CN106226723B - 一种面向复杂非线性负载环境的电能计量模拟分析系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向复杂非线性负载环境的电能计量模拟分析系统，所述系统包括：非线性负载模块，综合考虑节能灯、逆变器、变频器的运行特性，既可以实现单体负载的模拟，也可以实现负载的组合模拟；电源模块，模拟多种不同复杂条件下的电网电源工况；输电线路模块，模拟实际输电线路的参数，分析电力系统中输电线路对电能计量的影响；变压器模块，能够实现电压等级的变换和损耗的模拟；电能计量模拟模块，能够模拟不同原理、不同性能的电能计量装置，从而得到模拟的电能计量装置在不同模拟工况下测量时间内的电能值；以及电能计量误差分析模块，通过比较电能计量模拟值与电能计量标准值来分别计算多种不同复杂条件下的电能计量误差。
Description
技术领域
本发明涉及计量校准领域，并且更具体地，涉及一种面向复杂非线性负载环境的电能计量模拟分析系统及方法。
背景技术
电能具有使用灵活方便、干净清洁、舒适环保的特点，在现代社会得到了广泛应用，已经成为国民经济和人民生活最重要的能源之一。电能作为一种商品来生产、分配、销售和使用，与其它商品一样，在电能的发电、供电、用电三方之间存在着一个重要的销售与购买的贸易结算问题。电能计量数据正是这一贸易结算的依据，它的准确性与合理性直接影响到三方的经济利益及贸易公平性，已越来越受到贸易各方的重视。除此以外，电能计量还直接关系到电力系统中发电量、线损、煤耗、厂用电、供电量、用电量等各项技术指标的计算。因此，结合电力工业的发展和科技进步，开展对电能计量问题的全面、深入研究对于电力系统中涉及经济、技术、标准等多方面问题的解决和发展具有重要的意义。
近些年，随着电力电子技术的飞速发展和节能环保的迫切需求，传统的简单“电磁式”和“电阻式”用电设备逐渐被新兴“电子式”节能电器所取代。电脑、液晶电视机、节能灯等新型电子设备成为居民必备家用电器，电气化牵引、大型工业用电器和电动汽车等变频变流节能设备得到大规模推广应用，使得电网中节能电器规模化应用的负载点越来越多，传统的线性负荷逐渐向新兴的节能电器类非线性负荷转变。
目前，电力系统中用于电能计量装置设计原理都是基于正弦周期电压、电流信号和三相平衡理论的假设，其理论基础是正弦电路功率理论。大规模节能电器的投入运行，导致电网电能质量污染日趋严重，信号波形严重畸变，三相不平衡的现象也越来越多，使得电网信号具有谐波、三相不平衡、电压与电流剧变等复杂特性。非线性负载的大量投入直接影响着电能计量的准确性与合理性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种面向复杂非线性负载环境的电能计量模拟分析系统，所述系统包括：
非线性负载模块，综合考虑了节能灯、逆变器、变频器的运行特性，既可以实现单体负载的模拟，也可以实现多种不同类型负载的组合模拟；
电源模块，模拟多种不同复杂条件下的电网电源工况，按照电网实际运行工况配置电压等级和电源容量；
输电线路模块，模拟实际输电线路的参数，分析电力系统中输电线路对电能计量的影响；
变压器模块，能够实现电压等级的变换和损耗的模拟，减小变压器损耗对系统中电能计量的影响；
电能计量模拟模块，能够模拟不同原理、不同性能的电能计量装置，从而得到模拟的电能计量装置在不同模拟工况下测量时间内的电能计量模拟值；以及
电能计量误差分析模块，通过比较电能计量模拟值与电能计量标准值来分别计算多种不同复杂条件下的电能计量误差。
优选地，其中电源模块能够模拟三相不平衡、非正弦、间谐波以及、闪变工况。
优选地，其中所述电能计量模拟模块模拟全波电能计量装置，经过电压电流采样模块分别得到电压采样信号和电流采样信号后，通过A/D转换模块将所得电压采样信号和电流采样信号分别转换为两个数字信号，之后经过乘法器模块和数字积分器模块的处理，再通过误差补偿模块对计算出的电能值进行校准补偿，从而得到模拟的全波电能计量装置在测量时间内的电能计量模拟值。
优选地，其中A/D转换模块能够设置转换的数字信号的位数，从而仿真不同精度的A/D转换单元对电能计量准确度带来的影响。
