面向沖擊負荷的新型電能表關鍵技術研究

熊德智，周綱，溫和，鄭小平

(1.智能電氣量測與應用技術湖南省重點實驗室(國網湖南省電力有限公司供電服務中心(計量中心))，長沙 410004； 2.威勝集團有限公司，長沙 430070； 3.湖南大學 電氣與信息工程學院，長沙 430070)

0 引 言

隨著工業的快速發展和技術的不斷革新，各類新能源如光能、風能、潮汐能等并網運行，各類非線性、沖擊性和不對稱性負荷大量投入使用，如電氣化軌道交通、分布式電源、可控硅整流器、電弧爐、軋鋼機、電力機車等[1-2]。

此類非線性沖擊負荷的用電負載電流隨時間沖擊變化，甚至短時巨幅波動，可能會引起頻率偏差、電壓波動、電壓閃變、電壓不平衡、諧波畸變和直流注入等問題，對智能電能表的電氣性能和穩定性造成很大隱患，引起電能計量出現誤差，使電能表不能公正合理計費的現象，從而為國家帶來經濟損失[3-4]。例如：湖南某軋鋼廠在正常生產中，利用現場校驗裝置進行誤差校驗時，其誤差可以達到-12.45%。而在設備停產時，校驗電能表誤差僅為 +0.28%。而此軋鋼廠的每月用電量約為200萬度電，直接經濟損失約為2 000 000×1.1×12.73%=280 060元。

文獻[5]針對現有評估指標無法準確、有效評估沖擊負載的瞬時動態特性問題，提出了一套基于瞬時功率理論及源端關鍵參數的暫態評估指標，并得出電動機負載可采用軟啟動或無功功率調節裝置的方式來緩解系統穩定性。文獻[6]基于發電-用戶協調的新能源-高載能直購交易模式，通過考慮高載能設備有功功率與無功功率之間的耦合特性，建立了考慮負荷無功特性的高載能自調度模型，保證了高載能負荷有功調度時節點電壓不越限。文獻[7]利用隨機矩陣理論建立平均譜半徑評價指標，從整體上分析不同沖擊負荷對電網的影響。文獻[8]基于電力系統負荷建模基礎理論和電氣化鐵路系統結構，建立了一種電氣化鐵路沖擊負荷模型，對實測電氣化鐵路沖擊負荷的負荷曲線進行小波分析法去噪并用作模型參數辨識。文獻[9]提出了一種新的用于承受相關退化過程和隨機沖擊的負荷共享系統可靠性模型，給出了機電系統中沖擊負荷分擔冗余微引擎的案例。文獻[10]提出了一種考慮非線性累積機制的恒定負載和隨機負荷聯合沖擊下電網可靠性評估的建模方法，通過仿真驗證了該方法的有效性，并與傳統方法進行了比較。文獻[11]分析沖擊負荷對電能計量的影響，通過改進電能計量表，減小誤差，從而實現電能的精準計量。

綜合分析現有的研究和技術水平，當前的研究成果主要體現在沖擊負荷模型的建立、沖擊負荷對電網影響的評估以及沖擊負荷對智能電能表動態誤差的影響等方面[12-13]，但對如何開展沖擊負荷的準確計量研究較少。文中從非線性沖擊負荷的影響入手，建立沖擊負荷模型，給出較為精確的沖擊負荷仿真方法，據此設計具有高速AD采樣和零磁通互感器的沖擊性負荷電能表，并設計典型實驗環境進行沖擊負荷計量性能驗證、分析。

1 設計方案

1.1 沖擊性負荷模型及仿真

通過Matlab仿真平臺對沖擊性負荷模型進行仿真，提出沖擊性負荷計量原理，設計相應硬件方案和軟件方案完成沖擊性負荷研究。

基于Matlab建立沖擊負荷測試模型進行算法仿真，建立仿真模型。

穩態電壓的數學表達式：

us(t)=Umsin(ωt)

(1)

沖擊電流的數學表達式：

(2)

其中：

(3)

(4)

沖擊功率的數學表達式：

(5)

式中ω=2πfc；T=1/fc為工頻周期；φn為電流初相角。

建立的由沖擊電流與功率組成了沖擊負荷模型如圖1所示。

圖1 沖擊負荷模型

其中，M1和M2分別表示一個開關鍵控信號通斷控制周期內導通、關斷期間所包含的50 Hz正弦電流信號的整周期數，分別記為“通周期個數”和“斷周期個數”。

按照上述沖擊模型對基于常規電能表脈沖進行測試，測試結果如表1所示。

表1 沖擊負荷模型誤差測試結果

從表1可以看出常規基于周期發脈沖方式不再適用于沖擊負荷，需要研究沖擊負荷下脈沖發送。沖擊性負荷計量主要是保證負荷快速大幅度變動情況下的全波電能計量精度。因此首先要采用24位的高速采樣AD(采樣率為160點每周波)，這樣能夠在不切增益的情況下，保證寬電流輸入范圍內的有效運算位數(根據試驗表明，18位及以下的AD都難以在不切換增益的情況下滿足0.2 S級計量精度要求)；其次，在負荷快速變化的情況下，平均功率的計算可以滯后，但電能的累加以及脈沖的發送必須保證實時計算。因此該產品設計了專用的角差補償濾波器來實時補償電流相位，從而可以快速準確地計算出瞬時功率，并通過瞬時功率來直接累加電能和發送脈沖。

