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电能计量方法及装置制造方法
【专利摘要】本申请提供了一种电能计量方法及装置，方法包括：对电信号进行低通滤波，得到模拟信号；对所述模拟信号进行A/D采样，得到多个离散信号；分别对各个离散信号进行改进广义快速S变换，得到各个离散信号各自对应的第一结果矩阵；利用改进广义快速S变换的线性特性，对各个第一结果矩阵进行线性分解，得到各个离散信号的各频率分量对应的第二结果矩阵；对各个第二结果矩阵分别依据逆变无损性进行逆改进广义快速S变换，得到各个离散信号的各频率分量的重构时域信号；得到在所述A/D采样间隔时间内的电能消耗值，以得到预设时间内的电能消耗值。本申请可以实现高斯窗形状能够依据实际情况进行调整，且提高了运算效率。
【专利说明】电能计量方法及装置

【技术领域】
[0001] 本申请涉及电力【技术领域】，特别涉及一种电能计量方法及装置。

【背景技术】
[0002] 电能是现代社会生产和生活中不可缺少的重要能源商品，它的生产、销售、使用依 赖于由发电厂、供电部分及用户三方组成的系统。因此，电能计量的准确性与合理性直接影 响到发、供、用三方的经济利益及交易的公平性。
[0003] 目前，国内外已有的电能表只能对稳态畸变信号进行电能计量，而对暂态畸变信 号的电能计量则显得无能为力。但是，工业现场中电机的频繁启动、负载的投入等都会产生 巨大的暂态功率，而电能表却无法实现计量，从而使电力部门遭受巨大的损失。因此，深入 研究电网信号发生畸变时对电能计量的影响以及在此背景下如何实现准确、合理的电能计 量具有重要的理论与现实意义。
[0004] 目前常用的电能计量算法有S变换（Stockwell Transform)。S变换是 R. G. Stockwell于1996年提出并用于地震波信号检测的算法，它是一种可逆的时频分析方 法。但是，S变换存在高斯窗形状不能够依据实际情况进行调整的缺点，并且由于S变换算 法的时频矩阵信息量巨大，使得运算耗费的时间长，运算效率低。


【发明内容】

[0005] 为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种电能计量方法及装置，以达到实现 高斯窗形状能够依据实际情况进行调整，且提高运算效率的目的，技术方案如下：
[0006] 一种电能计量方法，包括：
[0007] 对需要进行电能计量的电网中电信号进行低通滤波，得到模拟信号；
[0008] 对所述模拟信号进行A/D采样，得到多个离散信号；
[0009] 分别对各个离散信号进行改进广义快速S变换，得到各个离散信号各自对应的第 一结果矩阵，所述改进广义快速S变换是在S变换的基础上引入高斯窗宽度调节因子和直 流分量处高斯窗宽度调节因子以及采用快速算法的思想得到的；
[0010] 利用改进广义快速S变换的线性特性，对各个第一结果矩阵进行线性分解，得到 各个离散信号的各频率分量对应的第二结果矩阵；
[0011] 对各个第二结果矩阵分别依据逆变无损性进行逆改进广义快速S变换，得到各个 离散信号的各频率分量的重构时域信号；
[0012] 依据电能计量要求，对各个重构时域信号进行对应点相乘并将乘积结果累加，将 各个重构时域信号的乘积结果累加值相加得到累加和，将所述累加和乘以A/D采样间隔时 间，得到在所述A/D采样间隔时间内的电能消耗值，以得到预设时间内的电能消耗值。
[0013] 优选的，分别对各个离散信号进行改进广义快速S变换，得到各个离散信号各自 对应的第一结果矩阵的过程，包括：
[0014] 采用离散改进广义快速S变换表达式

