一種非線性負荷下電能計量技術分析平臺的製作方法

2023-10-25 11:36:32

一種非線性負荷下電能計量技術分析平臺的製作方法
【專利摘要】一種非線性負荷下電能計量技術分析平臺，包括電能表波形採集校驗裝置，信號發生裝置和帶軟體分析工具包的PC機。所述信號發生裝置採用了以DSP為核心，每路電壓電流均配置雙D/A的接口方式、控制用MCU的新型功率信號源硬體架構的0.05級基波電能表校驗裝置；所述裝置的功率源設計了先進的功放電路，電壓部分採用PA93集成功率放大器，電流部分設計採用了一種直流寬頻電流互感器的跨導電流功率放大器；裝置的測試單元設計了帶電子補償的儀用互感器，採用了24位的高性能A/D，和32位的高速DSP及6層PCB板技術，設計了可高速、穩定運行的數字處理板。非線性負荷下電能計量技術分析平臺的建立實現了對新電能計量原理算法的測試與驗證。
【專利說明】一種非線性負荷下電能計量技術分析平臺
[0001]

【技術領域】
本發明涉及一種非線性負荷下電能計量技術分析平臺，屬電力計量【技術領域】。

【背景技術】
[0002]現代電力系統中，電氣化鐵路和電解工廠的大功率矽整流設備、煉鋼交直流電弧爐和電石爐、交流逆變器、大功率電力拖動設備以及電機變頻調速裝鉻的廣泛應用，使工業非線性負載迅速增加。另外，由於空調、冰箱等家用電器越來越多地採用變頻等電力電子技術，使民用負荷也日益呈現出非線形化的趨勢。對於非線性負荷，我們可以將其分成2類:一類稱之為諧波源負荷，其信號特徵是存在波形畸變，但信號的周波頻率在短時間內基本穩定，可以看成是周期信號；另一類我們將其稱為廣義非線性負荷，其信號特徵是畸變+動態，即其信號不僅存在波形畸變，也呈現明顯的動態特徵，包括周波頻率的連續波動和信號幅值的快速大幅變化等。
[0003]目前，國內已有10多家電能表生產企業生產具有基(諧)波電能計量功能的電能表，除少數廠家的產品採用濾波器方法得到基波電能外，大多數廠家的產品採用的還是傳統的快速傅立葉算法。該方法可有效應用於諧波源負荷的電能計量，而在廣義非線性負荷環境下，信號頻率的快速波動等擾動因素會對其計量準確性產生影響。基於此，近年來國內外也提出了一些新的電能計量算法。
[0004]現階段，非線性負荷計量環境下的電能表校驗仍為常規的標準表法，該方法在非線性負荷計量環境下校表存在以下缺陷:(1)應用於非線性負荷的新計量算法(如小波變換法、正交變換法)不斷提出，以標準表法檢定新算法表計，無法避免因算法不同導致的計量原理性誤差；⑵標準表法校驗只出結果，不記錄校驗過程量，在事後離線狀態下，無法對校驗結果做進一步的技術分析；⑶標準表法校驗時，標準表必須與被檢表同步運行，因實時性限制，無法採用那些性能優良但較為複雜的計量算法計算標準電能。


