测试谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响的方法及装置

摘要

本发明公开了一种测试谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响的方法及装置，该方法首先测量得到被检电能表在纯基波信号输入条件下的最大初始固有误差，然后分别测量得到被检电能表在谐波输入实验和频率波动实验中的最大计量误差，最后基于最大初始固有误差、谐波输入实验和频率波动实验中的最大计量误差综合计算得到被检电能表的最大综合误差，通过先单独计算被检电能表分别在谐波输入实验和频率波动实验中的最大计量误差，再采用两个单独计算的最大计量误差结果来综合计算得到被检电能表的最大综合误差，有效减少了实验工作量，提高了实验效率，并且可以准确地分析得到谐波含量与频率波动对于智能电表计量误差的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及电表计量技术领域，特别地，涉及一种测试谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响的方法及装置。

背景技术

智能电表作为用电信息采集系统中最为关键、重要的用电方用电信息采集设备，其通过现代化的信息传递技术将用电方与智能电网紧密相连，是供电方与用电方进行信息交互的重要纽带，是确保智能电网电能准确计量重要基础。面对当今庞大的用电量与智能电表使用量，电能表计量的准确性就显得尤为重要，任何微小的误差都会带来十分巨大的经济损失。电力电子技术的发展及其在工业上的广泛应用，包括大功率整流器在电气化铁路中的应用，以及电弧炉在炼钢中的应用，都将产生大量的谐波，当输入信号中含有谐波时，智能电表内各电压、电流互感器和电能计量芯片的工作状态将会发生偏移，从而使原本应该正确计量的电能表产生误差。

并且，电能表的运行环境复杂多样，导致电能表产生计量误差的原因也很多，大致可以分为两个方面，一是外部因素，二是电能表内部因素。其中，外部因素包括电能表的工作环境，如温度、湿度、气压等，以及外部输入的负荷的特性，这些外部因素都有可能导致电能表误差；内部因素主要包括电能表的元器件精度，电能测量算法等。目前研究的电能表误差影响主要集中在外部环境、负荷畸变以及智能电表的元器件精度对智能电表的影响的研究上，而对动态负荷条件下智能电表的计量误差的测试装置和方法研究尚有所欠缺，当前对谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响还没有进行很深入的研究，关于稳态条件下测试计量误差的方法和装置无法满足要求。

发明内容

本发明提供了一种测试谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响的方法及装置，以解决现有技术无法测量谐波含量与频率波动对智能电表计量误差产生的影响的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种测试谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响的方法，包括以下内容：

仅输入基波信号至标准电能表和被检电能表，测量得到被检电能表的最大初始固有误差；

同时输入基波信号和不同的谐波信号至标准电能表和被检电能表，测量得到被检电能表的第一最大计量误差；

仅改变基波信号的频率并测量得到被检电能表的第二最大计量误差；

基于被检电能表的最大初始固有误差、第一最大计量误差和第二最大计量误差计算得到被检电能表的最大综合误差。

进一步地，所述仅输入基波信号至标准电能表和被检电能表，测量得到被检电能表的最大初始固有误差的过程具体为：

设定好实验条件，输出基波信号至标准电能表和被检电能表进行多次实验，每次实验中测量得到标准电能表和被检电能表的电能值，并计算得到单次实验中被检电能表的初始固有误差，从多次实验结果得到的多个初始固有误差中取最大值作为被检电能表的最大初始固有误差。

进一步地，所述同时输入基波信号和不同的谐波信号至标准电能表和被检电能表，测量得到被检电能表的第一最大计量误差的过程包括以下内容：

基于不同的谐波次数和谐波含量输入多个单次谐波信号；

将基波信号分别与多个单次谐波信号逐一合成为多个测试信号，多个测试信号以全波的形式分别输出至被检电能表和标准电能表进行逐一测试；

记录每次测试得到的被检电能表和标准电能表的电能值，并基于被检电能表和标准电能表的电能值计算得到本次测试中被检电能表的第一计量误差；

从多次测试得到的多个第一计量误差结果中取最大值作为被检电能表在谐波实验中的第一最大计量误差。

进一步地，所述仅改变基波信号的频率并测量得到被检电能表的第二最大计量误差的过程包括以下内容：

设置基波信号的频率波动范围和波动间隔，以生成多个不同频率值的测试信号；

将多个不同频率值的测试信号分别输出至被检电能表和标准电能表进行逐一测试；

记录每次测试得到的被检电能表和标准电能表的电能值，并基于被检电能表和标准电能表的电能值计算得到本次测试中被检电能表的第二计量误差；

从多次测试得到的多个第二计量误差结果中取最大值作为被检电能表在频率波动实验中的第二最大计量误差。

进一步地，具体采用以下公式计算得到被检电能表的最大综合误差：

其中，e

另外，本发明还提供一种测试谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响的装置，包括程控电源、计算机、标准电能表、误差计算器、被检电能表和谐波发生器，所述计算机用于控制所述程控电源、谐波发生器和误差计算器的工作状态，所述程控电源用于输出基波信号至标准电能表和被检电能表，所述谐波发生器用于输出不同的谐波信号至标准电能表和被检电能表，所述误差计算器用于通过脉冲计数的方式测量得到被检电能表和标准电能表的电能值，并在仅输入基波信号至标准电能表和被检电能表时测量得到被检电能表的最大初始固有误差、在同时输入基波信号和不同的谐波信号至标准电能表和被检电能表时测量得到被检电能表的第一最大计量误差以及在仅改变基波信号的频率时测量得到被检电能表的第二最大计量误差，并基于被检电能表的最大初始固有误差、第一最大计量误差和第二最大计量误差计算得到被检电能表的最大综合误差。