优选地，其中所述电能计量模拟模块模拟基波电能计量装置，经过电压电流采样模块分别得到电压采样信号和电流采样信号后，通过A/D转换模块将所得电压采样信号和电流采样信号分别转换为两个数字信号，之后经过乘法器模块和数字积分器模块的处理，再通过误差补偿模块对计算出的电能值进行校准补偿，从而得到模拟的基波电能计量装置在测量时间内的电能计量模拟值。优选地，其中所述低通滤波处理用于滤除高于50Hz的高频分量。
优选地，其中所述电能计量模拟模块模拟谐波电能计量装置，经过电压电流采样模块分别得到电压采样信号和电流采样信号后，通过A/D转换模块将所得电压采样信号和电流采样信号分别转换为数字信号，之后经过快速傅氏变换(Fast FourierTransformation，FFT)计量模块的处理，得到分相各次的谐波电能、正反不同方向的谐波电能，再通过误差补偿模块对计算出的电能值进行校准补偿，从而得到模拟的谐波电能计量装置在测量时间内的电能计量模拟值。
优选地，其中所述电能计量误差分析模块能够分析非线性负载、输电线路和电源工况对电能计量的影响，研究不同环境下各种因素对电能计量带来的误差。
根据本发明的另一方面，本发明提供了一种面向复杂非线性负载环境的电能计量模拟分析方法，所述方法包括：
根据至少一个非线性负载中每个非线性负载的运行特性，设置不同模拟环境下非线性负载的运行参数；
模拟多种不同复杂条件下的电网电源工况，按照电网实际运行工况配置电压等级和电源容量；
模拟实际输电线路的参数，分析电力系统中输电线路对电能计量的影响；
实现电压等级的变换和损耗的模拟，减小变压器损耗对系统中电能计量的影响；
对电压和电流分别进行采样得到电压采样信号和电流采样信号；
将上述所得电压采样信号和电流采样信号分别经过A/D转换运算，转换为两个数字信号；
对上述所得两个数字信号进行计算得到模拟的电能计量装置的电能计量模拟值并对其进行校准补偿；以及
通过比较电能计量模拟值与电能计量标准值来分别计算多种不同复杂条件下的电能计量误差。
优选地，其中所述非线性负载包含节能灯、逆变器以及变频器。
优选地，其中所述电网电源工况包括三相不平衡、非正弦、间谐波以及闪变工况。
优选地，其中所述A/D转换运算能够设置转换的位数，从而仿真不同精度的A/D转换运算对电能计量准确度带来的影响。
优选地，其中所述模拟的电能计量装置的电能计量模拟值包括：模拟的全波电能计量装置的电能计量模拟值、模拟的基波电能计量装置的电能计量模拟值和模拟的谐波电能计量装置的电能计量模拟值。
优选地，其中所述模拟的全波电能计量装置的电能计量模拟值的计算包括在A/D转换运算后，将所得的两个数字信号进行乘法器运算和积分器运算来得到模拟的电能值并对其进行校准补偿，从而得到模拟的全波电能计量装置的电能计量模拟值。
优选地，其中所述模拟的基波电能计量装置的电能计量模拟值的计算包括在A/D转换运算前对所得采样信号分别进行低通滤波处理，然后将经过A/D转换运算所得的两个数字信号进行乘法器运算和积分器运算来得到模拟的电能值并对其进行校准补偿，从而得到模拟的基波电能计量装置的电能计量模拟值。
优选地，其中所述低通滤波处理用于滤除高于50Hz的高频分量。
优选地，其中所述模拟的谐波电能计量装置的电能计量模拟值的计算包括在A/D转换运算后，将所得的两个数字信号进行FFT计量得到模拟的电能值并对其进行校准补偿，从而得到模拟的谐波电能计量装置的电能计量模拟值。
本发明的有益效果在于：
在实际电能计量过程中，计量方法本身的误差、A/D转换误差、传感器误差和节能电器谐波等都会影响电能的准确性和合理计量。由于电能计量过程中误差产生因素较多，因此构建包含变频器、逆变器、电动汽车充电桩等非线性负载的运行环境，同时构建包括电压、电流传感器、A/D转换器、滤波网络在内的电能计量模型，利用该系统可以灵活地对不同负载、不同电源、不同电子器件、不同计量方法给电能计量带来的误差进行分析，对保证复杂负载环境的电能计量精度，具有重要意义。
附图说明
通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：
图1为根据本发明实施方式的电能计量模拟分析系统100的结构示意图；
图2为根据本发明实施方式的电能计量模拟分析系统中全波电能计量模拟模块200的结构示意图；
图3为根据本发明实施方式的电能计量模拟分析系统中基波电能计量模拟模块300的结构示意图；
图4为根据本发明实施方式的电能计量模拟分析系统中谐波电能计量模拟模块400的结构示意图；
图5为根据本发明实施方式的电能计量模拟分析系统中电能计量误差分析流程500的结构示意图；以及
