一種復(fù)雜電能計量環(huán)境模擬平臺

丁海麗，周媛奉，張 潔，張 翔，胡婷婷，謝邱虹，邱曉初*

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司營銷服務(wù)中心,銀川 寧夏 750011；2.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院,四川 成都 610039）

相對于傳統(tǒng)的煤、石油、天然氣等化石能源，新能源普遍具有污染少、儲量大的特點(diǎn)，對于解決當(dāng)今世界日益嚴(yán)重的環(huán)境污染和資源匱乏等問題具有十分重要的意義[1]。然而，新能源的廣泛應(yīng)用同時也給電力系統(tǒng)帶來了新的挑戰(zhàn)。特殊電源或分布式電源接入等非常規(guī)電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境以及大量電力電子設(shè)備的應(yīng)用而產(chǎn)生的特殊、復(fù)雜工況對電能計量裝置計量性能等產(chǎn)生了各種影響，造成安全生產(chǎn)不穩(wěn)定、供電企業(yè)優(yōu)質(zhì)服務(wù)存在隱患。目前，故障分析中復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境難以復(fù)現(xiàn)。電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境因素是造成電能計量裝置故障的主要原因之一。此類故障往往需要還原實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，通過裝置的故障復(fù)現(xiàn)開展故障分析，但是當(dāng)前復(fù)雜運(yùn)行工況下計量環(huán)境的再現(xiàn)和復(fù)雜工況對電能計量裝置各項(xiàng)性能、功能影響的試驗(yàn)?zāi)芰θ源嬖诓蛔悖嚓P(guān)故障分析往往無從下手。為此，建設(shè)實(shí)現(xiàn)計量新原理、新方法、新設(shè)備探索與應(yīng)用的復(fù)雜電能計量環(huán)境模擬平臺十分必要，在非常規(guī)電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境下電能計量裝置質(zhì)量的針對性檢測、故障還原分析及其他質(zhì)量管控，填補(bǔ)電能計量相關(guān)領(lǐng)域空白等方面具有重要的意義。

電能計量主要由硬件和軟件2 部分組成，也就是通常意義上說的電能計量裝置及電能計量技術(shù)。最早的電表是由匈牙利的甘茨電度表公司于1881 年制造的感應(yīng)式電能表，其質(zhì)量達(dá)幾十千克，特點(diǎn)是操作簡單、耐用等，但由于其精度低，功能單一等缺陷并不能滿足當(dāng)時的電能計量需求[2-3]。在20 世紀(jì)60 年代，多種計量精度更高、適用頻率寬等優(yōu)點(diǎn)的電子式電能表出現(xiàn)了[4-5]。德國、瑞典等發(fā)達(dá)國家在20 世紀(jì)80 年代接連制造出了適用于工業(yè)環(huán)境下的電子式電能表，使電能的計量進(jìn)入了實(shí)用階段[6]。到20 世紀(jì)90 年代，我國也制造出了電子式電能表[7-8]。隨著智能電表概念的提出，電子式電能表逐漸向智能化方向發(fā)展。

電能計量技術(shù)主要包含抄表技術(shù)及計量算法。傳統(tǒng)的抄表技術(shù)（MMR）需要每月去現(xiàn)場對數(shù)據(jù)進(jìn)行計量，抄表工作及電表維護(hù)都是十分艱巨的。為了有效地解決上述問題，電子抄表（EMR）也就隨之推出，但該方式主要用于工業(yè)用戶。隨著智能電網(wǎng)的大力發(fā)展，自動抄表也就被推上了時代的舞臺，并且得到了廣泛的應(yīng)用[9-11]。

