一種非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)的制作方法
【專利摘要】一種非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)，包括電能表波形采集校驗(yàn)裝置，信號(hào)發(fā)生裝置和帶軟件分析工具包的PC機(jī)。所述信號(hào)發(fā)生裝置采用了以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(hào)源硬件架構(gòu)的0.05級(jí)基波電能表校驗(yàn)裝置；所述裝置的功率源設(shè)計(jì)了先進(jìn)的功放電路，電壓部分采用PA93集成功率放大器，電流部分設(shè)計(jì)采用了一種直流寬頻電流互感器的跨導(dǎo)電流功率放大器；裝置的測(cè)試單元設(shè)計(jì)了帶電子補(bǔ)償?shù)膬x用互感器，采用了24位的高性能A/D，和32位的高速DSP及6層PCB板技術(shù)，設(shè)計(jì)了可高速、穩(wěn)定運(yùn)行的數(shù)字處理板。非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)的建立實(shí)現(xiàn)了對(duì)新電能計(jì)量原理算法的測(cè)試與驗(yàn)證。
【專利說(shuō)明】一種非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)
[0001]

【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)，屬電力計(jì)量【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電氣化鐵路和電解工廠的大功率硅整流設(shè)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(dòng)設(shè)備以及電機(jī)變頻調(diào)速裝鉻的廣泛應(yīng)用，使工業(yè)非線性負(fù)載迅速增加。另外，由于空調(diào)、冰箱等家用電器越來(lái)越多地采用變頻等電力電子技術(shù)，使民用負(fù)荷也日益呈現(xiàn)出非線形化的趨勢(shì)。對(duì)于非線性負(fù)荷，我們可以將其分成2類:一類稱之為諧波源負(fù)荷，其信號(hào)特征是存在波形畸變，但信號(hào)的周波頻率在短時(shí)間內(nèi)基本穩(wěn)定，可以看成是周期信號(hào)；另一類我們將其稱為廣義非線性負(fù)荷，其信號(hào)特征是畸變+動(dòng)態(tài)，即其信號(hào)不僅存在波形畸變，也呈現(xiàn)明顯的動(dòng)態(tài)特征，包括周波頻率的連續(xù)波動(dòng)和信號(hào)幅值的快速大幅變化等。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)已有10多家電能表生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)具有基(諧)波電能計(jì)量功能的電能表，除少數(shù)廠家的產(chǎn)品采用濾波器方法得到基波電能外，大多數(shù)廠家的產(chǎn)品采用的還是傳統(tǒng)的快速傅里葉算法。該方法可有效應(yīng)用于諧波源負(fù)荷的電能計(jì)量，而在廣義非線性負(fù)荷環(huán)境下，信號(hào)頻率的快速波動(dòng)等擾動(dòng)因素會(huì)對(duì)其計(jì)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響?；诖?，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外也提出了一些新的電能計(jì)量算法。
[0004]現(xiàn)階段，非線性負(fù)荷計(jì)量環(huán)境下的電能表校驗(yàn)仍為常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)表法，該方法在非線性負(fù)荷計(jì)量環(huán)境下校表存在以下缺陷:(1)應(yīng)用于非線性負(fù)荷的新計(jì)量算法(如小波變換法、正交變換法)不斷提出，以標(biāo)準(zhǔn)表法檢定新算法表計(jì)，無(wú)法避免因算法不同導(dǎo)致的計(jì)量原理性誤差；⑵標(biāo)準(zhǔn)表法校驗(yàn)只出結(jié)果，不記錄校驗(yàn)過(guò)程量，在事后離線狀態(tài)下，無(wú)法對(duì)校驗(yàn)結(jié)果做進(jìn)一步的技術(shù)分析；⑶標(biāo)準(zhǔn)表法校驗(yàn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)表必須與被檢表同步運(yùn)行，因?qū)崟r(shí)性限制，無(wú)法采用那些性能優(yōu)良但較為復(fù)雜的計(jì)量算法計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)電能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是，為解決在非線性負(fù)荷環(huán)境下進(jìn)行電能計(jì)量相關(guān)研究時(shí)，缺乏有效技術(shù)分析手段及相應(yīng)設(shè)備等問(wèn)題，本發(fā)明提出一種非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是，非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)由信號(hào)發(fā)生裝置、電能表波形采集校驗(yàn)裝置和帶軟件分析工具包的PC機(jī)3部分組成。
