一种复杂电能计量环境模拟平台

丁海丽，周媛奉，张 洁，张 翔，胡婷婷，谢邱虹，邱晓初*

（1.国网宁夏电力有限公司营销服务中心,银川 宁夏 750011；2.西华大学电气与电子信息学院,四川 成都 610039）

相对于传统的煤、石油、天然气等化石能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界日益严重的环境污染和资源匮乏等问题具有十分重要的意义[1]。然而，新能源的广泛应用同时也给电力系统带来了新的挑战。特殊电源或分布式电源接入等非常规电网运行环境以及大量电力电子设备的应用而产生的特殊、复杂工况对电能计量装置计量性能等产生了各种影响，造成安全生产不稳定、供电企业优质服务存在隐患。目前，故障分析中复杂电网环境难以复现。电网运行环境因素是造成电能计量装置故障的主要原因之一。此类故障往往需要还原实际运行环境，通过装置的故障复现开展故障分析，但是当前复杂运行工况下计量环境的再现和复杂工况对电能计量装置各项性能、功能影响的试验能力仍存在不足，相关故障分析往往无从下手。为此，建设实现计量新原理、新方法、新设备探索与应用的复杂电能计量环境模拟平台十分必要，在非常规电网运行环境下电能计量装置质量的针对性检测、故障还原分析及其他质量管控，填补电能计量相关领域空白等方面具有重要的意义。

电能计量主要由硬件和软件2 部分组成，也就是通常意义上说的电能计量装置及电能计量技术。最早的电表是由匈牙利的甘茨电度表公司于1881 年制造的感应式电能表，其质量达几十千克，特点是操作简单、耐用等，但由于其精度低，功能单一等缺陷并不能满足当时的电能计量需求[2-3]。在20 世纪60 年代，多种计量精度更高、适用频率宽等优点的电子式电能表出现了[4-5]。德国、瑞典等发达国家在20 世纪80 年代接连制造出了适用于工业环境下的电子式电能表，使电能的计量进入了实用阶段[6]。到20 世纪90 年代，我国也制造出了电子式电能表[7-8]。随着智能电表概念的提出，电子式电能表逐渐向智能化方向发展。

电能计量技术主要包含抄表技术及计量算法。传统的抄表技术（MMR）需要每月去现场对数据进行计量，抄表工作及电表维护都是十分艰巨的。为了有效地解决上述问题，电子抄表（EMR）也就随之推出，但该方式主要用于工业用户。随着智能电网的大力发展，自动抄表也就被推上了时代的舞台，并且得到了广泛的应用[9-11]。

可靠性及精准性是电能计量的基本要求[12-15]。由于电能计量环境越来越复杂，精确的电能计量变得越困难[16-22]。为再现不同复杂实际电能计量环境的电表计量分析验证平台，以供在各种复杂电能计量环境中精确计量方法的研究和验证，本文提出一种复杂电能计量环境模拟平台实现方法。该方法以工控机为控制中心，利用NI 高精度任意波形发生器卡输出实际所需要电压电流波形，再通过功率放大器产生实际工程所需的三相电压和电流，分别送给高精度标准表和待验证表同时进行计量，为之后计量方法的改进和仪器的升级提供实际数据。该方法在某单位实际应用中取得到很好的效果。

1 不对称电压电流下的功率定义

目前常用的电能计量方式主要采用全有功功率计量方式，通过求各相功率代数和的电能计量方式来计算三相电路中的有功功率，其表达式为

式中pa、pb、pc分别代表三相吸收的瞬时功率。

然而，如果电压和电流均有波形的畸变，则将会对计量结果产生影响。如果三相四线制系统中电压u(t)和电流i(t)为不对称，则其瞬时值可以表示为：

式中：n=a、b、c;ω为基波角频率；φnuk,φnik为电压、电流基波及谐波初相位。

按照对称分量法的思想，可以分别将电压ua(t)、ub(t)、uc(t)和电流ia(t)、ib(t)、ic(t)分解为正序分量、负序分量以及零序分量，其表达式为：

由Clarke 变换，将abc坐标系下的电压电流变换到αβο坐标系，为

类似地，有

按瞬时功率定义，可将瞬时实功率、瞬时虚功率及瞬时零序功率定义为

将式(5)和式(6)代入式(7)，整理后为

式中：p、q、po分别为瞬时实功率、瞬时虚功率及瞬时零序功率；分别为其平均功率；分别为其交变功率。

瞬时的实功率、虚功率及零序功率的平均功率分量及交变功率分量分别为：

按照传统功率定义的概念：瞬时实功率表明了单位时间内总的能量流，其平均功率分量为单位时间内的单向能量流，其交变功率分量则为单位时间内双向的能量流，其平均值为零；瞬时虚功率的大小则表明了瞬时无功功率的大小，其平均功率分量对应于传统的三相无功功率，对能量的传输不起作用，交变功率分量则表征了在三相间进行功率传递的大小，和负载、电源间的能量传输没有关系；零序功率则类似于实功率，与电源、负载间的能量传输相关，其平均功率分量表明了单向能量流的大小，交变功率分量则表明了双向能量流大小，其平均值为零。

