CN113009404B - 一种直流偶次谐波误差校准的方法及电能表 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直流偶次谐波误差校准的方法及电能表，对电能表不同功率因数、不同电流值范围对应的直流偶次谐波误差分别进行拟合，得到拟合公式；采集电能表的一次电流波形数据进行FFT变换并判断，当存在直流偶次谐波时，采用当前电流有效值和功率因数对应的拟合公式计算计量误差，补偿电能表计量值。本发明在不增加硬件成本的前提，通过补偿的方式，使得电能表精度大幅提高，能够抵抗直流偶次谐波，满足的误差要求。大大降低了电能表改造的成本，大多数电能表仅需进行软件升级，即可满足标准要求。对不同功率因数、不同电流范围进行合理划分，对误差曲线分别进行拟合，根据实际情况更改补偿曲线，提供了补偿精度。

Description

一种直流偶次谐波误差校准的方法及电能表
技术领域
本发明属于电能计量技术领域，具体涉及一种直流偶次谐波误差校准的方法及电能表。
背景技术
在电网负载中，一般常见的谐波为奇次谐波，在传统的谐波治理中都是针对奇次谐波的，直流偶次谐波在一般电器设备上不多见。但是现在工业越来越发达，用电设备越来越多，直流偶次谐波也越来越多，常见于电弧型设备、电磁饱和型设备、电子开关设备等，如各种炼钢设备、电弧焊机、电抗器、各种交直流换流装置(整流器、逆变器)和晶闸管可控开关设备。除此之外，我们家庭常用的电吹风、二轮电动车的充电器等也含有直流偶次谐波。
在电能计量上，电子式电能表是做为主要的电能计量计费设备，一般单相表采用锰铜做为电流通道的采样元件，而三相表采用电流互感器做为电流通道的采样元件。三相表一般用于工业用电，但是随着用电量的增加，三相表慢慢的也都安装到居民用户。
在国标GB/T 17215.321-2008《交流电测量设备特殊要求第21部分：静止式有功电能表(1级和2级)》中规定，在交流电流线路中注入直流偶次谐波，电流值为功率因数为1，电能表的误差改变量不能超过3％。三相表如果使用的互感器不是抗直流分量的，是无法满足这一要求的。使用抗直流分量的互感器，基本能满足标准要求。
但是随着IR46国际建议的发布，国内标准也跟着进行了相应的修订，在已经发布的JJF 1425.1-2020《安装式交流电能表型式评价大纲有功电能表》中规定了在交流电流线路中注入直流偶次谐波，电流值为功率因数为1和0.5L，B级电能表的误差改变量不能超过3％。而国家电网公司最新的技术要求在交流电流线路中注入直流偶次谐波，电流值在10Itr-Imax,功率因数为1和0.5L，B级电能表的误差改变量不能超过3％。新标准中电流标注方法为Imin-Itr(Imax)A。
实测现在的三相电能表，基本无法满足这一要求。
发明内容
针对电能表的互感器无法抵抗直流分量的问题，本发明提直流偶次谐波误差校准的方法及电能表，在不增加硬件成本的前提，通过补偿的方式，使得电能表精度大幅提高，能够抵抗直流偶次谐波，满足的误差要求。
为达到上述目的，本发明提供了一种直流偶次谐波误差校准的方法，包括：
对电能表不同功率因数、不同电流值范围对应的直流偶次谐波误差分别进行拟合，得到若干拟合公式；
采集电能表的一次电流波形数据进行FFT变换并判断，当存在直流偶次谐波时，采用当前电流有效值和功率因数对应的拟合公式计算计量误差，补偿电能表计量值。
进一步地，所述拟合公式包括公式1，公式2，公式3，公式4以及公式5；
对功率因数大于0.6，电流有效值大于30A时的计量误差采用二次曲线拟合得到公式1；
对功率因数大于0.6，电流有效值在大于1A小于等于30A时的计量误差进行线性拟合得到公式2；
对功率因数大于0.6，电流有效值小于等于1A时的计量误差进行线性拟合，得到公式3；
对功率因数小于等于0.6，电流有效值大于2.5A时的计量误差采用二次曲线拟合，得到公式4；
