CN107202971A - 非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置。本发明采用各相电压功率放大器及各相电流功率放大器分别接收程控信号源输出的代表各相试验电压波形及各相试验电流波形的小电压信号并进行相应电压或电流波形及其功率的放大；量程切换机构根据仿真测试控制平台发送的测试与控制指令分别对各相电压功率放大器及各相电流功率放大器的输出电压或电流信号进行量程调整并输出。本发明利用自定义波形、现场录波输入和电网建模仿真三种方式产生试验电压和试验电流波形，构建非常规低压电网运行的仿真环境，很好地满足了常规电能计量设备在各种电压电流波形条件下计量特性校验的需求。

Description

非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置
技术领域
本发明属于电能计量设备测试技术领域，尤其涉及一种非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置。
背景技术
大量电力电子非线性负荷的使用以及分布式新能源的接入，使得现代低压电网的运行状态与传统常规电网的运行状态有着很大的不同，常规电能计量设备在非常规复杂电网运行环境下的计量准确性问题已经成为供电企业以及社会广大用户十分关注的焦点。但是，目前实验室电能计量设备校验装置通常针对常规电网的运行状态进行运行测试环境及测试功能的设置，所以无法满足复杂电网运行环境再现以及在此环境下实现各种测试功能的要求。因此有必要设计非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置，以满足现代电网发展以及社会电能结算的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置，其能同时提供试验用三相畸变波电压和三相畸变波电流，从而构建低压电网电能计量设备的非常规现场运行仿真环境，并在此环境下实现单相电能表、三相电能表等电能计量设备性能与功能的校准和检测。
为此，本发明采用的技术方案如下：非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置，其特征在于，包括A相电压功率放大器、B相电压功率放大器、C相电压功率放大器、A相电流功率放大器、B相电流功率放大器、C相电流功率放大器、量程切换机构、四表位测试单元、多功能标准电能表、误差计算器、仿真测试控制平台和程控信号源；
所述的仿真测试控制平台包括测试与控制I/O模块、显示模块、电能质量分析模块、仿真波形信号输出模块、自定义波形发生模块、电网建模仿真模块和现场录波输入模块，所述的各模块共享仿真测试控制平台的所有信息数据；
所述的各相电压功率放大器及各相电流功率放大器分别接收程控信号源输出的代表各相试验电压波形及各相试验电流波形的小电压信号并进行相应电压或电流波形及其功率的放大；
所述的量程切换机构根据仿真测试控制平台发送的测试与控制指令分别对各相电压功率放大器及各相电流功率放大器的输出电压或电流信号进行量程调整并输出；
所述的四表位测试单元包括第一被试电能表、第二被试电能表、第三被试电能表和第四被试电能表；
所述的误差计算器分别接收仿真测试控制平台发送的测试与控制指令、多功能标准电能表输出信号和第一被试电能表、第二被试电能表、第三被试电能表及第四被试电能表的输出信号，并进行各被试电能表的误差计算。
本发明利用自定义波形发生模块、电网建模仿真模块和现场录波输入模块产生仿真试验波形，并通过高精度程控信号源及多路独立信号功率放大器构建非常规三相低压电网运行的仿真环境，满足了常规电能计量设备在各种电压电流波形条件下计量特性校验的需求
基于计算机通用软件的电网建模仿真模块在选择搭建分布式新能源、非线性负荷等方面具有相当的灵活性和开放性，这使得本发明具有极强的非常规电网运行仿真环境构造能力，这对现有电能计量设备的校验以及电能计量新原理方法和新设备的研究开发与应用都具有重要意义。将现场录波波形数据作为本发明的仿真试验波形是对实际电网运行环境的直接仿真，这有利于电能计量设备现场故障的还原分析、电网建模仿真准确性的验证等工作。