可见，当电源电压不对称且畸变时，采用瞬时功率理论所计算的瞬时实功率的平均功率分量既包含了电压基波正序和谐波正序的实功率，也包含了电压基波负序和谐波负序的实功率，因此，在三相四线制系统进行电能计量时，必须考虑电源电压基波负序分量、零序分量及谐波分量对计量精度的影响。尤其是当三相不平衡时，有功功率则由正序有功功率、负序有功功率及零序有功功率组成。如果此时存在三相不对称用户，则该用户输出的正序有功功率大于零，而负序有功功率及零序有功功率小于零，但由于电能计量是通过代数和的方式计算，反而减少了需要缴纳的费用，而与之相连的三相对称用户还需要为之缴纳额外的费用。目前仍然没有合适的计量方法能够解决这个问题，为此，本文希望提供一种复杂计量环境的模拟平台，为进一步设计出合适的计量方法提供参考。

2 复杂电能计量环境模拟平台的实现

复杂电能计量环境模拟平台主要由硬件系统及软件系统组成。硬件系统主要是负责对电压电流波形数据的产生及放大、标准电能计量及误差计量等。软件系统则进行波形数据的产生及分析。

2.1 模拟平台硬件系统

模拟平台硬件系统组成框图如图1 所示，主要包括工控机、NI 公司任意波形发生卡、功率放大器、多通道录波器、高精度标准表及误差表等。需要输出的电压电流数据通过工控机的通信口导入计算机，按照设置的工艺参数，控制任意波形发生器卡输出所需要的模拟波形，波形送入到功率放大器，产生功率级的电压电流，分别经标准表和被检测表计量后，计量结果送到误差表进行误差分析，最终结果记录在上位机中。

图1 硬件系统能成框图

工控机作为整个系统的控制中心，主要完成输出波形的数据导入或生成、波形的FFT 分析及电压电流数字波形的输出。工控机输出的数字波形由任意波形发生器卡输出小功率的模拟电压电流，再由功率放大器放大为特定功率的电压电流，输出给被测电表和高精度标准表进行计量。系统还可以使用MATLAB 仿真平台生成的数据、现场录波器采集回来的数据以及由PC 端生成的数据，以便还原各类复杂计量工况。

NI 任意波形发生器卡选择NI 公司基于PCI 总线的模拟输出卡PCI-6 733。该输出卡是一款1 MS/s高速模拟输出设备，专为激励响应测试（包括声学失真测试）和仿真（如三相电源仿真）等控制和波形输出应用提供多通道同步更新。设备还提供了8 条5 V TTL/CMOS 数字I/O 线，2 个24 位20 MHz计数器/定时器，具有数字触发和外部时钟功能。PCI-6 733 可以替代几种仪器，包括独立的比例积分微分(PID)控制器、低速任意波形发生器和函数发生器，可以控制每个通道的每个数据点，以定义方波、正弦波或锯齿波等常见波形以及复杂波形。

高精度标准表采用HS-5300B 三相多功能标准电能表。这是一高精度多功能宽量程标准电能表，精度等级为0.05 级，可在单相、三相四线Y/三线Δ 等各种接线方式下对交流电压、电流、功率（有功功率、无功功率、视在功率）测量。其中无功功率可进行真无功、跨相无功、人工中性点无功等多方式测量。

2.2 软件系统

软件平台系统功能如图2 所示，主要基于LabVIEW 平台开发，可完成波形导入、波形分析、测试配置和误差测试等功能。通过与MATLAB/Smulink仿真系统相结合，系统还能进一步扩展形成为一个操作简单、界面直观、功能强大的分析系统，再现多种电能计量的复杂工况。

图2 软件系统功能组成

2.2.1 数据导入功能

数据导入提供3 种方式。其一是MATLAB/Smulink 仿真数据的导入，数据导入格式为.mat 文件，如图3 所示。在导入数据时，可选择想要查看的数据源，可一次加载4 种波形图，通过切换按钮可切换导入的波形图。其二是现场录波仪的数据导入，数据导入格式为csv 文件，如图4所示。其三是人工生成波形，这也是电能计量模拟分析平台提供的一种最为灵活的波形定制功能，如图5 所示，可先对基波的幅值、频率、相位进行配置并生成基波，然后再配置想要添加的谐波，点击添加谐波会在生成的基波基础上添加所配置的谐波，谐波添加是可以反复进行的。

