CN107479019A

CN107479019A - 一种高精度数字化电能表在线校验系统

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Publication number: CN107479019A
Application number: CN201710557553.0A
Authority: CN
Inventors: 李振华; 于洁; 赵爽; 李振兴
Original assignee: China Three Gorges University CTGU
Current assignee: China Three Gorges University CTGU
Priority date: 2017-07-10
Filing date: 2017-07-10
Publication date: 2017-12-15

Abstract

一种高精度数字化电能表在线校验系统，包括信号采集单元、校验平台。所述信号采集单元连接被校数字化电能表、合并单元，所述信号采集单元包括网卡和数据采集卡，用于完成对被校数字化电能表脉冲信号和合并单元信号的数据采集。所述信号采集单元连接校验平台，由校验平台对比计算被测数字化电能表脉冲与合并单元的标准电量值，从而得到被校数字化电能表的误差。校验平台的数据处理部分采用基于自适应4项3阶Nuttall窗的双谱线插值FFT算法，进行谐波电能计量。本发明采用基于自适应4项3阶Nuttall窗的双谱线插值FFT算法作为校验系统的谐波电能计量算法，测量精度高，运算速度快，抗干扰性好，可实现在线带电校验，提高了系统的可靠性和经济性。

Description

一种高精度数字化电能表在线校验系统

技术领域

本发明一种高精度数字化电能表在线校验系统，涉及电力系统测量领域，用于对数字化电能表进行在线实时准确度校验。

背景技术

数字化电能表作为数字化变电站的重要组成部分，保障其测量的准确度与可靠性是维护电网安全以及保证电能结算公平的必然要求。然而，随着变电站非线性负荷的大量引入，使得互感器采样得到的电压、电流信号中谐波成分愈加复杂，这就对电能计量精度提出了更高要求。因此，为了确保数字化电能表的准确度，对数字化电能表的高精度校验必不可少。然而，数字化电能表因其输入端口采用光纤以太网的端口模式，而传统的校验装置只能提供模拟信号，无法与数字信号端口连接通信，故而不能对数字化电能表进行校验。目前，国内外尚缺乏对数字化电能表进行高精度现场校验的装置和技术，造成目前投运的数字化电能表误差无法进行准确度的校验，也无法作为关口电能计量的依据，不利于数字化电能表的推广应用，也减缓了电网智能化的发展进程。

发明内容

为满足数字化电能表在线校验的需求，本发明提供了一种高精度数字化电能表在线校验系统，通过对比被测数字化电能表脉冲与校验系统标准通道的电量值，得到被校电能表的误差大小。采用基于自适应4项3阶Nuttall窗的双谱线插值FFT算法作为校验系统的谐波电能计量算法，测量精度高，运算速度快，抗干扰性好，可实现在线带电校验，提高了系统的可靠性和经济性。

本发明采取的技术方案为：

一种高精度数字化电能表在线校验系统，包括信号采集单元、校验平台。所述信号采集单元连接被校数字化电能表、合并单元，所述信号采集单元包括网卡和数据采集卡，用于完成对被校数字化电能表脉冲信号和合并单元信号的数据采集；

所述信号采集单元连接校验平台，由校验平台对比计算被测数字化电能表脉冲与合并单元的标准电量值，从而得到被校数字化电能表的误差。

所述数据采集卡采用美国NI公司的24位PCI-4474采集卡，内置于工控机内。数据采集卡用于采集数字化电能表的脉冲信号，通过设计的自供电源电路可实现对无源脉冲和有源脉冲的双采集功能，分辨率高和灵敏度好。

所述网卡采用TP-LINK TF-3239DL网卡，用于接收合并单元输出的网络数据包，经济性好，安装方便。

所述数据采集卡连接自供电源电路，通过数据采集卡的两个通道Ch1和Ch2，从工控机自带5V直流源外接2KΩ的上拉电阻R1、R2，为数据采集卡提供电源。数据采集卡采用设计的自供电源实现供电，保证了采集通道采集信号的准确性和稳定性，实现了对无源脉冲和有源脉冲的双采集功能。

