CN110967663A - 一种适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法，在被校电能表输出若干低频脉冲的时间内，对标准电能表输出的高频脉冲进行计数。应用插值算法提高标准表脉冲输出频率，应用二阶Simpson算法提高电能计量准确度，在脉冲计数完成后读取DSP内部能量池的数据，以减小计量误差。优点：本方法用于校验的标准数字化电能表误差不超过0.01％。采用该快速校验方法进行校验，用时约为相同条件下标准数字化电能表法用时的二分之一。

Description

一种适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法

技术领域

本发明属于数字化电能表校验技术领域，具体涉及一种适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法。

背景技术

目前，近年来智能变电站在全国范围内得到了广泛建设，数字化电能表作为变电站内数字计量系统的终端装置，通过以太网接收采样数据进行电能计量，与传统电能表有着本质的区别，相应的校验方法也不相同。

目前数字化电能表校验方法有以下几种：标准数字表法、标准数字源法、标准模拟表法、瓦秒法。这些校验方法在现场使用中有两个问题：1、检测速度慢。根据目前几种主流校验仪的测试情况，完成数字化电能表基本误差试验所有测试点，需要十小时以上。2、标准中规定的实验室数字化电能表校验方法均采用功率源提供稳定工况，实验室检测用标准表在现场实际工况下，可能出现超差等工况适应性问题。

发明内容

本发明的一种适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法，在现场实际工况下，用于校验的标准数字化电能表误差不超过0.01％，采用该快速校验方法进行校验，用时约为相同条件下标准数字化电能表法用时的二分之一。

本发明的一种适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法，步骤如下：

1)在被校数字化电能表输出若干低频脉冲的时间内，对标准数字化电能表输出的高频脉冲进行计数。

2)应用插值算法提高标准数字化电能和被校数字化电能的表脉冲输出频率，应用二阶Simpson算法提高电能计量准确度。

3)在脉冲计数完成后读取DSP内部能量池的数据，经过计算得的被校数字化电能表的计量相对误差值。

进一步、该一种适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法基于标准表法，在被校数字化电能表输出若干低频脉冲的时间内，对标准数字化电能表输出的高频脉冲进行计数。应用插值算法提高标准数字化电能表脉冲输出频率，应用二阶Simpson算法提高电能计量准确度，在脉冲计数完成后读取DSP内部能量池的数据，以减小计量误差。经过计算可得被校电能表的计量相对误差为：

式中m为所测得的标准表高频脉冲数，N为预先设置的被校表低频脉冲数，CH为标准表的脉冲常数，CL为被校表的脉冲常数，ΔW为脉冲计数完成后能量池的数据。

进一步、与背景技术里所述标准数字表法相比，调整快速校验方法中标准数字化电能表的脉冲常数，使得额定负荷时标准表输出的高频脉冲频率为12kHz，取测量方法误差不超过0.01％，可得到额定负荷下最小测量时间为0.83s。

进一步、电能计量算法：

采用二阶Simpson公式来提高电能计算准确度，该公式是一种易于数字化实现的数值算法，具有二阶的代数精度，先利用二阶Simpson公式计算子区间上的积分值，再累加求和得到最终结果。

进一步、具体计算的过程为，假设在一个周期采样点数为N，采样周期为T，则将一个周期分为N个子区间，则对每个子区间的有功功率进行Simpson积分，如下所示：

然后，将上式在每个子区间上的求得的积分进行累加求和，可得：

进一步、在对点积和算法进行分析时，指出点积和算法在输入信号不对称时会产生较大误差，而采用二阶Simpson公式可以有效提高算法准确度。通过设计仿真试验，对比上述两种算法的计算准确度。为了使输入信号不对称，电流信号设为非标准正弦信号。设定输入电压电流额定值为：

进一步、改变采样频率，计算1s内输入电能的理论值以及两种算法计算所得的电能近似值，并求得两种算法的计算误差，如表1所示。

表1

从表中可以看出，在所设定的不对称输入条件下，二阶Simpson积分的计算误差比点积和算法的积分误差小。因此，采用二阶Simpson公式减小电能计量误差，提高标准数字化电能表的实际工况适应性。

进一步、该电能表在每次电能计量完成后，输出能量池数据，以减小电能计量误差。通常标准表进行电能计量时，输出最后一个脉冲后，能量池所积蓄的电能不足以输出一个脉冲，这部分电能无法通过脉冲的形式展现出来。这是测量误差的来源之一，造成的最大误差可以达到一个脉冲所代表的电能。为了消除这部分误差，在脉冲计量完成之后，从计算电能的DSP芯片内部读取能量池数据，加上标准数字化电能表输出m个脉冲所代表的电能，作为标准数字化电能表所测得的电能。