图3 mat 数据导入

图4 csv 数据导入

图5 人工生成波形

2.2.2 数据分析功能

数据分析主要完成对导入的波形数据进行FFT 分析。首先对导入的数据类型进行选择，然后设置FFT 分析的基本频率、起始时间、周期数、最大谐波次数等参数，即可开始谐波分析，结果可在谐波频谱图中展示，并且还能够对波形进行单次谐波的查看和分析，如图6 所示。

图6 谐波分析

2.2.3 测试配置

完成测试过程的参数配置。可配置的参数为：电表类型，三相电能表、三相终端集中器或单相电能表；电能类型，三相三线制和四线制的有功和无功功率；通信端口；表位数量；电能常数；无功计量方式；电表圈数等。最后设置需要输出的电压值、电流值。

2.2.4 误差测试

完成待测电表的计量误差测试。通过加载预先导入的波形数据，由任意波形发生器卡将模拟电压电流信号输出到功率放大器，并控制功率放大器升源，输出电压电流功率信号，并送到被测电表和标准表，二者的计量脉冲经误差计量表计量后，检测系统把计算得到的误差检测结果填入到左边的表格中，如图7 所示。检测过程中，一旦出现电压电流报警信号，系统将自动降源，关闭系统输出。

图7 误差分析

2.3 主要功能代码

系统的主要核心控制功能为电压电流波形数据导入/生成及模拟波形输出控制两部分。波形数据的导入主要通过LabVIEW 系统提供的基本函数发生器模块实现。模拟波形的输出则是通过NI 模拟输出卡专用函数模块完成。

1）波形数据导入。波形数据导入分别按.mat和.csv 格式导入。.mat 文件数据处理程序主要代码如图8 所示，.mat 文件数据导入程序如图9 所示。

图8 mat 文件数据处理程序

图9 mat 文件数据导入程序

程序通过指定文件导入.mat 文件后，按设置的起始时间及每周期点数从原始文件中截取相应数据点，形成标定电压波形数据和电流波形数据，并送入内存中的移位寄存器保存。

.mat 文件的导入方法是通过嵌入MATLAB 的m代码将存放在磁盘上的数据文件导入内存指定变量中，并组成特定的数据簇，以供后面数据的处理。

通过指定文件读入.csv 文件后，按设置的起始时间及每周期点数从原始文件中截取相应数据点，形成标定电压波形数据和电流波形数据，并送入内存中的移位寄存器保存。.csv 文件数据处理程序如图10 所示。.csv 文件数据导入程序如图11 所示。

图10 csv 文件数据处理程序

图11 csv 文件数据导入程序

现场录波数据文件通过二维表文件读入函数将数据导入后，去掉文件头的无用信息，将实际的波形数据取出送入内存的移位寄存器保存。

2）波形生成。波形生成程序如图12 所示。主要利用LabVIEW 开发平台提供的函数发生器模块完成。图12（a)为电压电流基波波形数据的生成。通过配置幅值、频率、相位及每周期数据点数等参数，生成单相或三相波形数据存入内存的移位寄存器中。图12（b）为谐波电压电流波形数据的生成。其幅值、频率、相位等是以基波的相对值来设定。

图12 波形数据生成程序

3)模拟电压电流波形的输出。模拟电压电流波形的输出是通过NI 模拟输出卡配套的专用函数实现的，程序如图13 所示。首先建立电压输出通道，然后将输出模式配置为不允许重生成，也即每个周期都使用新的数据输出，再按需要的输出频率设置采样时钟，通过定时循环方式输出所需要的波形。

图13 波形输出程序

3 实验验证

为了验证本文所提平台的可行性，在某电科院的横向科研项目中进行了实验测试，其实验结果达到预期目标。图14 为人工生成的三相电压电流波形。通过功率放大器卡之后的波形如图15 所示，可以看出输出波形与设定波形相同，并且电压最大能达到300 V，电流能达到2 A。

图14 人工生成波形

图15 功率电压电流波形

最后进行了误差测试检测，将最终输出的三相多功能谐波功率源由如图16 所示的多功能标准表和图17 所示的被检测表进行电能计量，然后用误差仪进行误差检测，将最终数据返回PC 端，将输出录入表格中。

图16 多功能标准表

图17 被检测表

4 结论

本文提出一种复杂电能计量环境模拟平台。该平台能够导入和生成复杂的电压电流数据，以便在实验室再现各类实际电能计量环境，以供各种简单、复杂、非常规计量运行环境的建模、仿真、再现、分析和验证，有助于电能计量装置的质量管控，故障还原分析，最终可通过误差比对得到被测电表的电能计量误差的特性数据，为室内实验室进行复杂电能计量验证打下了基础。实际应用表明，该平台达到了预期的目标。