CN104316894A - 一种电能表实际运行环境的仿真校验方法 - Google Patents
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Abstract
一种电能表实际运行环境的仿真校验方法，该方法采集各类典型非线形负荷的线路波形数据，提取同类负荷波形数据中的共有特征成分，形成数学模型并计算得到该波形的特征数据，构建典型非线性负荷特征数据库；采集典型非线性负荷的波形数据，将数据通过插值还原成原型数据，构建典型非线性计量环境原型数据库；功率源从数据库中取出数据仿真输出各类非线性负荷的电压和电流波形。本发明能实现非线性负荷电能表实际运行环境下的仿真，便于电能表在该种负荷下的离线仿真校验。
Description
技术领域
本发明涉及一种电能表实际运行环境的仿真校验方法，属电能计量技术领域。
背景技术
电力系统的负载情况是多种多样的。除了大量的线性负载，还存在各类非线性负载。随着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电石炉、交流逆变器、大功率电力拖动设备以及电机变频调速装置的广泛应用，工业非线性负载在迅速的增加。另外，由于空调、冰箱等家用电器越来越多地采用电力电子器件，使民用负荷也日益呈现出非线性化的趋势。对于其中的广义非线性负荷，其信号不仅存在波形畸变，且具有频率连续波动，幅值快速剧烈变化等明显的动态特征。
现行的电能表检定规程，对检定条件作了明确的规定，检定时电能表均在实验室内稳态条件下进行：只要求在多个指定电流测试点和功率因素测试点上测试被检表的误差指标，并不对电能表的实际运行环境进行测试。因此有必要提供一种能仿真电能表实际运行环境的校验方法。
发明内容
本发明的目的是：克服现有技术的不足，提出了一种电能表实际运行环境的仿真校验方法，用于准确模拟和复现电能表的实际运行环境，考核电能表在各类广义非线性负荷下的动态性能指标。
本发明是通过以下技术方案实现：本发明以典型非线性负荷特征数据库和典型非线性计量环境原型数据库里的数据作为功率源的信号数源，用以模拟和复现电能表的实际运行环境，进而考核其在各类实际非线性负荷运行环境下的性能指标，实现非线性负荷电能表实际运行环境下的仿真校验。
输出典型非线性负荷模拟波形的实现方案是：先采用电能表现场参数记录仪采集各类典型非线性负荷的波形数据，提取同类负荷波形数据中的共有特征成分，然后形成该类负荷的数学模型，再根据数学模型计算得到模拟该类负荷波形的特征数据，最后将各类负荷的特征数据集中，构建一个典型非线性负荷特征数据库，校验时从数据库中取出需要模拟负荷的特征数据作为功率源的信号数源，即可输出具有该类负荷特征的电压电流波形。
复现典型非线性计量环境的实现方案是：先采用电能表现场参数记录仪采集典型非线性负荷的波形数据，再将所采集的数据通过插值拟合，还原成该非线形负荷的原型数据，最后将各类负荷的原型数据集中，构建一个典型非线性计量环境原型数据库，校验时从数据库中取出需要复现负荷的原型数据作为功率源的信号数源，即可复现典型非线性计量环境。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：此方法能够准确模拟和真实复现电能表的运行环境，可以对现场的各种环境因素，包括电压电流信号的谐波、非周期、冲击等进行仿真。其仿真的数据能保存在数据库中，便于电能表在非线性负荷下进行离线校验。
附图说明
图1是本发明电能表实际运行环境仿真校验方法的示意图；
图2是本发明模拟典型非线性负荷的流程图；
图3是本发明典型非线性负荷特征数据库中的电弧炉的平均谐波电流波形；
图4是本发明典型非线性负荷特征数据库中的计算机和打印机组合产生的主要谐波电流波形；
图5是本发明典型非线性负荷特征数据库中的晶闸管控制电抗器产生的谐波电流波形；
图6是本发明典型非线性负荷特征数据库中的6脉波整流器的谐波电流波形；
图7是本发明典型非线性负荷特征数据库中的高压直流换流站的负荷波形；其中，1表示A相谐波电流波形，2表示B相谐波电流波形，3表示C相谐波电流波形；