可靠性及精準(zhǔn)性是電能計量的基本要求[12-15]。由于電能計量環(huán)境越來越復(fù)雜，精確的電能計量變得越困難[16-22]。為再現(xiàn)不同復(fù)雜實(shí)際電能計量環(huán)境的電表計量分析驗(yàn)證平臺，以供在各種復(fù)雜電能計量環(huán)境中精確計量方法的研究和驗(yàn)證，本文提出一種復(fù)雜電能計量環(huán)境模擬平臺實(shí)現(xiàn)方法。該方法以工控機(jī)為控制中心，利用NI 高精度任意波形發(fā)生器卡輸出實(shí)際所需要電壓電流波形，再通過功率放大器產(chǎn)生實(shí)際工程所需的三相電壓和電流，分別送給高精度標(biāo)準(zhǔn)表和待驗(yàn)證表同時進(jìn)行計量，為之后計量方法的改進(jìn)和儀器的升級提供實(shí)際數(shù)據(jù)。該方法在某單位實(shí)際應(yīng)用中取得到很好的效果。

1 不對稱電壓電流下的功率定義

目前常用的電能計量方式主要采用全有功功率計量方式，通過求各相功率代數(shù)和的電能計量方式來計算三相電路中的有功功率，其表達(dá)式為

式中pa、pb、pc分別代表三相吸收的瞬時功率。

然而，如果電壓和電流均有波形的畸變，則將會對計量結(jié)果產(chǎn)生影響。如果三相四線制系統(tǒng)中電壓u(t)和電流i(t)為不對稱，則其瞬時值可以表示為：

式中：n=a、b、c;ω為基波角頻率；φnuk,φnik為電壓、電流基波及諧波初相位。

按照對稱分量法的思想，可以分別將電壓ua(t)、ub(t)、uc(t)和電流ia(t)、ib(t)、ic(t)分解為正序分量、負(fù)序分量以及零序分量，其表達(dá)式為：

由Clarke 變換，將abc坐標(biāo)系下的電壓電流變換到αβο坐標(biāo)系，為

類似地，有

按瞬時功率定義，可將瞬時實(shí)功率、瞬時虛功率及瞬時零序功率定義為

將式(5)和式(6)代入式(7)，整理后為

式中：p、q、po分別為瞬時實(shí)功率、瞬時虛功率及瞬時零序功率；分別為其平均功率；分別為其交變功率。

瞬時的實(shí)功率、虛功率及零序功率的平均功率分量及交變功率分量分別為：

按照傳統(tǒng)功率定義的概念：瞬時實(shí)功率表明了單位時間內(nèi)總的能量流，其平均功率分量為單位時間內(nèi)的單向能量流，其交變功率分量則為單位時間內(nèi)雙向的能量流，其平均值為零；瞬時虛功率的大小則表明了瞬時無功功率的大小，其平均功率分量對應(yīng)于傳統(tǒng)的三相無功功率，對能量的傳輸不起作用，交變功率分量則表征了在三相間進(jìn)行功率傳遞的大小，和負(fù)載、電源間的能量傳輸沒有關(guān)系；零序功率則類似于實(shí)功率，與電源、負(fù)載間的能量傳輸相關(guān)，其平均功率分量表明了單向能量流的大小，交變功率分量則表明了雙向能量流大小，其平均值為零。

可見，當(dāng)電源電壓不對稱且畸變時，采用瞬時功率理論所計算的瞬時實(shí)功率的平均功率分量既包含了電壓基波正序和諧波正序的實(shí)功率，也包含了電壓基波負(fù)序和諧波負(fù)序的實(shí)功率，因此，在三相四線制系統(tǒng)進(jìn)行電能計量時，必須考慮電源電壓基波負(fù)序分量、零序分量及諧波分量對計量精度的影響。尤其是當(dāng)三相不平衡時，有功功率則由正序有功功率、負(fù)序有功功率及零序有功功率組成。如果此時存在三相不對稱用戶，則該用戶輸出的正序有功功率大于零，而負(fù)序有功功率及零序有功功率小于零，但由于電能計量是通過代數(shù)和的方式計算，反而減少了需要繳納的費(fèi)用，而與之相連的三相對稱用戶還需要為之繳納額外的費(fèi)用。目前仍然沒有合適的計量方法能夠解決這個問題，為此，本文希望提供一種復(fù)雜計量環(huán)境的模擬平臺，為進(jìn)一步設(shè)計出合適的計量方法提供參考。