【权利要求】
1. 一种电能计量方法，其特征在于，包括： 对需要进行电能计量的电网中电信号进行低通滤波，得到模拟信号； 对所述模拟信号进行A/D采样，得到多个离散信号； 分别对各个离散信号进行改进广义快速S变换，得到各个离散信号各自对应的第一结 果矩阵，所述改进广义快速S变换是在S变换的基础上引入高斯窗宽度调节因子和直流分 量处高斯窗宽度调节因子以及采用快速算法的思想得到的； 利用改进广义快速S变换的线性特性，对各个第一结果矩阵进行线性分解，得到各个 离散信号的各频率分量对应的第二结果矩阵； 对各个第二结果矩阵分别依据逆变无损性进行逆改进广义快速S变换，得到各个离散 信号的各频率分量的重构时域信号； 依据电能计量要求，对各个重构时域信号进行对应点相乘并将乘积结果累加，将各个 重构时域信号的乘积结果累加值相加得到累加和，将所述累加和乘以A/D采样间隔时间， 得到在所述A/D采样间隔时间内的电能消耗值，以得到预设时间内的电能消耗值。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分别对各个离散信号进行改进广义快速S 变换，得到各个离散信号各自对应的第一结果矩阵的过程，包括： 采用离散改进广义快速S变换表达式
对各个离散信号进行 改进广义快速S变换，得到各个离散信号各自对应的第一结果矩阵，所述
为交流部分的离散改进广义快速S变换 表达式，所述
为直流部分的离散改进广义快速S变换表达式，a = 0， 1，......N-1，η = 1，......nmax-l，ρ = -width(n)，···，0，··· width(n)-l，所述 Ν 为待分 析电信号的采样点数，所述At为待分析电信号的采样时间间隔，所述h(kAt)为各个采样 时刻的采样值。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述离散改进广义快 速S变换表达式通过对改进广义快速S变换公式进行离散变换得到，所述 改进广义快速S变换公式为
所述
h(〇是待分析电信号，t是时移变量，f是频 率，τ是时间，α与β是高斯窗宽度调节因子，Y是直流分量处高斯窗宽度调节因子， wm(t_ τ，α，β，γ )是改进广义尚斯窗； 其中，对改进广义快速S变换公式进行离散变换的过程为： A :利用公式计算所述改进广义高斯窗的频域半径，所述 为所 述频域半径；
B :计算频率采样点数目和中心频率点的频率值，所述频率采样点数目记为n_，所述中 心频率点的频率值记为fn，所述中心频率点为频率采样点； C :计算出各个中心频率点的改进广义高斯窗离散半径为
所述为widthn(n)改进广义高斯窗离散半径，L」是取整符号； D :计算出各个中心频率点的频谱的位移距离为
，所述centren为位 移距离； E :计算所述改进广义高斯窗的各个频域的覆盖范围，覆盖范围由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 :计算所述待分析电信号的快速傅氏变换FFT结果，并对所述FFT结果进行移位，得到 第一 FFT结果，记为H[p]，所述第一 FFT结果中频谱信息中的直流结果位于中心，负频分量 和正频分量分别位于两侧； G :计算出各个中心频率点的改进广义高斯窗的时域半径为
p = -widthn(n), -widthn(n) +1, ...,0, ..., widthn(n) -1 ； Η :将所述第一 FFT结果分别与各个中心频率点的频谱的位移距离相加，得到各个中心 频率点各自对应的第二FFT结果，记为H[p+centren(n)]; I :将各个中心频率点各自的第二FFT结果与其各自的改进广义高斯窗的时域半径相 乘，得到各个中心频率点的运算结果，将各个运算结果按照FFT频谱中分布位置进行排列， 得到排列结果，对所述排列结果进行IFFT操作，得到交流部分的离散改进广义快速S变换 表达式。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤B包括： B11 :令第η个频率采样点的频率为fn(n从0开始），则相邻两个中心频率的关系：
B12 :令第一个频率中心点为直流点即& = 0，并依据
得到各个中心频率点的频率值fn，η = 0,……，nmax-l ; B13 :求解不等式
得到频率采样点数目nmax，所述f s为所述待分析 电信号的采样频率。
5. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用改进广义快速S变换的线性特性，对 各个第一结果矩阵进行线性分解，得到各个离散信号的各频率分量对应的第二结果矩阵 的过程，包括： 利用改进广义快速S变换的线性特性S[h(t)] =S[x(t)+y(t)] =S[x(t)]+S[y(t)]， 在计算各个第一结果矩阵的某个频率分量时，仅保留所述第一结果矩阵中对应该频率分量 的部分，令所述第一结果矩阵中除该频率分量之外的频率分量对应的部分赋值为〇 ; 所述11(1:)、1(1:)、7(1:)为待分析信号且11(1:)=1(1:)+7(1:)。
6. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述逆变无损性为：
所述逆改进广义快速S变换的原理为
H(v+f) = a (v, f)/ffm(v), 所述a (v，f)为对所述时移变量t的傅里叶变换结果及对所述时间τ的傅里叶变换结 果，所述ν是对所述时移变量t的傅里叶变换，所述f是对所述τ的傅里叶变换，H(v+f)是 对待分析电信号的傅里叶变换结果。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，依据电能计量要求，对任意一个重构时 域信号进行对应点相乘并将乘积结果累加的过程，包括： 对该重构时域信号进行分离，得到各次谐波电压、电流离散信号，分别记为un[k]、 in[k]; 依据公式
计算出该重构时域信号单位时间内消耗的电能。
