[发明专利]一种基于信号分离和精准积分的直流电能计量装置及方法

权利要求书

1.一种直流电能计量装置，其特征在于，包括直流信号采集模块、信号分析处理模块、直流电能计算模块和触屏显示模块四个部分；所述直流信号采集模块包含直流电流、直流电压传感器，用于对直流电流和电压数据进行采集，所述直流信号采集模块的输出端与信号分离模块输入端相连；所述信号分析处理模块用于分别将直流电流、直流电压信号进行信号分离处理，所述信号分析处理模块的输出端与直流电能计算模块输入端相连；所述直流电能计算模块包含直流电能计算模块、纹波电能计算模块，用于分别计算直流信号的电能值和纹波信号的电能值，所述直流电能计算模块的输出端与触屏显示模块输入端相连；所述触屏显示模块用于设定采集频率和展示直流电能分析计算的结果。

2.一种基于信号分离和精准积分的直流电能计量方法主要包括以下步骤：

步骤1，直流信号采集模块对待测直流电流和电压进行采集，通过触屏显示模块调整频率同步，使直流电流、电压的采集频率相同；

步骤2，信号分析处理模块分别对采集的直流电流、电压信号进行滤波处理，去除噪声干扰；

步骤3，信号分析处理模块分别对滤波后的直流电流、电压信号进行信号分离处理，把信号分解为直流信号和纹波信号两部分；

步骤4，直流电能计算模块通过精准积分算法将直流电流、电压分量计算得出直流电能，将纹波电流、电压分量计算得出纹波电能；

步骤5，触屏显示模块显示直流电能计算结果，通过设定纹波含量阈值，若被测直流信号纹波含量超过设定阈值则进行报警提示。

3.如权利要求2所述的直流电能计量方法,其特征在于：

步骤2中的滤波处理方式为：

小波阈值去噪算法，首先根据小波基函数和待测信号的特点，选择合适的小波基函数并确定分解层数N，用该小波基函数对噪声信号进行N层小波分解，得到经小波变换后的小波系数ω_j,i，其中包括目标信号对应的小波系数u_j,i和噪声信号对应的小波系数v_j,i；

然后根据小波分解后系数的不同幅值大小，选择软阈值进行量化处理，经过量化处理后的小波系数为：

其中λ为阈值，当ω_j,i0时sgn(ω_j,i)为1，当ω_j,i0时sgn(ω_j,i)为-1；

最后根据小波分解的第N层的低频系数和经过量化处理后的第一层到第N层的高频系数，进行信号的逆小波变化得到去噪的重构信号。

4.如权利要求2所述的直流电能计量方法,其特征在于：

步骤3中的信号分离方式为：

参数优化的变模态分解(VMD)算法，首先优化VMD算法的模态数目K，初始化惩罚因子α＝2000，带宽τ＝1×10^-7，模态数K＝2，用VMD对信号进行分解，计算各个基本模式分量的合成峭度，合成峭度是指纹波波形峰度的参数，求出此次分解各个基本模式分量合成峭度的均值，判断是否为最大值，如果是最大值，则模态数为K；否则K＝K+1继续寻找最优值，直到合成峭度均值最大时停止；

然后优化VMD算法的惩罚因子α，利用对模态数K的优化结果，基于合成峭度均值最大原则对α进行优化，与K的优化方法相同；

最后基于上述K和α的优化，对直流信号进行VMD分解，得到直流电流、电压信号和若干的电流、电压纹波模式分量。

5.如权利要求2所述的直流电能计量方法,其特征在于：

步骤4中的精准积分算法为：

复化辛甫生积分算法，分别对直流信号和纹波信号在一个周期T采样M点，将周期内时间等分为M个区间[t_k,t_k+1],其中k＝0,1…,M-1，则对每两个等分区间[t_2i,t_2i+2],其中i＝0,1…,M/2-1的直流信号和纹波信号电压U、电流I和功率P等各参量进行辛普生积分，如下式所示：

然后，将上式在每个等份区间上积分值累加求和，可分别得到直流信号和纹波信号的电能：