图8是本发明复现典型非线性计量环境的流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
图1所示是本发明电能表实际运行环境仿真校验方法的示意图。
电能表现场参数记录仪用以采集电能表现场实际运行时的非线性负荷波形数据，并将数据上传给PC机，PC机对数据进行分析处理，分别建立二种数据库，即典型非线性负荷特征数据库和典型非线性计量环境原型数据库。
功率源从上述的典型非线性负荷特征数据库和典型非线性计量环境原型数据库读取所需数据，仿真输出各类非线性负荷的电压和电流波形。电能表校验装置记录检测时电压和电流的具体波形，并接收来自被检表的低频脉冲数据，然后通过通信口将数据传输到PC机中。PC机接收数据后，计算被检表在各类非线性负荷下的计量误差，同时，PC机还可以利用该数据对电能表进行非线性计量环境的各种技术分析和处理。
图2所示是本发明模拟典型非线性负荷的流程图。输出典型非线性负荷模拟波形是通过一下步骤实现的：
步骤1：电能表现场参数记录仪采集各类典型非线性负荷的电压电流波形数据；
步骤2：根据波形的频率、幅值等变化规律将负荷分类；
步骤3：提取同类负荷波形数据中的共有特征成份，分析其中的各次谐波含量；
步骤4：形成该类负荷的数学模型，并由数学模型计算得到模拟该类负荷波形的特征数据；
步骤5：将各类负荷的特征数据进行集中；
步骤6：构建典型非线性负荷特征数据库；
步骤7：功率源以数据库里数据作为信号数源，输出典型非线性负荷的模拟波形。
图3~图7是本发明典型非线性负荷特征数据库中的五种负荷波形。
1、电弧炉产生的谐波电流
电弧炉的伏安特性类似于不规则的四边形，其大小随弧长而变。电流值主要被炉子电缆以及变压器的阻抗所限。那些阻抗对供电电压有缓冲作用，故使电弧负荷呈现为相对稳定的谐波电流源。其平均谐波电流含量为2次谐波4.1%，3次谐波4.5%，4次谐波1.8%，5次谐波2.1%，7次、8次谐波1.0%，9次谐波0.6%，10次谐波0.5%。如图3所示为电弧炉的平均谐波电流波形及谐波含量。
2、单相整流产生的谐波电流
现代电器采用的开关模式电源是将输入整流器直接接到交流电源。在这种情况下又将整流电压变回到很高频率的交流，然后再整流，这样便缺少交流侧电感的平波作用，使窄电流脉冲直接进入交流系统，从而使谐波电流成份大大增加。目前大多数办公用品都是这种类型的负荷。其主要谐波电流含量为3次谐波72%，5次谐波60%，7次谐波41%，9次谐波22.6%。如图4所示为计算机和打印机组合产生的主要谐波电流波形及谐波含量。
3、晶闸管控制电抗器
采用晶闸管控制电抗器的静态无功补偿器在高压输电系统和有些工业设备(如电弧炉)中得到普遍应用。这种装置的主要用途是提供快速电压控制能力以及其他相关的功能。如图5所示为晶闸管控制电抗器产生的谐波电流含量。
4、脉波整流器的谐波电流含量
三相双拍结构可构成6脉波整流器，其产生谐波电流3倍次数的谐波消失，出现的谐波次数为 ，其中次数的谐波为正序，次数的谐波为负序。如图6所示为6脉波整流器的谐波电流波形及含量。
5、高压直流换流站的谐波电流含量
所有谐波电流都不平衡，尤其是3次和9次，而且能产生所有次数的谐波电流。如图7所示为高压直流换流站的负荷波形及谐波含量，图中1、2、3分别为A、B、C相谐波电流。其各相谐波含量如下表所示：
| 谐波次数 | A相(%) | B相(%) | C相(%) |
| 2 | 0.5 | 0.7 | 1.0 |
| 3 | 2.9 | 0.3 | 1.0 |
| 4 | 0.6 | 0.3 | 0.4 |
| 5 | 0.25 | 0.15 | 0.25 |
| 6 | 0.25 | 0.30 | 0.35 |
| 7 | 0.15 | 0.15 | 0.1 |
| 8 | 0 | 0.05 | 0.1 |
| 9 | 0.05 | 0.05 | 0.15 |
| 10 | 0.05 | 0.05 | 0.02 |
| 11 | 0.1 | 0.15 | 0.1 |
| 12 | 0.15 | 0.05 | 0.15 |
| 13 | 0.05 | 0.05 | 0.05 |
