基于实功率仿真的电能表校验平台信号复现技术

王 智,王海元,曾伟杰,苏玉萍,段羽洁

(1.国网湖南省电力有限公司 供电服务中心(计量中心),湖南 长沙 410004；2.西安交通大学 电气工程学院,陕西 西安 710049)

随着我国电力系统的不断发展和新能源并网运行,各种电力设备的投入与切断都会对电网实际工况造成一定的冲击。实际电网中动态负荷不断增多,具有瞬时电流波动较大的特点,输入到终端电能表的信号也有着复杂的扰动特性[1]。分布于电网中的电能表承担了电能法制计量的任务,其计量误差的检定在国际与国内都有相关的标准,然而，电能表在实际工况中的计量准确性受到动态扰动的影响。

电能表从出厂到投入使用,必须经过误差测试和检定环节。电能表的质量是否合格取决于误差是否在合格的误差限内,现有检定方法无法细化电能表的误差,需要更加准确的信息数据来支撑检定[2],常用标准表法对电能表进行误差检定[3]。在对一般的电能表测试时,实验室通常选择虚功率环境进行检定，采用标准正弦信号作为参比信号,对电能表误差进行分级[2]。电能表现有检定方法无法在实际工况下进行误差检定,从而造成实验室先检结果与现场运行情况相差较大的问题[4]。实验室检定电能表误差测试技术主要的难点如下[5]。

1) 目前电能表的实验室检测都是采用虚负荷,即电压、电流是分开独立输出的，显然和现场实际工况不符。

2) 动态负载等被测量的快速变化难以模拟,其对电能计量造成的偏差难以准确测试[6]。

3) 现场工况十分复杂,受多种情况影响。无法明确温度改变、电压畸变、频率波动、谐波等多个影响量的共同作用机理。

4) 受信号源虚功率测试的复现能力限制,电能表动态误差模型难以完全模拟输入被测信号,尤其在信号快速变化时信号偏差很大。

因此,实验室所采用的标准参比信号检定通过的电能表在实际工况下,可能存在计量准确度差的情况。本文研究基于LabVIEW的程控电子负载和程控电压源[7]的实功率仿真技术,解决难以复现现场实际工况的难题。对信号进行快速傅里叶变换和S变换[8]，从频域和时频域验证仿真平台复现现场工况的情况。

1 电能表误差研究现状与检定条件

针对电能表误差,潘峰等人指出电子式电能表受到计量算法误差和浮点数计算误差的影响[9]；陆祖良等人研究了测量电能表动态信号误差的实验条件,其中，实验信号应具有动态和可调节的特点[1]；陆祖良和郑荐中测试了电能表在正弦和梯形波形下的动态误差测量的不确定度[10]；王学伟提出了一种动态误差OOK激励测试方法，并对3种电能表进行了测试,表明动态误差与激励信号负荷模式相关[11]。

我国现行JJG 596—2012标准中,规定了如表1所示的电能表计量性能时应满足的参比条件。进行电能表基本误差检定时,输入满足参比频率和参比电压的正弦波,调定规定的负载点,并在不同功率因数下测量[2]。

表1 参比条件及其允许偏差Tab.1 Reference conditions and allowable deviations

电能表在输入的动态信号变化时,如果数据处理程序对电压电流的变化响应慢,会导致参数设置不合理,进而影响电能表的计量准确度,此外，输入动态信号的类型也会对电能表在实际工况下的运行造成影响。本文拟搭建实功率环境下的电能表误差测试系统,为其提供实际工况下的测试信号。

2 S变换原理

S变换是一种时频域分析方法,其核心思想可理解为是对小波变换的一种“相位修正”[12]。S变换经常被用在电能质量扰动的识别任务中，作为特征提取的一种方式[12-14]。对信号序列x(t)的S变换定义为

可权筝怎么办？把人一水灵灵的姑娘熬成剩斗士了？不满意早说呵？没感觉早吱声呵？要登记了，你恐婚了？要修成正果了，你想逃了。这不能够！

(1)

(2)

其中，w(τ-t,f)为高斯窗口;τ为高斯窗口在时间轴上的位移因子;f为频率。将母小波定义为一个高斯窗函数和一个复向量的乘积,代入到信号连续小波定义式即可得到S变换。S变换公式与短时傅里叶变换相比,窗函数的高度和宽度动态变换,在低频段时窗较宽,从而获得较高频域分辨率,高频时窗窄以获得较高时域分辨率[15]。其逆变换对应为

(3)

信号x(t)的S变换与其傅里叶变换H(f)之间有

S(τ,f)=

f≠0。

(4)

设信号为x(kT)(k=0,1,2,…，N-1)是对x(t)进行时域采样的离散序列,T为时域采样间隔，N为采样总点数。则该信号的离散傅里叶变换为

n=0,1,2,…，N-1。

(5)

j=0,1,2…,N-1。

(6)

S变换后得到结果为一包含时域与频域信息的矩阵,列向量为时间,行向量为频率,S变换的结果取模后为对应时频点的幅值。

3 实功率平台的设计

3.1 软件设计

在LabVIEW环境中进行实功率环境仿真软件设计。软件部分由文件数据读取、采样设置、触发设置、快速傅里叶分析等部分(FFT)组成。文件数据读取为一位数组,根据采样率设置数据时间间隔,生成数据波形。另一端使用DAQmx控件设置模拟电压输出,将输入电压进行归一化处理,采样时钟源选择板上时钟,同时与生成波形信号时间间隔同步,采样方式选择1通道N采样,并进行连续采样。将一组波形数据以循环方式进行输出,最终得到波形的归一化模拟信号，并且在LabVIEW中对原始数据进行频谱测量[16-17]。