对功率因数小于等于0.6，电流有效值小于等于2.5A时的计量误差采用二次曲线拟合，得到公式5。
进一步地，对电能表在不注入直流偶次谐波的情况下，在5A电流下标定电能表计量值，得到固定的比差补偿值和角差补偿值；
当不存在直流偶次谐波时，采用固定值GPA1和PHSL1计算计量误差并补偿计量值。
进一步地，如果功率因数大于0.6，电流有效值大于30A时选择公式1；如果功率因数大于0.6，电流有效值在大于1A小于等于30A时选公式2；如果功率因数大于0.6，电流有效值小于等于1A时选择公式3；如果功率因数小于等于0.6，电流有效值大于2.5A时，选择公式4；如果功率因数小于等于0.6，电流有效值小于等于2.5A时选择公式5。
进一步地，电能表每0.5S采集一次电流波形数据，64个点，进行一次FFT变换，分离出直流分量和偶次谐波，当存在某一阶次偶次谐波比例超过设定阈值时，判断存在直流偶次谐波。
本发明另一方面提供一种具备直流偶次谐波误差校准功能的电能表，包括存储模块、计量模块、判断模块以及补偿模块；
所述存储模块存储电能表不同功率因数、不同电流值范围对应的直流偶次谐波误差拟合的拟合公式；
所述计量模块采集电能表的一次电流波形数据并发送给判断模块；
所述判断模块由计量模块获取功率因数，对一次电流波形数据进行FFT变换并判断，当存在直流偶次谐波时，根据当前电流有效值和功率因数由所述存储模块获取对应的拟合公式，写入计量芯片计算计量误差，补偿计量值。
进一步地，存储模块存储的所述拟合公式包括公式1，公式2，公式3，公式4以及公式5；
对功率因数大于0.6，电流有效值大于30A时的计量误差采用二次曲线拟合得到公式1；
对功率因数大于0.6，电流有效值在大于1A小于等于30A时的计量误差进行线性拟合，得到公式2；
对功率因数大于0.6，电流有效值小于等于1A时的计量误差进行线性拟合，得到公式3；
对功率因数小于等于0.6，电流有效值大于2.5A时的计量误差采用二次曲线拟合，得到公式4；
对功率因数小于等于0.6，电流有效值小于等于2.5A时的计量误差采用二次曲线拟合，得到公式5。
进一步地，存储模块还存储固定的比差补偿值和角差补偿值；
所述判断模块判断不存在直流偶次谐波时，将固定的比差补偿值和角差补偿值写入计量芯片，补偿计量值。
进一步地，所述判断模块，如果功率因数大于0.6，电流有效值大于30A时选择公式1；如果功率因数大于0.6，电流有效值在大于1A小于等于30A时选公式2；如果功率因数大于0.6，电流有效值小于等于1A时选择公式3；如果功率因数小于等于0.6，电流有效值大于2.5A时，选择公式4；如果功率因数小于等于0.6，电流有效值小于等于2.5A时选择公式5。
进一步地，所述计量模块每0.5S采集一次电流波形数据，64个点；所述判断模块每接收到64个点进行一次FFT变换，分离出直流分量和偶次谐波，当存在某一阶次偶次谐波比例超过设定阈值时，判断存在直流偶次谐波。
进一步地，计量模块采用具有实时波形输出功能的计量芯片或者SOC芯片。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明在不增加硬件成本的前提，通过补偿的方式，使得电能表精度大幅提高，能够抵抗直流偶次谐波，满足的误差要求。大大降低了电能表改造的成本，大多数电能表仅需进行软件升级，即可满足标准要求。
(2)本发明对不同功率因数、不同电流范围进行合理划分，对误差曲线分别进行拟合，根据实际情况更改补偿曲线，提供了补偿精度。
(3)本发明的方式改造后的电能表，在存在直流偶次谐波时，电能表的误差改变量不超过2.4％，无需更换抗直流分量的互感器，即可满足标准要求。
附图说明
图1是三相电能表计量原理框；
图2是公式1的拟合曲线；
图3是公式2的拟合曲线；
图4是公式3的拟合曲线；
图5是公式4的拟合曲线；
图6是公式5的拟合曲线；
图7是半波整流波形的谐波含量信息分布图；
