一种智能电能表谐波监测计量方法与流程

1.本发明涉及智能电能表的谐波监测和谐波计量技术领域，具体而言是一种应用于智能电能表的谐波监测和计量方法。


背景技术：

2.电力谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。近年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源。当电网的谐波污染程度小于国家标准的规定时，通常不会对系统造成影响。随着污染程度的增加，谐波的影响就逐渐显现出来。在谐波严重超标的情况下，如果不进行谐波治理，往往会产生很严重的后果。
3.随着智能电网的高速发展和技术的进步，电网公司对于谐波监测和计量提出了更高要求，在电网提质增效，进一步降低线损的大背景下，通过技术手段监控、分析和研究低压配电线路的谐波和电能质量，从而为有效治理线损、谐波治理、无功补偿等手段提供重要依据。在低压配网泛在物联和全网感知的趋势下，可对低压电网运行数据、用电设备状态、线路状态等进行数据采集和融合。电力系统谐波作为低压电网运行质量的重要评价指标，对电网运行的谐波参数进行监控，对谐波进行高精度计量，提高电能表的计量精度。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种智能电能表谐波监测计量方法，完成每周波连续的谐波计算，确保谐波监测和计量的实时性和准确性。
5.这种智能电能表谐波监测计量方法，具体包括以下步骤：
6.s1、电能表采集每周波20ms的三相电压和三相电流的有效值，通过dma(直接存储器访问)中断，将三相电压和三相电流的有效值数据读取到计量芯片缓存中，按照六个通道抽取，每个通道抽取128个点的整型数据，并置位数据抽取完成标志位；
7.s2、电能表将上述读取到计量芯片缓存中的三相电压和三相电流的有效值转换为单精度浮点型数据；
8.s3、将步骤s2得到的单精度浮点型数据按照六个通道进行谐波的快速傅里叶变换；
9.s4、根据前述完成的谐波快速傅里叶变换，进行2-41各次谐波电压含有率hruh、电流含有率hrih、谐波相角φ的计算；
10.s5、根据2-41各次谐波电压含有率hruh和电流含有率hrih，计算电压电流谐波总畸变率thd、电压波峰系数cf、电流k系数；
11.s6、根据2-41各次谐波电压含有率hruh、电流含有率hrih和谐波相角φ，同时读取计量芯片emu的基波电压u1和基波电流i1，计算出各次谐波电压含量uh、电流含量ih和总谐波有功功率thp；
12.s7、将所得总谐波有功功率thp写入计量芯片emu的谐波有功功率寄存器，实现谐
波正反向有功电能量的累加和脉冲输出，实现谐波的高精度计量。
13.本发明对每周波采取128点采样，能够提高fft(快速傅里叶变换)的计算精度，从而提高谐波功率的计算精度；此外，每周波计算一次谐波功率，并将每周波按照谐波功率累积谐波电能，相较于之前的一秒或者数秒累积一次谐波电能，该方法的谐波电能累积的实时性更好，从而提高了谐波的计量精度。
14.优选的，按照六个通道进行谐波的快速傅里叶变换，具体为：
15.s301、将步骤s2得到的单精度浮点型数据进行批量按位倒序运算；
16.s302、采用公式进行128点的蝶形快速傅里叶变换运算，得出蝶形快速傅里叶变换后的实部和虚部输出数据；式中，x1(k)和x2(k)为输入的电压或电流有效值数据(步骤s301经批量按位倒序运算后得到的单精度浮点型数据)，为输入参数，x1′
(k)为蝶形计算输出的实部数据(单精度浮点型)，x2′
(k)为蝶形计算输出的虚部数据(单精度浮点型)；n为傅里叶变换点数，即为采样点数，n＝128；k为蝶形傅里叶变换遍历计算的变量，取值范围为0，1，2，....n/2-1(n＝128时，k取值为0，1，2....63)；
17.s303、将步骤s302得到的单精度浮点型实部数据和虚部数据转换为整型数据；
