WO2015085830A1

WO2015085830A1 - 电子式电能表动态特性测试装置

Info

Publication number: WO2015085830A1
Application number: PCT/CN2014/089176
Authority: WO
Inventors: 袁瑞铭; 王学伟; 周丽霞; 王琳; 杨晓波; 丁恒春; 易忠林; 钟侃; 施冉; 温丽丽; 刘潇
Original assignee: 国家电网公司; 华北电力科学研究院有限责任公司; 北京化工大学
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2015-06-18
Also published as: CN103630871A; CN103630871B

Abstract

一种电子式电能表动态特性测试装置，包括单片机（1）、可编程逻辑控制器件（2）、电压电流互感器（3）、信号采样电路（4）、可控硅控制电路（5）、脉冲整形电路（6）、脉冲计数电路（7）及液晶显示电路（8）；三相稳态电压电流信号经电压电流互感器（3）和信号采样电路（4）后，生成与三相稳态电压同频率的控制信号；可编程逻辑器件（2）控制信号传送给可控硅控制电路（5）；可控硅控制电路（5）产生三相动态功率输出给外部被测电能表；外部被测电能表根据测量得出电能值，并输出电能脉冲传输给单片机（1）；单片机（1）计算被测电能表的动态误差。该装置实现电能表在动态负荷下计量特性的测量；揭示了电子式电能表在各种动态负荷模式下的动态误差特性启动特性的测试。

Description

电子式电能表动态特性测试装置

技术领域

本发明涉及电能表测试领域，尤其涉及一种电子式电能表的动态特性测试装置。

背景技术

近年来，随着现代电力系统中动态负荷不断增加，动态负荷电力用户引起电能计量值减少的问题变得越来越突出与重要，对现场使用的电能表，迫切需要测试其电能计量的动态特性。因此，电能表的动态特性的测试成为亟待解决的新问题。

为了确定电能表在实际应用中的动态误差特性，最有效的方法是将电能表在实际电网工况下进行试验。但实际电网工况下动态负荷的电流和功率因数剧烈变化，使电能表的测试激励信号不具有可控性，从计量学的角度来看，电能表动态误差的测量不具有重复性，因此不能够重复对比电能表的动态误差特性。

发明内容

针对上述问题，本发明实施例提供一种电子式电能表动态特性测试装置，以解决现有的电能表动态特性测试问题。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种电子式电能表动态特性测试装置，包括单片机、可编程逻辑控制器件、电压电流互感器、信号采样电路、可控硅控制电路、脉冲整形电路、脉冲计数电路以及液晶显示电路；其中，所述电压电流互感器连接所述信号采样电路，所述信号采样电路连接所述可编程逻辑控制器件，所述可编程逻辑控制器件连接所述可控硅控制电路，所述脉冲整形电路连接所述脉冲计数电路，所述可编程逻辑控制器件、脉冲计数电路以及液晶显示电路都连接所述单片机；外部输入的三相电压电流信号经过所述电压电流互感器和信号采样电路后，生成与所述三相稳态电压同频率的控制信号；所述可编程逻辑控制器件接收所述控制信号，控制所述可控硅控制电路；所述可控硅控制电路产生动态功率输出给外部被测电能表；所述外部被测电能表根据所述动态功率测量得出电能值，并输出电能脉冲，经过所述脉冲整形电路进行整形滤波后，传输给所述脉冲计数电路；所述脉冲计数电路对所述外部被测电能表输出的电能脉冲进行计数后，传送给所述单片机；所述单片机采集标准电能表的输出脉冲，计算所述被测电能表的动态误差；所述液晶显示电路用于显示所述动态误差。

进一步地，在一实施例中，所述信号采样电路用于将模拟信号变换为用于控制过程的数字信号。

进一步地，在一实施例中，所述可编程逻辑控制器件为CPLD XC9536。

进一步地，在一实施例中，所述单片机为SST89E516RD2芯片。

进一步地，在一实施例中，所述测试装置还包括电源模块，连接于所述可编程逻辑控制器件和单片机，用于提供电源。

进一步地，在一实施例中，所述测试装置还包括看门狗电路，连接于所述单片机，用于所述单片机的复位。

本发明实施例的电子式电能表动态特性测试装置，建立运用CPLD控制产生了动态负荷测试激励信号，实现电能表在动态负荷下计量特性的测量；运用开发设计的装置，搭建电能表进行动态特性测试，揭示了电子式电能表在各种动态负荷模式下的动态误差特性启动特性的测试。

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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例的电子式电能表动态特性测试装置的结构示意图。

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、完整地描述，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做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。

图1为本发明实施例的电子式电能表动态特性测试装置的结构示意图。如图所示，所述测试装置包括单片机1、可编程逻辑控制器件2、电压电流互感器3、信号采样电路4、可控硅控制电路5、脉冲整形电路6、脉冲计数电路7以及液晶显示电路8；其中，

