面向冲击负荷的新型电能表关键技术研究
时间：2023-03-04 19:55:04 来源：千叶帆 本文已影响人
熊德智，周纲，温和，郑小平
(1.智能电气量测与应用技术湖南省重点实验室(国网湖南省电力有限公司供电服务中心(计量中心))，长沙 410004；
2.威胜集团有限公司，长沙 430070；
3.湖南大学 电气与信息工程学院，长沙 430070)
随着工业的快速发展和技术的不断革新，各类新能源如光能、风能、潮汐能等并网运行，各类非线性、冲击性和不对称性负荷大量投入使用，如电气化轨道交通、分布式电源、可控硅整流器、电弧炉、轧钢机、电力机车等[1-2]。
此类非线性冲击负荷的用电负载电流随时间冲击变化，甚至短时巨幅波动，可能会引起频率偏差、电压波动、电压闪变、电压不平衡、谐波畸变和直流注入等问题，对智能电能表的电气性能和稳定性造成很大隐患，引起电能计量出现误差，使电能表不能公正合理计费的现象，从而为国家带来经济损失[3-4]。例如：湖南某轧钢厂在正常生产中，利用现场校验装置进行误差校验时，其误差可以达到-12.45%。而在设备停产时，校验电能表误差仅为 +0.28%。而此轧钢厂的每月用电量约为200万度电，直接经济损失约为2 000 000×1.1×12.73%=280 060元。
文献[5]针对现有评估指标无法准确、有效评估冲击负载的瞬时动态特性问题，提出了一套基于瞬时功率理论及源端关键参数的暂态评估指标，并得出电动机负载可采用软启动或无功功率调节装置的方式来缓解系统稳定性。文献[6]基于发电-用户协调的新能源-高载能直购交易模式，通过考虑高载能设备有功功率与无功功率之间的耦合特性，建立了考虑负荷无功特性的高载能自调度模型，保证了高载能负荷有功调度时节点电压不越限。文献[7]利用随机矩阵理论建立平均谱半径评价指标，从整体上分析不同冲击负荷对电网的影响。文献[8]基于电力系统负荷建模基础理论和电气化铁路系统结构，建立了一种电气化铁路冲击负荷模型，对实测电气化铁路冲击负荷的负荷曲线进行小波分析法去噪并用作模型参数辨识。文献[9]提出了一种新的用于承受相关退化过程和随机冲击的负荷共享系统可靠性模型，给出了机电系统中冲击负荷分担冗余微引擎的案例。文献[10]提出了一种考虑非线性累积机制的恒定负载和随机负荷联合冲击下电网可靠性评估的建模方法，通过仿真验证了该方法的有效性，并与传统方法进行了比较。文献[11]分析冲击负荷对电能计量的影响，通过改进电能计量表，减小误差，从而实现电能的精准计量。
综合分析现有的研究和技术水平，当前的研究成果主要体现在冲击负荷模型的建立、冲击负荷对电网影响的评估以及冲击负荷对智能电能表动态误差的影响等方面[12-13]，但对如何开展冲击负荷的准确计量研究较少。文中从非线性冲击负荷的影响入手，建立冲击负荷模型，给出较为精确的冲击负荷仿真方法，据此设计具有高速AD采样和零磁通互感器的冲击性负荷电能表，并设计典型实验环境进行冲击负荷计量性能验证、分析。
1.1 冲击性负荷模型及仿真
通过Matlab仿真平台对冲击性负荷模型进行仿真，提出冲击性负荷计量原理，设计相应硬件方案和软件方案完成冲击性负荷研究。
基于Matlab建立冲击负荷测试模型进行算法仿真，建立仿真模型。
稳态电压的数学表达式：
us(t)=Umsin(ωt)
(1)
冲击电流的数学表达式：
(2)
其中：
(3)
(4)
冲击功率的数学表达式：
(5)
式中ω=2πfc；
T=1/fc为工频周期；
φn为电流初相角。
建立的由冲击电流与功率组成了冲击负荷模型如图1所示。
图1 冲击负荷模型
其中，M1和M2分别表示一个开关键控信号通断控制周期内导通、关断期间所包含的50 Hz正弦电流信号的整周期数，分别记为“通周期个数”和“断周期个数”。
按照上述冲击模型对基于常规电能表脉冲进行测试，测试结果如表1所示。
表1 冲击负荷模型误差测试结果
从表1可以看出常规基于周期发脉冲方式不再适用于冲击负荷，需要研究冲击负荷下脉冲发送。冲击性负荷计量主要是保证负荷快速大幅度变动情况下的全波电能计量精度。因此首先要采用24位的高速采样AD(采样率为160点每周波)，这样能够在不切增益的情况下，保证宽电流输入范围内的有效运算位数(根据试验表明，18位及以下的AD都难以在不切换增益的情况下满足0.2 S级计量精度要求)；
其次，在负荷快速变化的情况下，平均功率的计算可以滞后，但电能的累加以及脉冲的发送必须保证实时计算。因此该产品设计了专用的角差补偿滤波器来实时补偿电流相位，从而可以快速准确地计算出瞬时功率，并通过瞬时功率来直接累加电能和发送脉冲。