2 復(fù)雜電能計量環(huán)境模擬平臺的實(shí)現(xiàn)

復(fù)雜電能計量環(huán)境模擬平臺主要由硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)組成。硬件系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)對電壓電流波形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生及放大、標(biāo)準(zhǔn)電能計量及誤差計量等。軟件系統(tǒng)則進(jìn)行波形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生及分析。

2.1 模擬平臺硬件系統(tǒng)

模擬平臺硬件系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示，主要包括工控機(jī)、NI 公司任意波形發(fā)生卡、功率放大器、多通道錄波器、高精度標(biāo)準(zhǔn)表及誤差表等。需要輸出的電壓電流數(shù)據(jù)通過工控機(jī)的通信口導(dǎo)入計算機(jī)，按照設(shè)置的工藝參數(shù)，控制任意波形發(fā)生器卡輸出所需要的模擬波形，波形送入到功率放大器，產(chǎn)生功率級的電壓電流，分別經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)表和被檢測表計量后，計量結(jié)果送到誤差表進(jìn)行誤差分析，最終結(jié)果記錄在上位機(jī)中。

圖1 硬件系統(tǒng)能成框圖

工控機(jī)作為整個系統(tǒng)的控制中心，主要完成輸出波形的數(shù)據(jù)導(dǎo)入或生成、波形的FFT 分析及電壓電流數(shù)字波形的輸出。工控機(jī)輸出的數(shù)字波形由任意波形發(fā)生器卡輸出小功率的模擬電壓電流，再由功率放大器放大為特定功率的電壓電流，輸出給被測電表和高精度標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行計量。系統(tǒng)還可以使用MATLAB 仿真平臺生成的數(shù)據(jù)、現(xiàn)場錄波器采集回來的數(shù)據(jù)以及由PC 端生成的數(shù)據(jù)，以便還原各類復(fù)雜計量工況。

NI 任意波形發(fā)生器卡選擇NI 公司基于PCI 總線的模擬輸出卡PCI-6 733。該輸出卡是一款1 MS/s高速模擬輸出設(shè)備，專為激勵響應(yīng)測試（包括聲學(xué)失真測試）和仿真（如三相電源仿真）等控制和波形輸出應(yīng)用提供多通道同步更新。設(shè)備還提供了8 條5 V TTL/CMOS 數(shù)字I/O 線，2 個24 位20 MHz計數(shù)器/定時器，具有數(shù)字觸發(fā)和外部時鐘功能。PCI-6 733 可以替代幾種儀器，包括獨(dú)立的比例積分微分(PID)控制器、低速任意波形發(fā)生器和函數(shù)發(fā)生器，可以控制每個通道的每個數(shù)據(jù)點(diǎn)，以定義方波、正弦波或鋸齒波等常見波形以及復(fù)雜波形。

高精度標(biāo)準(zhǔn)表采用HS-5300B 三相多功能標(biāo)準(zhǔn)電能表。這是一高精度多功能寬量程標(biāo)準(zhǔn)電能表，精度等級為0.05 級，可在單相、三相四線Y/三線Δ 等各種接線方式下對交流電壓、電流、功率（有功功率、無功功率、視在功率）測量。其中無功功率可進(jìn)行真無功、跨相無功、人工中性點(diǎn)無功等多方式測量。

2.2 軟件系統(tǒng)