所述电压电流互感器3连接所述信号采样电路4，所述信号采样电路4连接所述可编程逻辑控制器件2，所述可编程逻辑控制器件2连接所述可控硅控制电路5，所述脉冲整形电路6连接所述脉冲计数电路7，所述可编程逻辑控制器件2、脉冲计数电路7以及液晶显示电路8都连接所述单片机1。

外部输入的三相稳态电压电流信号经过所述电压电流互感器3和信号采样电路4后，生成与所述三相稳态电压同频率的控制信号；所述可编程逻辑控制器件2接收所述控制信号，控制所述可控硅控制电路5；所述可控硅控制电路5产生动态功率输出给外部被测电能表；所述外部被测电能表所述动态功率测量得出电能值，并输出电能脉冲，经过所述脉冲整形电路6进行整形滤波后，传输给所述脉冲计数电路7；所述脉冲计数电路7对所述外部被测电能表输出的电能脉冲进行计数后，传送给所述单片机1；所述单片机1采集标准电能表的输出脉冲，计算所述被测电能表的动态误差；所述液晶显示电路8用于显示所述动态误差。

在本实施例中，所述信号采样电路4用于将模拟信号变换为用于控制过程的数字信号。

在本实施例中，所述可编程逻辑控制器件2为CPLD XC9536。

在本实施例中，所述单片机1为SST89E516RD2芯片。

在本实施例中，所述测试装置还包括看门狗电路9，连接于所述单片机1，用于所述单片机1的复位。

在本实施例中，所述测试装置还包括电源模块10，连接于所述可编程逻辑控制器件2和单片机1，用于提供电源。

在利用上述的电能表动态特性测试装置进行误差测试时，首先要建立动态负荷电能序列激励的数学模型，在此基础上进行动态误差的测量。在本发明中，采用ASK键控方式将稳态电流信号转换为动态负荷电流信号，并且，采用电能序列激励方式计算电能表的动态负荷电能。

在本实施例中，误差测试的具体步骤为：

步骤1，建立动态负荷电压、电流信号的时域数学模型。

首先，在动态负荷条件下，电能表测试激励的瞬时交流电压和电流信号，分别表示为：

为了便于控制产生激励，选取公式(1)和公式(2)中的v₁(t)＝1，v₂(t)为确定函数，且其第n个周期内的

为常数

。

步骤2，建立动态负荷电能序列的数学模型。

通过加窗对瞬时电压、电流信号在时间上每个整数周期进行截短，将其分解为各个周期{nT≤t≤(n+1)T；n∈N}上的瞬时电压u_n(t)和瞬时电流i_n(t)：

其中，

为了能够控制产生多种动态负荷模式，而且保证有效的测试电能表的动态误差特征，本发明采用ASK键控方式将稳态电流信号转换为动态负荷电流信号。ASK键控的测试激励电流可由电流函数序列i_n(t)之和来表示：

其中，a_n取为周期方波序列，且单向动态功率时：

正负双向动态功率时：

公式(5)为动态负荷ASK测试激励电流信号数学模型。

在ASK键控方式下，输入至电能表的任意一个周期T内的动态负荷瞬时功率P_n(t)为：

P_n(t)＝u_n(t)·i_n(t)； (6)

将公式(3)和公式(4)带入公式(6)，整理简化得：

而电能表在某一周期T内测量的电能为：

显然{E₁(n)＝E_q·a_n；n＝0...N-1}为动态负荷电能序列。

步骤3，误差测试。

当测试电能表误差时，设被测电能表输出M个脉冲时间间隔内，电能序列总长度为N；同时设L为ASK周期的个数，取正整数；T_A为通周期数，T_B为断周期数，则：T_M＝T_A+T_B为调制序列的周期个数，N＝L·T_M。

在动态测试条件下，被测电能表输出M个脉冲期间，标准表测量的稳态电能，对应a_n＝1；{n＝0...N}，该电能为：

被测电能表测量的动态电能的理论值为：

其中，K为系数取0或-1，由公式(9)和公式(10)合并简化可知，被测电能表测量的动态电能理论值可由标准表电能测量的稳态电能值表示为：

设被测电能表实际测量的电能数E_X，则E_X可由被测电能表输出脉冲个数M和电能表常数C计算得到，此时，被测电能表动态误差由下式计算得到：

ε＝(E_X-E_XO(N))/E_XO(N)×100％； (12)

