满足直流电能表准确度0.05级的设计要求。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿系统，其特征在于：包括

2.根据权利要求1所述的一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿系统，其特征在于：所述补偿模块包括延时模块和插值模块；所述延时模块和插值模块的输入端均与处理模块的输出端相连，所述延时模块和插值模块的输出端均与电能计量模块相连；

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法，其特征在于：包括下列步骤：

S1、获取线路直流电流以及直流电压；

S2、使用防脉冲干扰移动平均值法对采样数据进行优化；

4.根据权利要求3所述的一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法，其特征在于：所述S1中获取线路直流电流以及直流电压的方法为：采用基于磁调制器原理的高精度直流互感器对线路的直流电流进行采样测量；采用精密电阻分压传感器对线路的直流电压进行采样测量。

5.根据权利要求3所述的一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法，其特征在于：所述S2中使用防脉冲干扰移动平均值法对采样数据进行优化的方法为：将采样周期T均分成i个采样区间，i个采样区间的每一个采样区间内采集N个采样点；去除所述N个采样点中最大的x个点以及最小的y个点，并将剩余的采样点取平均值作为采样区间对应的平均采样值；采样周期T内的i个平均采样值作为优化后的采样数据；其中N＞x+y，所述N、x以及y均为自然数。

6.根据权利要求5所述的一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法，其特征在于：所述x＝2、y＝2，在采样周期T内，在第i时刻起，连续采i-N+1，i-N+2，i-N+3，……，i，共N个采样点，对这N个采样点排序，去掉其中最大和最小各2个数据，将剩余N-4采样值求平均值进而算出电流和电压值，其计算公式如下：

7.根据权利要求3所述的一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法，其特征在于：所述S3中对电压采样值向后挪动采样周期整数倍的时延补偿的方法为：对电流采样值向前使用n次插值算法补偿，用于补偿瞬时功率对应数值的小数部分；对于电压通道向后挪动采样周期整数倍的时延，整数倍移动采样信号无需插值，并且是无损的，使时延范围大大拓展了；对电流通道向前使用3次拉格朗日内插值，补偿非采样周期整数倍部分的时延。

8.根据权利要求7所述的一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法，其特征在于：所述对电压采样值向后挪动采样周期整数倍的时延补偿的公式为：

其中，所述max(n,fix(Δi))为求n与fix(Δi)的最大值；所述fix(Δi)为对Δi向零方向取整；所述mod(n，Δi)为n除以Δi的余数；所述E(i)为第i采样点的累积电能；所述p(i)为第i点的瞬时功率；所述n为插值的点数，n越大则越接近于理想值；

所述瞬时功率p(i)需在充电机运行后采样点N值大于max(n,fix(Δi))后开始进行补偿运算。

9.根据权利要求3所述的一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法，其特征在于：所述S4中通过补偿后的瞬时功率获得任意时刻的累积电能的方法为：n取3，设：m＝mod(Δi)l＝fix(Δi)ma＝max(n,fix(Δi))，则对电压采样值向后挪动采样周期整数倍的时延补偿的公式改写为：

其中，E(i)为第i采样点的累积电能。

10.根据权利要求3所述的一种用于中低压交直流配电网的电能计量补偿算法，其特征在于：所述S5中通过matlab对S4中的累积电能进行仿真的方法为：通过matlab对3次自适应拉格朗日插值算法进行仿真，设定直流标准值为765.333，A/D采样率为10kHz。