进一步、插值算法：

数字化电能表计量系统的前端采样系统通常采用4kHz，标准数字化电能表在额定输入时输出的脉冲频率受到采样频率限制，因此校验的最大计量误差和测量时间均受到采样频率限制。

针对上述脉冲输出频率的问题，采用Lagrange插值算法对采样值数据进行二次细化，计算电能再将对应数量的脉冲输出。Lagrange插值利用n+1个采样值计算多项式待定系数，求得n次多项式作为插值函数，计算插值。

插值的具体过程为：每收到一个数据包，确定一个新的采样点i之后，根据之前采样得到的三个连续采样点i-1,i-2,i-3，求得插值函数，在i和i-1之间进行等间隔插值。二阶插值的结果如图2所示。

进一步、本发明采用不同插值算法对频率为50Hz、有效值为220kV和600A的理想正弦电压和电流信号进行插值，然后采用二阶Simpson公式求取不同功率因数下的电能，并计算不同算法的误差，结果如表2所示。

表2

从表2中可以看出，三阶Lagrange插值的误差会比二阶Lagrange插值大，插值算法的误差并不会随着阶数的增高而减小。如果阶数太高，不仅会导致计算量过高，影响整个系统的实时性，同时也会使构造出的插值函数平滑性变差，造成误差增大，因此，本发明最终选择二阶Lagrange插值来提高脉冲输出的有效频率。

进一步、采用二阶Lagrange插值后，每个采样周期得到两个额外的采样点，由于参与计算的采样值间隔变为原采样周期的三分之一，标准电能表输出的高频脉冲有效频率提升到采样系统采样频率的三倍，减小了校验的计量误差最大值和测量时间。

进一步、为实现快速校验方法，研制了标准数字化电能表。该标准数字化电能表基于DSP实现，由数据接收解码模块、电能计量模块、显示模块和定时器模块组成。标准数字化电能表结构框图如图3所示。

进一步、电能表接收到一个数据包之后，一方面解析数据包，以三分之一采样间隔计量电能并累加，当能量池积蓄的电能超过阈值后，将相应标志位置1，并将积蓄电能减去阈值；另一方面，接收数据包的同时使能定时器。每定时三分之一个采样周期，校验相应的标志位，若标志位为1则输出一个脉冲，并将该标志位置，直至将一个采样周期三等分。

进一步、由于采用插值算法使得每个采样周期得到两个额外的采样点，因此基于定时器实现采样周期精准三等分，以模拟采样频率提高三倍的情形，保证电能脉冲输出的实时性、准确性。

进一步，基本误差实验：

使用0.01级不确定度的标准数字功率源和标准测时装置，将本校验方法所采用的标准电能表作为被校表，采用瓦秒法对其进行误差测试。测试系统框图如图4所示。

进一步、设定标准数字功率源的功率，测量电能表在恒定功率下输出若干脉冲所需的时间，将标准数字功率源输出的实际电能和电能表所测得的电能相比较，以确定电能表的测量误差。根据相关标准，选择的误差测试项目为：

(1)基本误差试验。

(2)电压改变影响试验。

(3)频率改变影响试验。

(4)逆相序影响试验。

(5)电压不平衡影响试验。

(6)5次谐波影响试验。

(7)间谐波影响实验。

在每个测试项目的所有测试点上分别进行10次测试，求电能计量误差的平均值。测试结果如表3基本误差实验、表4标准数字化电能表误差测试所示。

表3

表4

从表3、表4可以看出，在相关标准规定的7个测试项目中，本文所设计的标准表电能计量误差低于0.01％。

进一步：实际工况实验：

为了复现变电站现场的实际工况，以对本发明所设计的标准表进行试验，采用一种基于实际工况的数字化电能表校验方法。通过PC机读取现场合并单元输出的数据包并进行存储。在试验环境下，PC机输出存储的现场数据包给被校表，同时PC机采用Blackman DFT+Adaline神经网络算法计算电能作为标准电能，和被校表计量的电能进行比较并计算误差。对标准表进行四组试验，每组测试10次取误差平均值。试验结果如表5现场工况实验结果所示。