軟件平臺系統(tǒng)功能如圖2 所示，主要基于LabVIEW 平臺開發(fā)，可完成波形導(dǎo)入、波形分析、測試配置和誤差測試等功能。通過與MATLAB/Smulink仿真系統(tǒng)相結(jié)合，系統(tǒng)還能進(jìn)一步擴(kuò)展形成為一個操作簡單、界面直觀、功能強(qiáng)大的分析系統(tǒng)，再現(xiàn)多種電能計量的復(fù)雜工況。

圖2 軟件系統(tǒng)功能組成

2.2.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能

數(shù)據(jù)導(dǎo)入提供3 種方式。其一是MATLAB/Smulink 仿真數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，數(shù)據(jù)導(dǎo)入格式為.mat 文件，如圖3 所示。在導(dǎo)入數(shù)據(jù)時，可選擇想要查看的數(shù)據(jù)源，可一次加載4 種波形圖，通過切換按鈕可切換導(dǎo)入的波形圖。其二是現(xiàn)場錄波儀的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，數(shù)據(jù)導(dǎo)入格式為csv 文件，如圖4所示。其三是人工生成波形，這也是電能計量模擬分析平臺提供的一種最為靈活的波形定制功能，如圖5 所示，可先對基波的幅值、頻率、相位進(jìn)行配置并生成基波，然后再配置想要添加的諧波，點(diǎn)擊添加諧波會在生成的基波基礎(chǔ)上添加所配置的諧波，諧波添加是可以反復(fù)進(jìn)行的。

圖3 mat 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

圖4 csv 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

圖5 人工生成波形

2.2.2 數(shù)據(jù)分析功能

數(shù)據(jù)分析主要完成對導(dǎo)入的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT 分析。首先對導(dǎo)入的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行選擇，然后設(shè)置FFT 分析的基本頻率、起始時間、周期數(shù)、最大諧波次數(shù)等參數(shù)，即可開始諧波分析，結(jié)果可在諧波頻譜圖中展示，并且還能夠?qū)Σㄐ芜M(jìn)行單次諧波的查看和分析，如圖6 所示。

圖6 諧波分析

2.2.3 測試配置

完成測試過程的參數(shù)配置?？膳渲玫膮?shù)為：電表類型，三相電能表、三相終端集中器或單相電能表；電能類型，三相三線制和四線制的有功和無功功率；通信端口；表位數(shù)量；電能常數(shù)；無功計量方式；電表圈數(shù)等。最后設(shè)置需要輸出的電壓值、電流值。

2.2.4 誤差測試

完成待測電表的計量誤差測試。通過加載預(yù)先導(dǎo)入的波形數(shù)據(jù)，由任意波形發(fā)生器卡將模擬電壓電流信號輸出到功率放大器，并控制功率放大器升源，輸出電壓電流功率信號，并送到被測電表和標(biāo)準(zhǔn)表，二者的計量脈沖經(jīng)誤差計量表計量后，檢測系統(tǒng)把計算得到的誤差檢測結(jié)果填入到左邊的表格中，如圖7 所示。檢測過程中，一旦出現(xiàn)電壓電流報警信號，系統(tǒng)將自動降源，關(guān)閉系統(tǒng)輸出。

圖7 誤差分析

2.3 主要功能代碼

系統(tǒng)的主要核心控制功能為電壓電流波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入/生成及模擬波形輸出控制兩部分。波形數(shù)據(jù)的導(dǎo)入主要通過LabVIEW 系統(tǒng)提供的基本函數(shù)發(fā)生器模塊實(shí)現(xiàn)。模擬波形的輸出則是通過NI 模擬輸出卡專用函數(shù)模塊完成。

1）波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入。波形數(shù)據(jù)導(dǎo)入分別按.mat和.csv 格式導(dǎo)入。.mat 文件數(shù)據(jù)處理程序主要代碼如圖8 所示，.mat 文件數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序如圖9 所示。

圖8 mat 文件數(shù)據(jù)處理程序

圖9 mat 文件數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序

程序通過指定文件導(dǎo)入.mat 文件后，按設(shè)置的起始時間及每周期點(diǎn)數(shù)從原始文件中截取相應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)，形成標(biāo)定電壓波形數(shù)據(jù)和電流波形數(shù)據(jù)，并送入內(nèi)存中的移位寄存器保存。