[0007]信號(hào)發(fā)生裝置，用于輸出測(cè)試電能表所需的各種電壓電流波形，它既可以按用戶設(shè)置輸出各種頻率波動(dòng)波形和幅值波動(dòng)波形，也可以根據(jù)分析工具中所建立的典型波形數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)源，模擬或復(fù)現(xiàn)輸出各類非線性負(fù)荷的電壓電流波形。
[0008]電能表波形采集校驗(yàn)裝置，用于采集現(xiàn)場(chǎng)各種工況下的電壓電流波形數(shù)據(jù)，及被校表輸出的低頻脈沖數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絇C機(jī)，形成典型波形數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)源。
[0009]帶軟件分析工具包的PC機(jī)，用于實(shí)施被校電能表計(jì)量誤差計(jì)算以及非線性計(jì)量環(huán)境的各種技術(shù)分析。
[0010]所述信號(hào)發(fā)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(yīng)端子相連接；電能表波形采集校驗(yàn)裝置的電壓端子分別與信號(hào)發(fā)生裝置和被校電能表的同相電壓端子相連接，電能表波形采集校驗(yàn)裝置的各相電流輸入端與信號(hào)發(fā)生裝置的各相電流的輸出端相連接，電能表波形采集校驗(yàn)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(hào)發(fā)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；電能表波形采集校驗(yàn)裝置的高速通信口接信號(hào)發(fā)生裝置的通信口 ；被校電能表的FL端接電能表波形采集校驗(yàn)裝置的被校電能表低頻脈沖輸入端；帶軟件分析工具包的PC機(jī)通信口與電能表波形采集校驗(yàn)裝置的高速通信口互聯(lián)。
[0011 ] 所述信號(hào)發(fā)生裝置采用了以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(hào)源硬件架構(gòu)的0.05級(jí)基波電能表校驗(yàn)裝置；
所述裝置的功率源設(shè)計(jì)了先進(jìn)的功放電路，電壓部分采用PA93集成功率放大器，電流部分設(shè)計(jì)采用了一種直流寬頻電流互感器的跨導(dǎo)電流功率放大器；裝置的測(cè)試單元設(shè)計(jì)了帶電子補(bǔ)償?shù)膬x用互感器，采用了 24位的高性能A/D，和32位的高速DSP及6層PCB板技術(shù)，設(shè)計(jì)了可高速、穩(wěn)定運(yùn)行的數(shù)字處理板。
[0012]所述軟件分析工具包支持2類分析工具:一類是電力諧波和間諧波分析工具，包括:傅里葉變換與加窗插值傅里葉變換方法、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(tǒng)暫態(tài)信號(hào)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(fā)明的有益效果是，非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)的建立實(shí)現(xiàn)了對(duì)新電能計(jì)量原理算法的測(cè)試與驗(yàn)證；對(duì)采用新電能計(jì)量原理算法的電能表以與其相同的原理算法進(jìn)行校驗(yàn)；在同一計(jì)量環(huán)境下比對(duì)各計(jì)量原理或算法模型的計(jì)量差異；為非線性負(fù)荷及各類暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)環(huán)境下研究其對(duì)運(yùn)行電能表計(jì)量狀況的影響提供了分析平臺(tái)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外在專用電能計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)分析工具方面的技術(shù)空白。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)工作原理示意圖；
圖2為信號(hào)發(fā)生裝置硬件原理框圖。

【具體實(shí)施方式】
