[实用新型]一种基于专用数字滤波器的谐波电能计量模块

说明书

技术领域

本实用新型一种基于专用数字滤波器的谐波电能计量模块，涉及一种信号处理技术领域，特别是一种基于专用数字滤波器的谐波电能计量模块的FPGA实现。

背景技术

电能是人类生产生活中非常重要的能源，电能供应和消耗情况需要通过电能计量来实现。电能计量的任务是将用户的瞬时功率精确累加成能量，为发电企业、输配电企业、电力用户之间进行贸易结算提供依据，电能计量的准确性和合理性也直接影响三者的经济利益和交易的公平性。

随着电力电子技术的迅猛发展，由于电气化铁路和电解工厂的大功率硅整流设备、炼钢交直流电弧炉和交流逆变器、大功率电力拖动设备、电石炉以及电机变频调速装置等广泛应用，大量具有非线性特性的电力设备投入到电网中运行，使工业非线性负载迅速增加，电网信号波形严重畸变，电网中出现大量的谐波，造成电力系统谐波污染，同时也严重影响着电能计量的准确性。研究谐波电能计量模块目的就是为了实现谐波的精确分析以及谐波电能的准确计量，为电能的科学管理提供可靠依据。

电力谐波直接影响电能计量的准确性与公正性。谐波电能计量方法是伴随着交流电力系统发展起来的，诞生了频域理论和时域理论，形成了多种谐波电能计量方法。其中基于傅立叶变换(FFT)的谐波电能计量是当今应用最多，也是最广泛的一种方法，但仍存在频率混叠、频谱泄漏和栅栏效应等现象，同时该模块的运算量和存储量也较大，影响谐波计量的准确度。

随着数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列器件(FPGA)的发展，采用DSP+FPGA的数字硬件系统显示出其优越性，正愈来愈得到人们重视。DSP+FPGA结构最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。目前对谐波电能计量模块改进的实现大多数基于MATLAB模拟仿真阶段，本实用新型旨在完成一种基于专用数字滤波器的谐波电能计量模块的FPGA实现。

实用新型内容

本实用新型提出的一种基于专用数字滤波器的谐波电能计量模块，目的在于在电网频率波动的情况下，提高谐波电能计量的准确度和实用性。解决谐波电能计量精度问题的关键：一是抑制能量较高的基波信号，使其能量不泄露到能量较低的谐波成分中去；二是保证电网频率波动的情况下，基波电能计量结果跟谐波电能计量结果仍然保持较高的准确度。

本实用新型从问题一着手，解决的方法是：设计一个专用数字滤波器，在基波信号和谐波信号分离的过程中，对基波信号的衰减要足够大，使基波信号尽量少泄露到谐波成分中去，减少干扰。常用的FFT算法和小波包分解算法并没有对基波信号进行单独的滤波处理，因此在抑制基波泄露的问题上，需要付出比较大的代价，而如果使用一种专用数字滤波器先将基波信号和谐波信号分离，就可以用相对少的硬件资源，获得比较好的分离效果。

本实用新型通过以下技术方案实现上述目的：一种基于专用数字滤波器的谐波电能计量模块，分为有功电能计量模块和无功电能计量模块两部分，其中有功电能计量模块如图1所示；无功电能计量模块只需在有功电能计量的基础上加一个Hilbert滤波器实现π/2的移相，如图2所示。

其中，有功电能计量模块包括专用数字滤波器模块、乘法器模块、累加器模块、除法器模块、并行加法器模块，如图1所示，

电压模块和电流模块分别连接第一专用数字滤波器模块和第二专用数字滤波器模块，第一专用数字滤波器模块分别与第一乘法器模块和第二乘法器模块相连，第二专用数字滤波器模块分别与第一乘法器模块和第二乘法器模块相连，第一乘法器连接第一除法器模块，输出基波有功电能计量结果；第二乘法器依次连接累加器模块和第二除法器模块，输出谐波有功电能的计量结果。

如图2所示，无功电能计量模块只需对输入的电压或电流信号多做一个Hilbert变换移相，即在电压模块与第一专用数字滤波器模块之间增加一个Hilbert数字滤波器模块，实现电压信号90°的移相，然后按照有功电能计量模块的方法同样处理，即可得到基波无功电能计量结果和谐波无功电能计量的结果。

其中，设计的专用数字滤波器模块包含取基波的低通滤波器、去基波的高通滤波器以及分离不同频率谐波的谐波带通滤波器组三部分。

其中，所述的专用数字滤波器模块选用级联型IIR型数字滤波器中的椭圆滤波器设计该模块，分离各次谐波信号，对基波信号和谐波信号采用了不同权重的滤波处理，并且在谐波计量的过程中仅考虑对谐波能量相对较高的几个奇次谐波做计量运算和存储。