图8是直流偶次谐波误差校准流程图；
图9为电能表组成示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
以电流规格0.2-0.5(60)A电能表为例，具体测试数据见下表1。
表1：
有表1可知，电流越大，直流偶次谐波影响误差改变越大，在功率因数1.0的情况下，电流在30A以下，误差改变是满足标准要求，但是也是改变较大，不能达到高精度的要求。在功率因数0.5L的情况下，只有在0.5A以下才能满足标准要求。
三相电能表计量原理框图如图1。当含有直流偶次谐波的电流通过电流互感器后，出现了波形畸变或者幅值减小，由于原始的模拟采样信号就出现了偏差，进入计量芯片后，此时计量芯片计算出来的结果一定是存在偏差的。本发明就是选择特殊的计量芯片，再通过软件调整，把互感器输出的波形进行补偿，最终解决直流偶次谐波导致的误差偏差。
本发明采用的计量芯片可以选择带实时波形输出的计量芯片或者是SOC芯片，如锐能的RN8302B或者RN2026。
在没有谐波干扰下，互感器的比差和角差一般都是呈线性的，电能表的误差只需要选择在5A电流下进行校准，此时可以得到在功率因数1.0情况下比差补偿值GPA1和功率因数0.5L情况下角差补偿值PHSL1，在电能表正常运行过程中，把这两个值写入计量芯片，就能保证电能表在0.2A到60A之间的误差都能满足标准要求。
根据表1中的数据分析，在功率因数1.0情况下，电流和误差的有3段曲线，结合图2，横轴为电流，纵轴为误差等效成补偿值GPA。电流用X表示，误差等效成补偿值用GPA表示：
在电流在30A到60A之间时，可以根据测量到的4个点拟合成一个二次曲线，GPA11＝C11 X2+C12 X+C13,此处为公式1。
结合图3，在电流在1A到30A之间时，采用平均值补偿即只取5A下的补偿值GPA12,此处为公式2。
结合图4，在电流在1A以下时，采用平均值补偿即只取0.4A下的补偿值GPA13,此处为公式3。
根据表1中的数据分析，在功率因数0.5L情况下，电流和误差的有2段曲线，电流用X表示，误差等效成补偿值用GPA表示：
结合图5，在电流在2.5A以上时，可以根据测量到的点拟合成一个二次曲线，GPA21＝C21 X2+C22 X+C23,此处为公式4。
结合图6，在电流在2.5A以下时，可以根据测量到的点拟合成一个二次曲线，GPA22＝C31 X2+C32 X+C33,此处为公式5。
结合图7，本发明提供一种直流偶次谐波误差校准的方法，包括以下步骤：
(1)对电能表不同功率因数、不同电流值范围对应的直流偶次谐波误差分别进行拟合，得到拟合公式，包括公式1，公式2，公式3，公式4以及公式5。
对功率因数为1，电流有效值大于30A时的计量误差采用二次曲线拟合得到公式1；
对功率因数为1，电流有效值在大于5A小于等于30A时的计量误差进行线性拟合，对大于1A小于等于5A时的计量误差直接采用5A时的计量误差，得到公式2；
对功率因数为1，电流有效值大于0.4A小于等于1A时的计量误差进行线性拟合，对小于等于0.4A时的计量误差直接采用0.4A时的计量误差，得到公式3；
对功率因数为0.5，电流有效值大于2.5A时的计量误差采用二次曲线拟合，得到公式4；
对功率因数为0.5，电流有效值小于等于2.5A时的计量误差采用二次曲线拟合，得到公式5。
(2)标定电能表计量值的10％误差曲线，拟合得到公式6。
写入常规校准下的比差补偿值GPA1和角差补偿值PHSL1。
(3)采集电能表的一次电流波形数据进行FFT变换并判断，当存在直流偶次谐波时，采用当前电流有效值和功率因数对应的拟合公式计算计量误差，补偿电能表计量值；当不存在直流偶次谐波时，采用10％误差曲线补偿计量值。
电能表需要实时知道是否存在直流偶次谐波的干扰，所以电能表MCU每0.5S采集一次电流波形数据，波形64个点。
