基于實功率仿真的電能表校驗平臺信號復(fù)現(xiàn)技術(shù)

王 智,王海元,曾偉杰,蘇玉萍,段羽潔

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司 供電服務(wù)中心(計量中心),湖南 長沙 410004；2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,陜西 西安 710049)

隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和新能源并網(wǎng)運行,各種電力設(shè)備的投入與切斷都會對電網(wǎng)實際工況造成一定的沖擊。實際電網(wǎng)中動態(tài)負(fù)荷不斷增多,具有瞬時電流波動較大的特點,輸入到終端電能表的信號也有著復(fù)雜的擾動特性[1]。分布于電網(wǎng)中的電能表承擔(dān)了電能法制計量的任務(wù),其計量誤差的檢定在國際與國內(nèi)都有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn),然而，電能表在實際工況中的計量準(zhǔn)確性受到動態(tài)擾動的影響。

電能表從出廠到投入使用,必須經(jīng)過誤差測試和檢定環(huán)節(jié)。電能表的質(zhì)量是否合格取決于誤差是否在合格的誤差限內(nèi),現(xiàn)有檢定方法無法細(xì)化電能表的誤差,需要更加準(zhǔn)確的信息數(shù)據(jù)來支撐檢定[2],常用標(biāo)準(zhǔn)表法對電能表進(jìn)行誤差檢定[3]。在對一般的電能表測試時,實驗室通常選擇虛功率環(huán)境進(jìn)行檢定，采用標(biāo)準(zhǔn)正弦信號作為參比信號,對電能表誤差進(jìn)行分級[2]。電能表現(xiàn)有檢定方法無法在實際工況下進(jìn)行誤差檢定,從而造成實驗室先檢結(jié)果與現(xiàn)場運行情況相差較大的問題[4]。實驗室檢定電能表誤差測試技術(shù)主要的難點如下[5]。

1) 目前電能表的實驗室檢測都是采用虛負(fù)荷,即電壓、電流是分開獨立輸出的，顯然和現(xiàn)場實際工況不符。

2) 動態(tài)負(fù)載等被測量的快速變化難以模擬,其對電能計量造成的偏差難以準(zhǔn)確測試[6]。

3) 現(xiàn)場工況十分復(fù)雜,受多種情況影響。無法明確溫度改變、電壓畸變、頻率波動、諧波等多個影響量的共同作用機理。

4) 受信號源虛功率測試的復(fù)現(xiàn)能力限制,電能表動態(tài)誤差模型難以完全模擬輸入被測信號,尤其在信號快速變化時信號偏差很大。

因此,實驗室所采用的標(biāo)準(zhǔn)參比信號檢定通過的電能表在實際工況下,可能存在計量準(zhǔn)確度差的情況。本文研究基于LabVIEW的程控電子負(fù)載和程控電壓源[7]的實功率仿真技術(shù),解決難以復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場實際工況的難題。對信號進(jìn)行快速傅里葉變換和S變換[8]，從頻域和時頻域驗證仿真平臺復(fù)現(xiàn)現(xiàn)場工況的情況。

1 電能表誤差研究現(xiàn)狀與檢定條件

針對電能表誤差,潘峰等人指出電子式電能表受到計量算法誤差和浮點數(shù)計算誤差的影響[9]；陸祖良等人研究了測量電能表動態(tài)信號誤差的實驗條件,其中，實驗信號應(yīng)具有動態(tài)和可調(diào)節(jié)的特點[1]；陸祖良和鄭薦中測試了電能表在正弦和梯形波形下的動態(tài)誤差測量的不確定度[10]；王學(xué)偉提出了一種動態(tài)誤差OOK激勵測試方法，并對3種電能表進(jìn)行了測試,表明動態(tài)誤差與激勵信號負(fù)荷模式相關(guān)[11]。

我國現(xiàn)行JJG 596—2012標(biāo)準(zhǔn)中,規(guī)定了如表1所示的電能表計量性能時應(yīng)滿足的參比條件。進(jìn)行電能表基本誤差檢定時,輸入滿足參比頻率和參比電壓的正弦波,調(diào)定規(guī)定的負(fù)載點,并在不同功率因數(shù)下測量[2]。

表1 參比條件及其允許偏差Tab.1 Reference conditions and allowable deviations

電能表在輸入的動態(tài)信號變化時,如果數(shù)據(jù)處理程序?qū)﹄妷弘娏鞯淖兓憫?yīng)慢,會導(dǎo)致參數(shù)設(shè)置不合理,進(jìn)而影響電能表的計量準(zhǔn)確度,此外，輸入動態(tài)信號的類型也會對電能表在實際工況下的運行造成影響。本文擬搭建實功率環(huán)境下的電能表誤差測試系統(tǒng),為其提供實際工況下的測試信號。

