CN103809148A - 一种测量电能表动态特性的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量电能表动态特性的方法及系统，该方法包括：步骤1，信号源向被测电能表和标准电能表同时输入稳定的电压信号和动态变化的电流信号；步骤2，利用电流动态波形表示所述动态变化的电流信号；步骤3，所述被测电能表接收所述电压信号和所述电流信号，利用所述电流动态波形计算所述被测电能表在动态负荷的情况下的电能计量值；步骤4，周期性检查所述电能计量值，获得电能表的动态特性；步骤5，比较被测电能表和标准电能表的相同时间内的动态特性，检测所述被测电能表的动态特性。本发明提出了一种用于测量电能表动态特性的新的电流动态波形，能同时表达电流幅值和相位的动态变化，适用于智能电网中的分布式能源及电动汽车等用电设备。

Description

一种测量电能表动态特性的方法及系统

技术领域

本发明涉及计量领域，尤其涉及一种测量电能表动态特性的方法及系统。

背景技术

目前有关电能表的国际标准、国家标准和国家检定规程都是在稳定条件下对电能表进行测量实验，在标准和规范规定的这些测量实验条件下，电流和电压的波形必须满足波形失真度在给定的范围内，比如JJG596-1999“电子式电能表检定规程”中规定对于0.02级表的检定，输入电压电流信号波形的失真度不大于1%。电能表计量的基本误差实验，就是在这样的稳态情况下进行的。

但是电力系统的负载情况是多样的，除了稳态情况之外还存在大量的非稳态及动态负荷情况，比如智能电网中的太阳能电力、风力发电等分布式能源及电动汽车等用电设备。随着未来电网的发展，这种动态的能源和非稳态的负载将呈现越来越多的趋势。在电网中存在动态负荷的情况下，电能表的输入电压、电流的波形都可能存在快速动态变化的情况，这些情况下电压和电流的波形失真度会超出标准和规范中提到的条件，因此已有的标准和规范覆盖不到这种情况。

申请号为200910064690.6、授权公告号为101526596、授权公告日为2011.09.07的中国发明专利公开了一种动态负荷下单相电能表电能计量误差的测量方法，该方法通过连续的测量变化的负荷电流，避免了负荷电流变化对电能计量误差的影响，提高了测量电能计量误差的准确性。但是该测量变化的负荷电流是假设周期足够小时设定负荷电流是稳定的方法获得较为精确的误差值。无法适用智能电网中的太阳能电力、风力发电等分布式能源和电动汽车等用电设备在短时间负荷电流变化迅速的情况。

在存在动态负荷的情况下，电能表的准确计量比在稳态下要求更多的能力，比如量程快速自动切换的能力，自动根据量程选择修正系数的能力等。有可能电能表在稳态下计量准确，但是在动态情况计量误差会较大。由此，电能表在存在动态负荷情况下计量的准确性，是实际电网应用提出新的问题和迫切需求。

发明内容

本发明的目的是：本发明提出用一种新的电流动态波形进行电能表动态特性测量的方法，此种动态波形可重复且可溯源，能同时表达电流幅值和相位的动态变化，可以适用于智能电网中的分布式能源及电动汽车等用电设备。