做FFT分析，分离出直流分量DC和2次谐波、4次谐波以及电流有效值，如图7所示,同时MCU读取计量芯片内部的功率因数值。
当存在某一阶次偶次谐波比例超过设定阈值时，判断存在直流偶次谐波。在一个实施例中，如图7所示，如果直流分量或者2次和4次谐波上都有如图7所示比例的谐波含量，启动直流偶次谐波补偿流程。
根据电流有效值和当前功率因数，确定使用公式1-5进行补偿。如果功率因数大于0.6，电流有效值大于30A时采用公式1计算计量误差。如果功率因数大于0.6，电流有效值在大于1A小于等于30A时采用公式2计算计量误差。如果功率因数大于0.6，电流有效值小于等于1A时采用公式3计算计量误差。如果功率因数小于等于0.6，电流有效值大于2.5A时采用公式4计算计量误差。如果功率因数小于等于0.6，电流有效值小于等于2.5A时采用公式5计算计量误差。
如不存在谐波，根据写入常规校准下的补偿值和GPA1和PHSL1，采用公式6计算计量误差，进行补偿。
本发明另一方面提供一种具备直流偶次谐波误差校准功能的电能表，结合图8，包括存储模块、计量模块、判断模块以及补偿模块。
所述存储模块存储电能表不同功率因数、不同电流值范围对应的直流偶次谐波误差拟合的拟合公式；包括公式1，公式2，公式3，公式4，公式5以及公式6；
所述计量模块采集电能表的一次电流波形数据进行计量并发送给判断模块；
所述判断模块由计量模块获取功率因数，对一次电流波形数据进行FFT变换并判断，当存在直流偶次谐波时，根据当前电流有效值和功率因数由所述存储模块获取对应的拟合公式，写入计量芯片计算计量误差，补偿计量值。
计量模块每0.5S采集一次电流波形数据，64个点；所述判断模块每接收到64个点进行一次FFT变换，分离出直流分量和偶次谐波，当存在某一阶次偶次谐波比例超过设定阈值时，判断存在直流偶次谐波。如果对功率因数大于0.6，电流有效值大于30A时采用公式1计算计量误差。如果功率因数大于0.6，电流有效值在大于1A小于等于30A时采用公式2计算计量误差。如果功率因数大于0.6，电流有效值小于等于1A时采用公式3计算计量误差。如果功率因数小于等于0.6，电流有效值大于2.5A时采用公式4计算计量误差。如果功率因数小于等于0.6，电流有效值小于等于2.5A时采用公式5计算计量误差。如不存在谐波，将公式6写入计量芯片，计算计量误差，补偿计量值。
综上所述，本发明涉及一种直流偶次谐波误差校准的方法及电能表，对电能表不同功率因数、不同电流值范围对应的直流偶次谐波误差分别进行拟合，得到拟合公式；采集电能表的一次电流波形数据进行FFT变换并判断，当存在直流偶次谐波时，采用当前电流有效值和功率因数对应的拟合公式计算计量误差，补偿电能表计量值。本发明在不增加硬件成本的前提，通过补偿的方式，使得电能表精度大幅提高，能够抵抗直流偶次谐波，满足的误差要求。大大降低了电能表改造的成本，大多数电能表仅需进行软件升级，即可满足标准要求。对不同功率因数、不同电流范围进行合理划分，对误差曲线分别进行拟合，根据实际情况更改补偿曲线，提供了补偿精度。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种直流偶次谐波误差校准的方法，其特征在于，包括：
对电能表不同功率因数、不同电流值范围对应的直流偶次谐波误差分别进行拟合，得到若干拟合公式并存储在电能表的存储模块；
所述电能表的计量模块采集电能表的一次电流波形数据并发送给所述电能表的判断模块；
所述判断模块由所述计量模块获取功率因数，对一次电流波形数据进行FFT变换并判断，当存在直流偶次谐波时，采用当前电流有效值和功率因数对应的拟合公式计算计量误差，补偿电能表计量值；
所述拟合公式包括公式1，公式2，公式3，公式4以及公式5；
对功率因数大于0.6，电流有效值大于30A时的计量误差采用二次曲线拟合得到公式1；
对功率因数大于0.6，电流有效值在大于1A小于等于30A时的计量误差进行线性拟合，得到公式2；
