[實用新型]一種基于專用數字濾波器的諧波電能計量模塊

有效

• 申請號: 201720689360.6
• 申請日: 2017-06-14
• 公開（公告）號: CN206788245U
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 袁慧梅;劉佳雯
• 申請（專利權）人: 首都師范大學
• 主分類號: G01R22/10
• 分類號: G01R22/10;G01R23/167
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司11232
• 代理人: 李娜

技術領域

本實用新型一種基于專用數字濾波器的諧波電能計量模塊，涉及一種信號處理技術領域，特別是一種基于專用數字濾波器的諧波電能計量模塊的FPGA實現。

背景技術

電能是人類生產生活中非常重要的能源，電能供應和消耗情況需要通過電能計量來實現。電能計量的任務是將用戶的瞬時功率精確累加成能量，為發電企業、輸配電企業、電力用戶之間進行貿易結算提供依據，電能計量的準確性和合理性也直接影響三者的經濟利益和交易的公平性。

隨著電力電子技術的迅猛發展，由于電氣化鐵路和電解工廠的大功率硅整流設備、煉鋼交直流電弧爐和交流逆變器、大功率電力拖動設備、電石爐以及電機變頻調速裝置等廣泛應用，大量具有非線性特性的電力設備投入到電網中運行，使工業非線性負載迅速增加，電網信號波形嚴重畸變，電網中出現大量的諧波，造成電力系統諧波污染，同時也嚴重影響著電能計量的準確性。研究諧波電能計量模塊目的就是為了實現諧波的精確分析以及諧波電能的準確計量，為電能的科學管理提供可靠依據。

電力諧波直接影響電能計量的準確性與公正性。諧波電能計量方法是伴隨著交流電力系統發展起來的，誕生了頻域理論和時域理論，形成了多種諧波電能計量方法。其中基于傅立葉變換(FFT)的諧波電能計量是當今應用最多，也是最廣泛的一種方法，但仍存在頻率混疊、頻譜泄漏和柵欄效應等現象，同時該模塊的運算量和存儲量也較大，影響諧波計量的準確度。

隨著數字信號處理器(DSP)和現場可編程門陣列器件(FPGA)的發展，采用DSP+FPGA的數字硬件系統顯示出其優越性，正愈來愈得到人們重視。DSP+FPGA結構最大的特點是結構靈活，有較強的通用性，適于模塊化設計，從而能夠提高算法效率；同時其開發周期較短，系統易于維護和擴展，適合于實時信號處理。目前對諧波電能計量模塊改進的實現大多數基于MATLAB模擬仿真階段，本實用新型旨在完成一種基于專用數字濾波器的諧波電能計量模塊的FPGA實現。

實用新型內容

本實用新型提出的一種基于專用數字濾波器的諧波電能計量模塊，目的在于在電網頻率波動的情況下，提高諧波電能計量的準確度和實用性。解決諧波電能計量精度問題的關鍵：一是抑制能量較高的基波信號，使其能量不泄露到能量較低的諧波成分中去；二是保證電網頻率波動的情況下，基波電能計量結果跟諧波電能計量結果仍然保持較高的準確度。

本實用新型從問題一著手，解決的方法是：設計一個專用數字濾波器，在基波信號和諧波信號分離的過程中，對基波信號的衰減要足夠大，使基波信號盡量少泄露到諧波成分中去，減少干擾。常用的FFT算法和小波包分解算法并沒有對基波信號進行單獨的濾波處理，因此在抑制基波泄露的問題上，需要付出比較大的代價，而如果使用一種專用數字濾波器先將基波信號和諧波信號分離，就可以用相對少的硬件資源，獲得比較好的分離效果。

本實用新型通過以下技術方案實現上述目的：一種基于專用數字濾波器的諧波電能計量模塊，分為有功電能計量模塊和無功電能計量模塊兩部分，其中有功電能計量模塊如圖1所示；無功電能計量模塊只需在有功電能計量的基礎上加一個Hilbert濾波器實現π/2的移相，如圖2所示。

其中，有功電能計量模塊包括專用數字濾波器模塊、乘法器模塊、累加器模塊、除法器模塊、并行加法器模塊，如圖1所示，

電壓模塊和電流模塊分別連接第一專用數字濾波器模塊和第二專用數字濾波器模塊，第一專用數字濾波器模塊分別與第一乘法器模塊和第二乘法器模塊相連，第二專用數字濾波器模塊分別與第一乘法器模塊和第二乘法器模塊相連，第一乘法器連接第一除法器模塊，輸出基波有功電能計量結果；第二乘法器依次連接累加器模塊和第二除法器模塊，輸出諧波有功電能的計量結果。

如圖2所示，無功電能計量模塊只需對輸入的電壓或電流信號多做一個Hilbert變換移相，即在電壓模塊與第一專用數字濾波器模塊之間增加一個Hilbert數字濾波器模塊，實現電壓信號90°的移相，然后按照有功電能計量模塊的方法同樣處理，即可得到基波無功電能計量結果和諧波無功電能計量的結果。

其中，設計的專用數字濾波器模塊包含取基波的低通濾波器、去基波的高通濾波器以及分離不同頻率諧波的諧波帶通濾波器組三部分。

其中，所述的專用數字濾波器模塊選用級聯型IIR型數字濾波器中的橢圓濾波器設計該模塊，分離各次諧波信號，對基波信號和諧波信號采用了不同權重的濾波處理，并且在諧波計量的過程中僅考慮對諧波能量相對較高的幾個奇次諧波做計量運算和存儲。