2 S變換原理

S變換是一種時頻域分析方法,其核心思想可理解為是對小波變換的一種“相位修正”[12]。S變換經(jīng)常被用在電能質(zhì)量擾動的識別任務(wù)中，作為特征提取的一種方式[12-14]。對信號序列x(t)的S變換定義為

可權(quán)箏怎么辦？把人一水靈靈的姑娘熬成剩斗士了？不滿意早說呵？沒感覺早吱聲呵？要登記了，你恐婚了？要修成正果了，你想逃了。這不能夠！

(1)

(2)

其中，w(τ-t,f)為高斯窗口;τ為高斯窗口在時間軸上的位移因子;f為頻率。將母小波定義為一個高斯窗函數(shù)和一個復(fù)向量的乘積,代入到信號連續(xù)小波定義式即可得到S變換。S變換公式與短時傅里葉變換相比,窗函數(shù)的高度和寬度動態(tài)變換,在低頻段時窗較寬,從而獲得較高頻域分辨率,高頻時窗窄以獲得較高時域分辨率[15]。其逆變換對應(yīng)為

(3)

信號x(t)的S變換與其傅里葉變換H(f)之間有

S(τ,f)=

f≠0。

(4)

設(shè)信號為x(kT)(k=0,1,2,…，N-1)是對x(t)進(jìn)行時域采樣的離散序列,T為時域采樣間隔，N為采樣總點數(shù)。則該信號的離散傅里葉變換為

n=0,1,2,…，N-1。

(5)

j=0,1,2…,N-1。

(6)

S變換后得到結(jié)果為一包含時域與頻域信息的矩陣,列向量為時間,行向量為頻率,S變換的結(jié)果取模后為對應(yīng)時頻點的幅值。

3 實功率平臺的設(shè)計

3.1 軟件設(shè)計

在LabVIEW環(huán)境中進(jìn)行實功率環(huán)境仿真軟件設(shè)計。軟件部分由文件數(shù)據(jù)讀取、采樣設(shè)置、觸發(fā)設(shè)置、快速傅里葉分析等部分(FFT)組成。文件數(shù)據(jù)讀取為一位數(shù)組,根據(jù)采樣率設(shè)置數(shù)據(jù)時間間隔,生成數(shù)據(jù)波形。另一端使用DAQmx控件設(shè)置模擬電壓輸出,將輸入電壓進(jìn)行歸一化處理,采樣時鐘源選擇板上時鐘,同時與生成波形信號時間間隔同步,采樣方式選擇1通道N采樣,并進(jìn)行連續(xù)采樣。將一組波形數(shù)據(jù)以循環(huán)方式進(jìn)行輸出,最終得到波形的歸一化模擬信號，并且在LabVIEW中對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜測量[16-17]。

3.2 平臺構(gòu)成

實功率測試平臺主要由電力監(jiān)測錄波儀、嵌入式控制器、高速信號發(fā)生器、程控電子負(fù)載與電壓源及待校準(zhǔn)電表組成，如圖1所示。

圖1 實功率平臺構(gòu)成Fig.1 Real power platform structure

監(jiān)測智能電能表接入工況電網(wǎng),同時使用電力監(jiān)測儀,配置錄波環(huán)境后對現(xiàn)場工況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換與S變換等,可以對其進(jìn)行諧波分析和和電能質(zhì)量擾動分析。擾動主要分為暫升、暫降、電壓波動等動態(tài)和穩(wěn)態(tài)擾動[18]。電力監(jiān)測儀采集的數(shù)據(jù)是包含了電壓、電流、時間的離散序列。

綜合考量對信號的承載以及放大能力,為了得到可靠的輸出波形,對儀器進(jìn)行具體選型，如表2所示，將采集得到的波形數(shù)據(jù)規(guī)格化。在控制器上部署預(yù)設(shè)好的LabVIEW驅(qū)動程序，并驅(qū)動高速信號發(fā)生器[19]。信號發(fā)生器外接程控電壓源和電子負(fù)載,用以驅(qū)動、控制其輸出信號。程控電壓源和電子負(fù)載可以輸出實際大小實際波形的電壓電流,并可以通過同步鎖相口調(diào)制電壓和電流,達(dá)到同步測試實功率的效果。同時，系統(tǒng)可通過Modbus在控制器與電壓源、電子負(fù)載間通信,也可以通過RS-485完成與上位機的通信,從而實現(xiàn)工況輸出在線監(jiān)測[20]。將工況信號接入待校驗電表中,可以在現(xiàn)場真實信號的環(huán)境下完成對電能表的校驗。