所述校验平台由Polar 9300M工控机构成，抗干扰性好，具有良好的可扩展性和便携性。其上安装LabVIEW软件，用于对校验系统软件平台的设计，可实现对数据进行实时采集、分析、处理、显示和保存等，并最终能准确输出信号参数以及被校数字化电能表的有功、无功误差，成本低、开发周期短，通用型强，具有友好的人机交互性。

一种高精度数字化电能表在线校验方法，校验平台的数据处理部分采用基于自适应4项3阶Nuttall窗的双谱线插值FFT算法，进行谐波电能计量。测量精度较之修正前提高了2～4个百分比，大大提高了在线校验的准确度及可靠性。其自适应修正系数为μ_k＝1/(1+P_k％)，P_k％为第k次谐波信号有功相对误差。

本发明一种高精度数字化电能表在线校验系统，有益效果如下：

1、采用基于自适应4项3阶Nuttall窗的双谱线插值FFT算法实现谐波电能计量，计算精度高、抗干扰性好，可有效减小频谱泄露和栅栏效应的影响，克服频率波动、噪声污染等的影响。

2、采用设计的采集卡自供电源电路为数据采集卡供电，结构简单、操作方便，经济性好。

3、采用工控机作为校验平台，扩展性好，携带方便，利用LabVIEW实现校验系统软件平台的设计，具有良好的可实时性、通用性、可操作性。

4、本发明一种高精度数字化电能表在线校验系统，抗干扰性好，测量精度高，操作简单方便，可实现带电校验，缩短了校验周期，保证了数字化电能表校验的准确性和经济性。

5、数据处理部分采用基于自适应4项3阶Nuttall窗的双谱线插值FFT算法实现，用于对两路信号中基波及谐波信号的高精度电能计量，最终准确输出被测数字化电能表的比差、角差等参数，测量精度高，运算速度快，抗干扰性好。首先，采用4项3阶Nuttall窗对采样信号进行加权，有效抑制了因频谱泄漏带来的计算误差；然后利用双谱线插值FFT算法进行频域分析，计算被测数字化电能表的比差、角差、有功误差、无功误差等参数；最后采用自适应的曲线拟合对计算结果进行修正，提高了测量精度，保证了校验系统的准确性。

附图说明

图1为本发明校验系统的整体结构框图。

图2为本发明的数据采集卡自供电源电路图。

图3为本发明的校验平台工作逻辑框图。

图4为本发明所加窗函数幅频特性图。

具体实施方式

如图1所示，一种高精度数字化电能表在线校验系统，由信号采集单元和校验平台构成。信号采集单元包括网卡和数据采集卡两部分，用于完成对被校信号和标准信号两路信号的数据采集。其中网卡用于采集合并单元基于IEC 61850-9-2协议的网络数据包，作为校验系统的标准信号；数据采集卡用于采集被校数字化电能表脉冲信号。信号采集单元与校验平台电连接，由校验平台对比计算被测数字化电能表脉冲与合并单元的标准电量值，从而得到被校电能表的误差。

所述数据采集卡采用美国NI公司的24位PCI-4474采集卡，内置于工控机内，可实现对多路数据的实时采集与存储，通过设计的自供电源电路实现对采集卡供电，保证了校验系统整体的简洁性。

如图2所示，所述采集卡自供电源电路，利用采集卡的两个通道Ch1和Ch2通过从工控机自带5V直流源外接2KΩ的上拉电阻R1、R2，为采集卡提供电源，保证了采集通道采集信号的准确性和稳定性，实现了对无源脉冲和有源脉冲的双采集功能。