进一步地，所述的量程切换机构包括A相电压量程切换单元、B相电压量程切换单元、C相电压量程切换单元、A相电流量程切换单元、B相电流量程切换单元和C相电流量程切换单元。
进一步地，所述四表位测试单元中的第一被试电能表、第二被试电能表、第三被试电能表和第四被试电能表为单相电能表或三相电能表，被试单相电能表由A相电压量程切换单元的输出电压和A相电流量程切换单元的输出电流供电，被试三相电能表和多功能标准电能表均由A相电压量程切换单元、B相电压量程切换单元、C相电压量程切换单元的三相输出电压和A相电流量程切换单元、B相电流量程切换单元和C相电流量程切换单元的三相输出电流供电。
本发明同时能满足单相电能表和三相电能表的校验，本发明符合GB/T 11150-2001《电能表检验装置》、JJG 597-2005《交流电能表检定装置检定规程》、JJG 1036-1993《交流电能表检定装置试验规范》、DL/T 460-1992《电能表检定装置检定规程》、DL/T 731-2000《电能表测量用误差计算器》、JG307-2006《交流电能表检定规程》、DL/T614-2007《多功能电能表》、DL/T645-2007《多功能电能表通信规约》等国家和行业标准及相关的计量检定规程的要求。这样的非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置未见有专利和文献报道。
进一步地，所述仿真测试控制平台的测试与控制I/O模块、显示模块、电能质量分析模块、仿真波形信号输出模块和自定义波形发生模块均基于LabVIEW软件实现数据共享和模块相应功能。
进一步地，所述的测试与控制I/O模块实现测试参数的录入功能以及与误差计算器和量程切换机构的通讯功能。
进一步地，所述的自定义波形发生模块、电网建模仿真模块和现场录波输入模块是试验电压波形和试验电流波形的三个仿真波形信号发生源，仿真试验时根据需要选择其中一个模块产生的仿真试验电压波形和试验电流波形信号，并通过仿真波形信号输出模块发送给程控信号源，程控信号源输出代表A相试验电压波形、B相试验电压波形、C相试验电压波形、A相试验电流波形、B相试验电流波形和C相试验电流波形的各个相互独立的小电压信号。
更进一步地，所述的现场录波输入模块具备实际电网计量节点现场波形记录数据的自动导入、分析计算、波形仿真和回放功能。
更进一步地，所述的自定义波形发生模块支持自定义谐波次数、相位幅值与回放时间的试验电压和试验电流谐波波形的功能。
更进一步地，所述的电网建模仿真模块具备自定义非常规低压电网电能计量设备运行环境的功能。
更进一步地，所述的电网建模仿真模块采用Matlab/Simulink仿真软件和StarSim仿真软件进行低压电网的建模仿真，LabVIEW软件与Matlab/Simulink软件和StarSim软件之间设有数据接口。
因此，电网建模仿真模块可以方便地与仿真测试控制平台的其它功能模块进行数据文件的交换，电网建模仿真模块构建的低压电网仿真模型具备选择搭建光伏、风电、典型储能、电动汽车、柴油发电机等典型分布式电源仿真模块以及电气化铁路和变频调速电机等多种特殊负荷模型的功能，并且可组合至少八个节点的分布式电源与负荷接入的微网，设定运行工况和环境变化，选择计量节点并得到计量节点的试验电压电流波形数据文件，同时该模型还具备二次开发能力，满足用户不同模型组合、拓扑结构搭建、计量节点、计量方式变更等的设置需求。仿真测试控制平台的电能质量分析模块对各仿真波形信号以及装置试验波形信号进行分析，从而定量分析本发明仿真测试装置的测试运行环境。显示模块具有仿真模型可视化、仿真试验电压电流输出波形、实际试验电压电流波形、录入测试参数、被试电能表计量性能检测结果等状态信息的展示功能。
本发明可以模拟三相额定基波最大电压380V、三相额定基波最大电流60A、基波频率允许范围为45Hz～65Hz以及三相电压和三相电流存在畸变现象的低压电网电能计量运行环境，并在此环境下实现单相电能表、三相电能表计量性能及功能的校验与检测，电压电流谐波次数高达25次，最大谐波总含量为基波幅值的40％，最高检测准确度单相和三相电能表为0.2级、三相谐波电能表为1级。