【發明內容】

[0005]本發明的目的是，為解決在非線性負荷環境下進行電能計量相關研究時，缺乏有效技術分析手段及相應設備等問題，本發明提出一種非線性負荷下電能計量技術分析平臺。
[0006]實現本發明的技術方案是，非線性負荷下電能計量技術分析平臺由信號發生裝置、電能表波形採集校驗裝置和帶軟體分析工具包的PC機3部分組成。
[0007]信號發生裝置，用於輸出測試電能表所需的各種電壓電流波形，它既可以按用戶設置輸出各種頻率波動波形和幅值波動波形，也可以根據分析工具中所建立的典型波形資料庫中數據源，模擬或復現輸出各類非線性負荷的電壓電流波形。
[0008]電能表波形採集校驗裝置，用於採集現場各種工況下的電壓電流波形數據，及被校表輸出的低頻脈衝數據，傳輸到PC機，形成典型波形資料庫的數據源。
[0009]帶軟體分析工具包的PC機，用於實施被校電能表計量誤差計算以及非線性計量環境的各種技術分析。
[0010]所述信號發生裝置的三相電壓、三相電流的端子與被校電能表的三相電壓及三相電流的相應端子相連接；電能表波形採集校驗裝置的電壓端子分別與信號發生裝置和被校電能表的同相電壓端子相連接，電能表波形採集校驗裝置的各相電流輸入端與信號發生裝置的各相電流的輸出端相連接，電能表波形採集校驗裝置的各相電流輸出端與被校電能表的各相電流輸入端相連接，信號發生裝置的各相電流的輸入端與被校電能表的各相電流輸出端相連接；電能表波形採集校驗裝置的高速通信口接信號發生裝置的通信口 ；被校電能表的FL端接電能表波形採集校驗裝置的被校電能表低頻脈衝輸入端；帶軟體分析工具包的PC機通信口與電能表波形採集校驗裝置的高速通信口互聯。
[0011 ] 所述信號發生裝置採用了以DSP為核心，每路電壓電流均配置雙D/A的接口方式、控制用MCU的新型功率信號源硬體架構的0.05級基波電能表校驗裝置；
所述裝置的功率源設計了先進的功放電路，電壓部分採用PA93集成功率放大器，電流部分設計採用了一種直流寬頻電流互感器的跨導電流功率放大器；裝置的測試單元設計了帶電子補償的儀用互感器，採用了 24位的高性能A/D，和32位的高速DSP及6層PCB板技術，設計了可高速、穩定運行的數字處理板。
[0012]所述軟體分析工具包支持2類分析工具:一類是電力諧波和間諧波分析工具，包括:傅立葉變換與加窗插值傅立葉變換方法、dq變換方法、小波變換方法和S變換方法；另一類是電力系統暫態信號分析工具，包括:小波變換方法、S變換方法和希爾伯特-黃變換方法。
[0013]本發明的有益效果是，非線性負荷下電能計量技術分析平臺的建立實現了對新電能計量原理算法的測試與驗證；對採用新電能計量原理算法的電能表以與其相同的原理算法進行校驗；在同一計量環境下比對各計量原理或算法模型的計量差異；為非線性負荷及各類暫態和穩態擾動環境下研究其對運行電能表計量狀況的影響提供了分析平臺，填補了國內外在專用電能計量現場技術分析工具方面的技術空白。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為非線性負荷下電能計量技術分析平臺工作原理示意圖；
圖2為信號發生裝置硬體原理框圖。