| 14 | 0.05 | 0.05 | 0.05 |
| 15 | 0.15 | 0 | 0 |
| 16 | 0 | 0.1 | 0.1 |
| 17 | 0.3 | 0.5 | 0.3 |
| 18 | 0 | 0.05 | 0.02 |
| 19 | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| 20 | — | — | — |
| 21 | — | — | — |
| 22 | 0.2 | 0.2 | 0.5 |
| 23 | 0.4 | 0.2 | 0.3 |
| 24 | 0.2 | 0.2 | 0.15 |
图8是本发明复现典型非线性计量环境的流程图。复现典型非线性计量环境是通过以下步骤实现的：
步骤1：电能表现场参数记录仪采集非线性负荷的电压电流波形，采样周期为20ms，每周期采集1000个瞬时值，采样时间3分钟；
步骤2：将3分钟内的离散数据上传至PC机；
步骤3：PC机通过指数插值，估算出在离散点其他处的近似值，得到每周期10000个点的离散值；
步骤4：将各负荷数据进行集中；
步骤5：构建典型非线性计量环境原型数据库；
步骤6：功率源以数据库里数据作为信号数源，复现典型非线性计量环境。
本发明中涉及的未说明部分与现有技术相同或采用现有技术加以实现。
Claims (5)
1.一种电能表实际运行环境的仿真校验方法，其特征在于，所述方法以典型非线性负荷特征数据库和典型非线性负荷计量环境原型数据库里的数据作为电能表校验装置功率源里功率源的信号数源，用以模拟和复现电能表的实际运行环境，进而考核其在各类实际非线性负荷运行环境下的性能指标，实现非线性负荷电能表实际运行环境下的仿真校验。
2.根据权利要求1所述的一种电能表实际运行环境的仿真校验方法，其特征在于，所述典型非线性负荷特征数据库，是采用电能表现场参数记录仪采集各类典型非线性负荷的波形数据，提取同类负荷波形数据中的共有特征成分，然后形成该类负荷的数学模型，再根据数学模型计算得到模拟该类负荷波形的特征数据，最后将各类负荷的特征数据集中，构建一个典型非线性负荷特征数据库；校验时从数据库中取出需要模拟负荷的特征数据作为功率源的信号数源，即可输出具有该类负荷特征的输出典型非线性负荷模拟波形。
3.根据权利要求1所述的一种电能表实际运行环境的仿真校验方法，其特征在于，所述典型非线性负荷计量环境原型数据库，是采用电能表现场参数记录仪采集典型非线性负荷的波形数据，再将所采集的数据通过插值拟合，还原成该非线形负荷的原型数据，最后将各类负荷的原型数据集中，构建一个典型非线性计量环境原型数据库；校验时从数据库中取出需要复现负荷的原型数据作为功率源的信号数源，即可复现该非线性计量环境。
4.根据权利要求2所述的一种电能表实际运行环境的仿真校验方法，其特征在于，所述输出典型非线性负荷模拟波形的实现步骤为：
（1）电能表现场参数记录仪采集各类典型非线性负荷的电压电流波形数据；
（2）根据波形的频率、幅值等变化规律将负荷分类；
（3）提取同类负荷波形数据中的共有特征成份，分析其中的各次谐波含量；
（4）形成该类负荷的数学模型，并由数学模型计算得到模拟该类负荷波形的特征数据；
（5）将各类负荷的特征数据进行集中；
（6）构建典型非线性负荷特征数据库；
（7）功率源以数据库里数据作为信号数源，输出典型非线性负荷的模拟波形。
5.根据权利要求3所述的一种电能表实际运行环境的仿真校验方法，其特征在于，所述复现该非线性计量环境的实现步骤为：
（1）电能表现场参数记录仪采集非线性负荷的电压电流波形，采样周期为20ms，每周期采集1000个瞬时值，采样时间3分钟；
（2）将3分钟内的离散数据上传至PC机；
（3）PC机通过指数插值，估算出在离散点其他处的近似值，得到每周期10000个点的离散值；
（4）将各负荷数据进行集中；
（5）构建典型非线性计量环境原型数据库；
（6）功率源以数据库里数据作为信号数源，复现典型非线性计量环境。
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