CN101441231B

CN101441231B - 一种谐波电能计量误差分析装置

Info

Publication number: CN101441231B
Application number: CN2008101971040A
Authority: CN
Inventors: 向铁元; 张冯硕; 阳龙; 张继新; 胡威
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2008-09-27
Filing date: 2008-09-27
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2028-09-27
Also published as: CN101441231A

Abstract

一种谐波电能计量误差分析装置，包括有：谐波数据采集部分，用于将由电网采集所得谐波数据输入电能数据分析部分；电能计量误差数据分析部分，包括有模型存储模块和误差分析模块，所述模型存储模块用于存储计量误差模型，以及电能计量表型号所对应的模型函数；所述误差分析模块用于对输入的谐波数据求取待分析理论误差数据，求取待分析理论误差数据的相应各次谐波实测误差及总误差；误差分析结果输出部分，用于对电能计量误差数据分析部分获取的误差数据分析结果进行输出或存储处理。本发明能为供电部门挽回因谐波造成的电能计量误差损失提供定量数据依据，为电力部门治理谐波污染提供定量数据依据。

Description

一种谐波电能计量误差分析装置

技术领域

本发明属于电力系统谐波电能计量领域，特别是涉及一种谐波电能计量误差分析装置。

背景技术

随着现代工业的发展，电网中非线性负荷大量增加，谐波对电网的污染越来越严重。谐波污染使得电网的供电电压和电流波形发生畸变，严重影响电能质量。谐波会使电气设备过热，振动和噪声加大，加速绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁；对继电保护等电力系统的其他装置或设备也会产生严重影响。此外，谐波对电能计量装置正确计量也产生了严重的影响，给供电部门造成了巨大经济损失。

谐波不仅影响感应式电能表的计量，也影响全电子式电能表的计量，只不过影响小些而已。感应式电能表的工作原理及设计制造规程决定了只在工频附近很窄的频率范围内且电压、电流为正弦波的条件下具有很好的工作性能，可以认为计量的就是实际电能，而当计量点存在谐波时，感应式电能表既不能准确计量总的畸变信号电能，亦不能准确反映其中的基波信号电能；对于电子式电能表，绝大多数仅适于1kHz频率范围内的电能的测量。其频带不可能足够宽的主要原因在于，电能表的输入器件使不同频率信号成分产生的相移不同，从而致使在50Hz引入的相位补偿，不能补偿其它频率的相位移，结果造成了计量误差随频率不同而变化。

目前国内外在该领域的研究主要有如下方式：理论分析谐波对感应式电能表和电子式电能表的影响；对电网中谐波电流、电压等参数监测；讨论通过增加硬件(如滤波器等)来减小电能计量误差；利用BP神经网络模型诊断电力系统中谐波含量。但是这些研究都没有能够提供实时分析谐波电能计量误差的有效手段。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种谐波电能计量误差分析装置。

本发明的技术方案为：谐波电能计量误差分析装置由以下三个部分组成，

谐波数据采集部分，用于将由电网采集所得谐波数据输入电能数据分析部分，所述谐波数据包括各次谐波的电压、电流和相角；

电能计量误差数据分析部分，包括有模型存储模块和误差分析模块，

所述模型存储模块用于存储计量误差模型，以及电能计量表型号所对应的模型函数；所述计量误差模型为

式中，e为谐波对电能计量的总误差，e_{m_real}标识第m次谐波造成的实测误差数据，e_{m_thr}标识第m次谐波的理论误差数据，U_m、I_m、

分别标识第m次谐波的电压、电流和相角，U₁、I₁、

分别标识基波的电压、电流和相角，f(m)标识模型函数，用于表述e_{m_real}与e_{m_thr}之间的函数关系；

所述误差分析模块用于对输入的谐波数据求取待分析理论误差数据，并根据电网所用电能计量表型号调用模型存储模块存储的相应模型函数，将其代入存储计量误差模型构成理论误差数据和实测误差数据的变换关系式，按变换关系式求取待分析理论误差数据的相应各次谐波实测误差及总误差，作为误差数据分析结果；

