CN117171638A - 基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的方法及装置，物联电能表内的电能质量分析模块读取电流互感器二次电流的基波幅值和相角、各次谐波幅值和相角；当各次谐波幅值均小于幅值阈值时则判定为非直流分量用户，当存在任意次谐波幅值不小于幅值阈值时，对于不小于幅值阈值各次谐波，基于三角函数定理，利用各次谐波周期将各次谐波相角处理为正值；并计算处理为正值的各次谐波相角与对应的谐波次数的比值；分别计算比值与电流互感器的基频阻抗角之间的差值，作为各次谐波对应的基波相角计算值；当各次谐波对应的基波相角计算值与基波相角之间的误差均小于误差阈值时，则判定是直流分量用户。
Description
技术领域
本发明属于电能质量检测技术领域，具体地，涉及基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的方法及装置。
背景技术
双碳目标的驱动下，以电代煤在工业加热领域迅速推广应用。以半波整流加热设备为代表的电力电子设备在使用时，将会在低压配电网中产生一定基波电流比例的直流分量。直流的存在会引起电流互感器铁心半波饱和，导致励磁电流激增和二次侧电流畸变，严重影响用户的电能计量准确性。因此，如何快速准确的判别台区中直流分量用户就显得十分重要。
现有技术中，由于计量用低压电流互感器直流偏磁现象近一两年才引起足够重视，所以相关方法很少，目前仅能通过台区线损率变化进行粗略的识别。又因为影响线损率变化的因素很多，如线路故障、表计损坏、用户超容等，所以目前的这种识别方法准确率不高，只能用来筛选出有可能的直流分量用户，然后人工进一步现场排查。而且，虽然直流分量从互感器一次侧流入，但是二次侧数据最能直接反应互感器遭受直流侵害的特性，现有技术中电表往往只能显示忽视了这一特性。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的方法及装置，基于直流影响下电流互感器二次侧电流基波和谐波的相角关系，结合新一代物联电能表的电能质量分析功能，判别直流分量用户。
本发明采用如下的技术方案。
本发明提出了一种基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的方法，使用物联电能表对用户的电量进行计量，物联电能表包括电流互感器和电能质量分析模块，电能质量分析模块读取电流互感器的二次电流的基波的幅值和相角、各次谐波的幅值和相角；包括：
步骤1，当各次谐波的幅值均小于幅值阈值时则判定物联电能表对应的用户非直流分量用户，当存在任意次谐波的幅值不小于幅值阈值时则进入步骤2；
步骤2，对于不小于幅值阈值的各次谐波，基于三角函数定理，利用各次谐波的周期将各次谐波的相角处理为正值；并计算处理为正值的各次谐波的相角与对应的谐波次数的比值；分别计算所述比值与电流互感器的基频阻抗角之间的差值，作为各次谐波对应的基波相角计算值；
步骤3，当各次谐波对应的基波相角计算值与电能质量分析模块采集的基波相角之间的误差均小于误差阈值时，则判定用户是直流分量用户；反之，则返回步骤1。
幅值阈值为基波幅值的1％。
步骤2中，以如下关系式将各次谐波相角处理为正值：
式中，
为处理为正值后的各次谐波的相角，
θi为电能质量分析模块读取的各次谐波的相角，
Tθ为各次谐波的周期，
i为谐波次数。
各次谐波的周期满足Tθ＝360°/i。
步骤2中，各次谐波对应的基波相角计算值的计算公式为：
式中，
为各次谐波对应的基波相角计算值，
β1为电流互感器的基频阻抗角，是电流互感器的出厂值。
误差阈值取值为10％。
本发明还提出了一种基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的装置，所述装置包括电能质量分析模块，电能质量分析模块读取电流互感器的二次电流的基波的幅值和相角、各次谐波的幅值和相角；
所述装置还包括：幅值判别模块，相角判别模块；
幅值判别模块，用于当各次谐波的幅值均小于幅值阈值时则判定物联电能表对应的用户非直流分量用户；