综上所述，冲击性负荷的电能计量的一个重要关键点在于对AD采样部分进行优化设计。因此，文章提出新型冲击负荷电能表硬件上采用高速度AD和零磁通互感器设计方案，软件上研究冲击脉冲发送方式及冲击负荷滤波算法。
1.2 硬件设计
1.2.1 设计原理
冲击性负荷电能表设计原理如图2所示。电压信号与电流信号通过电阻分压、零磁通电流互感器进行取样，通过高速A/D进行信号的高速采样与处理。采用高速A/D进行高速录波，保证对冲击负荷的精确录取。为了提高计算速度与效率，设计DSP电路进行快速计算。CPU电路负责实现整个系统的运转、显示等。电源电路通过开关电源将市电变为系统所需的电源。
图2 新型冲击负荷电能表设计原理图
1.2.2 采样电路设计
电压采样电路采用电阻分压进行电压取样，电压采样电路设计如图3所示。为了保证电能表的精度，保证取样的精准，电阻全部采用1%精度、温度系数为10 ppm的电阻作为取样电阻。
图3 电压采样电路
通过设计抗混叠电路，保证计量芯片计量的准确性。通过设计二极管保护电路，保护后级电路的正常工作。当冲击负荷发生时，高精度的电压采样电路能够对冲击负荷下波形进行精确采样，保证信号的完整与计量精确。
电流取样电路采用零磁通的电流互感器进行电流取样，为了保证计量芯片计量的准确性和保护后级电路，同样设计了抗混叠电路和二极管保护电路，电压取样电路设计原理如图4所示。
图4 电流采样电路
1.2.3 零磁通电流互感器设计
由于非线性负荷存在快速变化、冲击性等特点，信号的高频分量所具有的能量不能忽略，因此必须对信号进行全波采样，这就要求信号输入通道必须具备合适宽度的带宽。因为冲击性负荷瞬时电流波形幅度非常大，所以信号输入通道还必须具备宽动态范围。基于此点，在电流输入端，通过设计带补偿线圈的零磁通电流互感器，从而实现10 mA(1%In)～25 A(Imax)的输入电流宽动态范围，达到10 kHz以上的输入带宽。零磁通互感器设计原理如图5所示。
图5 零磁通电流互感器设计原理
零磁通电流互感器可在25倍的额定电流范围内保持一个较好的比差和角差。采用零磁通互感器，仅用单段校表即可满足整个动态范围内的计量精度要求，从而在负荷波动时，不存在因切换校表参数不及时而导致的计量误差。当冲击负荷发生时，零磁通电流互感器能够在冲击负荷下进行完美采样，保证良好的角差与比差。
2.1 算法思路
冲击负荷精确计量方法采用瞬时功率直接累加的方式，当瞬时功率累加值大于一个脉冲电量阀值时，则发出一个脉冲，电能表将该脉冲计入总电量累加池。单个脉冲时段的稳态电量的计算公式为：
WA=Pconst·Taccu
(6)
式中WA为单个脉冲时段的稳态电量；
Pconst为实际三相功率之和；
Taccu为单个脉冲时段。
一个脉冲时段Taccu总电量为：
(7)
式中Taccu为累加时间；
PALL为总瞬时功率；
Pconst为实际三相功率之和；
M为有功功率；
N为无功功率；
ω为周期；
t为时间；
φ为瞬时电压和瞬时电流的相位差。
(8)
其中:
(9)
式中UA、UB、UC为三相瞬时电压；
IA、IB、IC为三相瞬时电流；
φ+θ为电压与电流之间相角。
2.2 冲击负荷滤波算法
IIR为无限冲击响应，若给IIR滤波器一个输入冲击，它的冲击响应将是自激的，在理论上永远不会停止。文中采用的是IIR低通滤波器，IIR低通滤波器的设计指标为：通带边缘频率10 Hz，通带波动系数0.001，阻带边缘频率90 Hz，衰减系数0.3。
IIR低通滤波器的差分方程如下：
y(i)+b0·x(i)+b1·x(i-1)+b2·x(i-2)-
a1·y(i-1)-a2·y(i-2)
(10)
式中b0、b1、b2、a1、a2为根据通带边缘频率、通带波动系数、阻带边缘频率和衰减系数这四个参数设计的IIR滤波器参数。
在冲击负荷电能表的设计中,b0、b1、b2、a1、a2取值分别为：
b0=1.0e-003 ×0.335 730 656 611 52
b1=1.0e-003 ×0.671 461 313 223 71
b2=1.0e-003 ×0.335 730 656 611 41
a1=-1.947 507 747 563 93
a2=0.948 850 670 190 37
依据以上具体参数取值设计的IIR低通滤波器频响特性曲线如图6所示。
经由设计的IIR低通滤波器后，瞬时功率PALL中频率为2ω的正弦曲线被滤掉，瞬时功率PALL等于实际三相功率之和Pconst。