误差分析结果输出部分，用于对电能计量误差数据分析部分获取的误差数据分析结果进行输出或存储处理。

而且，所述变换模型函数采用实时仿真系统获取。

而且，采用实时仿真系统获取变换模型函数的具体方式如下，

建立仿真模型，仿真模型包括依次连接的三相交流电源、输电电路、配电变压器以及负载，所述三相交流电源由基波电压源、谐波电压源和谐波电流源构成；

采用仿真模型对2～30次谐波分别进行实验，针对每次谐波通过改变谐波相角以改变谐波功率大小和方向，每次谐波相角分别取0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°；

以MATLAB计算所得第m次谐波的7个理论误差数据e_{m_thr}1，e_{m_thr}2...e_{m_thr}7为输入样本，以实时仿真系统实际测量所得第m次谐波的7个实际误差数据e_{m_real}1，e_{m_real}2...e_{m_real}7为目标样本，建立一个BP神经网络，所述BP神经网络具有一个输入、一个输出、7组样本；

分别训练各次谐波的相应BP神经网络，得到理论误差数据e_{m_thr}与实际误差数据e_{m_real}之间的函数关系，生成待测电能计量表的相应模型函数f(m)；

将待测电流计量表的型号和相应模型函数f(m)存储到模型存储模块。

而且，采用实时仿真系统进行实验获取理论误差数据的具体方式如下，

从仿真模型的负载输入端取出每相的采样电压数据和采样电流数据，计算每相的谐波功率

其中m为谐波次数，u_n为第n次实验的采样电压数据，i_n为第n次实验的采样电流数据，k为总采样点数；

由谐波功率得到谐波功率含量，即理论误差数据其中P_{1_thr}为谐波电压源或谐波电流源不投入时的基波功率理论值。

而且，采用实时仿真系统进行实验获取实际误差数据的具体方式包括以下2个步骤，

步骤1，根据待测电能计量表的接线要求，通过实施仿真系统的逻辑器实现仿真模型和待测电能计量表的连接，所述连接采用输入接线电压方式或输入接相电压方式；

所述输入接线电压方式为，首先在仿真模型的三相交流电源进行设定，包括设定基波电压源的A相电压幅值E_A和谐波电压源的A相电压幅值E_Am，其中m为谐波次数，并引入到逻辑器相加，得到A相相电压U_A；设定基波电压源的B相电压幅值E_B和谐波电压源的B相电压幅值E_Bm，其中m为谐波次数，并引入到逻辑器相加，得到B相相电压U_B；设定基波电压源的C相电压幅值E_C和谐波电压源的C相电压幅值E_Cm，其中m为谐波次数，并引入到逻辑器相加，得到C相相电压U_C；

然后将A相相电压U_A和B相相电压U_B引入到逻辑器，得线电压U_AB＝U_A-U_B；将C相相电压U_C和B相相电压U_B引入到逻辑器，得线电压U_CB＝U_C-U_B；

从三相交流电源中的A相回路中提取相电流IAA，所述A相回路由A相基波电压源、A相谐波电压源和A相谐波电流源经A相输电线路组成；从三相交流电源中的C相回路中提取相电流ICC，所述C相回路由C相基波电压源、C相谐波电压源和C相谐波电流源经C相输电线路组成；

再将线电压U_AB、U_CB和相电流IAA、ICC从逻辑器中引出，放大到220V/2.5A，输入到待测电能计量表进行功率测量；

所述输入接相电压方式为，首先在仿真模型的三相交流电源进行设定，包括设定基波电压源的A相电压幅值E_A和谐波电压源的A相电压幅值E_Am，其中m为谐波次数，并引入到逻辑器相加，得到A相相电压U_A；设定基波电压源的B相电压幅值E_B和谐波电压源的B相电压幅值E_Bm，其中m为谐波次数，并引入到逻辑器相加，得到B相相电压U_B；设定基波电压源的C相电压幅值E_C和谐波电压源的C相电压幅值E_Cm，其中m为谐波次数，并引入到逻辑器相加，得到C相相电压U_C；