相角判别模块，用于当存在任意次谐波的幅值不小于幅值阈值时，对于不小于幅值阈值的各次谐波，基于三角函数定理，利用各次谐波的周期将各次谐波的相角处理为正值；并计算处理为正值的各次谐波的相角与对应的谐波次数的比值；分别计算所述比值与电流互感器的基频阻抗角之间的差值，作为各次谐波对应的基波相角计算值；当各次谐波对应的基波相角计算值与电能质量分析模块采集的基波相角之间的误差均小于误差阈值时，则判定用户是直流分量用户。
一种终端，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行所述方法的步骤。
计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明充分发挥物联电能表中的电能质量分析模块能够读取电流互感器的二次电流的基波的幅值和相角、各次谐波的幅值和相角使用电流互感器二次侧电流相角数据的优势，依据谐波和基波的幅值大小的关系，进行直流分量用户的初步识别；然后利用不小于幅值阈值的各次谐波的相角计算得到各次谐波对应的基波相角计算值，当各次谐波对应的基波相角计算值与电能质量分析模块采集的基波相角之间的误差均小于误差阈值时，则判定用户是直流分量用户。通过实验验证，本发明的方法易于实施，提高了直流分量用户的识别准确率，并且具有计算简单、识别速度快的优势。
本发明使用的电流互感器二次侧相角数据由具备电能质量模块的物联电能表采集得到，保障了数据的准确性，不需要配置其余采集装置，节约人力物力，造价低。
附图说明
图1是本发明提出的基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的方法的流程图；
图2是本发明实施例中直流偏磁下铁心励磁特性曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
目前国网公司正在推广使用新一代物联表，该表与传统电能表相比新增电能质量分析模块，可以读取电流中的基波和谐波的相角数值。因此本文通过研究发现了直流影响下电流互感器二次侧电流谐波相角关系，结合物联表的电能质量分析功能，提出了一种基于谐波相角关系判别直流分量用户的方法。
本发明提出了一种基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的方法，使用物联电能表对用户的电量进行计量，物联电能表包括电流互感器和电能质量分析模块，电能质量分析模块读取电流互感器的二次电流的基波的幅值和相角、各次谐波的幅值和相角；如图1所示，包括：
步骤1，当各次谐波的幅值均小于幅值阈值时则判定物联电能表对应的用户非直流分量用户，当存在任意次谐波的幅值不小于幅值阈值时则进入步骤2。
在非限制性的较优实施例中，读取物联电能表显示的基波和二、三、四次谐波的幅值，如果二、三、四次谐波幅值均小于基波幅值的1％，则认为无谐波分量，该物联电能表对应的用户非直流分量用户。否则进入步骤2。
具体地，根据实际测量得到的谐波占基波比例的最小值，确定幅值阈值为基波幅值的1％。
步骤2，对于不小于幅值阈值的各次谐波，基于三角函数定理，利用各次谐波的周期将各次谐波的相角处理为正值；并计算处理为正值的各次谐波的相角与对应的谐波次数的比值；分别计算所述比值与电流互感器的基频阻抗角之间的差值，作为各次谐波对应的基波相角计算值。
具体地，处理为正值后的各次谐波相角为各次谐波相角物联电能表读取数值为θi，各次谐波对应的谐波周期为Tθ，i为谐波次数，以如下关系式将各次谐波相角处理为正值：
式中，
为处理为正值后的各次谐波的相角，
θi为电能质量分析模块读取的各次谐波的相角，
Tθ为各次谐波的周期，
i为谐波次数。
各次谐波的周期满足Tθ＝360°/i。
在非限制性的较优实施例中，物联电能表读取的各次谐波相角数值有正有负，为了统一格式方便后续计算，二次谐波相角为物联电能表读取数值加上360度(即谐波周期180度的两倍)，三次谐波相角为物联电能表读取数值加上480度(即谐波周期120度的四倍)，四次谐波相角为物联电能表读取数值加上540度(即谐波周期90度的六倍)。