图6为根据本发明实施方式的电能计量模拟分析方法600的结构示意图。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
图1为根据本发明实施方式的电能计量模拟分析系统100的结构示意图。如图1所示，电能计量模拟分析系统100包括：非线性负载模块101、电源模块102、输电线路模块103、变压器模块104、电能计量模拟模块105、电能计量误差分析模块106、电能计量误差单元107、标准理论值计算模块108和计量点109。优选地，非线性负载模块101综合考虑了节能灯、逆变器、变频器的运行特性，既可以实现单体负载的模拟，也可以实现多种不同类型负载的组合模拟。
优选地，电源模块102模拟多种不同复杂条件下的电网电源工况，按照电网实际运行工况配置电压等级和电源容量。优选地，电源模块102可以模拟三相不平衡、非正弦、间谐波以及、闪变工况。
优选地，输电线路单元103模拟实际输电线路的参数，分析电力系统中输电线路对电能计量的影响。
优选地，变压器模块104能够实现电压等级的变换和损耗的模拟，减小变压器损耗对系统中电能计量的影响。
优选地，电能计量模拟模块105能够模拟不同原理、不同性能的电能计量装置，从而得到模拟的电能计量装置在不同模拟工况下测量时间内的电能计量模拟值。
优选地，其中所述电能计量模拟模块105可以模拟全波电能计量装置，如图所示。图2为根据本发明实施方式的电能计量模拟分析系统中全波电能计量模拟模块200的结构示意图。经过电压电流采样模块(即图2中的U、I采样模块)分别得到电压采样信号和电流采样信号后，通过A/D转换模块将所得电压采样信号和电流采样信号分别转换为两个数字信号，之后经过乘法器模块和数字积分器模块的处理，再通过误差补偿模块对计算出的电能值进行校准补偿，从而得到模拟的全波电能计量装置在测量时间内的电能计量模拟值。优选地，其中A/D转换模块能够设置转换的数字信号的位数，从而仿真不同精度的A/D转换单元对电能计量准确度带来的影响。
优选地，其中所述电能计量模拟模块105可以模拟基波电能计量装置，如图所示。图3为根据本发明实施方式的电能计量模拟分析系统中基波电能计量模拟模块300的结构示意图。经过电压电流采样模块分别得到电压采样信号和电流采样信号后，通过A/D转换模块将所得电压采样信号和电流采样信号分别转换为两个数字信号，之后经过乘法器模块和数字积分器模块的处理，再通过误差补偿模块对计算出的电能值进行校准补偿，从而得到模拟的基波电能计量装置在测量时间内的电能计量模拟值。优选地，其中所述低通滤波处理用于滤除高于50Hz的高频分量。
优选地，其中所述电能计量模拟模块105可以模拟谐波电能计量装置，如图所示。图4为根据本发明实施方式的电能计量模拟分析系统中谐波电能计量模拟模块400的结构示意图。经过电压电流采样模块分别得到电压采样信号和电流采样信号后，通过A/D转换模块将所得电压采样信号和电流采样信号分别转换为数字信号，之后经过FFT计量模块的处理，得到分相各次的谐波电能、正反不同方向的谐波电能，再通过误差补偿模块对计算出的电能值进行校准补偿，从而得到模拟的谐波电能计量装置在测量时间内的电能计量模拟值。
图5为根据本发明实施方式的电能计量模拟分析系统中电能计量误差分析流程500的结构示意图。如图5所示，电能计量误差分析模块106通过比较电能计量模拟值与标准理论值计算模块108计算出来的电能计量标准值来分别计算多种不同复杂条件下的电能计量误差并存储于电能计量误差单元107。优选地，其中所述电能计量误差分析模块106能够分析非线性负载、输电线路和电源工况对电能计量的影响，研究不同环境下各种因素对电能计量带来的误差。
优选地，计量点109用于对各种计量数据进行暂存以供电能计量模拟模块105进行使用。
图6为根据本发明实施方式的电能计量模拟分析方法600的结构示意图。如图6所示，在步骤601根据至少一个非线性负载中每个非线性负载的运行特性，设置不同模拟环境下非线性负载的运行参数。优选地，其中所述非线性负载包含节能灯、逆变器以及变频器。
优选地，在步骤602模拟多种不同复杂条件下的电网电源工况，按照电网实际运行工况配置电压等级和电源容量。优选地，其中所述电网电源工况包括三相不平衡、非正弦、间谐波以及闪变工况。
优选地，在步骤603模拟实际输电线路的参数，分析电力系统中输电线路对电能计量的影响。