3.2 平台构成

实功率测试平台主要由电力监测录波仪、嵌入式控制器、高速信号发生器、程控电子负载与电压源及待校准电表组成，如图1所示。

图1 实功率平台构成Fig.1 Real power platform structure

监测智能电能表接入工况电网,同时使用电力监测仪,配置录波环境后对现场工况进行数据采集。将获得的数据进行快速傅里叶变换与S变换等,可以对其进行谐波分析和和电能质量扰动分析。扰动主要分为暂升、暂降、电压波动等动态和稳态扰动[18]。电力监测仪采集的数据是包含了电压、电流、时间的离散序列。

综合考量对信号的承载以及放大能力,为了得到可靠的输出波形,对仪器进行具体选型，如表2所示，将采集得到的波形数据规格化。在控制器上部署预设好的LabVIEW驱动程序，并驱动高速信号发生器[19]。信号发生器外接程控电压源和电子负载,用以驱动、控制其输出信号。程控电压源和电子负载可以输出实际大小实际波形的电压电流,并可以通过同步锁相口调制电压和电流,达到同步测试实功率的效果。同时，系统可通过Modbus在控制器与电压源、电子负载间通信,也可以通过RS-485完成与上位机的通信,从而实现工况输出在线监测[20]。将工况信号接入待校验电表中,可以在现场真实信号的环境下完成对电能表的校验。

表2 实功率平台的仪器构成Tab.2 Instrument composition of real power platform

4 测试结果及分析

为了验证实功率仿真校验平台搭建是否成功,需要对复现的信号与录波仪获得的原始信号进行对比。下述工况数据是绕线机与多PLC负载下的电压电流信号。本文以单相电压为例,将录波得到的数据导入到LabVIEW，对其进行傅里叶分解(FFT)得到现场信号频域的信息,分析其基波与谐波含量。然后，对原始信号与复现信号进行S变换,观察其时域与频域的幅值分布。通过对比原始信号和复现信号两者得到的FFT结果与S变换的结果分析搭建平台的性能。图2是信号的原始时域波形,可以看出，在绕线机与多PLC负载下，电网下的波形是有畸变的类正弦信号,复现出的信号如图 3,可以看出，原始信号和复现信号在时域上的波形形状相似,且最大值达到了320 V,与真实信号的电压等级相同。图4是对离散信号的FFT分析结果,图5是使用示波器对复现波形进行FFT的结果,图4和图5的结果对比在表3中列出,可以看出，两者信号的基波与奇次谐波幅值基本一致。推测误差的产生原因是由于示波器本身自带FFT计算存在误差。

图2 原始信号时域波形Fig.2 Time domain waveform of original signal

图3 复现信号时域波形Fig.3 Time domain waveform of regenerated signal

图4 原始信号快速傅里叶分析Fig.4 Fast Fourier analysis of original signal

图5 复现信号快速傅里叶分析Fig.5 Fast Fourier analysis of regenerated signal

表3 各频率分量幅值对比Tab.3 Comparison of amplitude of each frequency component

图6和图7分别为对原始信号和复现信号进行S变换，x轴是时间t,y轴是频率f,z轴是对应时间频率采样点的幅值,复现波形信号与原信号在时频域上的信号基本相同,这点同样反映在图8与图9两幅S变换的等高线图像上，两者在低频段的幅值分布非常接近，在奇次谐波的幅值分布上也与之前FFT的分析结果相契合。另外值得注意的是，在时间起始点，复现信号在高频段到500 Hz中有一个图像边缘翘起，经分析得知是实验平台仿真启动时的谐波干扰。

图6 原始信号S变换Fig.6 S-transform of original signal

图7 复现信号S变换Fig.7 S-transform of regenerated signal

图8 原始信号S变换的时频图Fig.8 Time-frequency diagram of original signal S-transform

图9 复现信号S变换的时频图Fig.9 Time-frequency diagram of regenerated signal S-transform

选取S变换求模后的7个特征值如表4所示，与图6～9中分析结果相吻合，实功率平台对基频的还原十分接近原始信号，偏差为0.04%。系统的起动与停止引入了高次谐波，使得从100 Hz到更高频段的谐波幅值偏差增大， 从7次谐波样本来看， 起始点与终止点的谐波偏差更大， 但相对波形整体总量而言， 谐波幅值的平均值偏差仅为0.09%，表明信号的起始点与终止点偏差不足以干扰复现信号的还原。

表4 S变换结果对比Tab.4 Comparison of S-transform results

5 结语

1) 为解决电子式电能表误差检定时存在的动态负载造成偏差难以准确测量的问题，本文提出了实功率环境下检定电能表误差的方法,并基于LabVIEW程序和程控电压源、电子负载等仪器搭建了实功率平台。

2) 在实功率平台上复现了绕线机与多工控机负载下实际工况的信号。并将工况信号与复现信号做快速傅里叶变换和S变换,在时域和频域上作对比。两者的波形和各次谐波幅值较为接近,S变换图像基本一致,在平台启动和停机时会引入高次谐波,但总体不影响波形还原质量。基波幅值平均值的偏差为0.04%, 谐波幅值平均值的偏差为0.09%，表明实功率平台实现了现场工况信号还原的目的。

3) 本文初步搭建了实功率平台,为电能表动态误差的实际检定提供了条件,对减小电能表检定误差有重要意义，且该平台与方法可以延伸到其他量测设备的检定方法中。