图2是直流偏磁下铁心励磁特性曲线图，包括磁通密度N与相角θ的特性曲线、磁通密度B与磁场强度H的特性曲线以及磁场强度H与相角θ的特性曲线。
如图2所示，电流互感器铁心材料为硅钢片，在铁心磁通密度N达到饱和点之前，铁心磁导率较大且磁通密度B与磁场强度H之间近似为线性关系，当磁通密度B超过饱和点后，铁心磁导率将会迅速减小。因此，用图2所示的两条线性直线表示B-H关系，即非饱和磁导率μ1和饱和磁导率μ2。
图2中，Hbias为由于直流磁通引起的偏置磁场强度，Hu为电流互感器膝点磁场强度峰值，Hdc为直流分量对应的等效磁场强度，α为过磁通角。
当电流互感器中流过直流电流Idc时，铁心中便会产生相应的直流磁通密度Bdc，加上原本存在的峰值为Bac的交流磁通密度，此时铁心中的总的磁通密度最大值Bm将会超过膝点磁通密度Bk，铁心进入饱和区。图2中n为铁心磁通密度峰值点与坐标原点之间的相角差，其表达式如下：
式中，
为电流互感器二次电流基波相角，
β1为电流互感器二次负载在基频下的阻抗角。
直流电流越大过磁通角α数值越大，直流为零时，α≈0。
根据图2可以得到一个周期内磁场强度Hs(t)的表达式如下：
式中，ω为角频率。
运用安培环路定理，并进一步对式(2)进行傅里叶分解可得励磁电流中二次谐波相角三次谐波相角/>四次谐波相角/>的表达式分别如下：
为谐波相角，其中i为谐波次数，则谐波相角和n的关系式为：
因为电流互感器二次电流等于一次电流减去励磁电流，且一次电流只由基波和直流分量组成，所以励磁电流中的谐波分量就是二次电流中的谐波分量。
通过上述分析，计算处理为正值后的各次谐波相角与电流互感器二次负载在基频下的阻抗角之间的差值，得到各次谐波对应的基波相角计算值。
具体地，各次谐波对应的基波相角计算值的计算公式为：
式中，
为各次谐波对应的基波相角计算值，
β1为电流互感器的基频阻抗角，是电流互感器的出厂值。
在非限制性的较优实施例中，读取物联电能表上基波和二、三、四次谐波的相角，二次电流中二、三、四次谐波与基波相角之间的基波相角差分别如下：
式中，分别为二次电流中二次谐波相角、三次谐波相角、四次谐波相角。
步骤3，当各次谐波对应的基波相角计算值与电能质量分析模块采集的基波相角之间的误差均小于误差阈值时，则判定用户是直流分量用户；反之，则返回步骤1。
在非限制性的较优实施例中，为了放宽判据，保证所有直流分量用户都能被识别出来，引入误差系数，当各次谐波对应的基波相角差与基波相角之间的误差小于10％，认为该物联电能表对应的用户为直流分量用户。因为在步骤中4同时计算了各次谐波与基波的相角关系，所以避免了其余非直流因素导致的某次谐波与基波满足误差阈值而导致的误判现象。
对本发明提出的方法进行试验，结果数据详见表1：
表1试验结果数据
从表1可以看出在不同直流分量占比下，利用二、三、四次谐波相角实测值计算得到的基波相角数值与基波相角实测值之间的误差百分数都小于7％，因此本发明提出的方法具有较高的准确率和可靠性。
本发明还提出了一种基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的装置，所述装置包括电能质量分析模块，电能质量分析模块读取电流互感器的二次电流的基波的幅值和相角、各次谐波的幅值和相角；
所述装置还包括：幅值判别模块，相角判别模块；
幅值判别模块，用于当各次谐波的幅值均小于幅值阈值时则判定物联电能表对应的用户非直流分量用户；
相角判别模块，用于当存在任意次谐波的幅值不小于幅值阈值时，对于不小于幅值阈值的各次谐波，基于三角函数定理，利用各次谐波的周期将各次谐波的相角处理为正值；并计算处理为正值的各次谐波的相角与对应的谐波次数的比值；分别计算所述比值与电流互感器的基频阻抗角之间的差值，作为各次谐波对应的基波相角计算值；当各次谐波对应的基波相角计算值与电能质量分析模块采集的基波相角之间的误差均小于误差阈值时，则判定用户是直流分量用户。