所述校验平台由Polar 9300M工控机构成，具有良好的可扩展性和便携性。其上安装LabVIEW软件，实现对校验系统软件平台的编程，如图3所示校验系统软件平台主要由参数配置、数据采集、数据处理、数据保存、参数计算、误差计算、结果输出等部分组成。用于实现对数据进行采集、分析、处理、显示和保存等，并最终能准确输出两路信号的参数以及被校数字化电能表的有功、无功误差。

所述数据处理部分采用基于自适应4项3阶Nuttall窗的双谱线插值FFT算法实现对两路信号中基波与谐波信号的高精度电能计量：

1、采用4项3阶Nuttall窗对信号进行加权，具有良好的旁瓣性能，可有效抑制频谱泄露产生的计算误差，其时域表达式为：

其中，a₀＝0.338946，a₁＝0.481973，a₂＝0.161054，a₃＝0.018027。

2、利用双谱线插值FFT算法进行频域分析，设在第k次谐波的准确频点附近抽样得到的幅值最大和次大谱线分别为第k_m、k_m+1条，对应幅值分别为y_m＝|X(k_m△f)|、y_m+1＝|X(k_m+1△f)|，令β＝(y_m+1-y_m)/(y_m+1+y_m)，利用多项式拟合可得频率偏差量ε：

ε＝f_ε(β)＝0.0923069β⁵+0.17671943β³+2.95494514β+0.5 (2)

从而，可得k次谐波信号的幅值A₀、相角公式

其中，△f＝f_s/N为频域抽样间隔，N为采用点数，f_s为采样频率；ε为式(2)计算所得频率偏差；arg[X(k_m△f)]为最大谱线k_m相角，arg[X(k_m+1△f)]为次大谱线k_m+1相角。

3、利用自适应算法对加窗插值后所得基波及各次谐波的有功电能计量相对误差结果进行修正，使其更加接近真实值，以减小测量误差。

如图4所示，所述4项3阶Nuttall窗较之传统的Hanning窗、Hamming窗旁瓣性能更优越，其旁瓣峰值电平可达-83dB，旁瓣衰减速度为30dB，满足电能计算中窗函数旁瓣峰值低、旁瓣衰减速度快的要求，可有效抑制频谱泄露带来的测量误差。

下面将通过实例进一步说明所述基于自适应4项3阶Nuttall窗的双谱线插值FFT算法的技术效果：

以设采样频率f_s＝6400Hz，采样韩九次谐波的电压、电流信号，基波频率f₀＝50.1Hz，采样频率f_s＝6400Hz，采样点数为1024，电压、电流信号基波及各次谐波的幅值和相位见表1。

表1信号参数

选取窗函数长度N＝1024，对信号分别加Blackmam-Harris窗、4阶三角自卷积窗和4项3阶Nuttall窗进行仿真计算，所得信号有功电能计量相对误差如表2所示。由此表明：采用加4项3阶Nuttall窗的双谱线插值FFT算法可在一定程度上提高各次谐波信号的计量精度，但对于类似2次谐波的微弱幅值信号还具有一定误差。

为此，在加4项3阶Nuttall窗的双谱线插值FFT算法的基础上，根据表2中所得基波及各次谐波有功电能计量相对误差，利用自适应算法对其结果进行修正：

基波与各次谐波信号的有功电能相对误差：P_k％＝(P_k2-P_k1)/P_k1×100％，从而，其中P_k1为真实值，P_k2为测量值，修正系数μ_k＝1/(1+P_k％)，P_k％为第k次谐波信号有功相对误差。由此可得基波与各次谐波修正系数：

μ＝[1.00064 1.01287 0.99989 1.00772 1.0004 1.01864 0.99949 1.000041.00021]^T从而可得，修正后的第k次谐波信号有功功率：P_k＝μ_kP_k1，修正后的有功电能计量误差如表2。由此可知，本发明采用基于自适应4项3阶Nuttall窗的双谱线插值FFT算法进行谐波电能计量，可大大提高基波及各次谐波的计量精度，满足数字化电能表在线校验0.05级准确度要求。