[0015]本發(fā)明非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)工作原理如附圖1所示，該分析平臺(tái)由Ul信號(hào)發(fā)生裝置、U3電能表波形采集校驗(yàn)裝置、U4軟件分析工具包三部分組成。Ul為分析平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)功率信號(hào)源，該信號(hào)源用于產(chǎn)生電能表校驗(yàn)，各類暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)環(huán)境和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況的各種波形輸出。U2為分析平臺(tái)中被校準(zhǔn)的電能表。U3為分析平臺(tái)的采集工具，用于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的電能表進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)和采集被校電能表現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行工況下的各種電參數(shù)及波形。U4為分析平臺(tái)的軟件分析工具包，用于對(duì)采集到的各類負(fù)荷波形的數(shù)據(jù)分析及電能表原理算法的驗(yàn)證和同一環(huán)境下各計(jì)量原理或算法模型的計(jì)量差異的比較。
[0016]在對(duì)電能表進(jìn)行校驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集時(shí)，圖1分析平臺(tái)工作原理示意圖中用到U2和U3,接線如圖中所示把U2、U3的電壓接口并聯(lián)，U2、U3的電流串聯(lián)，并把U2的脈沖信號(hào)接入到U3，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行電能表的進(jìn)行校驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)行工況的線路波形數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)。
[0017]將上述U3采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)送U4，在軟件分析工具包的支持下，開(kāi)展各種計(jì)算與分析工作，包括計(jì)算被校表計(jì)量誤差，分析現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量環(huán)境因素對(duì)被校表計(jì)量的影響及所需的穩(wěn)態(tài)畸變和暫態(tài)擾動(dòng)等各方面的技術(shù)分析。
[0018]把U3采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)送U1，形成信號(hào)發(fā)生裝置中的典型波形數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)源。測(cè)試時(shí)按圖1的方式連接各儀器后，通過(guò)Ui模擬或復(fù)現(xiàn)輸出典型波形數(shù)據(jù)庫(kù)中的各類負(fù)荷下的電壓電流波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)新電能計(jì)量原理算法的測(cè)試與驗(yàn)證；對(duì)采用新電能計(jì)量原理算法的電能表以與其相同的原理算法進(jìn)行校驗(yàn)；在同一計(jì)量環(huán)境下比對(duì)各計(jì)量原理或算法模型的計(jì)量差異。
[0019]信號(hào)發(fā)生裝置硬件原理框圖如圖2所示。信號(hào)發(fā)生裝置由人機(jī)對(duì)話操作單元U11、寬頻功放單元U12、測(cè)試計(jì)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(cè)試計(jì)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(cè)試計(jì)量單元各相電流的輸入端(I_a、I_b、I_c)，測(cè)試計(jì)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(jī)對(duì)話操作單元分別連接寬頻功放單元和測(cè)試計(jì)量單元。
[0020]Ull人機(jī)操作單元，由上位機(jī)操作軟件和工業(yè)計(jì)算機(jī)組成。
[0021]U12寬頻功放單元摒棄了目前計(jì)量裝置的信號(hào)源在設(shè)計(jì)上普遍采用DDS直接數(shù)字合成的技術(shù)，即將標(biāo)準(zhǔn)的基波波形存儲(chǔ)在ROM中，合成的諧波波形存放在RAM中，以鎖相倍頻(對(duì)信號(hào)頻率)輸出逐一尋址RAM，送D/A產(chǎn)生波形的方式，設(shè)計(jì)采用了以DSP為核心，每路均配置雙D/A接口、控制部分采用另一 MCU的新型功率信號(hào)源硬件架構(gòu)。
[0022]U13測(cè)試計(jì)量單元在測(cè)量前端設(shè)計(jì)了帶電子補(bǔ)償?shù)膬x用互感器，并采用6個(gè)24位高性能A/D的方式，保證了 0.05級(jí)基波電能計(jì)量的準(zhǔn)確度。為確保本裝置設(shè)計(jì)的高準(zhǔn)確度基波諧波提取技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，計(jì)量部分采用32位高速浮點(diǎn)DSP和6層PCB板等技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了可靠、高速、穩(wěn)定運(yùn)行的計(jì)量算法處理板。