从三相交流电源中的A相回路中提取相电流IAA，所述A相回路由A相基波电压源、A相谐波电压源和A相谐波电流源经A相输电线路组成；从三相交流电源中的B相回路中提取相电流IBB，所述B相回路由B相基波电压源、B相谐波电压源和B相谐波电流源经B相输电线路组成；从三相交流电源中的C相回路中提取相电流ICC，所述C相回路由C相基波电压源、C相谐波电压源和C相谐波电流源经C相输电线路组成；

最后将相电压U_A、U_B、U_C和相电流IAA、IBB、ICC从逻辑器中引出，放大到220V/2.5A，输入到待测电能计量表进行功率测量；

步骤2，由待测电能计量表测量出在叠加第m次谐波作用下的功率P_{m_real}，在设定E_Am、E_Bm、E_Cm输入为0的情况下测量出仅含基波作用下的功率为P_{1_real}，得实测误差数据

而且，采用谐波测试仪由电网采集谐波数据。

而且，误差分析结果输出部分包括有数据库模块、报表模块和曲线生成模块，数据库模块，用于将电能误差数据分析部分的输出结果通过数据库的ODBC接口保存到数据库中，以供用户查询操作；报表模块，用于将误差数据分析结果以水晶报表的格式导出；曲线生成模块，用于将误差数据分析结果以曲线形式呈现。

而且，所述数据库模块采用ACCESS数据库实现。

本发明针对目前广泛使用的电子式电能计量表，根据用户侧的谐波情况，采取理论分析、MATLAB仿真计算和基于RTDS仿真实验三者相结合的方法研究各次谐波对全电子式电能计量表计的计量影响，在此基础上建立了谐波对电子式电能表计量影响的计量误差模型，为定量分析计算谐波对电子式电能计量表的计量误差影响提供了工具，实施简便高效，能够满足实时监控大规模工业电网的需要。本发明特别适合用于准确的定量监测各次谐波对三相三线制、三相四线制全电子式电能表的计量误差以及非线性负荷产生的所有谐波产生的总误差，为供电部门挽回因谐波造成的电能计量误差损失提供定量数据依据，为电力部门治理谐波污染提供定量数据依据。

附图说明

图1含有非线性负载和线性负载的的简单系统等效电路；

图2为本发明实施例的软件实现框架示意图；

图3为本发明实施例的仿真模型示意图；

图4为本发明实施例的输入接线电压方式示意图；

图5为本发明实施例的输入接相电压方式示意图；

图6为三层神经BP网络示意图；

图7为BP网络训练示意图；

图8为本发明实施例的各次谐波实测误差及总误差求取流程图。

具体实施方式

本发明提出，根据现有理论，得出谐波给电能计量表造成的影响。如附图1所示，S标识电压源、Z为电源内阻和线路阻抗之和、u(t)为pcc点的电压、PCC标识公共连接点：电力系统中一个以上用户负荷连接处。Z_H和Z_M分别为非线形负载和线性负载，I_H1和I_M1分别为非线性负载和线性负载吸收的基波电流的有效值；I_Hh为非线性负载向电网中注入的h次谐波的电流的有效值；I_MHh为线性负载吸收的来自于非线性负载的h次谐波电流有效值；当电源中含有谐波时，I_HSh和I_MBh分别为非线性负载和线性负载从电源中吸收的h次谐波电流有效值。因此，非线性负载吸收其所需基波电能的同时又向系统中注入了谐波电能，线性负载吸收基本电能的同时又被迫吸收了谐波电能。所以，非线性负载实际消耗的电能值要小于其吸收的基波电能值，线性负载实际消耗的电能值要大于其吸收的基波电能值。