为实现上述目的，本发明提出了一种测量电能表动态特性的方法，所述电能表动态特性是在动态负荷的情况下电能表的计量准确度，该方法包括：

步骤1，信号源向被测电能表和标准电能表同时输入稳定的电压信号和动态变化的电流信号；

步骤2，利用电流动态波形表示所述动态变化的电流信号；

步骤3，所述被测电能表接收所述电压信号和所述电流信号，利用所述电流动态波形计算所述被测电能表在动态负荷的情况下的电能计量值；

步骤4，周期性检查所述电能计量值，获得电能表的动态特性；

步骤5，比较所述被测电能表和标准电能表的相同时间内的动态特性，检测所述被测电能表的动态特性。

所述电流动态波形的波形函数是按照固定公式生成的，是可重复的。

所述电流动态波形的波形函数为：

其中，i(t)表示电流随时间t变化的函数，ω₁是电流基波的角频率，ω₂表示电流幅值动态变化速度的角频率，ω₃表示电流相位动态变化速度的角频率，

MaxI表示电流有效值能达到的最大值，MinI表示电流有效值能达到最小值，

是幅度变化范围的平均值，

表示幅度变化的比率，

表示相位变化能达到的最大值，

表示相位变化能达到的最小值，

是相位变化范围的平均值，

表示相位变化的比率，电流幅值变化由(1+R_rmscos(ω₂t))表达，电流相位变化由

$(1+R_{\mathrm{angle}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{3}t\right))$ 表达。

所述ω₂对应的周期T₂是所述ω₁对应的周期T₁的n₂整数倍，所述ω₃对应的周期T₃是所述ω₁对应的周期T₁的n₃整数倍。

所述步骤4中的一个周期为LCM(n₂，n₃)T₁，所述LCM(n₂，n₃)表示n₂和n₃的最小公倍数。

为达到上述目的，本发明还提供了一种测量电能表动态特性的系统，所述电能表动态特性是在动态负荷的情况下电能表的计量准确度，该系统包括：

输入模块，信号源向被测电能表和标准电能表同时输入稳定的电压信号和动态变化的电流信号；

电流动态波形模块，利用电流动态波形表示所述动态变化的电流信号；

电能计算模块，用于当所述被测电能表接收所述电压信号和所述电流信号后，利用所述电流动态波形计算所述被测电能表在动态负荷的情况下的电能计量值；

周期检查模块，用于周期性的检查所述电能计量值，获得电能表的动态特性；

动态特性比较模块，用于比较所述被测电能表和标准电能表的相同时间内的动态特性，检测所述被测电能表的动态特性。

所述电流动态波形的波形函数是按照固定公式生成的，是可重复的。

所述电流动态波形的波形函数为：

其中，i(t)表示电流随时间t变化的函数，ω₁是电流基波的角频率，ω₂表示电流幅值动态变化速度的角频率，ω₃表示电流相位动态变化速度的角频率，

MaxI表示电流有效值能达到的最大值，MinI表示电流有效值能达到最小值，

是幅度变化范围的平均值。

表示幅度变化的比率，

表示相位变化能达到的最大值，

表示相位变化能达到的最小值，

是相位变化范围的平均值，

表示相位变化的比率，电流幅值变化由(1+R_rmscos(ω₂t))表达，电流相位变化由

$(1+R_{\mathrm{angle}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{3}t\right))$ 表达。

所述ω₂对应的周期T₂是所述ω₁对应的周期T₁的n₂整数倍，所述ω₃对应的周期T₃是所述ω₁对应的周期T₁的n₃整数倍。

所述步骤4中的一个周期为LCM(n₂，n₃)T₁，所述LCM(n₂，n₃)表示n₂和n₃的最小公倍数。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的测量电能表动态特性的方法及系统，通过设置波形函数中的参数值，可以得到不同形状的波形；根据该波形函数本发明给出了对电能表进行动态特性测量时选择基本时间单位的方法。所以可以适用于存在大量的非稳态及动态负荷情况的电力系统，解决了现有技术中的，在电流波形快递动态变化时，失真度超出标准和规范中的条件，从而导致电能表计量误差大的问题。本发明提供的测量电能表动态特性的方法及系统，其电流动态波形能同时表达电流幅值和相位的动态变化，适用于智能电网中的分布式能源及电动汽车等用电设备，保证了电能表在动态负荷情况下计量的准确性