8. -种电能计量装置，其特征在于，包括： 滤波模块，用于对需要进行电能计量的电网中电信号进行低通滤波，得到模拟信号； 采样模块，用于对所述模拟信号进行A/D采样，得到多个离散信号； 第一变换模块，用于分别对各个离散信号进行改进广义快速S变换，得到各个离散信 号各自对应的第一结果矩阵，所述改进广义快速S变换是在S变换的基础上引入高斯窗宽 度调节因子和直流分量处高斯窗宽度调节因子以及采用快速算法的思想得到的； 分解模块，用于利用改进广义快速S变换的线性特性，对各个第一结果矩阵进行线性 分解，得到各个离散信号的各频率分量对应的第二结果矩阵； 第二变换模块，用于对各个第二结果矩阵分别依据逆变无损性进行逆改进广义快速S 变换，得到各个离散信号的各频率分量的重构时域信号； 计算模块，用于依据电能计量要求，对各个重构时域信号进行对应点相乘并将乘积结 果累加，将各个重构时域信号的乘积结果累加值相加得到累加和，将所述累加和乘以A/D 采样间隔时间，得到在所述A/D采样间隔时间内的电能消耗值，以得到预设时间内的电能 消耗值。
9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一变换模块包括： 第一变换单元，用于采用离散改进广义快速S变换表达式
对各个离散信号进行改进广义快速S变换，得到各个离散信号各自对应的第一结果矩 阵，所述
为交流部分的离散改进广义快 速S变换表达式，所述
为直流部分的离散改进广义快速S变换表达式， a = 0,1，......N-1，η = 1，......nmax_l，ρ = -width (η)，…，0，…width (η) -1，所述 Ν 为待分析电信号的采样点数，所述At为待分析电信号的采样时间间隔，所述h(kAt)为各 个采样时刻的采样值； 所述离散改进广义快速S变换表达式通过对改进广义快 速S变换公式进行离散变换得到，所述改进广义快速S变换公式
为 所述 5
h(〇是待分析电信号，t是时移变量，f是频 率，τ是时间，α与β是高斯窗宽度调节因子，Y是直流分量处高斯窗宽度调节因子， wm(t_ τ，α，β，γ )是改进广义商斯窗。
10. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括： 第三变换模块，用于对改进广义快速S变换公式进行离散变换； 所述第三变换模块包括： 第一计算单元，用于利用公式 计算所述改进广义高斯窗的频域半 径，所述
为所述频域半径； 第二计算单元，用于计算频率采样点数目和中心频率点的频率值，所述频率采样点数 目记为η_，所述中心频率点的频率值记为fn，所述中心频率点为频率采样点； 第三计算单元，用于计算出各个中心频率点的改进广义高斯窗离散半径为
所述为widthn(n)改进广义高斯窗离散半径，
是取整符号； 第四计算单元，用于计算出各个中心频率点的频谱的位移距离为
所述centren为位移距离； 第五计算单元，用于计算所述改进广义高斯窗的各个频域的覆盖范围，覆盖范围由 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); 第六计算单元，用于计算所述待分析电信号的FFT结果，并对所述FFT结果进行移位， 得到第一 FFT结果，记为H[p]，所述第一 FFT结果中频谱信息中的直流结果位于中心，负频 分量和正频分量分别位于两侧； 第七计算单元，用于计算出各个中心频率点的改进广义高斯窗的时域半径为
p = -widthn(n), -widthn(n) +1, ...,0, ..., widthn(n) -1 ； 第八计算单元，用于将所述第一 FFT结果分别与各个中心频率点的频谱的位移距离相 力口，得到各个中心频率点各自对应的第二FFT结果，记为H[p+centren(n)]; 第九计算单元，用于将各个中心频率点各自的第二FFT结果与其各自的改进广义高斯 窗的时域半径相乘，得到各个中心频率点的运算结果，将各个运算结果按照FFT频谱中分 布位置进行排列，得到排列结果，对所述排列结果进行IFFT操作，得到交流部分的离散改 进广义快速S变换表达式。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述第二计算单元包括：第一计算子 单元，用于今第η个频率采样点的频率为fn(η从0开始），则相邻两个中心频率的关系：
第二计算子单元，用于今第一个频率中心点为直流点即f〇 = 〇,并依据
得到各个中心频率点的频率值fn，η = 0,……，nmax-l ; 第三计算子单元，用于求解不等式
得到频率采样点数目nmax，所 述fs为所述待分析电信号的采样频率。
12. 根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述分解模块具体用于利用改进广义快 速S变换的线性特性S [h (t) ] = S [X (t) +y (t) ] = S [X (t) ] +S [y (t)]，在计算某个频率分量 时，仅保留所述第一结果矩阵中对应该频率分量的部分，令所述第一结果矩阵中除该频率 分量之外的频率分量对应的部分赋值为0 ; 所述11(1:)、1(1:)、7(1:)为待分析信号且11(1:)=1(1:)+7(1:)。
13. 根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述计算模块包括： 分离单元，用于对该重构时域信号进行分离，得到各次谐波电压、电流离散信号，分别 记为 un[k]、in[k]; 第十计算单元，用于依据公式
计算出该重构时域信号单位时间 内消耗的电能。
【文档编号】G01R22/10GK104090159SQ201410339464
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】郑可, 欧习洋, 侯兴哲, 周全, 纪静, 彭鹏, 雷万钧, 丁忠安 申请人:国家电网公司, 国网重庆市电力公司电力科学研究院, 西安交通大学