在每一次测试电能表的动态误差中，产生的ASK周期个数不一定是整数，因此利用公式(9)和公式(12)计算动态误差ε时，最大可产生一个ASK周期的误差。

如果在测量动态误差的L个ASK周期内产生1个周期误差，则动态误差测量算法产生的理论附加误差小于：

因此，当ASK测量周期在300个以上时，由于ASK通断周期在测量结束时不完整，导致误差计算方法所产生的理论误差的极限值e₁不超过1/300≈0.33％。

根据上述动态误差的测量算法，被测电能表测量的动态电能理论值可由标准表电能测量的稳态电能值给出，实现了由动态电能量值到稳态电能量值的溯源。

在实际应用中，比较多种激励信号后，本发明有以下优越性：

1、从激励信号的时域波形来看，时域激励电流信号的幅值变化速率是重要的影响因素之一，梯形包络激励电流信号比正弦包络激励电流信号和变频率激励电流信号的幅度变化更加严峻，而本发明所提出的动态负荷ASK信号则比梯形包络激励电流信号的幅度变化更加严峻，更适合用于动态误差测试。

2、从激励信号的频域包含的频谱分量来看，激励电流信号和对应的瞬时功率信号包含的频率成分大小以及产生反向的功率情况是重要的影响因素。第一，从激励电流与瞬时功率包含的频谱分量来看，变频率激励电流信号包含的频率分量多，动态负荷ASK信号和梯形包络激励电流信号次之，但旁瓣分量幅值大；正弦包络激励电流信号和变相位激励电流信号较少、旁瓣分量小。电能表计量芯片中的各种滤波器的特性，在这些频率分量的影响下，产生电能计量动态误差，影响电能表的计量准确性。因此，动态负荷ASK信号和梯形包络激励电流信号比其它两者能够更有效地考查电能表的动态误差特性。第二，从激励瞬时功率包含的负功率分量大小来看，动态负荷ASK信号的负功率分量最大，更适合于考察智能电能表的正负双向电能测量的动态误差特性。

3、从动态负荷的激励模式角度来看，正弦包络激励电流信号、变相位激励电流信号和变频率激励电流信号仅适合用于长时动态负荷模式；梯形包络激励电流信号则适合用于短时动态负荷和长时动态负荷模式两种模式，动态负荷ASK信号则适合用于暂态动态负荷、短时动态负荷和长时动态负荷模式三种模式，可以对电能表的动态误差特性考察相对较多。

4、从激励信号控制产生的难易程度来看，正弦包络激励电流信号、变相位激励电流信号和梯形包络激励电流信号的产生都比较复杂，不利于使用静态电能表检定装置进行扩展，完成电能表动态误差的测试；动态负荷ASK信号采用键控方式，易于控制和实现。

本发明实施例的电子式电能表动态特性测试装置，建立运用CPLD控制产生了动态负荷测试激励信号，实现电能表的动态特性测量；运用开发设计的装置，搭建实验平台，对电能表进行动态误差测试，揭示了电子式电能表在各种动态负荷模式下的动态误差的性能。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

一种电子式电能表动态特性测试装置，其特征在于，所述测试装置包括单片机、可编程逻辑控制器件、电压电流互感器、信号采样电路、可控硅控制电路、脉冲整形电路、脉冲计数电路以及液晶显示电路；其中，

所述电压电流互感器连接所述信号采样电路，所述信号采样电路连接所述可编程逻辑控制器件，所述可编程逻辑控制器件连接所述可控硅控制电路，所述脉冲整形电路连接所述脉冲计数电路，所述可编程逻辑控制器件、脉冲计数电路以及液晶显示电路都连接所述单片机；

外部输入的三相电压电流信号经过所述电压电流互感器和信号采样电路后，生成与所述三相稳态电压同频率的控制信号；

所述可编程逻辑控制器件接收所述控制信号，控制所述可控硅控制电路；

所述可控硅控制电路产生动态功率输出给外部被测电能表；

所述外部被测电能表根据所述动态功率测量得出电能值，并输出电能脉冲，经过所述脉冲整形电路进行整形滤波后，传输给所述脉冲计数电路；

所述脉冲计数电路对所述外部被测电能表输出的电能脉冲进行计数后，传送给所述单片机；

所述单片机采集标准电能表的输出脉冲，计算所述被测电能表的动态误差；

所述液晶显示电路用于显示所述动态误差。
根据权利要求1所述的电子式电能表动态特性测试装置，其特征在于，所述信号采样电路用于将模拟信号变换为用于控制过程的数字信号。
根据权利要求1所述的电子式电能表动态特性测试装置，其特征在于，所述可编程逻辑控制器件为CPLD XC9536。
根据权利要求1所述的电子式电能表动态特性测试装置，其特征在于，所述单片机为SST89E516RD2芯片。
根据权利要求1所述的电子式电能表动态特性测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括电源模块，连接于所述可编程逻辑控制器件和单片机，用于提供电源。
根据权利要求1所述的电子式电能表动态特性测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括看门狗电路，连接于所述单片机，用于所述单片机的复位。