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1是本发明的测量电能表动态特性的方法流程图；

图2是本发明的测量电能表动态特性的系统示意图；

图3是本发明的电流动态波形图；

图4是本发明的测量电能表动态性能的原理图。

具体实施方式

对于存在动态负荷的情况下电能表的计量准确度的测量，我们称其为电能表动态特性。对电能表进行动态特性测量，需要使用可重复且可溯源的动态波形。

图1本发明的测量电能表动态特性的方法流程图。所述电能表动态特性是在动态负荷的情况下电能表的计量准确度，如图1所示，该方法包括：

步骤1，信号源向被测电能表和标准电能表同时输入稳定的电压信号和动态变化的电流信号；

步骤2，利用电流动态波形表示所述动态变化的电流信号；

步骤3，所述被测电能表接收所述电压信号和所述电流信号，利用所述电流动态波形计算所述被测电能表在动态负荷的情况下的电能计量值；

步骤4，周期性检查所述电能计量值，获得电能表的动态特性；

步骤5，比较被测电能表和标准电能表的相同时间内的动态特性，检测所述被测电能表的动态特性。

对于本发明的电流动态波形和动态特性测量方法的具体介绍如下:

1、电流动态波形

本发明提出一种电流动态波形，在此种波形下，电流的幅值动态变化，电流的相位也同时动态变化。波形函数如下：

其中，i(t)表示电流随时间t变化的函数。ω₁是电流基波的角频率，ω₂表示电流幅值动态变化的速度，ω₃表示电流相位动态变化的速度。

$\stackrel{-}{I}=(\mathrm{MaxI}+\mathrm{MinI})/2,\mathrm{MaxI}$ 表示电流有效值能达到的最大值，MinI表示电流有效值能达到最小值，

是幅度变化范围的平均值。

表示幅度变化的比率。

表示相位变化能达到的最大值，表示相位变化能达到的最小值，

是相位变化范围的平均值。

表示相位变化的比率。

图3是本发明的电流动态波形图。在图3上可以看到电流的幅值在变化，即各波峰波谷的值在变化。同时也可以看到由相位动态变化导致的波形周期的变化。因此图3表达了幅值和相位同时的动态变化。

通过设置不同的参数值，可以表达电流不同的变化情况。因此此种波形具有通用性。

因为波形按照固定公式生成，因此波形可重复，可以作为电能表测量波形。

2、动态特性测量方法

图4是本发明的测量电能表动态性能的原理图。如图4所示，动态波形信号源的输出分为两路，一路到被测电能表，一路到标准电能表。被测表和标准表接收到信号进行计算，同时将它们的计算结果送到误差比较器进行比较。

在进行测量时，按照图4所示的方式给电能表输入电压电流信号。

动态波形信号源向被测电能表输入稳定的电压信号，电压信号的波形如下：

$u\left(t\right)=\sqrt{2}U\cos \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)---\left(2\right)$

其中，U是电压的有效值，ω₁是电压基波信号的角频率，与电流基波信号的角频率一致。

动态波形信号源向被测电能表输入(1)式所描述的电路动态信号。为了功率信号的可溯源性，选择ω₂和ω₃，使得它们对应的周期T₂和T₃是ω₁对应周期T₁的整数倍，即T₂=n₂T₁，T₃=n₃T₁。，其中n₂和n₃是正整数。

此时被测电能表接收电压和电流信号，进行计算。

同时动态波形信号源输出的功率信号（电压和电流的乘积）可以溯源，具有标准功率值。具体解释如下。

$p\left(t\right)=u\left(t\right)i\left(t\right)$

其中p(t)表示瞬时功率随时间t变化的函数。功率信号以的LCM(n₂,n₃)T₁为周期，其中LCM(n₂,n₃)表示n₂和n₃的最小公倍数。在这样一个周期内可以定义功率的标准值。因此具有可溯源性。

测量时，需要以LCM(n₂,n₃)T₁为一个基本时间单位检查电能表的动态特性。如图4所示，被测电能表对信号源的输出进行计算，同时信号源的输出也由标准表进行计算。以基本时间单位的倍数时间比较标准表和被测表的结果，可以达到检查电能表动态特性的目的。