18.s304、采用公式进行1-41次谐波的均方根计算得到1-41各次谐波幅值crd_amp，采用公式计算虚部数据和实部数据的反正切值crd
phase
，式中x0为步骤s303得到的整型虚部数据，y0为步骤s303得到的整型实部数据，p为采样参数(采样点数为128点时，p＝16)。
19.优选的，根据前述完成的谐波快速傅里叶变换，进行2-41各次谐波电压含有率hruh、电流含有率hrih、谐波相角φ的计算，具体为：
20.s401、获取步骤s304得到的1-41各次谐波幅值crd_amp和1-41各次反正切值crd
phase
；
21.s402、根据2-41各次谐波幅值(谐波均方根的幅值)与1次谐波幅值(谐波的均方根幅值)比值，计算得到2-41各次谐波电压含有率hruh和电流含有率hrih；根据反正切值crd
phase
，利用反正切值查表法实现谐波相角φ计算。
22.优选的，采用公式计算电压电流谐波总畸变率，式中uh为各次谐波电压含量，u1为基波电压，h为谐波次数，n取值为41，thd为电压电流谐波总畸变率。
23.优选的，采用公式计算电压波峰系数，式中uh为各次谐波电压含量，u1为基波电压，h为谐波次数，n取值为41，cf为电压波峰系数。
24.优选的，采用公式k＝∑(hih/i1)2计算电流k系数，式中ih为各次谐波电流含量，i1为基波电流，h为谐波次数。
25.优选的，所述根据2-41各次谐波电压含有率hruh、电流含有率hrih和谐波相角φ，同时读取计量芯片emu的基波电压u1和基波电流i1，计算出各次谐波电压含量uh、电流含量ih和总谐波有功功率thp，具体为：
26.根据步骤s402得到的2-41各次谐波电压含有率hruh、电流含有率hrih和谐波相角φ，同时读取计量芯片emu的基波电压u1和基波电流i1，采用公式uh＝u1*hruh计算得出各次谐波电压含量uh；采用公式ih＝i1*hrih计算电流含量ih；采用公式计算总谐波有功功率thp。
27.本发明的有益效果是：
28.1、本发明使用时，智能电能表可以计算出谐波数据，获取电网中的谐波监控参数和准确计量谐波的有功电能量，电力公司采集终端和采集主站通过抄读智能表中的谐波监控参数和谐波计量的电能量数据，可以对低压配网台区的谐波污染情况评估和治理，为电网谐波和电能质量的评估和治理提供依据，提高电网的电能质量和运行效率，提质增效，降低线损。
29.2、在智能电能表上实现了谐波的数据监测和高精度的谐波计量，谐波监测数据准确度为s级，谐波计量精度可以达到1级。
附图说明
30.图1为本发明流程图。
31.图2是本发明的蝶形运算输入输出图。
32.图3是本发明基2-fft蝶形运算示意图(n＝8)。
具体实施方式
33.下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
34.本发明在智能电能表计量mcu中采用fft的蝶形运算，以提高mcu傅里叶变换的运算速度，缩短计算时间，同时减少傅里叶变换运算所需的ram空间，可以实现谐波含量、谐波含量、谐波相角、谐波功率和谐波电能的运算，可以完成每周波连续的谐波计算，可保确谐波监控和计量的实时性和准确性。
35.如图1所示，本实施例智能电能表谐波监测计量方法，具体为：
36.s0、初始化，电能表配置相关硬件，包括计量芯片emu初始化，谐波寄存器和标志位初始化，dma初始化和中断使能等。
37.s1、电能表通过计量芯片采集每周波20ms的三相电压和三相电流的有效值，通过dma(直接存储器访问)中断，将三相电压和三相电流的有效值数据读取到计量芯片缓存中，按照六个通道抽取，每个通道抽取128个点的整型数据，并置位数据抽取完成标志位；当电能表在定时表任务中判断前述数据抽取完成后，则进入步骤s2，如果未完成则直接退出。