进一步地，所述计算机仅控制所述程控电源输出基波信号至标准电能表和被检电能表进行多次实验，所述误差计算器在每次实验中测量得到标准电能表和被检电能表的电能值，并计算得到单次实验中被检电能表的初始固有误差，并从多次实验结果得到的多个初始固有误差中取最大值作为被检电能表的最大初始固有误差。

进一步地，所述计算机控制所述谐波发生器基于不同的谐波次数和谐波含量生成多个单次谐波信号，同时控制所述程控电源同步输出基波信号，以将基波信号分别与多个单次谐波信号逐一合成为多个测试信号，多个测试信号以全波的形式分别输出至被检电能表和标准电能表进行逐一测试，所述误差计算器记录每次测试得到的被检电能表和标准电能表的电能值，并基于被检电能表和标准电能表的电能值计算得到本次测试中被检电能表的第一计量误差，并从多次测试得到的多个第一计量误差结果中取最大值作为被检电能表在谐波实验中的第一最大计量误差。

进一步地，所述计算机控制所述程控电源输出不同频率值的激波信号并分别输出至被检电能表和标准电能表进行逐一测试，所述误差计算器记录每次测试得到的被检电能表和标准电能表的电能值，并基于被检电能表和标准电能表的电能值计算得到本次测试中被检电能表的第二计量误差，并从多次测试得到的多个第二计量误差结果中取最大值作为被检电能表在频率波动实验中的第二最大计量误差。

进一步地，具体采用以下公式计算得到被检电能表的最大综合误差：

其中，e

本发明具有以下效果：

本发明的测试谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响的方法，首先测量得到被检电能表在纯基波信号输入条件下的最大初始固有误差，然后分别测量得到被检电能表在谐波输入实验和频率波动实验中的最大计量误差，最后基于最大初始固有误差、谐波输入实验和频率波动实验中的最大计量误差综合计算得到被检电能表的最大综合误差，通过先单独计算被检电能表分别在谐波输入实验和频率波动实验中的最大计量误差，再采用两个单独计算的最大计量误差结果来综合计算得到被检电能表的最大综合误差，有效减少了实验工作量，提高了实验效率，并且可以准确地分析得到谐波含量与频率波动对于智能电表计量误差的影响。更重要的是，本发明基于对实际工作中谐波变化和频率变化带来的电能计量误差的概率分布情况进行分析得到，两者带来的电能计量误差在概率上呈矩形分布，从而确定最大综合误差计算公式中开方运算内的系数1/3，并分析得到实际工作中谐波变化和频率变化对电能计量结果的影响具有正负偏差的对称性，为确保最大综合误差计算结果的矩形区间分布对称性，从而确定最大综合误差计算公式中对开方运算结果取2倍系数，以符合电能表实际工中电能计量误差宽置信区间的特点。

另外，本发明的测试谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响的装置同样具有上述优点。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的测试谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响的方法的流程示意图。

图2是图1中步骤S2的子流程示意图。

图3是图1中步骤S3的子流程示意图。

图4是本发明优选实施例的测试谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响的装置的模块结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，本发明的优选实施例提供一种测试谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响的方法，包括以下内容：

步骤S1：仅输入基波信号至标准电能表和被检电能表，测量得到被检电能表的最大初始固有误差；

步骤S2：同时输入基波信号和不同的谐波信号至标准电能表和被检电能表，测量得到被检电能表的第一最大计量误差；

步骤S3：仅改变基波信号的频率并测量得到被检电能表的第二最大计量误差；

步骤S4：基于被检电能表的最大初始固有误差、第一最大计量误差和第二最大计量误差计算得到被检电能表的最大综合误差。

可以理解，本实施例的测试谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响的方法，首先测量得到被检电能表在纯基波信号输入条件下的最大初始固有误差，然后分别测量得到被检电能表在谐波输入实验和频率波动实验中的最大计量误差，最后基于最大初始固有误差、谐波输入实验和频率波动实验中的最大计量误差综合计算得到被检电能表的最大综合误差，通过先单独计算被检电能表分别在谐波输入实验和频率波动实验中的最大计量误差，再采用两个单独计算的最大计量误差结果来综合计算得到被检电能表的最大综合误差，有效减少了实验工作量，提高了实验效率，并且可以准确地分析得到谐波含量与频率波动对于智能电表计量误差的影响。

可以理解，所述步骤S1具体为：

设定好实验条件，输出基波信号至标准电能表和被检电能表进行多次实验，每次实验中测量得到标准电能表和被检电能表的电能值，并计算得到单次实验中被检电能表的初始固有误差，从多次实验结果得到的多个初始固有误差中取最大值作为被检电能表的最大初始固有误差。

