CN104459597A - 一种非线性负荷下电能计量技术分析平台 - Google Patents

Abstract

一种非线性负荷下电能计量技术分析平台，包括电能表波形采集校验装置，信号发生装置和带软件分析工具包的PC机。所述信号发生装置采用了以DSP为核心，每路电压电流均配置双D/A的接口方式、控制用MCU的新型功率信号源硬件架构的0.05级基波电能表校验装置；所述装置的功率源设计了先进的功放电路，电压部分采用PA93集成功率放大器，电流部分设计采用了一种直流宽频电流互感器的跨导电流功率放大器；装置的测试单元设计了带电子补偿的仪用互感器，采用了24位的高性能A/D，和32位的高速DSP及6层PCB板技术，设计了可高速、稳定运行的数字处理板。非线性负荷下电能计量技术分析平台的建立实现了对新电能计量原理算法的测试与验证。

Description

一种非线性负荷下电能计量技术分析平台

技术领域    

本发明涉及一种非线性负荷下电能计量技术分析平台，属电力计量技术领域。

背景技术    

现代电力系统中，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臵的广泛应用，使工业非线性负载迅速增加。另外，由于空调、冰箱等家用电器越来越多地采用变频等电力电子技术，使民用负荷也日益呈现出非线形化的趋势。对于非线性负荷，我们可以将其分成2类：一类称之为谐波源负荷，其信号特征是存在波形畸变，但信号的周波频率在短时间内基本稳定，可以看成是周期信号；另一类我们将其称为广义非线性负荷，其信号特征是畸变+动态，即其信号不仅存在波形畸变，也呈现明显的动态特征，包括周波频率的连续波动和信号幅值的快速大幅变化等。

目前，国内已有10多家电能表生产企业生产具有基（谐）波电能计量功能的电能表，除少数厂家的产品采用滤波器方法得到基波电能外，大多数厂家的产品采用的还是传统的快速傅里叶算法。该方法可有效应用于谐波源负荷的电能计量，而在广义非线性负荷环境下，信号频率的快速波动等扰动因素会对其计量准确性产生影响。基于此，近年来国内外也提出了一些新的电能计量算法。

现阶段，非线性负荷计量环境下的电能表校验仍为常规的标准表法，该方法在非线性负荷计量环境下校表存在以下缺陷：⑴应用于非线性负荷的新计量算法（如小波变换法、正交变换法）不断提出，以标准表法检定新算法表计，无法避免因算法不同导致的计量原理性误差；⑵标准表法校验只出结果，不记录校验过程量，在事后离线状态下，无法对校验结果做进一步的技术分析；⑶标准表法校验时，标准表必须与被检表同步运行，因实时性限制，无法采用那些性能优良但较为复杂的计量算法计算标准电能。

发明内容    

本发明的目的是，为解决在非线性负荷环境下进行电能计量相关研究时，缺乏有效技术分析手段及相应设备等问题，本发明提出一种非线性负荷下电能计量技术分析平台。

实现本发明的技术方案是，非线性负荷下电能计量技术分析平台由信号发生装置、电能表波形采集校验装置和带软件分析工具包的PC机3部分组成。

信号发生装置，用于输出测试电能表所需的各种电压电流波形，它既可以按用户设置输出各种频率波动波形和幅值波动波形，也可以根据分析工具中所建立的典型波形数据库中数据源，模拟或复现输出各类非线性负荷的电压电流波形。

电能表波形采集校验装置，用于采集现场各种工况下的电压电流波形数据，及被校表输出的低频脉冲数据，传输到 PC 机，形成典型波形数据库的数据源。

带软件分析工具包的PC机，用于实施被校电能表计量误差计算以及非线性计量环境的各种技术分析。

所述信号发生装置的三相电压、三相电流的端子与被校电能表的三相电压及三相电流的相应端子相连接；电能表波形采集校验装置的电压端子分别与信号发生装置和被校电能表的同相电压端子相连接，电能表波形采集校验装置的各相电流输入端与信号发生装置的各相电流的输出端相连接，电能表波形采集校验装置的各相电流输出端与被校电能表的各相电流输入端相连接，信号发生装置的各相电流的输入端与被校电能表的各相电流输出端相连接；电能表波形采集校验装置的高速通信口接信号发生装置的通信口；被校电能表的FL端接电能表波形采集校验装置的被校电能表低频脉冲输入端；带软件分析工具包的PC机通信口与电能表波形采集校验装置的高速通信口互联。