本发明具有的有益效果是：(1)分布式新能源的引入以及大量电力电子非线性负荷的使用，使得现代低压电网运行状态与传统常规电网有很大的不同，常规电能计量设备在现有非常规电网运行环境下的计量特性亟需校验，本发明利用自定义波形、现场录波输入和电网建模仿真三种方式产生试验电压和试验电流波形，构建非常规低压电网运行的仿真环境，很好地满足了常规电能计量设备在各种电压电流波形条件下计量特性校验的需求；基于计算机软件的电网建模仿真在组合分布式新能源、非线性负荷等方面具有相当的灵活性和开放性，这使得本发明具有极强的非常规电网运行仿真环境构造能力，这对电能计量设备的校验技术以及设备的研究开发都有重要意义；(2)本发明具有三相非常规试验电压和三相非常规试验电流同时供电的能力，并且每一相电压或电流输出波形都是独立控制的，因此很容易构建各种不同的供电方式，并且量程切换机构能够方便地调整供电电压和电流的量程范围，可以满足各种单相电能表和三相电能表的校验；(3)本发明具有对三相试验电压和试验电流进行电能质量分析和显示功能，因此能实时对非常规低压电网运行仿真环境进行电能质量的定量分析。
附图说明
图1是本发明的结构原理框图；
图中：1-A相电压功率放大器、2-B相电压功率放大器、3-C相电压功率放大器、4-A相电流功率放大器、5-B相电流功率放大器、6-C相电流功率放大器、7-量程切换机构、8-A相电压量程切换单元、9-B相电压量程切换单元、10-C相电压量程切换单元、11-A相电流量程切换单元、12-B相电流量程切换单元、13-C相电流量程切换单元、14-四表位测试单元、15-第一被试电能表、16-第二被试电能表、17-第三被试电能表、18-第四被试电能表、19-多功能标准电能表、20-误差计算器、21-仿真测试控制平台、22-测试与控制I/O模块、23-显示模块、24-电能质量分析模块、25-仿真波形信号输出模块、26-自定义波形发生模块、27-电网建模仿真模块、28-现场录波输入模块、29-程控信号源。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明的非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置，其实施例如图1所示，它包括A相电压功率放大器1、B相电压功率放大器2、C相电压功率放大器3、A相电流功率放大器4、B相电流功率放大器5、C相电流功率放大器6、量程切换机构7、四表位测试单元14、多功能标准电能表19、误差计算器20、仿真测试控制平台21和程控信号源29。
量程切换机构7包括A相电压量程切换单元8、B相电压量程切换单元9、C相电压量程切换单元10、A相电流量程切换单元11、B相电流量程切换单元12和C相电流量程切换单元13。四表位测试单元14包括第一被试电能表15、第二被试电能表16、第三被试电能表17和第四被试电能表18。仿真测试控制平台21包括测试与控制I/O模块22、显示模块23、电能质量分析模块24、仿真波形信号输出模块25、自定义波形发生模块26、电网建模仿真模块27和现场录波输入模块28。
A相电压功率放大器1、B相电压功率放大器2、C相电压功率放大器3、A相电流功率放大器4、B相电流功率放大器5和C相电流功率放大器6分别接收程控信号源29输出的代表A相试验电压波形、B相试验电压波形、C相试验电压波形、A相试验电流波形、B相试验电流波形和C相试验电流波形的小电压信号并进行相应电压或电流波形及其功率的放大，A相电压量程切换单元8、B相电压量程切换单元9、C相电压量程切换单元10、A相电流量程切换单元11、B相电流量程切换单元12和C相电流量程切换单元13根据仿真测试控制平台21发送的测试与控制指令分别对A相电压功率放大器1、B相电压功率放大器2、C相电压功率放大器3、A相电流功率放大器4、B相电流功率放大器5和C相电流功率放大器6的输出电压或电流信号进行量程调整并输出。
