CN101807795B - 一种电能计量仿真系统构成方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电能计量仿真系统构成方法与装置，用于无功电能计量、电网谐波分析、电网谐波电能计量、电能计量中信号处理的实时仿真研究，以及电能表比对、电能表性能测试，适用于电网电能计量领域，以解决上述领域研究中缺少专用的电能计量仿真研究手段与装置，无法开展电能计量理论、电表工作原理及比对等研究问题。电能计量仿真系统构成方法的组成特征在于包括构建计量算法模型库、电能计量可视化界面、标准源模型库、MATLAB软件平台、DSPACE实时系统、标准源信号、GSP模块、信号调理电路、传感器和实际负荷。该构成方法为电能计量基础理论提供了开放性研究手段，并可通过选择电能计量仿真系统的特定模块分别构成虚拟电能表、电能计量仿真与现场回放系统及电能表对比装置。

Description

一种电能计量仿真系统构成方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种电能计量仿真系统构成方法与装置，用于无功电能计量、电网谐波分析、电网谐波电能计量、电能计量中信号处理的实时仿真研究，以及电能表比对、电能表性能测试，适用于电网电能计量领域。

背景技术

在电网电能计量领域，需要研究无功电能计量、电网谐波分析、电网谐波电能计量、电能计量中信号处理，开展电能表比对、电能表性能测试研究。国家尚未制定无功电能计量标准，无功电能计量基础理论不成熟，需要深入研究无功电能相关基础理论和实现技术，需要合适的研究手段和装置。且当前电能表采用的计量算法及其实现手段各不相同，电能计量仿真装置将为分析电能计量基础理论和电能表性能比对研究提供了开放性研究手段。

现有技术包括DSPACE实时系统、GPS模块、MATLAB软件平台、电压传感器、电流传感器、电能表。专利公示号为200810032046.6的“一种电能计量GPS授时与时钟校准装置”，可完成本发明中的电能计量时间校准功能。现有技术存在的问题是：对于电能计量基础理论研究，主要采用数值计算软件进行分析，缺乏实时性，不能完全模拟电能表实际工作情况，无法进行现场验证实验；电能表的比对主要采用标准源和更高精度标准表，无法深入研究电能表计量理论与工作原理；没有专用的电能计量仿真研究手段与装置。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种电能计量仿真系统构成方法，本发明的另一目的是提供基于上述方法的电能计量装置；本发明的方法及其装置为分析电能计量基础理论和电能表性能比对研究提供了开放性研究手段。

为了实现本发明第一目的采用的技术方案是这样的，即一种电能计量仿真系统构成方法，包括以下步骤：

1)建立计量算法模型库，总体包括有功、无功、基波和谐波电能计量算法，针对采样误差给出误差补偿、采样数据同步化、加窗插值、准周期采样算法，另还包含信号处理、频谱分析算法；

2)建立标准源模型库，实现类似实际电网中的典型电压、电流信号模型，其模型一方面来源于典型谐波源信号，还可从现场的录波数据形成标准源信号；

3)构建电能计量可视化界面，在MATLAB软件平台下通过GUI编程构建可视化界面。一方面，电能计量可视化界面对由DSPACE实时系统采集并经MATLAB软件平台送入的实时电压、电流数据，通过相应控件调用计量算法模型库实现电能计量；另外，也可通过相应控件调用标准源模型库，将MATLAB软件平台计算的电压、电流数据送入DSPACE实时系统以产生标准源信号；

4)构建信号采集前端：包括设立传感器和信号调理电路；其中传感器采集实际负荷的电压、电流参数，而信号调理电路将传感器采集的信号转换为适合输入DSPACE实时系统的信号；

5)构建GSP模块：主要解决DSPACE实时系统在信号采集过程中的高精度授时，实现对电压、电流信号以及三相电压、电流信号的同步采样；

基于上述方法的电能计量仿真系统可对实际负荷的电能进行计量，也可对标准源信号的电能进行计量。其中，对实际负荷的电能进行计量时，实际负荷的电压、电流参量经传感器采集和调理电路的转换后，输入DSPACE实时系统中进行A/D转换，转换数据经MATLAB软件平台传送到电能计量可视化界面，电能计量可视化界面随后调用计量算法模型库实现电能计量；而对标准源信号的电能进行计量时，电能计量可视化界面先调用标准源模型库，将MATLAB软件平台计算的电压、电流数据送入DSPACE实时系统产生标准源信号，随后再经DSPACE实时系统的A/D转换和MATLAB软件平台传送到电能计量可视化界面并调用计量算法模型库实现标准源信号的电能进行计量。

