基于小波變換的電力測量儀表計量誤差校正方法

李 萍

（國能寧東第一發電有限公司，寧夏 靈武）

引言

電力是一個動態量，測量電力參數是一項艱難的工作。利用電力測量儀表，能夠精確地獲得電力數據，并根據電力數據變化情況，分析相關設備的故障問題，為電力設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，設備電壓變化、頻率變化、電流變化、諧波變化，均會引發計量波動，導致計量誤差。針對電力測量儀表的計量誤差問題，研究人員設計了多種方法。

基于RBF 神經網絡的計量誤差校正方法，主要是利用RBF 神經網絡，對電力測量儀表進行數據采集，并分析計量誤差來源，由此構建誤差校正模型[1]?；谌斯ぶ悄芗夹g的計量誤差校正方法，主要是利用人工智能技術，分析儀表中誤差數據的來源，再結合人工智能技術的相關原理，提取出誤差特征，再對其進行針對性地校正，從而實現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，最終的校正結果仍不滿足儀表計量需求[3]。因此，本文結合小波變換的優勢，設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計

1.1 核定電力測量儀表計量的動態誤差

在電力測量儀表計量誤差校正中，給定動態測試信號，反映儀表計量的動態誤差特征，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誤差，通過分析電力測量儀表計量的動態負荷特性，判斷動態誤差的校正條件。將連續的動態誤差序列設定為m，由二元波形函數g（m）核定，得到穩態正弦信號。公式如下：

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

1.2 基于小波變換構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）從負無窮一直延續到正無窮，是平滑的、有規律的、可以預測的。（b）不對稱、不規則、不可預測的[7]。本文將電力測量儀表計量的正弦信號轉換成小波信號，并將不規律、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）為任意誤差信號經過伸縮平移之后的重構值；f（t）為目標誤差信號的離散小波函數。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，最終的重構只也就越精準。利用f（t）對Yt（a，b）進行重構，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誤差

根據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；φn為計量誤差極限值。將Ws、φn誤差相位補償到x（n）中，再將其輸入到Yt（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 就是靜態誤差補償值。當U＜φn時，則證明靜態誤差較小甚至可以忽略不計；當U＞φn時，則證明靜態誤差較大，需要經過多次小波變換校正誤差；當U=φn時，靜態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。最終的實驗結果則以文獻[1]、文獻[2]，以及本文設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。具體的實驗準備過程以及最終的實驗結果如下所示。

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，規格為3×220/380V，0.01～0.2 (10)A，有 功 電 能 常 數 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，調節細度≥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，頻率調節范圍為45 Hz～65 Hz，相位調節范圍為0°～360°。本文向電力測量儀表施加諧波、調整頻率、調整電壓，使其出現計量誤差，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 為計量周期內誤差次數；Tc 為計量周期內瞬時誤差次數。圖中穩態正弦信號波動較為規律，上頂點與下定點的位置就是出現誤差的位置，以持續性誤差影響電力測量儀表的計量數據。動態負荷信號以持續中斷或瞬時沖擊的形式影響電力測量儀表的計量數據。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。根據電力測量儀表的計量誤差等級，設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了良好的優勢，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、電能等基礎數據，在數據波動變化較大時，很容易出現計量誤差，增加電力企業的經濟成本。因此，本文利用小波變換，設計了電力測量儀表計量誤差校正方法。從動態誤差、校正模型、靜態誤差等方面，將電力測量儀表的誤差進行全方位的校正，從而實現儀表的精準計量，為電力企業的經濟效益提供保障。