图2是本发明的测量电能表动态特性的系统示意图。如图2所示，该系统包括：

输入模块，信号源向被测电能表和标准电能表同时输入稳定的电压信号和动态变化的电流信号；

电流动态波形模块，利用电流动态波形表示所述动态变化的电流信号；

电能计算模块，用于当所述被测电能表接收所述电压信号和所述电流信号后，利用所述电流动态波形计算所述被测电能表在动态负荷的情况下的电能计量值；

周期检查模块，用于周期性的检查所述电能计量值，获得电能表的动态特性；

动态特性比较模块，用于比较所述被测电能表和标准电能表的相同时间内的动态特性，检测所述被测电能表的动态特性。

本系统中的电流动态波形具体介绍如下：

本发明提出一种电流动态波形，在此种波形下，电流的幅值动态变化，电流的相位也同时动态变化。波形函数如下：

其中，i(t)表示电流随时间t变化的函数。ω₁是电流基波的角频率，ω₂表示电流幅值动态变化的速度，ω₃表示电流相位动态变化的速度。

MaxI表示电流有效值能达到的最大值，MinI表示电流有效值能达到最小值，是幅度变化范围的平均值。

表示幅度变化的比率。

表示相位变化能达到的最大值，

表示相位变化能达到的最小值，

是相位变化范围的平均值。表示相位变化的比率。

图3是本发明的电流动态波形图。在图3上可以看到电流的幅值在变化，即各波峰波谷的值在变化。同时也可以看到由相位动态变化导致的波形周期的变化。因此图3表达了幅值和相位同时的动态变化。

通过设置不同的参数值，可以表达电流不同的变化情况。因此此种波形具有通用性。

因为波形按照固定公式生成，因此波形可重复，可以作为电能表测量波形。

图4是本发明的测量电能表动态性能的原理图。如图4所示，动态波形信号源的输出分为两路，一路到被测电能表，一路到标准电能表。被测表和标准表接收到信号进行计算，同时将它们的计算结果送到误差比较器进行比较。

在进行测量时，按照图4所示的方式给电能表输入电压电流信号。

动态波形信号源向被测电能表输入稳定的电压信号，电压信号的波形如下：

$u\left(t\right)=\sqrt{2}U\cos \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)---\left(2\right)$

其中，U是电压的有效值，ω₁是电压基波信号的角频率，与电流基波信号的角频率一致。

动态波形信号源向被测电能表输入(1)式所描述的电路动态信号。为了功率信号的可溯源性，选择ω₂和ω₃，使得它们对应的周期T₂和T₃是ω₁对应周期T₁的整数倍，即T₂=n₂T₁，T₃=n₃T₁。，其中n₂和n₃是正整数。

此时被测电能表接收电压和电流信号，进行计算。

同时动态波形信号源输出的功率信号（电压和电流的乘积）可以溯源，具有标准功率值。具体解释如下。

$p\left(t\right)=u\left(t\right)i\left(t\right)$

其中p(t)表示瞬时功率随时间t变化的函数。功率信号以的LCM(n₂,n₃)T₁为周期，其中LCM(n₂,n₃)表示n₂和n₃的最小公倍数。在这样一个周期内可以定义功率的标准值。因此具有可溯源性。

测量时，需要以LCM(n₂,n₃)T₁为一个基本时间单位检查电能表的动态特性。如图4所示，被测电能表对信号源的输出进行计算，同时信号源的输出也由标准表进行计算。以基本时间单位的倍数时间比较标准表和被测表的结果，可以达到检查电能表动态特性的目的。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种测量电能表动态特性的方法，所述电能表动态特性是在动态负荷的情况下电能表的计量准确度，其特征在于，包括：