.mat 文件的導(dǎo)入方法是通過嵌入MATLAB 的m代碼將存放在磁盤上的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入內(nèi)存指定變量中，并組成特定的數(shù)據(jù)簇，以供后面數(shù)據(jù)的處理。

通過指定文件讀入.csv 文件后，按設(shè)置的起始時間及每周期點(diǎn)數(shù)從原始文件中截取相應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)，形成標(biāo)定電壓波形數(shù)據(jù)和電流波形數(shù)據(jù)，并送入內(nèi)存中的移位寄存器保存。.csv 文件數(shù)據(jù)處理程序如圖10 所示。.csv 文件數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序如圖11 所示。

圖10 csv 文件數(shù)據(jù)處理程序

圖11 csv 文件數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序

現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)文件通過二維表文件讀入函數(shù)將數(shù)據(jù)導(dǎo)入后，去掉文件頭的無用信息，將實(shí)際的波形數(shù)據(jù)取出送入內(nèi)存的移位寄存器保存。

2）波形生成。波形生成程序如圖12 所示。主要利用LabVIEW 開發(fā)平臺提供的函數(shù)發(fā)生器模塊完成。圖12（a)為電壓電流基波波形數(shù)據(jù)的生成。通過配置幅值、頻率、相位及每周期數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)等參數(shù)，生成單相或三相波形數(shù)據(jù)存入內(nèi)存的移位寄存器中。圖12（b）為諧波電壓電流波形數(shù)據(jù)的生成。其幅值、頻率、相位等是以基波的相對值來設(shè)定。

圖12 波形數(shù)據(jù)生成程序

3)模擬電壓電流波形的輸出。模擬電壓電流波形的輸出是通過NI 模擬輸出卡配套的專用函數(shù)實(shí)現(xiàn)的，程序如圖13 所示。首先建立電壓輸出通道，然后將輸出模式配置為不允許重生成，也即每個周期都使用新的數(shù)據(jù)輸出，再按需要的輸出頻率設(shè)置采樣時鐘，通過定時循環(huán)方式輸出所需要的波形。

圖13 波形輸出程序

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提平臺的可行性，在某電科院的橫向科研項(xiàng)目中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。圖14 為人工生成的三相電壓電流波形。通過功率放大器卡之后的波形如圖15 所示，可以看出輸出波形與設(shè)定波形相同，并且電壓最大能達(dá)到300 V，電流能達(dá)到2 A。

圖14 人工生成波形

圖15 功率電壓電流波形

最后進(jìn)行了誤差測試檢測，將最終輸出的三相多功能諧波功率源由如圖16 所示的多功能標(biāo)準(zhǔn)表和圖17 所示的被檢測表進(jìn)行電能計量，然后用誤差儀進(jìn)行誤差檢測，將最終數(shù)據(jù)返回PC 端，將輸出錄入表格中。

圖16 多功能標(biāo)準(zhǔn)表

圖17 被檢測表

4 結(jié)論

本文提出一種復(fù)雜電能計量環(huán)境模擬平臺。該平臺能夠?qū)牒蜕蓮?fù)雜的電壓電流數(shù)據(jù)，以便在實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)各類實(shí)際電能計量環(huán)境，以供各種簡單、復(fù)雜、非常規(guī)計量運(yùn)行環(huán)境的建模、仿真、再現(xiàn)、分析和驗(yàn)證，有助于電能計量裝置的質(zhì)量管控，故障還原分析，最終可通過誤差比對得到被測電表的電能計量誤差的特性數(shù)據(jù)，為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行復(fù)雜電能計量驗(yàn)證打下了基礎(chǔ)。實(shí)際應(yīng)用表明，該平臺達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。