为了能够实现对谐波影响的定量分析，本发明提出了解决的技术方案：一种谐波电能计量误差分析装置，由以下三个部分组成：

谐波数据采集部分，用于将由电网采集所得谐波数据(具体实施时可以采用谐波测试仪进行采集)输入电能数据分析部分，所述谐波数据包括各次谐波的电压、电流和相角；

分别标识第m次谐波的电压、电流和相角，U₁、I₁、

具体实施时，谐波电能计量误差分析装置可以由厂家生产设备提供，通过专用硬件方式实现；也可以利用现有计算机设备，通过安装“谐波电能计量误差分析软件包”，采用软件方式实现。参见附图2，本发明提供了实施例的软件实现框架，首先是数据输入部分，实现数据采集及转换、谐波数据输入、表计数据输入和数据查看及修改；然后是分析部分，实现谐波误差分析、曲线生成和文本褒贬生成，不仅生成分析数据，也能够根据预设标准进行生成褒贬结论，便于管理；数据管理部分，实现数据库系统，提供包括数据的加入、查询、删除、导出的等操作，还有供客户使用的帮助模块。建议由本领域技术人员基于VC++6.0语言开发“谐波电能计量误差分析软件包”，数据库模块采用ACCESS数据库实现。

因为不同型号的电能计量表由于结构等关系性能不一，模型函数表现有所不同。具体实施时，电能计量表型号及对应的模型函数可以由谐波电能计量误差分析装置厂家预存进模型存储模块，也可作为表计数据由客户根据自己电网所用电能计量表的型号选择输入。模型函数可以由实验获取，本发明采用实时仿真系统(RTDS)可以方便准确地实现获取。为了便于实施，本发明提供进一步技术方案，实施方式如下：

在RTDS中建立仿真模型，参见附图3，仿真模型包括依次连接的三相交流电源AC、输电电路、配电变压器以及负载，所述负载为待测电能计量表。所述三相交流电源AC提供A、B、C三相电压电流，可以视为由基波电压源、谐波电压源和谐波电流源叠加构成；

分别训练各次谐波的相应BP神经网络，得到理论误差数据e_{m_thr}与实际误差数据e_{m_real}之间的函数关系，生成待测电能计量表的相应模型函数f(m)；将待测电流计量表的型号和相应模型函数f(m)存储到模型存储模块。

选择对2～30次谐波分别进行实验，调整相角取0°，30°，60°，90°，120°，150°，180°，每取1个相角得到1个理论误差数据和1个实际误差数据，由此得到每次谐波的7个理论误差数据和7个实际误差数据，最终得到的模型函数f(m)结果比较理想，是本发明经过多次实验后得到的最佳实施方式。但具体实施时，并不限于这种方式。三层BP神经网络如附图6，包括有输入层神经元X₁、X₂...X_i...X_n1和隐层神经元O₁、O₂...O_j...O_n2，输出层神经元Y₁、Y₂...Y_k...Y_n3。针对每次谐波，设计BP神经网络，训练各次谐波的相应BP神经网络流程如附图7所示，首先对BP网络初始化，然后输入训练样本，计算隐层节点输出，计算输出层节点输出，求n₃个输出层节点的总误差E，若E满足要求则训练结束，否则判断是否超过最大迭代次数。超过则训练失败，否则继续调整连接权值，返回从计算隐层节点输出开始重新运行。输入层第i个节点与隐层第j个节点间的连接权值为w_ji(i＝1，2...n₁，j＝1，2...n₂)，隐层第j个节点与输出层第k个节点间的连接权值为w_kj(j＝1，2...n₂，k＝1，2...n₃)，先调整隐层与输出层之间的权值W_kj，然后是的是输入层与隐层的权值W_ji。本发明实施例利用图7所示这种训练流程，只需如图8所示对2～30次谐波分别训练神经网络，即输入基波的电压U₁、电流I₁和相角

和U_m、I_m、

然后利用神经网络计算e和e_m。

本发明还提供了理论误差数据和实测误差数据的求取方式，

用实时仿真系统进行实验获取理论误差数据的具体方式如下，从仿真模型的负载输入端取出每相的采样电压数据和采样电流数据，计算每相的理论总功率其中m为谐波次数，u_n为第n次实验的采样电压数据，i_n为第n次实验的采样电流数据，k为总采样点数；

由谐波功率得到谐波功率含量，即理论误差数据

其中P_{1_thr}为谐波电压源和谐波电流源不投入时的基波功率理论值。此过程可以利用现有软件MATLAB方便地实现。

采用实时仿真系统进行实验获取实际误差数据的具体方式包括以下2个步骤，

步骤1，根据待测电能计量表的接线要求，通过实施仿真系统的逻辑器(附图4、5中标识为D/A)实现仿真模型和待测电能计量表的连接。目前所用的电能计量表一般有要求输入接线电压和输入接相电压两类，本发明提供的连接包括采用输入接线电压方式或输入接相电压方式；