基于上述方法可实现本发明第二目的所构建的电能计量装置如下：即通过选择电能计量仿真系统的特定模块分别构成虚拟电能表、电能计量仿真与现场回放系统以及电能表比对系统。

1)一种虚拟电能表，包括由实际负荷、传感器、信号调理电路、GPS模块、DSPACE实时系统、MATLAB软件平台、电能计量可视化界面和计量算法模型库(1)构成。其中，传感器将实际负荷的电参量采集后，送入信号调理电路中，经调理作为DSPACE实时系统的输入信号，DSPACE实时系统对输入模拟信号采样和量化处理为数字信号，经MATLAB软件平台送入电能计量可视化界面，电能计量可视化界面随后调用计量算法模型库实现电能计量。

2)一种电能计量仿真与现场回放系统，包括由信号调理电路、GPS模块、标准源信号、DSPACE实时系统、MATLAB软件平台、标准源模型库、电能计量可视化界面和计量算法模型库构成。在电能计量仿真和回放时，电能计量可视化界面先调用标准源模型库，将MATLAB软件平台计算的电压、电流数据送入DSPACE实时系统产生标准源信号，随后再经DSPACE实时系统的A/D转换和MATLAB软件平台传送到电能计量可视化界面并调用计量算法模型库实现标准源信号的电能计量。或由标准源模型库也可存储实际负荷的电压、电流参量，因而实现对实际负荷的现场录波及回放功能。

3)一种电能表比对系统，包括由电能表、实际负荷、传感器、信号调理电路、GPS模块、DSPACE实时系统、MATLAB软件平台、电能计量可视化界面和计量算法模型库构成。其中，传感器将实际负荷的电参量采集后，送入信号调理电路中，经调理作为DSPACE实时系统的输入信号，DSPACE实时系统对输入模拟信号采样和量化处理为数字信号，经MATLAB软件平台送入电能计量可视化界面，电能计量可视化界面随后调用计量算法模型库实现电能计量，将实时计量的电能与实际电能表的测量值可以进行比对，构成电能表比对系统。

上述装置中，利用GPS模块输出的高精度时钟信号，可对DSPACE实时系统的时钟进行校准以提高计时精度，同时也为电能表比对提供时间基准。

利用本发明的上述虚拟电能表，可以进行电能计量信号的数据处理方法、功率理论、误差问题的研究；利用计量仿真与现场回放系统，可以对实际工程中的计量问题进行研究；利用电能表比对系统，研究不同厂家、不同型号电能表的性能。由虚拟电能表、计量仿真与现场回放系统、电能表比对系统所有模块，构成电能计量仿真系统，可以方便、高效地研究电能计量基础理论和工程实际问题。

本发明与现有技术相比，其技术效果是：

(1)构建了一种通用的电能计量平台，为电能计量基础理论提供了开放性研究手段，可在平台下方便实现各种电能计量算法(包括无功功率理论和采样误差理论与算法)；

(2)通用电能计量平台可实现虚拟电能表，并作为电能表比对系统，在同一负荷下对不同厂家、不同型号的电能表计量结果进行比对，分析各电表采用的计量算法及其计量精度等；

(3)通用电能计量平台可实现电能计量仿真和现场回放功能，为谐波电能计量和更准确分析电能质量研究提供必要条件。

附图说明

图1为电能计量仿真系统的构成图；

图2为虚拟电能表结构框图；

图3为计量仿真与现场回放系统结构框图；

图4为仿真系统与电能表的比对系统结构框图；

附图给出的电能计量仿真系统中，各模块信号流向与功能特征如下：

计量算法模型库1：实现信号处理、频谱分析，根据不同功率理论形成计算有功、无功、基波和谐波电能算法及各种误差改进算法，以供电能计量可视化界面2调用；

电能计量可视化界面2：通过MATLAB软件平台4实现对DSPACE实时系统5控制，模拟电能表，显示电能计量结果，电能计量可视化界面2是基于MATLAB软件平台4开发，算法与实现来源于计量算法模型库1和标准源模型库3；

标准源模型库3：存储典型谐波源信号模型和现场的录波数据，以供电能计量可视化界面2调用，模拟输出实际电网电压、电流信号或重现现场电网电压、电流信号；

MATLAB软件平台4：广为采用的数值计算与分析软件，是开发实时计量可视化软件、计量算法模型库的基础；

DSPACE实时系统5：提供高速多通道并行采样板、输入输出通道板，具有系统管理与控制功能；

标准源信号6：模拟输出实际电网电压、电流信号，或通过现场录波方式得到现场数据，重现现场电网电压、电流信号

GPS模块7：与DSPACE实时系统5相接，GPS模块7输出高精度时钟信号以校准DSPACE实时系统5内部时钟，提高计时精度，为多个电能表比对提供时间基准；

信号调理电路8：位于传感器9与DSPACE实时系统5之间，实现阻抗匹配、信号放大与滤波功能；

传感器9：包括电压、电流信号传感器；将负荷电压、电流转换成隔离的适合通用实时仿真系统处理的电信号。为分析高次谐波信号，传感器应具有宽频带特性，而为模拟高精度电能表，传感器应具有高线性度和高精度特性；