綜上所述，沖擊性負荷的電能計量的一個重要關鍵點在于對AD采樣部分進行優化設計。因此，文章提出新型沖擊負荷電能表硬件上采用高速度AD和零磁通互感器設計方案，軟件上研究沖擊脈沖發送方式及沖擊負荷濾波算法。

1.2 硬件設計

1.2.1 設計原理

沖擊性負荷電能表設計原理如圖2所示。電壓信號與電流信號通過電阻分壓、零磁通電流互感器進行取樣，通過高速A/D進行信號的高速采樣與處理。采用高速A/D進行高速錄波，保證對沖擊負荷的精確錄取。為了提高計算速度與效率，設計DSP電路進行快速計算。CPU電路負責實現整個系統的運轉、顯示等。電源電路通過開關電源將市電變為系統所需的電源。

圖2 新型沖擊負荷電能表設計原理圖

1.2.2 采樣電路設計

電壓采樣電路采用電阻分壓進行電壓取樣，電壓采樣電路設計如圖3所示。為了保證電能表的精度，保證取樣的精準，電阻全部采用1%精度、溫度系數為10 ppm的電阻作為取樣電阻。

圖3 電壓采樣電路

通過設計抗混疊電路，保證計量芯片計量的準確性。通過設計二極管保護電路，保護后級電路的正常工作。當沖擊負荷發生時，高精度的電壓采樣電路能夠對沖擊負荷下波形進行精確采樣，保證信號的完整與計量精確。

電流取樣電路采用零磁通的電流互感器進行電流取樣，為了保證計量芯片計量的準確性和保護后級電路，同樣設計了抗混疊電路和二極管保護電路，電壓取樣電路設計原理如圖4所示。

圖4 電流采樣電路

1.2.3 零磁通電流互感器設計

由于非線性負荷存在快速變化、沖擊性等特點，信號的高頻分量所具有的能量不能忽略，因此必須對信號進行全波采樣，這就要求信號輸入通道必須具備合適寬度的帶寬。因為沖擊性負荷瞬時電流波形幅度非常大，所以信號輸入通道還必須具備寬動態范圍。基于此點，在電流輸入端，通過設計帶補償線圈的零磁通電流互感器，從而實現10 mA(1%In)～25 A(Imax)的輸入電流寬動態范圍，達到10 kHz以上的輸入帶寬。零磁通互感器設計原理如圖5所示。

圖5 零磁通電流互感器設計原理

零磁通電流互感器可在25倍的額定電流范圍內保持一個較好的比差和角差。采用零磁通互感器，僅用單段校表即可滿足整個動態范圍內的計量精度要求，從而在負荷波動時，不存在因切換校表參數不及時而導致的計量誤差。當沖擊負荷發生時，零磁通電流互感器能夠在沖擊負荷下進行完美采樣，保證良好的角差與比差。

2 沖擊負荷計算方法

2.1 算法思路

沖擊負荷精確計量方法采用瞬時功率直接累加的方式，當瞬時功率累加值大于一個脈沖電量閥值時，則發出一個脈沖，電能表將該脈沖計入總電量累加池。單個脈沖時段的穩態電量的計算公式為：

WA=Pconst·Taccu

(6)

式中WA為單個脈沖時段的穩態電量；Pconst為實際三相功率之和；Taccu為單個脈沖時段。

一個脈沖時段Taccu總電量為：

(7)

式中Taccu為累加時間；PALL為總瞬時功率；Pconst為實際三相功率之和；M為有功功率；N為無功功率；ω為周期；t為時間；φ為瞬時電壓和瞬時電流的相位差。

(8)

其中:

(9)

式中UA、UB、UC為三相瞬時電壓；IA、IB、IC為三相瞬時電流；φ+θ為電壓與電流之間相角。

2.2 沖擊負荷濾波算法

IIR為無限沖擊響應，若給IIR濾波器一個輸入沖擊，它的沖擊響應將是自激的，在理論上永遠不會停止。文中采用的是IIR低通濾波器，IIR低通濾波器的設計指標為：通帶邊緣頻率10 Hz，通帶波動系數0.001，阻帶邊緣頻率90 Hz，衰減系數0.3。

IIR低通濾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為根據通帶邊緣頻率、通帶波動系數、阻帶邊緣頻率和衰減系數這四個參數設計的IIR濾波器參數。

在沖擊負荷電能表的設計中,b0、b1、b2、a1、a2取值分別為：

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

依據以上具體參數取值設計的IIR低通濾波器頻響特性曲線如圖6所示。

經由設計的IIR低通濾波器后，瞬時功率PALL中頻率為2ω的正弦曲線被濾掉，瞬時功率PALL等于實際三相功率之和Pconst。

圖6 IIR低通濾波器頻響特性

3 實驗及結果分析

3.1 實驗方案設計

沖擊負荷實驗設計原理如圖7所示，該實驗設備主要由標準功率源、三相標準電能表、HE5001型沖擊負荷電能計量性能測試裝置、被測沖擊負荷電能表(以下稱為被測電能表)等組成。