四表位测试单元14中的第一被试电能表15、第二被试电能表16、第三被试电能表17和第四被试电能表18可以为单相电能表或三相电能表。被试单相电能表由A相电压量程切换单元8的输出电压和A相电流量程切换单元11的输出电流供电。被试三相电能表由A相电压量程切换单元8、B相电压量程切换单元9、C相电压量程切换单元10的三相输出电压和A相电流量程切换单元11、B相电流量程切换单元12和C相电流量程切换单元13的三相输出电流供电。多功能标准电能表19由A相电压量程切换单元8、B相电压量程切换单元9、C相电压量程切换单元10的三相输出电压和A相电流量程切换单元11、B相电流量程切换单元12和C相电流量程切换单元13的三相输出电流供电。误差计算器20分别接收仿真测试控制平台21发送的测试与控制指令、多功能标准电能表19的输出信号和四表位测试单元14的第一被试电能表15、第二被试电能表16、第三被试电能表17和第四被试电能表18的输出信号，并进行各被试电能表的误差计算。仿真测试控制平台21的测试与控制I/O模块22、显示模块23、电能质量分析模块24、仿真波形信号输出模块25、自定义波形发生模块26、电网建模仿真模块27和现场录波输入模块28共享仿真测试控制平台21的所有信息数据，仿真测试控制平台21的测试与控制I/O模块22、显示模块23、电能质量分析模块24、仿真波形信号输出模块25和自定义波形发生模块26均基于LabVIEW软件实现数据共享和模块相应功能。
测试与控制I/O模块22实现测试参数的录入功能以及与误差计算器20和量程切换机构7的通讯功能，自定义波形发生模块26、电网建模仿真模块27和现场录波输入模块28是本发明试验电压波形和试验电流波形的三个仿真波形信号发生源，仿真试验时根据需要选择其中一个模块产生的仿真试验电压波形和试验电流波形信号，并通过仿真波形信号输出模块25发送给程控信号源29，程控信号源29输出代表A相试验电压波形、B相试验电压波形、C相试验电压波形、A相试验电流波形、B相试验电流波形和C相试验电流波形的各个相互独立的小电压信号。仿真测试控制平台21的现场录波输入模块28具备实际电网计量节点现场波形记录数据的自动导入、分析计算、波形仿真和回放功能。自定义波形发生模块26支持自定义谐波次数、相位幅值与回放时间的试验电压和试验电流谐波波形的功能。电网建模仿真模块27具备自定义非常规低压电网电能计量设备运行环境的功能，电网建模仿真模块27采用Matlab/Simulink仿真软件和StarSim仿真软件进行低压电网的建模仿真，LabVIEW软件与Matlab/Simulink软件和StarSim软件之间设有数据接口，因此电网建模仿真模块27可以方便地与仿真测试控制平台21的其它功能模块进行数据文件的交换，电网建模仿真模块27构建的低压电网仿真模型具备选择搭建光伏、风电、典型储能、电动汽车、柴油发电机等典型分布式电源仿真模块以及电气化铁路和变频调速电机等多种特殊负荷模型的功能，并且可组合至少八个节点的分布式电源与负荷接入的微网，设定运行工况和环境变化，选择计量节点并得到计量节点的试验电压电流波形数据文件，同时该模型还具备二次开发能力，满足用户不同模型组合、拓扑结构搭建、计量节点、计量方式变更等的设置需求。仿真测试控制平台21的电能质量分析模块24对各仿真波形信号以及装置试验波形信号进行分析，从而定量分析装置的测试运行环境。显示模块23具有仿真模型可视化、仿真试验电压电流输出波形、实际试验电压电流波形、录入测试参数、被试电能表计量性能检测结果等状态信息的展示功能。
本实施例具体设计参数为：本发明能构建三相电压和三相电流存在畸变现象的低压电网电能计量运行环境，并在此环境下实现单相电能表、三相电能表计量性能及功能的校验与检测。A相电压功率放大器1、B相电压功率放大器2、C相电压功率放大器3、A相电流功率放大器4、B相电流功率放大器5和C相电流功率放大器6的准确度均为0.05级，各功率放大器的输出失真度小于0.3％，输出容量大于100VA，负载特性包括阻性、感性和容性，输出功率稳定度小于0.02％/120s，并可输出高达25次电压或电流谐波分量，最大累积谐波含量小于基波分量的40％；A相电压功率放大器1、B相电压功率放大器2和C相电压功率放大器3的输出电压量程为57.7V和220V两档，调节范围0～120％，调节细度优于0.001％；各功率放大器的输出频率调节范围为45～65Hz、调节细度优于0.01Hz，输出相位调节范围为0～359.99°、调节细度0.01°，三相输出电压不对称度优于0.2％，三相输出电流不对称度优于0.5％；A相电流功率放大器4、B相电流功率放大器5和C相电流功率放大器6的输出电流量程范围为0.1A～60A，调节范围0～120％，调节细度优于0.001％，最小启动电流输出为0.5mA，准确度优于5％。