CN109387806B - 基于simulink仿真的数字化电能表溯源系统误差影响分析方法 - Google Patents

基于simulink仿真的数字化电能表溯源系统误差影响分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于simulink仿真的数字化电能表溯源系统误差影响分析方法，包括以下步骤：利用simulink仿真功能搭建溯源检测平台，根据溯源检测平台构建仿真模型，选取影响溯源检测平台的精确度的关键算法，利用仿真模型获取关键算法的仿真数据，根据仿真数据计算误差，选取误差最小的关键算法作为溯源检测平台的使用算法。本申请利用simulink的仿真功能搭建溯源检测平台对数字化计量溯源体系进行比较验证，以此来判断数字化电能表溯源平台中的关键算法对电能表溯源产生的误差大小，最终选取误差最小的关键算法作为溯源检测平台的使用算法。本发明提供的方法可以使得数字化电能计量装置的测试技术变得更加精确，提高电能计量装置的稳定性和准确性。

Description

基于simulink仿真的数字化电能表溯源系统误差影响分析 方法
技术领域
本发明涉及数据分析技术领域，特别涉及一种基于simulink仿真的数字化电能表溯源系统误差影响分析方法。
背景技术
在数字化电能计量系统中，电子式互感器的检测标准没有颁布，所以还是采用传统标准互感器,其量值传递从国家基准到现场运用的电子互感器是一条连续、完整的量传链路，而电能计量的国家基准是基于模拟量的，没有数字量的溯源源头，导致了数字化电能表在量传链路上的断点，所以数字化电能计量仪器溯源和量传体系建立的关键在于建立起数字与模拟的连接通路，将数字量与实际物理量进行关联，并最终溯源到国家电能计量基准。随着我国智能电网的蓬勃发展，对数字化计量(测量)仪器的准确性、可靠性和法制性的要求越来越高，进行数字电能表的溯源装置研究对国家智能电网的建设具有很强的现实意义。溯源链路的建立可以使得数字化电能计量装置的测试技术有法可依，提高电能计量装置的稳定性和准确性。
数字电能表标准层主要由0.005级数字标准表、0.005级数字标准源以及数字量到模拟量溯源装置组成，主要实现0.005级数字标准表到国家电能基准(模拟量)的溯源。数字电能表校验系统中的算法包括很多种，由于数字标准源和数字标准表只进行数字信号的处理和计算，不涉及到模拟量采样，其误差主要由算法决定，所以算法对于提高电能计量装置的稳定性和准确性有着重要的意义。然而现有技术中没有针对各种算法的溯源误差的分析方法，不能根据实际情况选用误差最小的算法，导致数字化电能计量装置的测试技术精确较低，从而降低电能计量装置的稳定性和准确性。
发明内容
本申请提供一种基于simulink仿真的数字化电能表溯源系统误差影响分析方法，以解决没有针对各种算法的溯源误差的分析方法，不能根据实际情况选用误差最小的算法，导致数字化电能计量装置的测试技术精确较低，从而降低电能计量装置的稳定性和准确性的问题。
为解决上述技术问题本发明提供如下技术方案：
一种基于simulink仿真的数字化电能表溯源系统误差影响分析方法，所述方法包括以下步骤：
利用simulink仿真功能搭建溯源检测平台；
根据所述溯源检测平台构建仿真模型；
选取影响所述溯源检测平台的精确度的关键算法；
利用所述仿真模型获取所述关键算法的仿真数据；
根据所述仿真数据计算误差；
选取误差最小的所述关键算法作为溯源检测平台的使用算法。
优选的，所述溯源检测平台包括：
模拟标准源、模拟标准表、高速A/D转换装置、数字标准源以及数字标准表；
所述模拟标准源分别与所述模拟标准表、所述高速A/D转换装置电连接；
所述数字标准源与所述高速A/D转换装置电连接；
所述数字标准表与所述所述数字标准源。
优选的，所述关键算法包括有功功率测量算法和无功功率测量算法。
优选的，所述有功功率测量算法包括：频域角度的有功功率算法和时域积分的有功功率算法。
优选的，所述无功功率测量算法包括：Budeanu无功功率定义算法、移相算法、均方根算法、傅里叶算法以及Hilbert算法。
优选的，所述根据所述溯源检测平台构建仿真模型包括：构建标准正弦信号仿真模型和构建非正弦信号仿真模型。
优选的，所述构建标准正弦信号仿真模型包括：选取正弦波电压有效值UK＝1.0V；选取电流有效值IK＝1.0A；选取电压电流相位差
Figure BDA0001915804420000021
优选的，所述构建非正弦信号仿真模型包括：
在非正弦信号电压和电流谐波模型为基波的条件下，选取19次及19次以下谐波的电压、电流有效值及各次谐波电压电流相位角。
优选的，所述利用所述仿真数据计算误差包括：利用所述标准正弦信号仿真模型对所述关键算法进行仿真，得到正弦信号仿真数据；利用所述非正弦信号仿真模型对所述关键算法进行仿真，得到非正弦信号仿真数据。