圖7 沖擊負荷實驗設計原理圖

標準功率源發出的電壓、電流標準信號一端接入HE5001沖擊負荷電能計量性能測試裝置，另一端直接接入標準表，標準表的計量脈沖接入HE5001沖擊負荷電能計量性能測試裝置，同時HE5001沖擊負荷電能計量性能測試裝置將功率源發出的電壓、電流變成的連續的電壓、間斷電流信號發給被測電能表，被測電能表的脈沖也接入HE5001沖擊負荷電能計量性能測試裝置，從而完成精度比對，得到被測電能表的精度。

HE5001沖擊負荷電能計量性能測試裝置能將連續電流信號變成間斷的電流信號，從而模擬現場的沖擊負荷和沖擊性負荷。HE5001沖擊負荷電能計量性能測試裝置采用嚴格的同步方法，保證信號整周期截斷，每次通N個整周波的信號斷M個整周波信號，在接到被測電能表的第一個脈沖后，開始計標準表的脈沖數，連續觀察一段時間，如4 min，得到這段時間內標準表的所有脈沖數為P，則這選通的N個周波標準電能脈沖理論值為P0，其計算方法如式(11)所示：

(11)

將該值與被測電能表的脈沖進行比對，從而得到計量精度。這種累計脈沖數比對的方法也防止了因脈沖發送延遲造成的問題。

這個方案的溯源原理是不改變波形形狀，而是將一段時間的電能等間隔的分成N份，每份電量按照固定的間隔時間發給電能表，而總電量不變。不論是連續地計量完這N份電量還是分時地計量完這N份電量，電能表顯示結果都應該一致。

3.2 實驗結果分析

被測電能表與三相標準電能表比較的沖擊負荷誤差測試數據如表2所示。

表2 實驗數據

為驗證被測電能表的初始精度，將通斷比設置為5: 00(表示持續穩定供電5 min)，測得被測電能表的正常供電誤差為 -0.03%。暫態沖擊負荷測試是指電壓、電流在穩態接通的過程中，突然切斷電流，按預設的通斷比進行被測電能表的誤差測試。從實驗數據分析可知，在暫態沖擊負荷情況下，測試誤差與測試時長相關，測試時間越長，誤差越大，且總體誤差平穩，與初始精度相差較小。當進行短時沖擊負荷測試時，總體測試時長為80 min，負荷切換次數為30次和40次，測得的誤差為-0.03%和-0.04%，誤差基本穩定，與初始精度相符。當進行長時沖擊負荷測試時，三組測試時長分別為280 min、280 min及600 min，切換次數分別為80次、80次和300次，由測試結果可知，長時沖擊負荷測試誤差嚴重偏離了初始精度，且誤差隨著測試時長的增加而增加。

實驗結果表明，在暫態沖擊負荷與短時沖擊負荷的情況下，被測電能表的誤差與初始精度相符，可被視為準確計量；在長時沖擊負荷的情況下，被測電能表的誤差較大。實際生產中，沖擊負荷一般為暫態沖擊負荷和短時沖擊負荷，研制的該型沖擊負荷電能表能準確計量沖擊負荷電能。

對于長時間沖擊負荷的電能計量，從算法層面應當考慮的是：沖擊性負荷帶來的電流信號變化速度較快，應當采用時間分辨率更高的信號處理算法。比如，采用泰勒傅里葉變換、泰勒卡爾曼濾波器等動態相量測量算法可以實現半周波(10 ms)內的電流基波和諧波等參數的動態準確估計，進而可以計算瞬時基波與分次諧波功率，提高沖擊性負荷電能計量準確度；從硬件層面應當考慮的是：改善濾波器和放大電路的頻率響應特性，減少電路引入的時間滯后性和寬頻帶范圍內的噪聲，使之能夠確保調理電路的帶通濾波器和放大電路環節不會改變沖擊性負荷電流的變化特性。

4 結束語

(1)非線性沖擊負荷會對計量點的電流、電壓及頻率產生較大影響，會引起較嚴重的電能計量誤差，在分析非線性沖擊負荷對計量誤差影響的基礎上，建立了沖擊負荷模型，給出較為精確的沖擊負荷仿真方法；

(2)通過運用建立的沖擊負荷模型，提出了新型沖擊負荷電能表的設計方案和設計原理，設計了電壓、電流高速AD采樣電路，給出了零磁通電流互感器設計方法，提出了一種沖擊負荷計量方法及算法思路，給出了基于IIR低通濾波器的沖擊負荷濾波算法及具體參數，設計出新型沖擊負荷電能表；

(3)在沖擊負荷模型的基礎上，設計了沖擊負荷典型實驗環境，分別在暫態沖擊負荷、短時沖擊負荷、長時沖擊負荷等條件下對待測沖擊負荷電能表進行實驗，實驗結果表明，所設計的新型沖擊負荷電能表能準確計量沖擊負荷電能，具有很強的實用價值和廣闊的應用前景。