表2有功电能计量误差

本发明一种高精度数字化电能表在线校验系统，采用基于自适应4项3阶Nuttall窗的双谱线插值FFT算法进行谐波电能计量，有效抑制了频谱泄露和栅栏效应的影响，实现了高精度电能计量；所设计的采集卡自供电源电路，保证了校验系统整体的简洁性，实现了对无源脉冲和有源脉冲的双采集功能；此外，利用LabVIEW设计了校验系统软件平台，成本低、开发周期短，通用型强，具有友好的人机交互性。本发明操作简单方便，实现了带电校验，提高了数字化电能表在线校验的准确度、可靠性、经济性。

Claims

1.一种高精度数字化电能表在线校验系统，包括信号采集单元、校验平台，其特征在于：所述信号采集单元连接被校数字化电能表、合并单元，所述信号采集单元包括网卡和数据采集卡，用于完成对被校数字化电能表脉冲信号和合并单元信号的数据采集；所述信号采集单元连接校验平台，由校验平台对比计算被测数字化电能表脉冲与合并单元的标准电量值，从而得到被校数字化电能表的误差。

2.根据权利要求1所述一种高精度数字化电能表在线校验系统，其特征在于：所述数据采集卡采用美国NI公司的24位PCI-4474采集卡，内置于工控机内。

3.根据权利要求1所述一种高精度数字化电能表在线校验系统，其特征在于：所述网卡采用TP-LINK TF-3239DL网卡，用于接收合并单元输出的网络数据包。

4.根据权利要求1所述一种高精度数字化电能表在线校验系统，其特征在于：所述数据采集卡连接自供电源电路，通过数据采集卡的两个通道Ch1和Ch2，从工控机自带5V直流源外接2KΩ的上拉电阻R1、R2，为数据采集卡提供电源。

5.根据权利要求1所述一种高精度数字化电能表在线校验系统，其特征在于：所述校验平台由Polar 9300M工控机构成。

6.一种高精度数字化电能表在线校验方法，其特征在于：校验平台的数据处理部分采用基于自适应4项3阶Nuttall窗的双谱线插值FFT算法，进行谐波电能计量。

7.根据权利要求6所述一种高精度数字化电能表在线校验方法，其特征在于：所述数据处理部分采用基于自适应4项3阶Nuttall窗的双谱线插值FFT算法，实现对两路信号中基波与谐波信号的高精度电能计量，包括以下步骤：

步骤1：采用4项3阶Nuttall窗对信号进行加权，具有良好的旁瓣性能，可有效抑制频谱泄露产生的计算误差，其时域表达式为：

<mrow> <msub> <mi>w</mi> <mi>N</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mn>3</mn> </munderover> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mi>i</mi> </msup> <msub> <mi>a</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>&pi;</mi> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中，a₀＝0.338946，a₁＝0.481973，a₂＝0.161054，a₃＝0.018027；

步骤2：利用双谱线插值FFT算法进行频域分析，设在第k次谐波的准确频点附近抽样得到的幅值最大和次大谱线分别为k_m、k_m+1，对应幅值分别为y_m、y_m+1令β＝(y_m+1-y_m)/(y_m+1+y_m)，利用多项式拟合可得频率偏差量ε：

ε＝f_ε(β)＝0.0923069β⁵+0.17671943β³+2.95494514β+0.5 (2)

从而，可得k次谐波信号的幅值、相角公式：

<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>m</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> <mo>(</mo> <mn>0.14734229</mn> <msup> <mi>&epsiv;</mi> <mn>4</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>0.29468448</mn> <msup> <mi>&epsiv;</mi> <mn>3</mn> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>+</mo> <mn>1.139752735</mn> <msup> <mi>&epsiv;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <mn>0.992410445</mn> <mi>&epsiv;</mi> <mo>+</mo> <mn>3.44865515</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

步骤3：利用自适应算法，对加窗插值后所得基波及各次谐波的有功电能计量相对误差结果进行修正，使其更加接近真实值，以减小测量误差。