所述信号发生装置采用了以DSP为核心，每路电压电流均配置双D/A的接口方式、控制用MCU的新型功率信号源硬件架构的0.05级基波电能表校验装置；

所述装置的功率源设计了先进的功放电路，电压部分采用PA93集成功率放大器，电流部分设计采用了一种直流宽频电流互感器的跨导电流功率放大器；装置的测试单元设计了带电子补偿的仪用互感器，采用了24位的高性能A/D，和32位的高速DSP及6层PCB板技术，设计了可高速、稳定运行的数字处理板。

所述软件分析工具包支持2 类分析工具：一类是电力谐波和间谐波分析工具，包括：傅里叶变换与加窗插值傅里叶变换方法、dq变换方法、小波变换方法和S变换方法；另一类是电力系统暂态信号分析工具，包括：小波变换方法、S 变换方法和希尔伯特-黄变换方法。

本发明的有益效果是，非线性负荷下电能计量技术分析平台的建立实现了对新电能计量原理算法的测试与验证；对采用新电能计量原理算法的电能表以与其相同的原理算法进行校验；在同一计量环境下比对各计量原理或算法模型的计量差异；为非线性负荷及各类暂态和稳态扰动环境下研究其对运行电能表计量状况的影响提供了分析平台，填补了国内外在专用电能计量现场技术分析工具方面的技术空白。

附图说明    

图1为非线性负荷下电能计量技术分析平台工作原理示意图；

图2为信号发生装置硬件原理框图。

具体实施方式

本发明非线性负荷下电能计量技术分析平台工作原理如附图1所示，该分析平台由U1信号发生装置、U3电能表波形采集校验装置、U4软件分析工具包三部分组成。U1为分析平台的标准功率信号源，该信号源用于产生电能表校验，各类暂态、稳态扰动环境和现场运行工况的各种波形输出。U2为分析平台中被校准的电能表。U3为分析平台的采集工具，用于对现场运行的电能表进行现场校验和采集被校电能表现场运行工况下的各种电参数及波形。U4为分析平台的软件分析工具包，用于对采集到的各类负荷波形的数据分析及电能表原理算法的验证和同一环境下各计量原理或算法模型的计量差异的比较。

在对电能表进行校验和数据采集时，图1分析平台工作原理示意图中用到U2和U3,接线如图中所示把U2、U3的电压接口并联， U2、U3的电流串联，并把U2的脉冲信号接入到U3，此时可实现对现场运行电能表的进行校验和实际运行工况的线路波形数据采集存储。

将上述U3采集存储的数据送U4，在软件分析工具包的支持下，开展各种计算与分析工作，包括计算被校表计量误差，分析现场计量环境因素对被校表计量的影响及所需的稳态畸变和暂态扰动等各方面的技术分析。

把U3采集存储的数据送U1，形成信号发生装置中的典型波形数据库中的数据源。测试时按图1的方式连接各仪器后，通过U1模拟或复现输出典型波形数据库中的各类负荷下的电压电流波形，实现对新电能计量原理算法的测试与验证；对采用新电能计量原理算法的电能表以与其相同的原理算法进行校验；在同一计量环境下比对各计量原理或算法模型的计量差异。

   信号发生装置硬件原理框图如图2所示。信号发生装置由人机对话操作单元U11、宽频功放单元U12、测试计算单元U13和输出接口单元U14组成；宽频功放单元的各相电压端子与测试计算单元、输出接口单元的同相电压端子连接；宽频功放单元的各相电流的输入端（I⁺a、I⁺b、I⁺c）连接输出接口单元的各相电流的输出端（I⁺a、I⁺b、I⁺c），宽频功放单元的各相电流的输出端（I^-a、I^-b、I^-c）连接测试计量单元各相电流的输入端（I^-a、I^-b、I^-c），测试计量单元各相电流的输出端（I^-a、I^-b、I^-c）连接输出接口单元各相电流的各相电流的输入端（I⁺a、I⁺b、I⁺c）；人机对话操作单元分别连接宽频功放单元和测试计量单元。