实际负荷10：可以是现实的电器设备，可以是三相或单相负荷；

电能表11：实现电能计量的设备，可以是三相或单相电能表；可由多个不同厂家、不同型号电能表并联，同时比对多个电能表。

具体实施方式

实例1构成方法实例

计量算法模型库1由有功、无功、基波和谐波电能计量算法、误差补偿、采样数据同步化、加窗插值、准周期采样算法以及信号处理、频谱分析算法；电能计量可视化界面2是在MATLAB软件平台4下通过GUI编程实现。

MATLAB软件平台4采用广为采用的数值计算与分析软件MATLAB7.0版本；DSPACE实时系统5采用基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台DSPACE，实现了和MATLAB/Simulink/RTW的完全无缝连接。

标准源模型库3、标准源信号6和GPS模块7在本实例中作为可选模块，实例中的系统时间由DSPACE实时系统5确定，并主要研究工频有功电能计量。

信号调理电路8具体为传感器输出接口电路，采用MOTECH公司的标准源LPS-305作为传感器供电电源；传感器9包括电压LV28-P和电流传感器LTS25-NP，实际负荷10取多个灯泡并接入单相220V交流电源中，电能表11选择单相电子式电能表DDS148型，准确度为1级。

由上述模块按图1结构连接，可构建成电能计量仿真系统。

实例2装置实例

1)虚拟电能表及电能表比对系统实例1

(1)实际负荷10接入供电电源中，实验中负荷为5个标称功率为100W的灯泡，电源为民用220V交流电；

(2)负荷的电压和电流信号分别送入电能表11和传感器9中，其中电能表为单相电子式电能表DDS148型，准确度为1级；电压传感器为LV28-P，电流传感器为LTS25-NP，传感器供电电源为MOTECH公司的标准源LPS-305；

(3)传感器9的电压、电流信号送入信号调理电路8(即传感器输出接口电路)中，经信号处理后传入DSPACE实时仿真系统5中；

(4)DSPACE实时仿真系统5可同时对电压、电流信号采样并将结果经MATLAB软件平台4送入电能计量可视化界面2中，通过调用计量算法模型库1中特定的电能计量算法获得电能量并在电能计量可视化界面2中显示出来。实验中，其中每周期采样点数为1024点，A/D量化位数为16位；

(5)GPS模块7、标准源模型库3和标准源信号6在本实例中作为可选模块，实例中的系统时间由实时仿真系统DSPACE确定，并主要研究工频有功电能计量而不涉及标准源信号6的电能计量。

电能计量仿真系统的计量结果和电能表11实测结果记录在表一中，取电能表11计量电能量为准确值，则误差可定义为：

绝对误差＝仿真系统计量值-电表计量值    (kWh)

相对误差＝绝对误差/电表计量值×100％

表一

2)虚拟电能表及电能表比对系统实例2

本实例在虚拟电能表及电能表比对系统实例1的基础上，在负荷上串联0.1Ω的标准电阻，通过测量电阻端电压来确定串联回路电流，进而求得负荷电量并作为理论上的电量值，其测量电压的仪器是安捷伦34401A万用表，实验测量的数据记录在表二中，其计算方法如下：

(1)理论电量值：

$W_l=\mathrm{p\Δt}=\mathrm{UI\Δt}=U\left(\frac{U_r}{R_r}\right)\mathrm{\Δt}=231.83\×\frac{0.24629}{0.1}\×\frac{4615}{3600}\×\frac{1}{1000}=0.7320\left(\mathrm{kWh}\right)$

(2)仿真系统计量值与之比对的绝对误差：

ΔW＝W_c-W_l＝0.727-0.7320＝-0.0050(kWh)

(3)仿真系统计量值与之比对的相对误差：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\ΔW}}{W_l}\×100\%=\frac{-0.0050}{0.7320}\×100\%=-0.6772\%$

表二

Claims (4)

1.一种电能计量仿真系统构成方法，其特征在于方法包括以下步骤：

1)建立计量算法模型库(1)，包括有功、无功、基波和谐波电能计量算法，针对采样误差给出的误差补偿、采样数据同步化、加窗插值、准周期采样算法，以及信号处理、频谱分析算法；

