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双向互动电能计量模式下的谐波分析及应用研究

曾博  
【摘要】:双向互动电能计量实现智能用电数据的采集,为分析与应用管理提供科学依据。随着智能电网建设的展开,电力电子装置及其它非线性负荷得到广泛应用,谐波污染的程度急剧上升,甚至超过允许的限度。在研究消除、减少电力系统谐波影响的工作中,谐波分析与谐波电能计量因其重要性受到了极大的关注。 快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)因其简单、实用且易于在嵌入式系统中实现而广泛应用于电力谐波参数(频率、相位和幅值)估计,但其频谱泄漏与栅栏效应限制了其准确性。且供电频率并非恒定值,谐波信号存在不确定性,频率波动下的谐波参数估计仍是亟待解决的问题。另外,信号中可能存在的间谐波与背景噪声也构成了对谐波分析的影响。因此,研究准确、稳健且易于嵌入式系统实现的动态谐波分析新方法,对提高非稳态下谐波分析的准确性与实时性具有重要的理论和应用价值。 论文首先以构建双向互动的智能用电系统为目标,分析阐述智能电网下双向互动电能计量的关键技术。在IEC62056标准的基础上,以光纤电能表为对象,研究光纤电能表通信总体规程、基于COSEM的光纤电能表架构以及光纤电能表的功能模块,建立基于IEC62056的智能用电双向互动通信规约架构。并结合双向互动电能计量系统示范区建设,简要介绍手机短信互动平台以及基于多智能体技术的智能交互终端设计方案。 其次,针对新能源接入对频率测量的高准确度要求以及非同步采样下FFT的泄漏问题,阐述频谱泄漏、栅栏效应产生的原因及解决方法,结合现有窗函数的频谱特性,分析窗函数的设计指标和设计原则。在此基础上,提出一种基于余弦偶次幂窗改进FFT的谐波分析方法。通过对离散频谱的局部峰值搜索,确定谐波频率附近的幅值最大和次最大谱线,利用最小二乘多项式拟合法推导、建立了各次谐波参数修正计算式。提出的方法可有效抑制频率波动、电压变化以及白噪声、间谐波的影响,提高基波及各次谐波参数分析的准确度。且算法的基频修正公式仅为一次线性方程,计算简单且计算量小,适合于对频率分析准确度和实时性要求高的应用场合。 谐波频率成分密集的情况下,经典窗函数的频谱泄漏抑制能力受其旁瓣性能制约。据此,论文提出一种通过若干余弦窗进行自卷积运算得到的新型窗函数--余弦自卷积窗(cosine self-convolution window.CSCW)。以Blackman自卷积窗(B)ackman self-convolution window,BSCW)、Rife-Vincent自卷积窗(Rife-Vincent self-convollution window,RSCW)以及Nuttall自卷积窗(Nuttaall self-convolution window,NSCW)为例,分析了余弦自卷积窗函数的主瓣、旁瓣性能,建立了基于余弦自卷积窗函数的改进FFT谐波分析方法。随着卷积阶数的增加,余弦自卷积窗的旁瓣峰值电平更低、旁瓣衰减速率更快,频谱泄漏抑制能力迅速增强,谐波间的相互干扰能够得到有效抑制,相邻的密集频率信号很容易被区分,结合改进FFT算法能有效克服卷积带来的频率分辨率降低的问题,适用于频率成分密集、复杂的应用场合。 随后,针对改进FFT频谱插值算法因求解高次方程导致计算量大,以及现有谐波电能计量方法无法谐波电能双向、准确计量的问题,结合Nuttall自卷积窗优秀的旁瓣性能,提出一种基于2阶Nuttall自卷积窗频谱相位差校正的谐波分析与谐波电能计量方法。该方法无需计算高次方程,计算简单且计算量小,使得2阶Nuttall自卷积窗优秀的频谱泄漏抑制能力得到充分运用的同时,又可以保证算法的实时性,从而降低对嵌入式系统硬件性能的要求,适合在DSP中嵌入式实现。 最后,针对传统电能表无法实现谐波电能双向、准确计量的缺陷以及智能电网建设的需求,结合提出的基于2阶Nuttall自卷积窗频谱相位差校正的谐波分析与谐波电能计量方法,设计了一种基于ADS8364+ADSP-BF533+AT91SAM9261的新型三相多功能智能电能表,给出了电力谐波双向准确测量实现方案。在分析谐波电能计量误差来源的基础上,建立了谐波电能计量误差模型,给出了误差校准方法。检定结果表明,谐波存在时,三相多功能智能电能表的有功电能计量达到0.2S级,且谐波测量完全满足GB/T-14549-93的A类仪器要求。


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