本发明提出了一种基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的方法，通过物联电能表采集电流的电流基波和各次谐波数据，当各次谐波幅值均大于幅值阈值，且各个基波相角计算值与基波相角实际值之间的差值均小于误差阈值时，则判定用户是直流分量用户；其中，利用各次谐波相角处理值与电流互感器二次负载在基频下的阻抗角之间的差值得到多个基波相角计算值，根据各次谐波相角的周期分别对各次谐波相角进行预处理得到的各次谐波相角处理值。
本公开可以是***、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的方法，使用物联电能表对用户的电量进行计量，物联电能表包括电流互感器和电能质量分析模块，电能质量分析模块读取电流互感器的二次电流的基波的幅值和相角、各次谐波的幅值和相角；其特征在于，包括：
步骤1，当各次谐波的幅值均小于幅值阈值时则判定物联电能表对应的用户非直流分量用户，当存在任意次谐波的幅值不小于幅值阈值时则进入步骤2；
步骤2，对于不小于幅值阈值的各次谐波，基于三角函数定理，利用各次谐波的周期将各次谐波的相角处理为正值；并计算处理为正值的各次谐波的相角与对应的谐波次数的比值；分别计算所述比值与电流互感器的基频阻抗角之间的差值，作为各次谐波对应的基波相角计算值；
步骤3，当各次谐波对应的基波相角计算值与电能质量分析模块采集的基波相角之间的误差均小于误差阈值时，则判定用户是直流分量用户；反之，则返回步骤1。
2.根据权利要求1所述的基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的方法，其特征在于，
幅值阈值为基波幅值的1％。
3.根据权利要求1所述的基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的方法，其特征在于，
步骤2中，以如下关系式将各次谐波相角处理为正值：
式中，
为处理为正值后的各次谐波的相角，
θi为电能质量分析模块读取的各次谐波的相角，
Tθ为各次谐波的周期，
i为谐波次数。
4.根据权利要求3所述的基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的方法，其特征在于，
各次谐波的周期满足Tθ＝360°/i。
5.根据权利要求3所述的基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的方法，其特征在于，
步骤2中，各次谐波对应的基波相角计算值的计算公式为：
式中，
为各次谐波对应的基波相角计算值，
β1为电流互感器的基频阻抗角，是电流互感器的出厂值。
6.根据权利要求1所述的基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的方法，其特征在于，
误差阈值取值为10％。
7.一种利用权利要求1-6任一项权利要求所述方法的基于基波和谐波相角关系判别直流分量用户的装置，所述装置包括电能质量分析模块，电能质量分析模块读取电流互感器的二次电流的基波的幅值和相角、各次谐波的幅值和相角；其特征在于，
所述装置还包括：幅值判别模块，相角判别模块；
幅值判别模块，用于当各次谐波的幅值均小于幅值阈值时则判定物联电能表对应的用户非直流分量用户；
相角判别模块，用于当存在任意次谐波的幅值不小于幅值阈值时，对于不小于幅值阈值的各次谐波，基于三角函数定理，利用各次谐波的周期将各次谐波的相角处理为正值；并计算处理为正值的各次谐波的相角与对应的谐波次数的比值；分别计算所述比值与电流互感器的基频阻抗角之间的差值，作为各次谐波对应的基波相角计算值；当各次谐波对应的基波相角计算值与电能质量分析模块采集的基波相角之间的误差均小于误差阈值时，则判定用户是直流分量用户。
8.一种终端，包括处理器及存储介质；其特征在于：
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
9.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述方法的步骤。
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