2)建立标准源模型库(3)，包括实际电网中的典型电压、电流信号模型，所有模型来源于典型谐波源信号，及由现场的录波数据形成标准源信号；

3)构建电能计量可视化界面(2)，在MATLAB软件平台(4)下通过GUI编程构建可视化界面；所述电能计量可视化界面(2)对由DSPACE实时系统(5)采集并经MATLAB软件平台(4)送入的实时电压、电流数据，通过相应控件调用计量算法模型库(1)实现电能计量；或电能计量可视化界面(2)通过相应控件调用标准源模型库(3)内的相关标准源模型，将MATLAB软件平台(4)计算的电压、电流数据送入DSPACE实时系统(5)以产生标准源信号(6)；

4)构建信号采集前端：包括设立传感器(9)和信号调理电路(8)；其中传感器(9)采集实际负荷(10)的电压、电流参数，而信号调理电路(8)将传感器(9)采集的信号转换为适合输入DSPACE实时系统(5)的信号；

5)构建GSP模块(7)：解决DSPACE实时系统(5)在信号采集过程中的高精度授时，实现对实际负荷(10)的电压、电流信号以及三相电压、电流信号的同步采样；

基于上述方法构建的的电能计量仿真系统能够对实际负荷(10)的电能进行计量，或对标准源信号(6)的电能进行计量；其中对实际负荷(10)的电能进行计量时，实际负荷(10)的电压、电流参量经传感器(9)采集和调理电路(8)的转换后，输入DSPACE实时系统(5)中进行A/D转换，转换数据经MATLAB软件平台(4)传送到电能计量可视化界面(2)，电能计量可视化界面(2)随后调用计量算法模型库(1)实现电能计量；而对标准源信号(6)的电能进行计量时，电能计量可视化界面(2)先调用标准源模型库(3)，将MATLAB软件平台(4)计算的电压、电流数据送入DSPACE实时系统(5)产生标准源信号(6)，经调理电路(8)的转换后，输入DSPACE实时系统(5)中进行A/D转换，转换数据经MATLAB软件平台(4)传送到电能计量可视化界面(2)，电能计量可视化界面(2)调用计量算法模型库(1)实现标准源信号(6)的电能计量。

2.一种基于权利要求1所述方法构建的虚拟电能表，包括由实际负荷(10)、传感器(9)、信号调理电路(8)构成的信号采集前端；其特征是：还包括GPS模块(7)、DSPACE实时系统(5)模块、MATLAB软件平台(4)模块、电能计量可视化界面(2)模块和计量算法模型库(1)模块；其中，传感器(9)将实际负荷(10)的电参量采集后，送入信号调理电路(8)中，经调理作为DSPACE实时系统(5)模块的输入信号，DSPACE实时系统(5)模块对输入模拟信号采样和量化处理为数字信号，经MATLAB软件平台(4)模块送入电能计量可视化界面(2)模块，电能计量可视化界面(2)模块随后调用计量算法模型库(1)模块实现电能计量。

3.一种基于权利要求1所述方法构建的电能计量仿真与现场回放系统，其特征是：包括信号调理电路(8)模块、GPS模块(7)、标准源信号(6)模块、DSPACE实时系统(5)模块、MATLAB软件平台(4)模块、标准源模型库(3)模块、电能计量可视化界面(2)模块和计量算法模型库(1)模块；在电能计量仿真和现场回放时，电能计量可视化界面(2)模块先调用标准源模型库(3)模块，将MATLAB软件平台(4)模块计算的电压、电流数据送入DSPACE实时系统(5)模块产生标准源信号(6)，随后再经DSPACE实时系统(5)模块的A/D转换和MATLAB软件平台(4)模块传送到电能计量可视化界面(2)模块并调用计量算法模型库(1)模块实现标准源信号(6)的电能计量；或电能计量仿真和现场回放由标准源模型库(3)模块存储实际负荷(10)的电压、电流参量实现对实际负荷(10)的现场录波及回放功能。

4.一种基于权利要求1所述方法构建的电能表对比系统，包括电能表(11)、实际负荷(10)、传感器(9)、信号调理电路(8)；其特征是：还包括GPS模块(7)、DSPACE实时系统(5)模块、MATLAB软件平台(4)模块、电能计量可视化界面(2)模块和计量算法模型库(1)模块，其中，实际负荷(10)的电参量被传感器采集后，再被送入信号调理电路(8)中，经信号调理电路(8)调理后作为DSPACE实时系统(5)模块的输入信号，DSPACE实时系统(5)模块对输入模拟信号采样和量化处理为数字信号，经MATLAB软件平台(4)模块送入电能计量可视化界面(2)模块，电能计量可视化界面(2)模块随后调用计量算法模型库(1)模块实现电能计量，将实时计量的电能与实际电能表的测量值进行比对，构成电能表对比系统。

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