表5

从表5可以看出，本文所设计的标准表在现场实际工况下，电能计量的误差低于0.01％。因此，可以认为该标准表的精度满足变电站现场校验的要求。

进一步、校验效率试验：

在校验方法研究中，保证校验方法误差低于0.01％，各校验方法理论最小测量时间如表6各校验方法理论最小测量时间和对应脉冲数所示。

表6

进一步、分别采用标准数字表法、瓦秒法和快速校验方法对某0.05级数字化电能表进行误差测试，包括每个测试项目的所有测试点，保证校验方法误差低于0.01％，对各实验方法所用校验时间进行比较，结果如表7各校验方法用时所示。

表7

从表7可以看出，快速校验方法用时最短，约为标准数字化电能表法用时的二分之一，和理论分析的结果相吻合。

针对现有电能表校验方法现场使用中存在的实际工况适应性差和校验速度慢的问题，本文提出适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法。应用二阶Lagrange插值算法提高脉冲输出频率，应用二阶Simpson算法和能量池数据反馈减小标准表电能计量误差，可以在被校表输出低频脉冲数减少的情况下保证计量准确度，从而缩短校验时间。

测试结果表明，即使是在现场实际工况下，该快速校验方法中的标准数字化电能表的电能计量误差不超过0.01％；和常规的标准数字表法和瓦秒法相比，该快速校验方法耗时更短，有着更高的工作效率。

该快速校验方法可以工作在智能变电站现场实际工况下，能够在数字化电能表在线校验中发挥重要作用。

本发明的有益效果是：本发明的一种适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法，在现场实际工况下，用于校验的标准数字化电能表误差不超过0.01％，采用该快速校验方法进行校验，用时约为相同条件下标准数字化电能表法用时的二分之一。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体的实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的快速校验方法原理示意图；

图2为本发明的二阶插值的结果示意图；

图3为本发明的标准数字化电能结构框图；

图4为本发明的基于瓦秒法的测试系统原理示意图

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的一种适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法，步骤如下：

1)在被校数字化电能表输出若干低频脉冲的时间内，对标准数字化电能表输出的高频脉冲进行计数。

2)应用插值算法提高标准数字化电能和被校数字化电能的表脉冲输出频率，应用二阶Simpson算法提高电能计量准确度。

3)在脉冲计数完成后读取DSP内部能量池的数据，经过计算得的被校数字化电能表的计量相对误差值。

本实施例中、该一种适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法基于标准表法，在被校数字化电能表输出若干低频脉冲的时间内，对标准数字化电能表输出的高频脉冲进行计数。应用插值算法提高标准数字化电能表脉冲输出频率，应用二阶Simpson算法提高电能计量准确度，在脉冲计数完成后读取DSP内部能量池的数据，以减小计量误差。经过计算可得被校电能表的计量相对误差为：

式中m为所测得的标准表高频脉冲数，N为预先设置的被校表低频脉冲数，CH为标准表的脉冲常数，CL为被校表的脉冲常数，ΔW为脉冲计数完成后能量池的数据。

本实施例中、与背景技术里所述标准数字表法相比，调整快速校验方法中标准数字化电能表的脉冲常数，使得额定负荷时标准表输出的高频脉冲频率为12kHz，取测量方法误差不超过0.01％，可得到额定负荷下最小测量时间为0.83s。

本实施例中、电能计量算法：

采用二阶Simpson公式来提高电能计算准确度，该公式是一种易于数字化实现的数值算法，具有二阶的代数精度，先利用二阶Simpson公式计算子区间上的积分值，再累加求和得到最终结果。

本实施例中、具体计算的过程为，假设在一个周期采样点数为N，采样周期为T，则将一个周期分为N个子区间，则对每个子区间的有功功率进行Simpson积分，如下所示：

然后，将上式在每个子区间上的求得的积分进行累加求和，可得：

本实施例中、在对点积和算法进行分析时，指出点积和算法在输入信号不对称时会产生较大误差，而采用二阶Simpson公式可以有效提高算法准确度。通过设计仿真试验，对比上述两种算法的计算准确度。为了使输入信号不对称，电流信号设为非标准正弦信号。设定输入电压电流额定值为：

本实施例中、改变采样频率，计算1s内输入电能的理论值以及两种算法计算所得的电能近似值，并求得两种算法的计算误差，如表1所示。

表1

从表中可以看出，在所设定的不对称输入条件下，二阶Simpson积分的计算误差比点积和算法的积分误差小。因此，采用二阶Simpson公式减小电能计量误差，提高标准数字化电能表的实际工况适应性。