优选的，所述误差包括相对误差和绝对误差。
本申请实施例提供的基于simulink仿真的数字化电能表溯源系统误差影响分析方法包括以下步骤：利用simulink仿真功能搭建溯源检测平台，根据所述溯源检测平台构建仿真模型，选取影响所述溯源检测平台的精确度的关键算法，利用所述仿真模型获取所述关键算法的仿真数据，根据所述仿真数据计算误差，选取误差最小的所述关键算法作为溯源检测平台的使用算法。本申请利用simulink的仿真功能搭建实验室数字化计量体系仿真验证平台对数字化计量溯源体系进行比较验证，以此来判断数字化电能表溯源平台中的关键算法对电能表溯源产生的误差大小，最终选取误差最小的所述关键算法作为溯源检测平台的使用算法；本发明提供的方法应用于溯源链路的建立可以使得数字化电能计量装置的测试技术变得更加精确，提高电能计量装置的稳定性和准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于simulink仿真的数字化电能表溯源系统误差影响分析方法的流程示意图；
图2为溯源检测平台原理框架图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为本发明实施例提供的基于simulink仿真的数字化电能表溯源系统误差影响分析方法的流程示意图。方法包括以下步骤：
利用simulink仿真功能搭建溯源检测平台；
根据所述溯源检测平台构建仿真模型；
选取影响所述溯源检测平台的精确度的关键算法；
利用所述仿真模型获取所述关键算法的仿真数据；
根据所述仿真数据计算误差；
选取误差最小的所述关键算法作为溯源检测平台的使用算法。
其中，数字电能表标准层主要由0.005级数字标准表、0.005级数字标准源以及数字量到模拟量溯源装置组成，主要实现0.005级数字标准表到国家电能基准(模拟量)的溯源。该部分的溯源是本文的难点和关键点，关系到整个系统能否成功实现，提出了数字量到模拟量的同步溯源法以解决该问题，通过高速高精度A/D转换装置实现模拟量到数字量的转换，数字量到模拟量的溯源误差主要由该装置决定。数字标准源接收“高速高精度A/D转换装置”生成的高速采样数据并产生标准的IEC61850-9报文。数字标准表接收数字标准源产生的 IEC61850-9报文，进行相关电参量的计量。由于数字标准源和数字标准表只进行数字信号的处理和计算，不涉及到模拟量采样，其误差主要由算法决定。
本申请实施例是使用Matlab软件中的Simulink功能，对溯源平台进行仿真，将模拟电能表、数字电能表、高精度采集装置、数字化模拟源、数字化标准电能表进行仿真，并通过sum、 divide模块，计算各种算法的误差。
本申请利用simulink的仿真功能搭建实验室数字化计量体系仿真验证平台对数字化计量溯源体系进行比较验证，以此来判断数字化电能表溯源平台中的关键算法对电能表溯源产生的误差大小，最终选取误差最小的关键算法作为溯源检测平台的使用算法；本发明提供的方法应用于溯源链路的建立可以使得数字化电能计量装置的测试技术变得更加精确，提高电能计量装置的稳定性和准确性。
本申请优选的实施例中，溯源检测平台包括：模拟标准源、模拟标准表、高速A/D转换装置、数字标准源以及数字标准表，模拟标准源分别与模拟标准表、高速A/D转换装置电连接，数字标准源与高速A/D转换装置电连接，数字标准表与数字标准源。请参阅图2，具体可以是选择功率源，功率源的电能以电脉冲的形式发出并以电脉冲形式参与误差计算，通过高速高精度A/D转换装置实现模拟量到数字量的转换，把功率源大电压大电流转化成小电压和小电流，数字标准源接收“高速高精度A/D转换装置”生成的高速采样数据并产生标准的 IEC61850-9报文并传给数字标准表。其中还可以将报文首先转发给数字模拟源，数字模拟源再转发给数字标准表。转化而来的报文均是以光脉冲的形式传递并参与误差计算。高精度采集装置、数字化模拟源、数字化标准电能表分别与标准模拟表做比较，可以实现数字化电能表的溯源的量值传递链路。并搭建实验室数字化计量体系仿真验证平台对数字化计量溯源体系进行比较验证，以此来判断数字化电能表溯源平台中的关键算法对电能表溯源产生的误差大小。
本申请优选的实施例中，关键算法包括有功功率测量算法和无功功率测量算法。有功功率(功率)P是计算电能量消耗的一个重要指标。有功功率的测量可以从时域角度来计算，也可以从频域角度来计算：
Figure BDA0001915804420000041
多数谐波电能表均是采用Budeanu功率定义，其测量算法一般分为两类：第一类是基于频域分析；第二类是基于时域积分算法。
对于某复合电压信号：
Figure BDA0001915804420000051
无功功率测量算法包括：Budeanu无功功率定义算法、移相算法、均方根算法、傅里叶算法以及Hilbert算法。
Budeanu无功功率定定义为