U11人机操作单元，由上位机操作软件和工业计算机组成。

U12宽频功放单元摒弃了目前计量装置的信号源在设计上普遍采用DDS直接数字合成的技术，即将标准的基波波形存储在ROM中，合成的谐波波形存放在RAM中，以锁相倍频（对信号频率）输出逐一寻址RAM，送D/A产生波形的方式，设计采用了以DSP为核心，每路均配置双D/A接口、控制部分采用另一MCU的新型功率信号源硬件架构。

U13测试计量单元在测量前端设计了带电子补偿的仪用互感器，并采用6个24位高性能A/D的方式，保证了0.05级基波电能计量的准确度。为确保本装置设计的高准确度基波谐波提取技术的实现，计量部分采用32位高速浮点DSP和6层PCB板等技术，设计实现了可靠、高速、稳定运行的计量算法处理板。

Claims (7)

1.一种非线性负荷下电能计量技术分析平台，包括电能表波形采集校验装置，其特征在于，所述平台还包括：

信号发生装置，用于输出测试电能表所需的各种电压电流波形；

带软件分析工具包的PC机，用于实施被校电能表计量误差计算以及非线性计量环境的各种技术分析。

2.根据权利要求1所述的非线性负荷下电能计量技术分析平台，其特征在于，所述信号发生装置采用了以DSP为核心，每路电压电流均配置双D/A的接口方式、控制用MCU的新型功率信号源硬件架构的0.05级基波电能表校验装置；

所述装置的功率源设计了先进的功放电路，电压部分采用PA93集成功率放大器，电流部分设计采用了一种直流宽频电流互感器的跨导电流功率放大器；装置的测试单元设计了带电子补偿的仪用互感器，采用了24位的高性能A/D，和32位的高速DSP及6层PCB板技术，设计了可高速、稳定运行的数字处理板。

3.根据权利要求1所述的非线性负荷下电能计量技术分析平台，其特征在于，所述软件分析工具包支持2 类分析工具：一类是电力谐波和间谐波分析工具，包括：傅里叶变换与加窗插值傅里叶变换方法、dq变换方法、小波变换方法和S变换方法；另一类是电力系统暂态信号分析工具，包括：小波变换方法、S 变换方法和希尔伯特-黄变换方法。

4.根据权利要求1所述的非线性负荷下电能计量技术分析平台，其特征在于，所述信号发生装置的三相电压、三相电流的端子与被校电能表的三相电压及三相电流的相应端子相连接；电能表波形采集校验装置的电压端子分别与信号发生装置和被校电能表的同相电压端子相连接，电能表波形采集校验装置的各相电流输入端与信号发生装置的各相电流的输出端相连接，电能表波形采集校验装置的各相电流输出端与被校电能表的各相电流输入端相连接，信号发生装置的各相电流的输入端与被校电能表的各相电流输出端相连接；电能表波形采集校验装置的高速通信口接信号发生装置的通信口；被校电能表的FL端接电能表波形采集校验装置的被校电能表低频脉冲输入端；带软件分析工具包的PC机通信口与电能表波形采集校验装置的高速通信口互联。

5.根据权利要求2所述的非线性负荷下电能计量技术分析平台，其特征在于，所述信号发生装置由人机对话操作单元、宽频功放单元、测试计算单元和输出接口单元组成；宽频功放单元的各相电压端子与测试计算单元、输出接口单元的同相电压端子连接；宽频功放单元的各相电流的输入端（I⁺a、I⁺b、I⁺c）连接输出接口单元的各相电流的输出端（I⁺a、I⁺b、I⁺c），宽频功放单元的各相电流的输出端（I^-a、I^-b、I^-c）连接测试计量单元各相电流的输入端（I^-a、I^-b、I^-c），测试计量单元各相电流的输出端（I^-a、I^-b、I^-c）连接输出接口单元各相电流的各相电流的输入端（I⁺a、I⁺b、I⁺c）；人机对话操作单元分别连接宽频功放单元和测试计量单元。

6.根据权利要求5所述的非线性负荷下电能计量技术分析平台，其特征在于，所述宽频功放单元将标准的基波波形存储在ROM中，合成的谐波波形存放在RAM中，以锁相倍频输出逐一寻址RAM，送D/A产生波形的方式。

7.根据权利要求5所述的非线性负荷下电能计量技术分析平台，其特征在于，所述测试单元采用了带电子补偿的仪用互感器，采用了24位的高性能A/D，和32位的高速DSP及6层PCB板技术，设计了高速、稳定运行的数字处理板。