图6 IIR低通滤波器频响特性
3.1 实验方案设计
冲击负荷实验设计原理如图7所示，该实验设备主要由标准功率源、三相标准电能表、HE5001型冲击负荷电能计量性能测试装置、被测冲击负荷电能表(以下称为被测电能表)等组成。
图7 冲击负荷实验设计原理图
标准功率源发出的电压、电流标准信号一端接入HE5001冲击负荷电能计量性能测试装置，另一端直接接入标准表，标准表的计量脉冲接入HE5001冲击负荷电能计量性能测试装置，同时HE5001冲击负荷电能计量性能测试装置将功率源发出的电压、电流变成的连续的电压、间断电流信号发给被测电能表，被测电能表的脉冲也接入HE5001冲击负荷电能计量性能测试装置，从而完成精度比对，得到被测电能表的精度。
HE5001冲击负荷电能计量性能测试装置能将连续电流信号变成间断的电流信号，从而模拟现场的冲击负荷和冲击性负荷。HE5001冲击负荷电能计量性能测试装置采用严格的同步方法，保证信号整周期截断，每次通N个整周波的信号断M个整周波信号，在接到被测电能表的第一个脉冲后，开始计标准表的脉冲数，连续观察一段时间，如4 min，得到这段时间内标准表的所有脉冲数为P，则这选通的N个周波标准电能脉冲理论值为P0，其计算方法如式(11)所示：
(11)
将该值与被测电能表的脉冲进行比对，从而得到计量精度。这种累计脉冲数比对的方法也防止了因脉冲发送延迟造成的问题。
这个方案的溯源原理是不改变波形形状，而是将一段时间的电能等间隔的分成N份，每份电量按照固定的间隔时间发给电能表，而总电量不变。不论是连续地计量完这N份电量还是分时地计量完这N份电量，电能表显示结果都应该一致。
3.2 实验结果分析
被测电能表与三相标准电能表比较的冲击负荷误差测试数据如表2所示。
表2 实验数据
为验证被测电能表的初始精度，将通断比设置为5: 00(表示持续稳定供电5 min)，测得被测电能表的正常供电误差为 -0.03%。暂态冲击负荷测试是指电压、电流在稳态接通的过程中，突然切断电流，按预设的通断比进行被测电能表的误差测试。从实验数据分析可知，在暂态冲击负荷情况下，测试误差与测试时长相关，测试时间越长，误差越大，且总体误差平稳，与初始精度相差较小。当进行短时冲击负荷测试时，总体测试时长为80 min，负荷切换次数为30次和40次，测得的误差为-0.03%和-0.04%，误差基本稳定，与初始精度相符。当进行长时冲击负荷测试时，三组测试时长分别为280 min、280 min及600 min，切换次数分别为80次、80次和300次，由测试结果可知，长时冲击负荷测试误差严重偏离了初始精度，且误差随着测试时长的增加而增加。
实验结果表明，在暂态冲击负荷与短时冲击负荷的情况下，被测电能表的误差与初始精度相符，可被视为准确计量；
在长时冲击负荷的情况下，被测电能表的误差较大。实际生产中，冲击负荷一般为暂态冲击负荷和短时冲击负荷，研制的该型冲击负荷电能表能准确计量冲击负荷电能。
对于长时间冲击负荷的电能计量，从算法层面应当考虑的是：冲击性负荷带来的电流信号变化速度较快，应当采用时间分辨率更高的信号处理算法。比如，采用泰勒傅里叶变换、泰勒卡尔曼滤波器等动态相量测量算法可以实现半周波(10 ms)内的电流基波和谐波等参数的动态准确估计，进而可以计算瞬时基波与分次谐波功率，提高冲击性负荷电能计量准确度；
从硬件层面应当考虑的是：改善滤波器和放大电路的频率响应特性，减少电路引入的时间滞后性和宽频带范围内的噪声，使之能够确保调理电路的带通滤波器和放大电路环节不会改变冲击性负荷电流的变化特性。
(1)非线性冲击负荷会对计量点的电流、电压及频率产生较大影响，会引起较严重的电能计量误差，在分析非线性冲击负荷对计量误差影响的基础上，建立了冲击负荷模型，给出较为精确的冲击负荷仿真方法；
(2)通过运用建立的冲击负荷模型，提出了新型冲击负荷电能表的设计方案和设计原理，设计了电压、电流高速AD采样电路，给出了零磁通电流互感器设计方法，提出了一种冲击负荷计量方法及算法思路，给出了基于IIR低通滤波器的冲击负荷滤波算法及具体参数，设计出新型冲击负荷电能表；
(3)在冲击负荷模型的基础上，设计了冲击负荷典型实验环境，分别在暂态冲击负荷、短时冲击负荷、长时冲击负荷等条件下对待测冲击负荷电能表进行实验，实验结果表明，所设计的新型冲击负荷电能表能准确计量冲击负荷电能，具有很强的实用价值和广阔的应用前景。
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