表2 實功率平臺的儀器構(gòu)成Tab.2 Instrument composition of real power platform

4 測試結(jié)果及分析

為了驗證實功率仿真校驗平臺搭建是否成功,需要對復(fù)現(xiàn)的信號與錄波儀獲得的原始信號進(jìn)行對比。下述工況數(shù)據(jù)是繞線機與多PLC負(fù)載下的電壓電流信號。本文以單相電壓為例,將錄波得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到LabVIEW，對其進(jìn)行傅里葉分解(FFT)得到現(xiàn)場信號頻域的信息,分析其基波與諧波含量。然后，對原始信號與復(fù)現(xiàn)信號進(jìn)行S變換,觀察其時域與頻域的幅值分布。通過對比原始信號和復(fù)現(xiàn)信號兩者得到的FFT結(jié)果與S變換的結(jié)果分析搭建平臺的性能。圖2是信號的原始時域波形,可以看出，在繞線機與多PLC負(fù)載下，電網(wǎng)下的波形是有畸變的類正弦信號,復(fù)現(xiàn)出的信號如圖 3,可以看出，原始信號和復(fù)現(xiàn)信號在時域上的波形形狀相似,且最大值達(dá)到了320 V,與真實信號的電壓等級相同。圖4是對離散信號的FFT分析結(jié)果,圖5是使用示波器對復(fù)現(xiàn)波形進(jìn)行FFT的結(jié)果,圖4和圖5的結(jié)果對比在表3中列出,可以看出，兩者信號的基波與奇次諧波幅值基本一致。推測誤差的產(chǎn)生原因是由于示波器本身自帶FFT計算存在誤差。

圖2 原始信號時域波形Fig.2 Time domain waveform of original signal

圖3 復(fù)現(xiàn)信號時域波形Fig.3 Time domain waveform of regenerated signal

圖4 原始信號快速傅里葉分析Fig.4 Fast Fourier analysis of original signal

圖5 復(fù)現(xiàn)信號快速傅里葉分析Fig.5 Fast Fourier analysis of regenerated signal

表3 各頻率分量幅值對比Tab.3 Comparison of amplitude of each frequency component

圖6和圖7分別為對原始信號和復(fù)現(xiàn)信號進(jìn)行S變換，x軸是時間t,y軸是頻率f,z軸是對應(yīng)時間頻率采樣點的幅值,復(fù)現(xiàn)波形信號與原信號在時頻域上的信號基本相同,這點同樣反映在圖8與圖9兩幅S變換的等高線圖像上，兩者在低頻段的幅值分布非常接近，在奇次諧波的幅值分布上也與之前FFT的分析結(jié)果相契合。另外值得注意的是，在時間起始點，復(fù)現(xiàn)信號在高頻段到500 Hz中有一個圖像邊緣翹起，經(jīng)分析得知是實驗平臺仿真啟動時的諧波干擾。

圖6 原始信號S變換Fig.6 S-transform of original signal

圖7 復(fù)現(xiàn)信號S變換Fig.7 S-transform of regenerated signal

圖8 原始信號S變換的時頻圖Fig.8 Time-frequency diagram of original signal S-transform

圖9 復(fù)現(xiàn)信號S變換的時頻圖Fig.9 Time-frequency diagram of regenerated signal S-transform

選取S變換求模后的7個特征值如表4所示，與圖6～9中分析結(jié)果相吻合，實功率平臺對基頻的還原十分接近原始信號，偏差為0.04%。系統(tǒng)的起動與停止引入了高次諧波，使得從100 Hz到更高頻段的諧波幅值偏差增大， 從7次諧波樣本來看， 起始點與終止點的諧波偏差更大， 但相對波形整體總量而言， 諧波幅值的平均值偏差僅為0.09%，表明信號的起始點與終止點偏差不足以干擾復(fù)現(xiàn)信號的還原。

表4 S變換結(jié)果對比Tab.4 Comparison of S-transform results

5 結(jié)語

1) 為解決電子式電能表誤差檢定時存在的動態(tài)負(fù)載造成偏差難以準(zhǔn)確測量的問題，本文提出了實功率環(huán)境下檢定電能表誤差的方法,并基于LabVIEW程序和程控電壓源、電子負(fù)載等儀器搭建了實功率平臺。

2) 在實功率平臺上復(fù)現(xiàn)了繞線機與多工控機負(fù)載下實際工況的信號。并將工況信號與復(fù)現(xiàn)信號做快速傅里葉變換和S變換,在時域和頻域上作對比。兩者的波形和各次諧波幅值較為接近,S變換圖像基本一致,在平臺啟動和停機時會引入高次諧波,但總體不影響波形還原質(zhì)量?；ǚ灯骄档钠顬?.04%, 諧波幅值平均值的偏差為0.09%，表明實功率平臺實現(xiàn)了現(xiàn)場工況信號還原的目的。

3) 本文初步搭建了實功率平臺,為電能表動態(tài)誤差的實際檢定提供了條件,對減小電能表檢定誤差有重要意義，且該平臺與方法可以延伸到其他量測設(shè)備的檢定方法中。