对功率因数大于0.6，电流有效值小于等于1A时的计量误差进行线性拟合，得到公式3；
对功率因数小于等于0.6，电流有效值大于2.5A时的计量误差采用二次曲线拟合，得到公式4；
对功率因数小于等于0.6，电流有效值小于等于2.5A时的计量误差采用二次曲线拟合，得到公式5。
2.根据权利要求1所述的直流偶次谐波误差校准的方法，其特征在于，对电能表在不注入直流偶次谐波的情况下，在5A电流下标定电能表计量值，得到固定的比差补偿值和角差补偿值；
当不存在直流偶次谐波时，采用固定的比差补偿值和角差补偿值补偿计量误差。
3.根据权利要求2所述的直流偶次谐波误差校准的方法，其特征在于，如果功率因数大于0.6，电流有效值大于30A时选择公式1；如果功率因数大于0.6，电流有效值在大于1A小于等于30A时选公式2；如果功率因数大于0.6，电流有效值小于等于1A时选择公式3；如果功率因数小于等于0.6，电流有效值大于2.5A时，选择公式4；如果功率因数小于等于0.6，电流有效值小于等于2.5A时选择公式5。
4.根据权利要求1至3之一所述的直流偶次谐波误差校准的方法，其特征在于，电能表每0.5S采集一次电流波形数据，64个点，进行一次FFT变换，分离出直流分量和偶次谐波，当存在某一阶次偶次谐波比例超过设定阈值时，判断存在直流偶次谐波。
5.一种具备直流偶次谐波误差校准功能的电能表，其特征在于，包括存储模块、计量模块、判断模块以及补偿模块；
所述存储模块存储电能表不同功率因数、不同电流值范围对应的直流偶次谐波误差拟合的拟合公式；
所述计量模块采集电能表的一次电流波形数据并发送给判断模块；
所述判断模块由计量模块获取功率因数，对一次电流波形数据进行FFT变换并判断，当存在直流偶次谐波时，根据当前电流有效值和功率因数由所述存储模块获取对应的拟合公式，写入计量芯片计算计量误差，补偿计量值；
存储模块存储的所述拟合公式包括公式1，公式2，公式3，公式4以及公式5；
对功率因数大于0.6，电流有效值大于30A时的计量误差采用二次曲线拟合得到公式1；
对功率因数大于0.6，电流有效值在大于1A小于等于30A时的计量误差进行线性拟合，得到公式2；
对功率因数大于0.6，电流有效值小于等于1A时的计量误差进行线性拟合，得到公式3；
对功率因数小于等于0.6，电流有效值大于2.5A时的计量误差采用二次曲线拟合，得到公式4；
对功率因数小于等于0.6，电流有效值小于等于2.5A时的计量误差采用二次曲线拟合，得到公式5。
6.根据权利要求5所述的具备直流偶次谐波误差校准功能的电能表，其特征在于，存储模块还存储固定的比差补偿值和角差补偿值；
所述判断模块判断不存在直流偶次谐波时，将固定的比差补偿值和角差补偿值写入计量芯片，补偿计量值。
7.根据权利要求6所述的具备直流偶次谐波误差校准功能的电能表，其特征在于，所述判断模块，如果功率因数大于0.6，电流有效值大于30A时选择公式1；如果功率因数大于0.6，电流有效值在大于1A小于等于30A时选公式2；如果功率因数大于0.6，电流有效值小于等于1A时选择公式3；如果功率因数小于等于0.6，电流有效值大于2.5A时，选择公式4；如果功率因数小于等于0.6，电流有效值小于等于2.5A时选择公式5。
8.根据权利要求5至7之一所述的具备直流偶次谐波误差校准功能的电能表，其特征在于，所述计量模块每0.5S采集一次电流波形数据，64个点；所述判断模块每接收到64个点进行一次FFT变换，分离出直流分量和偶次谐波，当存在某一阶次偶次谐波比例超过设定阈值时，判断存在直流偶次谐波。
9.根据权利要求8所述的具备直流偶次谐波误差校准功能的电能表，其特征在于，计量模块采用具有实时波形输出功能的计量芯片或者SOC芯片。
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