基于小波變換的電力測量儀表計量誤差校正方法

李 萍

（國能寧東第一發(fā)電有限公司，寧夏 靈武）

引言

電力是一個動態(tài)量，測量電力參數(shù)是一項艱難的工作。利用電力測量儀表，能夠精確地獲得電力數(shù)據(jù)，并根據(jù)電力數(shù)據(jù)變化情況，分析相關(guān)設(shè)備的故障問題，為電力設(shè)備的正常運行提供保障。在電力測量儀表實際計量的過程中，設(shè)備電壓變化、頻率變化、電流變化、諧波變化，均會引發(fā)計量波動，導致計量誤差。針對電力測量儀表的計量誤差問題，研究人員設(shè)計了多種方法。

基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計量誤差校正方法，主要是利用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對電力測量儀表進行數(shù)據(jù)采集，并分析計量誤差來源，由此構(gòu)建誤差校正模型[1]?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)的計量誤差校正方法，主要是利用人工智能技術(shù)，分析儀表中誤差數(shù)據(jù)的來源，再結(jié)合人工智能技術(shù)的相關(guān)原理，提取出誤差特征，再對其進行針對性地校正，從而實現(xiàn)電力測量儀表計量誤差的有效校正[2]。以上兩種方法均能夠進行誤差校正，但是受到諧波的影響，最終的校正結(jié)果仍不滿足儀表計量需求[3]。因此，本文結(jié)合小波變換的優(yōu)勢，設(shè)計了電力測量儀表計量誤差校正方法。

1 電力測量儀表計量誤差校正的小波變換方法設(shè)計

1.1 核定電力測量儀表計量的動態(tài)誤差

在電力測量儀表計量誤差校正中，給定動態(tài)測試信號，反映儀表計量的動態(tài)誤差特征，從而對不同類型的誤差進行針對性的校正[4]。本文將電力測量儀表的隨機性誤差變化歸納為動態(tài)誤差，通過分析電力測量儀表計量的動態(tài)負荷特性，判斷動態(tài)誤差的校正條件。將連續(xù)的動態(tài)誤差序列設(shè)定為m，由二元波形函數(shù)g（m）核定，得到穩(wěn)態(tài)正弦信號。公式如下：

式中，i（m）為動態(tài)誤差核定值；ik（m）為穩(wěn)態(tài)正弦信號。將電力測量儀表的電壓、電流、電能的動態(tài)測試信號輸入到儀表中，i（m）與增益系數(shù)的乘積，經(jīng)過離散化得到動態(tài)隨機誤差。動態(tài)誤差具有一致性，i（m）取決于m 序列的統(tǒng)計特征[5]。

1.2 基于小波變換構(gòu)建電力測量儀表計量誤差校正模型

本文選取了不同的小波基，并對電力測量儀表計量誤差進行小波變換，得到計量誤差的能量集中特性，從而實現(xiàn)誤差的有效校正[6]。本文將電力測量儀表計量的原始信號以正弦波表示，計量誤差的信號以小波信號表示，由此得到正弦曲線與小波曲線的變化情況，如圖1 所示。

圖1 正弦曲線與小波曲線變化示意

如圖1 所示，（a）為正弦曲線；（b）為小波曲線。（a）從負無窮一直延續(xù)到正無窮，是平滑的、有規(guī)律的、可以預測的。（b）不對稱、不規(guī)則、不可預測的[7]。本文將電力測量儀表計量的正弦信號轉(zhuǎn)換成小波信號，并將不規(guī)律、存在瞬時變化的信號輸入到誤差校正模型中，以此完成儀表計量的誤差校正。假設(shè)電力測量儀表計量誤差信號為Y（t），小波變換條件為：

式中，CY為小波變換條件；t 為小波基；d 為母小波伸縮與平移的距離。d 表示為：

式中，a 為伸縮因子；b 為平移因子；Y 為誤差信號的小波序列。對于任意一個計量誤差信號，構(gòu)件一個誤差校正模型，表達式如下：

式中，Yt（a，b）為任意誤差信號經(jīng)過伸縮平移之后的重構(gòu)值；f（t）為目標誤差信號的離散小波函數(shù)。在誤差信號的頻率變化時間軸上，f（t）的長度越短，時間軸上的觀察范圍越小，小波變換的約束越小，最終的重構(gòu)只也就越精準。利用f（t）對Yt（a，b）進行重構(gòu)，a≠1 且a＞0，b≠0 的條件下，誤差信號在頻率上自由伸縮變換[8-9]。

1.3 補償電力測量儀表計量的靜態(tài)誤差

根據(jù)計量采樣時鐘在采樣點的相位間距確定采樣點的相位，由此得到的計量有效值就是誤差補償值[10]。將采樣點的計量值設(shè)定為x（n），采樣點對應的相位為Ws，則電力測量儀表計量有效值表示為：

