智能电能表的动态模型与动态误差分析

摘要

智能电能表作为智能电网高级量测体系中重要的组成部分，其测量准确性是实现智能电网可靠、经济与高效运行的基础。同时，作为发电企业、输配电企业和电力用户彼此之间进行电量费用核算的依据，智能电能表的准确度直接关系到三者的经济利益。随着分布式能源的逐年增加和非稳态大功率用电设备（如电弧炉、电气化铁路等）的普遍使用，智能电网中越来越多的用电负荷呈现出动态特性。已发表的研究文献表明:目前电网公司正在使用的、在稳态负荷条件下检定合格的智能电能表，在动态负荷条件下，不一定满足计量要求，有的会产生严重的测试误差。因此，广泛应用于动态负荷条件下的智能电能表如何进行测试？产生动态误差的原因有哪些？这些问题都亟待解决。 当前，智能电能表相关的国际标准、国家标准和检定规程都不包含电能表在动态功率条件下的测量准确度试验项目，也缺少相应的动态误差测试的方法。现场智能电能表的质量检查仍以实验室稳态功率条件下的测量数据为准。因此，本文针对复杂动态负荷条件，研究了电能表动态误差测试方法和基于动态模型的测试误差来源，主要贡献如下: 1.建立了OOK测试动态负荷电能TDLE(Testing Dynamic Load Energy)序列数学模型，提出了OOK(On-Off Key)测试信号条件下的动态误差测试方法。在分析两种TDLE电能序列和三种动态功率测量模式的基础上，给出了OOK动态误差测试的方法，解决了动态负荷条件下智能电能表如何进行误差测试的问题。 2.建立了智能电能表的全系统模型，明确了电能表内部的动态测量性能。采用机理建模的方法分别建立了智能电能表电压通道、具有PGA(Programmable Gain Amplifier)增益反馈控制的电流通道、有功功率测量单元及电能测量单元的动态数学模型，并集成各单元之间的信号传递关系，综合建立了智能电能表全系统模型，为进一步分析电能表动态误差来源提供了理论基础。 3.在电能表全系统模型的基础上，分析了各单元对有功功率和有功电能的误差影响，解决了智能电能表的误差来源问题。理论和仿真分析了PGA响应滞后引起的电能误差，分析了同步和非同步采样条件下功率测量单元的动态误差，并建立了RMA(Rectangle-MA)和TMA(Trapezium-MA)滤波器的动态功率误差模型，分析了功率测量单元模型参数对有功电能计量的影响。 4.提出了智能电能表动态测量的SDPA(Segmented Dot Product Accumulation)算法，应用CIC(Cascade Integrator Comb)抽取滤波器的实现方式改善了智能电能表电能累计的效率和动态误差特性，进一步提升了电能表动态计量性能。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章绪论

1．1课题研究的背景和意义

1．2智能电能表误差测试的研究现状

1．2．1国际／内标准规定的电能表误差测试信号

1．2．2电能表动态误差特性测试的研究现状

1．3相关领域的研究现状

1．3．1电力系统负荷建模的研究

1．3．2智能电能表测量算法的研究

1．4当前研究现状的不足

1．5本课题研究的关键问题描述及主要内容

1．5．1关键问题描述

1．5．2研究的主要内容

第二章动态误差测试信号的建模与测试方法

2．1引言

2．2电能表动态误差特性测试相关概念

2．3典型动态电力负荷的特性分析

2．3．1分布式光伏电源负荷特性

2．3．2电弧炉负荷特性

2．3．3电气化铁路牵引变电站负荷特性

2．3．4典型动态电力负荷的变化特性

2．4现有的电能表动态误差测试信号模型

2．4．1变幅值动态误差测试信号

2．4．2变频率动态负荷测试信号

2．4．3变相位动态负荷测试信号

2．5 OOK动态误差测试信号建模

2．5．1动态误差特性测试的电压和电流信号模型

2．5．2 OOK幅值调制序列

2．5．3 OOK动态误差测试信号

2．5．4 OOK动态误差测试信号的频域分析

2．5．5 OOK动态误差测试TDLE数学模型

2．5．6 TDLE电能序列

2．5．7 OOK动态误差测试信号功率模式

2．6紧凑性OOK动态误差测试信号集

2．7OOK动态误差分析

2．7．1动态误差测试方法

2．7．2动态误差测试结果及分析

2．8动态误差测试系统不确定度分析

2．8．1动态测量不确定度简介

2．8．2 OOK动态误差测试的不确定度评定

2．9本章小结

第三章智能电能表动态误差分析的全系统模型

3．1引言

3．2电能计量基础及误差分析

3．2．1稳态条件下采样单元数学模型及误差分析

3．2．2有功电能采样测量算法描述

3．2．3有功电能采样测量算法误差分析

3．2．4现有模型及算法误差分析的局限性

3．3智能电能表全系统模型

3．3．1全系统模型及相关概念

3．3．2电能表全系统模型结构

3．4电能表输入单元模型

3．4．1 PGA单元数学模型

3．4．2电压通道数学模型

3．4．3电流通道数学模型

3．5有功功率测量单元动态模型

3．5．1动态模型结构

3．5．2 RMA时域动态模型

3．5．3 TMA时域动态模型

3．5．4 QMA时域动态模型

3．6电能测量单元动态模型

3．6．1有功电能累计原理

3．6．2有功电能累计控制

3．6．3有功电能累计理论模型

3．6．4有功电能单元脉冲输出模型

3．7全系统模型

3．8本章小结

第四章智能电能表动态误差分析

4．1引言

4．2 PGA响应滞后影响

4．3同步采样条件下功率测量单元动态误差分析

4．3．1模型结构对有功功率的计量影响

4．3．2 RMA滤波器的动态功率误差模型

4．3．3 TMA滤波器的动态功率误差模型

4．3．4同步条件下滤波器模型参数对动态功率测量的影响

4．4非同步采样条件下功率测量单元的动态误差分析

4．4．1 RMA滤波器的动态功率误差模型

4．4．2 TMA滤波器的动态功率误差模型

4．4．3非同步条件下滤波器模型参数对有功功率的影响

4．5功率测量模型参数对有功电能计量的影响

4．6滤波器参数设置的建议

4．7电能表动态误差来源的分析

4．8小结

第五章智能电能表有功电能动态测量的SDPA算法

5．1引言

5．2智能电能表动态性能指标定义

5．3当前有功电能测量算法动态性能分析

5．3．1 MA算法动态性能分析

5．3．2 IIR算法动态特性分析

5．3．3测量算法动态特性对比

5．4 SDPA电能测量算法及实现

5．4．1 SDPA算法描述

5．4．2 SDPA算法的直接实现

5．4．3 CIC滤波器算法实现

5．5三种算法电能动态误差比较

5．6小结

第六章动态误差测试系统及实验方法研究

6．1引言

6．2动态误差测试系统

6．2．1测试系统的结构和原理

6．2．2动态误差测试装置硬件

6．2．3动态误差测试装置软件功能

6．2．4测试系统的实物连接

6．2．5现场录制的动态误差测试信号

6．3智能电能表全系统模型验证方案

6．4小结

第七章总结和展望

7．1总结

7．2进一步工作的建议

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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