优选地，在步骤604实现电压等级的变换和损耗的模拟，减小变压器损耗对系统中电能计量的影响。
优选地，在步骤605对电压和电流分别进行采样得到电压采样信号和电流采样信号。
优选地，在步骤606将上述所得电压采样信号和电流采样信号分别经过A/D转换运算，转换为两个数字信号。优选地，其中所述A/D转换运算能够设置转换的位数，从而仿真不同精度的A/D转换运算对电能计量准确度带来的影响。
优选地，在步骤607对上述所得两个数字信号进行计算得到模拟的电能计量装置的电能计量模拟值并对其进行校准补偿。优选地，其中所述模拟的电能计量装置的电能计量模拟值包括：模拟的全波电能计量装置的电能计量模拟值、模拟的基波电能计量装置的电能计量模拟值和模拟的谐波电能计量装置的电能计量模拟值。
优选地，其中所述模拟的全波电能计量装置的电能计量模拟值的计算包括在步骤605和步骤606后，将所得的两个数字信号进行乘法器运算和积分器运算来得到模拟的电能值并对其进行校准补偿，从而得到模拟的全波电能计量装置的电能计量模拟值。
优选地，其中所述模拟的基波电能计量装置的电能计量模拟值的计算包括在步骤605和步骤606之间对所得采样信号分别进行低通滤波处理，然后将经过步骤606所得的两个数字信号进行乘法器运算和积分器运算来得到模拟的电能值并对其进行校准补偿，从而得到模拟的基波电能计量装置的电能计量模拟值。
优选地，其中所述模拟的谐波电能计量装置的电能计量模拟值的计算包括在步骤605和步骤606后，将所得的两个数字信号进行FFT计量得到模拟的电能值并对其进行校准补偿，从而得到模拟的谐波电能计量装置的电能计量模拟值。
优选地，在步骤608通过比较电能计量模拟值与电能计量标准值来分别计算多种不同复杂条件下的电能计量误差。
已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。
通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。
Claims (17)
1.一种面向复杂非线性负载环境的电能计量模拟分析系统，所述系统包括：
非线性负载模块，与输电线路模块右侧连接的变压器模块相连接，综合考虑了节能灯、逆变器、变频器的运行特性，既可以实现单体负载的模拟，也可以实现多种不同类型负载的组合模拟；
电源模块，与输电线路模块左侧连接的变压器模块相连接，模拟多种不同复杂条件下的电网电源工况，按照电网实际运行工况配置电压等级和电源容量；
输电线路模块，模拟实际输电线路的参数，分析电力系统中输电线路对电能计量的影响；
变压器模块，能够实现电压等级的变换和损耗的模拟，减小变压器损耗对系统中电能计量的影响；
电能计量模拟模块，通过计量点与电源模块和输电线路模块左侧连接的变压器模块相连接，能够模拟不同原理、不同性能的电能计量装置，从而得到模拟的电能计量装置在不同模拟工况下测量时间内的电能计量模拟值；以及
电能计量误差分析模块，分别与电能计量模拟模块和标准理论值计算模块相连接，通过比较电能计量模拟值与电能计量标准值来分别计算多种不同复杂条件下的电能计量误差。
2.根据权利要求1所述的系统，其中电源模块能够模拟三相不平衡、非正弦、间谐波以及闪变工况。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述电能计量模拟模块模拟全波电能计量装置，经过电压电流采样模块分别得到电压采样信号和电流采样信号后，通过A/D转换模块将所得电压采样信号和电流采样信号分别转换为两个数字信号，之后经过乘法器模块和数字积分器模块的处理，再通过误差补偿模块对计算出的电能值进行校准补偿，从而得到模拟的全波电能计量装置在测量时间内的电能计量模拟值。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述A/D转换模块能够设置转换的数字信号的位数，从而仿真不同精度的A/D转换单元对电能计量准确度带来的影响。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述电能计量模拟模块模拟基波电能计量装置，经过电压电流采样模块分别得到电压采样信号和电流采样信号后，通过A/D转换模块将所得电压采样信号和电流采样信号分别转换为两个数字信号，之后经过乘法器模块和数字积分器模块的处理，再通过误差补偿模块对计算出的电能值进行校准补偿，从而得到模拟的基波电能计量装置在测量时间内的电能计量模拟值。