所述输入接线电压方式参见附图4，首先在仿真模型的三相交流电源进行设定，包括设定基波电压源的A相电压幅值E_A和谐波电压源的A相电压幅值E_Am，其中m为谐波次数，并引入到逻辑器相加，得到A相相电压U_A；设定基波电压源的B相电压幅值E_B和谐波电压源的B相电压幅值E_Bm，其中m为谐波次数，并引入到逻辑器相加，得到B相相电压U_B；设定基波电压源的C相电压幅值E_C和谐波电压源的C相电压幅值E_Cm，其中m为谐波次数，并引入到逻辑器相加，得到C相相电压U_C；

所述输入接相电压方式参见附图5，首先在仿真模型的三相交流电源进行设定，包括设定基波电压源的A相电压幅值E_A和谐波电压源的A相电压幅值E_Am，其中m为谐波次数，并引入到逻辑器相加，得到A相相电压U_A；设定基波电压源的B相电压幅值E_B和谐波电压源的B相电压幅值E_Bm，其中m为谐波次数，并引入到逻辑器相加，得到B相相电压U_B；设定基波电压源的C相电压幅值E_C和谐波电压源的C相电压幅值E_Cm，其中m为谐波次数，并引入到逻辑器相加，得到C相相电压U_C；

相电流IAA、IBB、ICC从相应回路中提取，因此所述相电流IAA＝A相基波电流IA+A相谐波电流IA_m；相电流IBB＝B相基波电流IB+B相谐波电流IB_m；相电流ICC＝C相基波电流IC+C相谐波电流IC_m。

以A相回路构成为例，本发明为叙述清晰起见，将相电压源等通过A相进

Claims

1.一种谐波电能计量误差分析装置，其特征在于：由以下三个部分组成，

式中，e为谐波对电能计量的总误差，e_{m_real}标识第m次谐波造成的实测误差数据，e_{m_thr}标识第m次谐波的理论误差数据，U_m、I_m、分别标识第m次谐波的电压、电流和相角，U₁、I₁、

2.根据权利要求1所述的谐波电能计量误差分析装置，其特征在于：所述模型函数采用实时仿真系统获取。

3.根据权利要求2所述的谐波电能计量误差分析装置，其特征在于：采用实时仿真系统获取模型函数的具体方式如下，

4.根据权利要求3所述的谐波电能计量误差分析装置，其特征在于：采用实时仿真系统进行实验获取理论误差数据的具体方式如下，

从仿真模型的负载输入端取出每相的采样电压数据和采样电流数据，计算每相的理论总功率其中m为谐波次数，u_n为第n次实验的采样电压数据，i_n为第n次实验的采样电流数据，k为总采样点数；

由谐波功率得到谐波功率含量，即理论误差数据

其中P_{l_thr}为谐波电压源和谐波电流源不投入时的基波功率理论值。

5.根据权利要求3所述的谐波电能计量误差分析装置，其特征在于：采用实时仿真系统进行实验获取实际误差数据的具体方式包括以下2个步骤，

步骤1，根据待测电能计量表的接线要求，通过实时仿真系统的逻辑器实现仿真模型和待测电能计量表的连接，所述连接采用输入接线电压方式或输入接相电压方式；

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的谐波电能计量误差分析装置，其特征在于：采用谐波测试仪由电网采集谐波数据。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的谐波电能计量误差分析装置，其特征在于：误差分析结果输出部分包括有数据库模块、报表模块和曲线生成模块，数据库模块，用于将电能误差数据分析部分的输出结果通过数据库的ODBC接口保存到数据库中，以供用户查询操作；报表模块，用于将误差数据分析结果以水晶报表的格式导出；曲线生成模块，用于将误差数据分析结果以曲线形式呈现。

8.根据权利要求7所述的谐波电能计量误差分析装置，其特征在于：所述数据库模块采用ACCESS数据库实现。