A相电压量程切换单元8、B相电压量程切换单元9和C相电压量程切换单元10的电压切换量程为60、120V、240V和380V四档，A相电流量程切换单元11、B相电流量程切换单元12和C相电流量程切换单元13的电流切换量程为0～60A；多功能标准电能表19准确度为0.02级，其电压量程为60、120V、240V和380V四档，电流量程为0～100A；四表位测试单元14的每个表位提供多路脉冲输入接口和485通讯口；仿真测试控制平台21通过误差计算器20读取多功能标准电能表19输出的各种电参数数据并在显示模块23进行显示和监视，读出的电压准确度为0.05％、显示位数为6位、分辨率0.001V，电流准确度为0.05％、显示位数为6位、分辨率0.0001A，有功功率准确度为0.05％、无功功率准确度为0.1％，功率因数测量范围为-1.0～0～1.0、准确度为0.05％、显示位数为5位、分辨率0.0001，相位测量范围为0～360°、准确度为0.05°、显示位数为6位、分辨率为0.001°，频率测量准确度为0.02％、显示位数为6位、分辨率为0.0001Hz；在Windows 7操作系统下仿真测试控制平台21中的电网建模仿真模块27采用Matlab/Simulink仿真软件和StarSim软件，支持至少八个节点的分布式电源与负荷接入的微网仿真计算，每个节点含分布式电源和特殊负荷；测试与控制I/O模块22、显示模块23、电能质量分析模块24、仿真波形信号输出模块25和自定义波形发生模块26的功能通过LabVIEW实时仿真软件实现，仿真波形数据文件采用*.csv、*.tdms、*.mat inASCII等格式，测试与控制I/O模块22实现测试参数的录入功能。
本发明的仿真测试装置符合GB/T 11150-2001《电能表检验装置》、JJG 597-2005《交流电能表检定装置检定规程》、JJG 1036-1993《交流电能表检定装置试验规范》、DL/T460-1992《电能表检定装置检定规程》、DL/T 731-2000《电能表测量用误差计算器》、JG307-2006《交流电能表检定规程》、DL/T614-2007《多功能电能表》、DL/T645-2007《多功能电能表通信规约》等国家和行业标准及相关的计量检定规程的要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置，其特征在于，包括A相电压功率放大器(1)、B相电压功率放大器(2)、C相电压功率放大器(3)、A相电流功率放大器(4)、B相电流功率放大器(5)、C相电流功率放大器(6)、量程切换机构(7)、四表位测试单元(14)、多功能标准电能表(19)、误差计算器(20)、仿真测试控制平台(21)和程控信号源(29)；
所述的仿真测试控制平台(21)包括测试与控制I/O模块(22)、显示模块(23)、电能质量分析模块(24)、仿真波形信号输出模块(25)、自定义波形发生模块(26)、电网建模仿真模块(27)和现场录波输入模块(28)，所述的各模块共享仿真测试控制平台的所有信息数据；
所述的各相电压功率放大器及各相电流功率放大器分别接收程控信号源(29)输出的代表各相试验电压波形及各相试验电流波形的小电压信号并进行相应电压或电流波形及其功率的放大；
所述的量程切换机构(7)根据仿真测试控制平台(21)发送的测试与控制指令分别对各相电压功率放大器及各相电流功率放大器的输出电压或电流信号进行量程调整并输出；
所述的四表位测试单元(14)包括第一被试电能表(15)、第二被试电能表(16)、第三被试电能表(17)和第四被试电能表(18)；