步骤1，信号源向被测电能表和标准电能表同时输入稳定的电压信号和动态变化的电流信号；

步骤2，利用电流动态波形表示所述动态变化的电流信号；

步骤3，所述被测电能表接收所述电压信号和所述电流信号，利用所述电流动态波形计算所述被测电能表在动态负荷的情况下的电能计量值；

步骤4，周期性检查所述电能计量值，获得电能表的动态特性；

步骤5，比较所述被测电能表和标准电能表的相同时间内的动态特性，检测所述被测电能表的动态特性。

2.如权利要求1所述的测量电能表动态特性的方法，其特征在于，所述电流动态波形的波形函数是按照固定公式生成的，是可重复的。

3.如权利要求1所述的测量电能表动态特性的方法，其特征在于，所述电流动态波形的波形函数为：

其中，i(t)表示电流I随时间t变化的函数，ω₁是电流基波的角频率，ω₂表示电流幅值动态变化速度的角频率，ω₃表示电流相位动态变化速度的角频率，电流

MaxI表示电流有效值能达到的最大值，MinI表示电流有效值能达到最小值，

是幅度变化范围的平均值，

表示幅度变化的比率，

表示相位变化能达到的最大值，

表示相位变化能达到的最小值，

是相位变化范围的平均值，

表示相位变化的比率，电流幅值变化由(1+R_rmscos(ω₂t))表达，电流相位变化由

表达。

4.如权利要求3所述的测量电能表动态特性的方法，其特征在于，

所述ω₂对应的周期T₂是所述ω₁对应的周期T₁的n₂整数倍，所述ω₃对应的周期T₃是所述ω₁对应的周期T₁的n₃整数倍。

5.如权利要求4所述的测量电能表动态特性的方法，其特征在于，所述步骤4中的一个周期为LCM(n₂,n₃)T₁，所述LCM(n₂,n₃)表示n₂和n₃的最小公倍数。

6.一种测量电能表动态特性的系统，所述电能表动态特性是在动态负荷的情况下电能表的计量准确度，其特征在于，包括：

输入模块，信号源向被测电能表和标准电能表同时输入稳定的电压信号和动态变化的电流信号；

电流动态波形模块，利用电流动态波形表示所述动态变化的电流信号；

电能计算模块，用于当所述被测电能表接收所述电压信号和所述电流信号后，利用所述电流动态波形计算所述被测电能表在动态负荷的情况下的电能计量值；

周期检查模块，用于周期性的检查所述电能计量值，获得电能表的动态特性；

动态特性比较模块，用于比较所述被测电能表和标准电能表的相同时间内的动态特性，检测所述被测电能表的动态特性。

7.如权利要求6所述的测量电能表动态特性的系统，其特征在于，所述电流动态波形的波形函数是按照固定公式生成的，是可重复的。

8.如权利要求6所述的测量电能表动态特性的系统，其特征在于，所述电流动态波形的波形函数为：

其中，i(t)表示电流随时间t变化的函数，ω₁是电流基波的角频率，ω₂表示电流幅值动态变化速度的角频率，ω₃表示电流相位动态变化速度的角频率，

MaxI表示电流有效值能达到的最大值，MinI表示电流有效值能达到最小值，

是幅度变化范围的平均值，

表示幅度变化的比率，表示相位变化能达到的最大值，

表示相位变化能达到的最小值，

是相位变化范围的平均值，表示相位变化的比率，电流幅值变化由(1+R_rmscos(ω₂t))表达，电流相位变化由

表达。

9.如权利要求8所述的测量电能表动态特性的系统，其特征在于，所述ω₂对应的周期T₂是所述ω₁对应的周期T₁的n₂整数倍，所述ω₃对应的周期T₃是所述ω₁对应的周期T₁的n₃整数倍。

10.如权利要求9所述的测量电能表动态特性的方法，其特征在于，所述步骤4的一个周期为LCM(n₂,n₃)T₁，所述LCM(n₂,n₃)表示n₂和n₃的最小公倍数。

Images