【具體實施方式】
[0015]本發明非線性負荷下電能計量技術分析平臺工作原理如附圖1所示，該分析平臺由Ul信號發生裝置、U3電能表波形採集校驗裝置、U4軟體分析工具包三部分組成。Ul為分析平臺的標準功率信號源，該信號源用於產生電能表校驗，各類暫態、穩態擾動環境和現場運行工況的各種波形輸出。U2為分析平臺中被校準的電能表。U3為分析平臺的採集工具，用於對現場運行的電能表進行現場校驗和採集被校電能表現場運行工況下的各種電參數及波形。U4為分析平臺的軟體分析工具包，用於對採集到的各類負荷波形的數據分析及電能表原理算法的驗證和同一環境下各計量原理或算法模型的計量差異的比較。
[0016]在對電能表進行校驗和數據採集時，圖1分析平臺工作原理示意圖中用到U2和U3,接線如圖中所示把U2、U3的電壓接口並聯，U2、U3的電流串聯，並把U2的脈衝信號接入到U3，此時可實現對現場運行電能表的進行校驗和實際運行工況的線路波形數據採集存儲。
[0017]將上述U3採集存儲的數據送U4，在軟體分析工具包的支持下，開展各種計算與分析工作，包括計算被校表計量誤差，分析現場計量環境因素對被校表計量的影響及所需的穩態畸變和暫態擾動等各方面的技術分析。
[0018]把U3採集存儲的數據送U1，形成信號發生裝置中的典型波形資料庫中的數據源。測試時按圖1的方式連接各儀器後，通過Ui模擬或復現輸出典型波形資料庫中的各類負荷下的電壓電流波形，實現對新電能計量原理算法的測試與驗證；對採用新電能計量原理算法的電能表以與其相同的原理算法進行校驗；在同一計量環境下比對各計量原理或算法模型的計量差異。
[0019]信號發生裝置硬體原理框圖如圖2所示。信號發生裝置由人機對話操作單元U11、寬頻功放單元U12、測試計算單元U13和輸出接口單元U14組成；寬頻功放單元的各相電壓端子與測試計算單元、輸出接口單元的同相電壓端子連接；寬頻功放單元的各相電流的輸入端(I+a、I+b、I+c)連接輸出接口單元的各相電流的輸出端(I+a、I+b、I+c),寬頻功放單元的各相電流的輸出端(I_a、Fb,Fe)連接測試計量單元各相電流的輸入端(I_a、I_b、I_c)，測試計量單元各相電流的輸出端(I_a、I_b、I_c)連接輸出接口單元各相電流的各相電流的輸入端(Ta、I+b、I+c);人機對話操作單元分別連接寬頻功放單元和測試計量單元。
[0020]Ull人機操作單元，由上位機操作軟體和工業計算機組成。
[0021]U12寬頻功放單元摒棄了目前計量裝置的信號源在設計上普遍採用DDS直接數字合成的技術，即將標準的基波波形存儲在ROM中，合成的諧波波形存放在RAM中，以鎖相倍頻(對信號頻率)輸出逐一尋址RAM，送D/A產生波形的方式，設計採用了以DSP為核心，每路均配置雙D/A接口、控制部分採用另一 MCU的新型功率信號源硬體架構。
[0022]U13測試計量單元在測量前端設計了帶電子補償的儀用互感器，並採用6個24位高性能A/D的方式，保證了 0.05級基波電能計量的準確度。為確保本裝置設計的高準確度基波諧波提取技術的實現，計量部分採用32位高速浮點DSP和6層PCB板等技術，設計實現了可靠、高速、穩定運行的計量算法處理板。
【權利要求】
1.一種非線性負荷下電能計量技術分析平臺，包括電能表波形採集校驗裝置，其特徵在於，所述平臺還包括: 信號發生裝置，用於輸出測試電能表所需的各種電壓電流波形； 帶軟體分析工具包的PC機，用於實施被校電能表計量誤差計算以及非線性計量環境的各種技術分析。
2.根據權利要求1所述的非線性負荷下電能計量技術分析平臺，其特徵在於，所述信號發生裝置採用了以DSP為核心，每路電壓電流均配置雙D/A的接口方式、控制用MCU的新型功率信號源硬體架構的0.05級基波電能表校驗裝置； 所述裝置的功率源設計了先進的功放電路，電壓部分採用PA93集成功率放大器，電流部分設計採用了一種直流寬頻電流互感器的跨導電流功率放大器；裝置的測試單元設計了帶電子補償的儀用互感器，採用了 24位的高性能A/D，和32位的高速DSP及6層PCB板技術，設計了可高速、穩定運行的數字處理板。
3.根據權利要求1所述的非線性負荷下電能計量技術分析平臺，其特徵在於，所述軟體分析工具包支持2類分析工具:一類是電力諧波和間諧波分析工具，包括:傅立葉變換與加窗插值傅立葉變換方法、dq變換方法、小波變換方法和S變換方法；另一類是電力系統暫態信號分析工具，包括:小波變換方法、S變換方法和希爾伯特-黃變換方法。
4.根據權利要求1所述的非線性負荷下電能計量技術分析平臺，其特徵在於，所述信號發生裝置的三相電壓、三相電流的端子與被校電能表的三相電壓及三相電流的相應端子相連接；電能表波形採集校驗裝置的電壓端子分別與信號發生裝置和被校電能表的同相電壓端子相連接，電能表波形採集校驗裝置的各相電流輸入端與信號發生裝置的各相電流的輸出端相連接，電能表波形採集校驗裝置的各相電流輸出端與被校電能表的各相電流輸入端相連接，信號發生裝置的各相電流的輸入端與被校電能表的各相電流輸出端相連接；電能表波形採集校驗裝置的高速通信口接信號發生裝置的通信口 ；被校電能表的FL端接電能表波形採集校驗裝置的被校電能表低頻脈衝輸入端；帶軟體分析工具包的PC機通信口與電能表波形採集校驗裝置的高速通信口互聯。
5.根據權利要求2所述的非線性負荷下電能計量技術分析平臺，其特徵在於，所述信號發生裝置由人機對話操作單元、寬頻功放單元、測試計算單元和輸出接口單元組成；寬頻功放單元的各相電壓端子與測試計算單元、輸出接口單元的同相電壓端子連接；寬頻功放單元的各相電流的輸入端(I+a、I+b、I+C)連接輸出接口單元的各相電流的輸出端(I+a、Tb、I+c),寬頻功放單元的各相電流的輸出端(Fa、Fb> Fe)連接測試計量單元各相電流的輸入端(I_a、I_b、I_c)，測試計量單元各相電流的輸出端(I_a、I_b、I_c)連接輸出接口單元各相電流的各相電流的輸入端(I+a、I+b、I+c);人機對話操作單元分別連接寬頻功放單元和測試計量單元。
6.根據權利要求5所述的非線性負荷下電能計量技術分析平臺，其特徵在於，所述寬頻功放單元將標準的基波波形存儲在ROM中，合成的諧波波形存放在RAM中，以鎖相倍頻輸出逐一尋址RAM，送D/A產生波形的方式。
7.根據權利要求5所述的非線性負荷下電能計量技術分析平臺，其特徵在於，所述測試單元採用了帶電子補償的儀用互感器，採用了 24位的高性能A/D，和32位的高速DSP及6層PCB板技術，設計了高速、穩定運行的數字處理板。
【文檔編號】G01R35/04GK104459597SQ201410642923
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月14日 優先權日:2014年11月14日
【發明者】陳克緒, 劉強, 王愛民, 馬建, 朱亮, 夏鵬, 王芬, 俞林剛 申請人:國家電網公司, 國網江西省電力科學研究院