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述电能计量模拟模块模拟基波电能计量装置时，还包括：低通滤波处理，用于滤除高于50Hz的高频分量。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述电能计量模拟模块模拟谐波电能计量装置，经过电压电流采样模块分别得到电压采样信号和电流采样信号后，通过A/D转换模块将所得电压采样信号和电流采样信号分别转换为数字信号，之后经过快速傅氏变换FFT计量模块的处理，得到分相各次的谐波电能、正反不同方向的谐波电能，再通过误差补偿模块对计算出的电能值进行校准补偿，从而得到模拟的谐波电能计量装置在测量时间内的电能计量模拟值。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述电能计量误差分析模块能够分析非线性负载、输电线路和电源工况对电能计量的影响，研究不同环境下各种因素对电能计量带来的误差。
9.一种使用如权利要求1所述的面向复杂非线性负载环境的电能计量模拟分析系统实现面向复杂非线性负载环境的电能计量模拟分析的方法，所述方法包括：
步骤1，根据至少一个非线性负载中每个非线性负载的运行特性，设置不同模拟环境下非线性负载的运行参数；
步骤2，模拟多种不同复杂条件下的电网电源工况，按照电网实际运行工况配置电压等级和电源容量；
步骤3，模拟实际输电线路的参数，分析电力系统中输电线路对电能计量的影响；
步骤4，实现电压等级的变换和损耗的模拟，减小变压器损耗对系统中电能计量的影响；
步骤5，对电压和电流分别进行采样得到电压采样信号和电流采样信号；
步骤6，将上述所得电压采样信号和电流采样信号分别经过A/D转换运算，转换为两个数字信号；
步骤7，对上述所得两个数字信号进行计算得到模拟的电能计量装置的电能计量模拟值并对其进行校准补偿；以及
步骤8，通过比较电能计量模拟值与电能计量标准值来分别计算多种不同复杂条件下的电能计量误差。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述非线性负载包含节能灯、逆变器以及变频器。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述电网电源工况包括三相不平衡、非正弦、间谐波以及闪变工况。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述A/D转换运算能够设置转换的位数，从而仿真不同精度的A/D转换运算对电能计量准确度带来的影响。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述模拟的电能计量装置的电能计量模拟值包括：模拟的全波电能计量装置的电能计量模拟值、模拟的基波电能计量装置的电能计量模拟值和模拟的谐波电能计量装置的电能计量模拟值。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述模拟的全波电能计量装置的电能计量模拟值的计算包括在步骤6后，将所得的两个数字信号进行乘法器运算和积分器运算来得到模拟的电能值并对其进行校准补偿，从而得到模拟的全波电能计量装置的电能计量模拟值。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述模拟的基波电能计量装置的电能计量模拟值的计算包括在步骤6之前对所得采样信号分别进行低通滤波处理，然后将经过步骤6所得的两个数字信号进行乘法器运算和积分器运算来得到模拟的电能值并对其进行校准补偿，从而得到模拟的基波电能计量装置的电能计量模拟值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述低通滤波处理用于滤除高于50Hz的高频分量。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述模拟的谐波电能计量装置的电能计量模拟值的计算包括在步骤6后，将所得的两个数字信号进行FFT计量得到模拟的电能值并对其进行校准补偿，从而得到模拟的谐波电能计量装置的电能计量模拟值。
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