38.s2、电能表将上述读取到计量芯片缓存中的三相电压和三相电流的有效值从整型数据转换为单精度浮点型数据。
39.s3、将步骤s2得到的单精度浮点型数据按照六个通道进行谐波的快速傅里叶变换，具体为：
40.s301、将步骤s2得到的单精度浮点型数据进行批量按位倒序运算，并将结果作为快速傅里叶变换的原始输入实部数据；
41.s302、采用公式对原始输入实部数据进行128点的蝶形快速傅里叶变换运算(蝶形运算单元输入输出原理详见图2所示)，得出快速傅里叶变换后的虚部数据和实部数据(基2-fft蝶形运算示意图3所示，以n＝8为例)；式中，x1(k)和x2(k)为输入的电压或电流有效值数据(步骤s301经批量按位倒序运算后得到的单精度浮点型数据)，
″
42.为输入参数，x1(k)为蝶形计算输出的实部数据(单精度浮点型)，x2(k)为蝶形计算输出的虚部数据(单精度浮点型)；n为傅里叶变换点数，即为采样点数，n＝128；k为蝶形傅里叶变换遍历计算的变量，取值范围为0，1，2，....n/2-1(n＝128时，k取值为0，1，2....63)；电压和电流独立进行谐波计算；
43.s303、将步骤s302得到的单精度浮点型实部数据和虚部数据转换为整型数据；
44.s304、采用公式进行1-41次谐波的均方根计算得到1-41各次谐波幅值crd_amp，采用公式计算虚部数据和实部数据的反正切值crd
phase
，式中x0为步骤s303得到的整型虚部数据，y0为步骤s303得到的整型实部数据，p为采样参数(采样点数为128点时，p＝16)。
45.s4、根据前述完成的谐波快速傅里叶变换，进行2-41各次谐波电压含有率hruh、电流含有率hrih、谐波相角φ的计算，具体为：
46.s401、获取步骤s304得到的1-41各次谐波幅值crd_amp和1-41各次反正切值crd
phase
；
47.s402、根据2-41各次谐波幅值(谐波均方根的幅值)与1次谐波幅值(谐波的均方根幅值)比值，计算得到2-41各次谐波电压含有率hruh和电流含有率hrih(幅值包括谐波电压幅值和谐波电流幅值；计算3次谐波电压含有率hru3时，将3次谐波电压幅值与1次谐波电压幅值的比值作为3次谐波电压含有率hru3；同理，计算3次谐波电流含有率hri3时，将3次谐波电流幅值与1次谐波电流幅值的比值作为3次谐波电流含有率hri3)；根据反正切值crd
phase
，利用反正切值查表法实现谐波相角φ计算。
48.s5、根据2-41各次谐波电压含有率hruh和电流含有率hrih，计算电压电流谐波总畸变率thd、电压波峰系数cf、电流k系数，具体为：
49.采用公式计算电压电流谐波总畸变率，式中uh为各次谐波电压含量，u1为基波电压，h为谐波次数，n取值为41，thd为电压电流谐波总畸变率。
50.采用公式计算电压波峰系数，式中uh为各次谐波电压含量，u1为基波电压，h为谐波次数，n取值为41，cf为电压波峰系数。
51.采用公式k＝∑(hih/i1)2计算电流k系数，式中ih为各次谐波电流含量，i1为基波电流，h为谐波次数。
52.s6、根据步骤s402得到的2-41各次谐波电压含有率hruh、电流含有率hrih和谐波相角φ，同时读取计量芯片emu的基波电压u1和基波电流i1，采用公式uh＝u1*hruh计算得出各次谐波电压含量uh；采用公式ih＝i1*hrih计算电流含量ih；采用公式计算总谐波有功功率thp。
53.s7、将所得总谐波有功功率thp写入计量芯片emu的谐波有功功率寄存器，实现谐波正反向有功电能量的累加和脉冲输出，实现谐波的高精度计量。
54.本发明对每周波采取128点采样，能够提高fft(快速傅里叶变换)的计算精度，从而提高谐波功率的计算精度；此外，每周波计算一次谐波功率，并将每周波按照谐波功率累积谐波电能，相较于之前的一秒或者数秒累积一次谐波电能，该方法的谐波电能累积的实时性更好，从而提高了谐波的计量精度。