所述的误差计算器(20)分别接收仿真测试控制平台(21)发送的测试与控制指令、多功能标准电能表(19)输出信号和第一被试电能表(15)、第二被试电能表(16)、第三被试电能表(17)及第四被试电能表(18)的输出信号，并进行各被试电能表的误差计算。
2.根据权利要求1所述的非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置，其特征在于，
所述的量程切换机构(7)包括A相电压量程切换单元(8)、B相电压量程切换单元(9)、C相电压量程切换单元(10)、A相电流量程切换单元(11)、B相电流量程切换单元(12)和C相电流量程切换单元(13)。
3.根据权利要求2所述的非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置，其特征在于，
所述四表位测试单元(14)中的第一被试电能表(15)、第二被试电能表(16)、第三被试电能表(17)和第四被试电能表(18)为单相电能表或三相电能表，被试单相电能表由A相电压量程切换单元(8)的输出电压和A相电流量程切换单元(11)的输出电流供电，被试三相电能表和多功能标准电能表(19)均由A相电压量程切换单元(8)、B相电压量程切换单元(9)、C相电压量程切换单元(10)的三相输出电压和A相电流量程切换单元(11)、B相电流量程切换单元(12)和C相电流量程切换单元(13)的三相输出电流供电。
4.根据权利要求1所述的非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置，其特征在于，
所述仿真测试控制平台(21)的测试与控制I/O模块(22)、显示模块(23)、电能质量分析模块(24)、仿真波形信号输出模块(25)和自定义波形发生模块(26)均基于LabVIEW软件实现数据共享和模块相应功能。
5.根据权利要求4所述的非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置，其特征在于，
所述的测试与控制I/O模块(22)实现测试参数的录入功能以及与误差计算器(20)和量程切换机构(7)的通讯功能。
6.根据权利要求4所述的非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置，其特征在于，
所述的自定义波形发生模块(26)、电网建模仿真模块(27)和现场录波输入模块(28)是试验电压波形和试验电流波形的三个仿真波形信号发生源，仿真试验时根据需要选择其中一个模块产生的仿真试验电压波形和试验电流波形信号，并通过仿真波形信号输出模块发送给程控信号源(29)，程控信号源(29)输出代表A相试验电压波形、B相试验电压波形、C相试验电压波形、A相试验电流波形、B相试验电流波形和C相试验电流波形的各个相互独立的小电压信号。
7.根据权利要求6所述的非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置，其特征在于，
所述的现场录波输入模块(28)具备实际电网计量节点现场波形记录数据的自动导入、分析计算、波形仿真和回放功能。
8.根据权利要求6所述的非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置，其特征在于，
所述的自定义波形发生模块(26)支持自定义谐波次数、相位幅值与回放时间的试验电压和试验电流谐波波形的功能。
9.根据权利要求6所述的非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置，其特征在于，
所述的电网建模仿真模块(27)具备自定义非常规低压电网电能计量设备运行环境的功能。
10.根据权利要求6所述的非常规低压电网电能计量设备运行特性仿真测试装置，其特征在于，
所述的电网建模仿真模块(27)采用Matlab/Simulink仿真软件和StarSim仿真软件进行低压电网的建模仿真，LabVIEW软件与Matlab/Simulink软件和StarSim软件之间设有数据接口。
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