Figure BDA0001915804420000052
式中，u(t-T/4)表示u(t)各次谐波电压分别平移四分之一周期后的电压。UK、IK为第k次谐波电压、电流。
Figure BDA0001915804420000053
为第k次谐波电流、电压的相位差。
常见的几种离散化无功功率测量算法包括：移相算法、均方根算法、傅里叶算法以及 Hilbert算法，其中，移相算法分为电子移相法(模拟移相法)及数字移相法，其中比较常用的是数字移相法。
本申请优选的实施例中，根据溯源检测平台构建仿真模型包括：构建标准正弦信号仿真模型和构建非正弦信号仿真模型。构建标准正弦信号仿真模型包括：选取正弦波电压有效值 UK＝1.0V；选取电流有效值IK＝1.0A；选取电压电流相位差
Figure BDA0001915804420000054
仿真数据计算误差包括：利用标准正弦信号仿真模型对关键算法进行仿真，得到正弦信号仿真数据；利用非正弦信号仿真模型对关键算法进行仿真，得到非正弦信号仿真数据。其中，误差包括相对误差和绝对误差。
仿真运行结果如表1所示
表1正弦信号模型仿真运行结果
Figure BDA0001915804420000055
在非正弦信号电压、电流谐波模型为基波的情况下，选取19次及19次以下谐波的电压、电流有效值及各次谐波电压电流相位角如下表2所示。
表2非正弦信号模型电压电流相位角参数
Figure BDA0001915804420000056
Figure BDA0001915804420000061
仿真运行结果如表3所示。
表3运行非正弦信号模型仿真的结果
Figure BDA0001915804420000062
由仿真结果看出，当处于非正弦信号时，得到的无功功率测量得结果，误差都较大。相对于均方根算法、傅氏算法和数字移相法而言，Hilbert变换测量算法误差较小，精度较高。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种基于simulink仿真的数字化电能表溯源系统误差影响分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
利用simulink仿真功能搭建溯源检测平台；
根据所述溯源检测平台构建仿真模型；
选取影响所述溯源检测平台的精确度的关键算法；
利用所述仿真模型获取所述关键算法的仿真数据；
根据所述仿真数据计算误差；
选取误差最小的所述关键算法作为溯源检测平台的使用算法。
2.如权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述溯源检测平台包括：
模拟标准源、模拟标准表、高速A/D转换装置、数字标准源以及数字标准表；
所述模拟标准源分别与所述模拟标准表、所述高速A/D转换装置电连接；
所述数字标准源与所述高速A/D转换装置电连接；
所述数字标准表与所述所述数字标准源。
3.如权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述关键算法包括有功功率测量算法和无功功率测量算法。
4.如权利要求3所述的分析方法，其特征在于，所述有功功率测量算法包括：频域角度的有功功率算法和时域积分的有功功率算法。
5.如权利要求3所述的分析方法，其特征在于，所述无功功率测量算法包括：Budeanu无功功率定义算法、移相算法、均方根算法、傅里叶算法以及Hilbert算法。
6.如权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述根据所述溯源检测平台构建仿真模型包括：构建标准正弦信号仿真模型和构建非正弦信号仿真模型。
7.如权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述构建标准正弦信号仿真模型包括：选取正弦波电压有效值UK＝1.0V；选取电流有效值IK＝1.0A；选取电压电流相位差
Figure FDA0001915804410000011
8.如权利要求6所述的分析方法，其特征在于，所述构建非正弦信号仿真模型包括：
在非正弦信号电压和电流谐波模型为基波的条件下，选取19次及19次以下谐波的电压、电流有效值及各次谐波电压电流相位角。
9.如权利要求6所述的分析方法，其特征在于，所述利用所述仿真数据计算误差包括：利用所述标准正弦信号仿真模型对所述关键算法进行仿真，得到正弦信号仿真数据；利用所述非正弦信号仿真模型对所述关键算法进行仿真，得到非正弦信号仿真数据。
10.如权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述误差包括相对误差和绝对误差。
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