式中，U 為電力測量儀表計量有效值；N 為計量次數(shù)；φn為計量誤差極限值。將Ws、φn誤差相位補償?shù)絰（n）中，再將其輸入到Y(jié)t（a，b）中，進行二次校正，真正意義上消除電力測量儀表的計量誤差。當Yt（a，b）=1 時，U 就是靜態(tài)誤差補償值。當U＜φn時，則證明靜態(tài)誤差較小甚至可以忽略不計；當U＞φn時，則證明靜態(tài)誤差較大，需要經(jīng)過多次小波變換校正誤差；當U=φn時，靜態(tài)誤差與非同步誤差相互抵消，電力測量儀表計量的精準度更高。

2 實驗

為了驗證本文設(shè)計的方法是否滿足電力測量儀表計量誤差校正需求，本文對上述方法進行了實驗分析。最終的實驗結(jié)果則以文獻[1]、文獻[2]，以及本文設(shè)計的基于小波變換的電力測量儀表計量誤差校正方法進行對比的形式呈現(xiàn)。具體的實驗準備過程以及最終的實驗結(jié)果如下所示。

2.1 實驗過程

本次實驗使用TD3650 電力測量儀表，儀表適用于國際建議的C 級表，型號為DTSD188S，規(guī)格為3×220/380V，0.01～0.2 (10)A，有 功 電 能 常 數(shù) 為6400 imp/kWh。電力測量儀表計量誤差的校正等級為0.05級，諧波狀態(tài)下準確度等級為0.2 級。交流電壓輸出量程包括60 V、120 V、240 V、480 V，輸出范圍為6 V～576 V，調(diào)節(jié)細度≥0.002%。交流電流輸出量程包括0.001 A、0.002 A、0.005 A、0.010 A、0.020 A、0.050 A；0.1 A、0.2 A、0.5 A、1.0 A、2.0 A、5.0 A；10 A、20 A、50 A、100 A。在電力測量儀表計量的過程中，頻率調(diào)節(jié)范圍為45 Hz～65 Hz，相位調(diào)節(jié)范圍為0°～360°。本文向電力測量儀表施加諧波、調(diào)整頻率、調(diào)整電壓，使其出現(xiàn)計量誤差，并對此時的計量誤差信號進行分析，如圖2 所示。

圖2 電力測量儀表計量信號波形

如圖2 所示，Tp 為計量周期內(nèi)誤差次數(shù)；Tc 為計量周期內(nèi)瞬時誤差次數(shù)。圖中穩(wěn)態(tài)正弦信號波動較為規(guī)律，上頂點與下定點的位置就是出現(xiàn)誤差的位置，以持續(xù)性誤差影響電力測量儀表的計量數(shù)據(jù)。動態(tài)負荷信號以持續(xù)中斷或瞬時沖擊的形式影響電力測量儀表的計量數(shù)據(jù)。本文針對計量誤差的大小，將儀表計量能力分為A、B、C、D 四個等級，并對其進行誤差校正。校正后的誤差低于誤差極限，才能滿足誤差校正需求。

2.2 實驗結(jié)果

在上述實驗條件下，本文隨機選取出多種電力測量儀表，其計量誤差的等級分為A、B、C、D。其中，電力測量儀表的計量誤差排序為A＞B＞C＞D，A 等級的計量誤差最大，D 等級的計量誤差最小。根據(jù)電力測量儀表的計量誤差等級，設(shè)置校正后的誤差極限。并將文獻[1]方法的綜合誤差、文獻[2]方法的綜合誤差，以及本文方法的綜合誤差進行對比。實驗結(jié)果如表1所示。

如表1 所示，影響儀表計量誤差的因素包括負載不平衡、電壓變化、頻率變化、諧波、溫度等，本文選取電壓、頻率、諧波作為主要校正因素。在其他條件均一致的情況下，文獻[1]方法更適用于電壓變化導致的計量誤差，對其他計量誤差因素校正效果不佳。文獻[2]方法在頻率變化方面與電壓變化方面的校正體現(xiàn)了良好的優(yōu)勢，在諧波變化方面的計量誤差校正亟需改進。而使用本文方法后，綜合誤差均低于0.010%，誤差校正效果更佳。

結(jié)束語

電力測量儀表主要采集電壓、電流、頻率、相位、功率、電能等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)波動變化較大時，很容易出現(xiàn)計量誤差，增加電力企業(yè)的經(jīng)濟成本。因此，本文利用小波變換，設(shè)計了電力測量儀表計量誤差校正方法。從動態(tài)誤差、校正模型、靜態(tài)誤差等方面，將電力測量儀表的誤差進行全方位的校正，從而實現(xiàn)儀表的精準計量，為電力企業(yè)的經(jīng)濟效益提供保障。