本实施例中、该电能表在每次电能计量完成后，输出能量池数据，以减小电能计量误差。通常标准表进行电能计量时，输出最后一个脉冲后，能量池所积蓄的电能不足以输出一个脉冲，这部分电能无法通过脉冲的形式展现出来。这是测量误差的来源之一，造成的最大误差可以达到一个脉冲所代表的电能。为了消除这部分误差，在脉冲计量完成之后，从计算电能的DSP芯片内部读取能量池数据，加上标准数字化电能表输出m个脉冲所代表的电能，作为标准数字化电能表所测得的电能。

本实施例中、插值算法：

数字化电能表计量系统的前端采样系统通常采用4kHz，标准数字化电能表在额定输入时输出的脉冲频率受到采样频率限制，因此校验的最大计量误差和测量时间均受到采样频率限制。

针对上述脉冲输出频率的问题，采用Lagrange插值算法对采样值数据进行二次细化，计算电能再将对应数量的脉冲输出。Lagrange插值利用n+1个采样值计算多项式待定系数，求得n次多项式作为插值函数，计算插值。

插值的具体过程为：每收到一个数据包，确定一个新的采样点i之后，根据之前采样得到的三个连续采样点i-1,i-2,i-3，求得插值函数，在i和i-1之间进行等间隔插值。二阶插值的结果如图2所示。

本实施例中、本发明采用不同插值算法对频率为50Hz、有效值为220kV和600A的理想正弦电压和电流信号进行插值，然后采用二阶Simpson公式求取不同功率因数下的电能，并计算不同算法的误差，结果如表2所示。

表2

从表2中可以看出，三阶Lagrange插值的误差会比二阶Lagrange插值大，插值算法的误差并不会随着阶数的增高而减小。如果阶数太高，不仅会导致计算量过高，影响整个系统的实时性，同时也会使构造出的插值函数平滑性变差，造成误差增大，因此，本发明最终选择二阶Lagrange插值来提高脉冲输出的有效频率。

本实施例中、采用二阶Lagrange插值后，每个采样周期得到两个额外的采样点，由于参与计算的采样值间隔变为原采样周期的三分之一，标准电能表输出的高频脉冲有效频率提升到采样系统采样频率的三倍，减小了校验的计量误差最大值和测量时间。

本实施例中、为实现快速校验方法，研制了标准数字化电能表。该标准数字化电能表基于DSP实现，由数据接收解码模块、电能计量模块、显示模块和定时器模块组成。标准数字化电能表结构框图如图3所示。

本实施例中、电能表接收到一个数据包之后，一方面解析数据包，以三分之一采样间隔计量电能并累加，当能量池积蓄的电能超过阈值后，将相应标志位置1，并将积蓄电能减去阈值；另一方面，接收数据包的同时使能定时器。每定时三分之一个采样周期，校验相应的标志位，若标志位为1则输出一个脉冲，并将该标志位置，直至将一个采样周期三等分。

本实施例中、由于采用插值算法使得每个采样周期得到两个额外的采样点，因此基于定时器实现采样周期精准三等分，以模拟采样频率提高三倍的情形，保证电能脉冲输出的实时性、准确性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (4)

1.一种适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法，其特征在于：步骤如下：

1)在被校数字化电能表输出若干低频脉冲的时间内，对标准数字化电能表输出的高频脉冲进行计数。

2)应用插值算法提高标准数字化电能表和被校数字化电能表的脉冲输出频率，应用二阶Simpson算法提高电能计量准确度。

3)在脉冲计数完成后读取DSP内部能量池的数据，经过计算得到被校数字化电能表的计量相对误差值。

2.根据权利要求1所述的一种适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法，其特征在于：所述二阶Simpson算法公式为：

。

3.根据权利要求1所述的一种适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法，其特征在于：在标准数字化电能表和被校数字化电能表的电能计量时先利用二阶Simpson公式计算子区间上的积分值，再累加求和得到最终结果，具体计算的过程为，假设在一个周期采样点数为N，采样周期为T，则将一个周期分为N个子区间，则对每个子区间的有功功率进行Simpson积分，然后，将上式在每个子区间上的求得的积分进行累加求和。

4.根据权利要求1所述的一种适用于现场工况的数字化电能表快速校验方法，其特征在于：所述插值算法是对数字化电能表计量系统的前端采样值数据进行二次细化，利用n+1个采样值计算多项式待定系数，求得n次多项式作为插值函数。

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