【權(quán)利要求】
1.一種非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)，包括電能表波形采集校驗(yàn)裝置，其特征在于，所述平臺(tái)還包括: 信號(hào)發(fā)生裝置，用于輸出測(cè)試電能表所需的各種電壓電流波形； 帶軟件分析工具包的PC機(jī)，用于實(shí)施被校電能表計(jì)量誤差計(jì)算以及非線性計(jì)量環(huán)境的各種技術(shù)分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)，其特征在于，所述信號(hào)發(fā)生裝置采用了以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(hào)源硬件架構(gòu)的0.05級(jí)基波電能表校驗(yàn)裝置； 所述裝置的功率源設(shè)計(jì)了先進(jìn)的功放電路，電壓部分采用PA93集成功率放大器，電流部分設(shè)計(jì)采用了一種直流寬頻電流互感器的跨導(dǎo)電流功率放大器；裝置的測(cè)試單元設(shè)計(jì)了帶電子補(bǔ)償?shù)膬x用互感器，采用了 24位的高性能A/D，和32位的高速DSP及6層PCB板技術(shù)，設(shè)計(jì)了可高速、穩(wěn)定運(yùn)行的數(shù)字處理板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)，其特征在于，所述軟件分析工具包支持2類分析工具:一類是電力諧波和間諧波分析工具，包括:傅里葉變換與加窗插值傅里葉變換方法、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(tǒng)暫態(tài)信號(hào)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(jù)權(quán)利要求1所述的非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)，其特征在于，所述信號(hào)發(fā)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(yīng)端子相連接；電能表波形采集校驗(yàn)裝置的電壓端子分別與信號(hào)發(fā)生裝置和被校電能表的同相電壓端子相連接，電能表波形采集校驗(yàn)裝置的各相電流輸入端與信號(hào)發(fā)生裝置的各相電流的輸出端相連接，電能表波形采集校驗(yàn)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(hào)發(fā)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；電能表波形采集校驗(yàn)裝置的高速通信口接信號(hào)發(fā)生裝置的通信口 ；被校電能表的FL端接電能表波形采集校驗(yàn)裝置的被校電能表低頻脈沖輸入端；帶軟件分析工具包的PC機(jī)通信口與電能表波形采集校驗(yàn)裝置的高速通信口互聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)，其特征在于，所述信號(hào)發(fā)生裝置由人機(jī)對(duì)話操作單元、寬頻功放單元、測(cè)試計(jì)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(cè)試計(jì)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(cè)試計(jì)量單元各相電流的輸入端(I_a、I_b、I_c)，測(cè)試計(jì)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(jī)對(duì)話操作單元分別連接寬頻功放單元和測(cè)試計(jì)量單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)，其特征在于，所述寬頻功放單元將標(biāo)準(zhǔn)的基波波形存儲(chǔ)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(chǎn)生波形的方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的非線性負(fù)荷下電能計(jì)量技術(shù)分析平臺(tái)，其特征在于，所述測(cè)試單元采用了帶電子補(bǔ)償?shù)膬x用互感器，采用了 24位的高性能A/D，和32位的高速DSP及6層PCB板技術(shù)，設(shè)計(jì)了高速、穩(wěn)定運(yùn)行的數(shù)字處理板。
【文檔編號(hào)】G01R35/04GK104459597SQ201410642923
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】陳克緒, 劉強(qiáng), 王愛(ài)民, 馬建, 朱亮, 夏鵬, 王芬, 俞林剛 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)江西省電力科學(xué)研究院