具体地，设定好实验所处的温度、湿度等环境条件，并设置好基波信号的电压值、电流值和频率值，输出纯正弦的电压和电流值标准电能表和被检电能表，测试得到标准电能表和被检电能表在纯基波输入的条件下的电能值，并计算得到试验过程中被检电能表的初始固有误差，然后从多次实验结果得到的多个初始固有误差中选取最大值作为被检电能表的最大初始固有误差。其中，标准电能表作为准确度基准，用以与被检电能表的误差进行对比，标准电能表的准确度等级须比被检电能表的准确度等级高至少一个等级。

可以理解，如图2所示，所述步骤S2包括以下内容：

步骤S21：基于不同的谐波次数和谐波含量输入多个单次谐波信号；

步骤S22：将基波信号分别与多个单次谐波信号逐一合成为多个测试信号，多个测试信号以全波的形式分别输出至被检电能表和标准电能表进行逐一测试；

步骤S23：记录每次测试得到的被检电能表和标准电能表的电能值，并基于被检电能表和标准电能表的电能值计算得到本次测试中被检电能表的第一计量误差；

步骤S24：从多次测试得到的多个第一计量误差结果中取最大值作为被检电能表在谐波实验中的第一最大计量误差。

具体地，控制谐波次数和谐波含量输入多个单次谐波信号，谐波次数为2～15次，使用基波叠加单次谐波信号的方式合成多个测试信号，并以全波的形式输出进行逐一测试，记录每次测试得到的被检电能表和标准电能表的电能值，并基于被检电能表和标准电能表的电能值计算得到本次测试中被检电能表的第一计量误差，并从多次测试得到的多个第一计量误差结果中取最大值作为被检电能表在谐波实验中的第一最大计量误差，从而测量得到在不同谐波次数和谐波含量影响下被检电能表的最大计量误差。

可以理解，如图3所示，所述步骤S3包括以下内容：

步骤S31：设置基波信号的频率波动范围和波动间隔，以生成多个不同频率值的测试信号；

步骤S32：将多个不同频率值的测试信号分别输出至被检电能表和标准电能表进行逐一测试；

步骤S33：记录每次测试得到的被检电能表和标准电能表的电能值，并基于被检电能表和标准电能表的电能值计算得到本次测试中被检电能表的第二计量误差；

步骤S34：从多次测试得到的多个第二计量误差结果中取最大值作为被检电能表在频率波动实验中的第二最大计量误差。

具体地，设置好基波信号的频率波动范围和波动间隔，然后将多个不同频率值的基波信号分别输出至被检电能表和标准电能表进行逐一测试，此时不输入谐波信号，记录每次测试得到的被检电能表和标准电能表的电能值，并基于被检电能表和标准电能表的电能值计算得到本次测试中被检电能表的第二计量误差，并从多次测试得到的多个第二计量误差结果中取最大值作为被检电能表在频率波动实验中的第二最大计量误差，从而测量得到在不同基波频率的影响下被检电能表的最大计量误差。

可以理解，在步骤S1～步骤S3中，基于被检电能表和标准电能表的电能值计算误差所采用的公式为：

其中，e表示初始固有误差/第一计量误差/第二计量误差，w′表示被检电能表的电能值，w表示标准电能表的电能值。

可以理解，在所述步骤S4中具体采用以下公式计算得到被检电能表的最大综合误差：

其中，e

本发明基于对实际工作中谐波变化和频率变化带来的电能计量误差的概率分布情况进行分析得到，两者带来的电能计量误差在概率上呈矩形分布，从而确定最大综合误差计算公式中开方运算内的系数1/3，并分析得到实际工作中谐波变化和频率变化对电能计量结果的影响具有正负偏差的对称性，为确保最大综合误差计算结果的矩形区间分布对称性，从而确定最大综合误差计算公式中对开方运算结果取2倍系数，以符合电能表实际工中电能计量误差宽置信区间的特点。

另外，如图4所示，本发明的另一实施例还提供一种测试谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响的装置，优选采用如上所述的方法，该装置包括程控电源、计算机、标准电能表、误差计算器、被检电能表和谐波发生器，所述计算机用于控制所述程控电源、谐波发生器和误差计算器的工作状态，所述程控电源用于输出基波信号至标准电能表和被检电能表，所述谐波发生器用于输出不同的谐波信号至标准电能表和被检电能表，所述误差计算器用于通过脉冲计数的方式测量得到被检电能表和标准电能表的电能值，并在仅输入基波信号至标准电能表和被检电能表时测量得到被检电能表的最大初始固有误差、在同时输入基波信号和不同的谐波信号至标准电能表和被检电能表时测量得到被检电能表的第一最大计量误差以及在仅改变基波信号的频率时测量得到被检电能表的第二最大计量误差，并基于被检电能表的最大初始固有误差、第一最大计量误差和第二最大计量误差计算得到被检电能表的最大综合误差。

可以理解，本实施例的测试谐波含量与频率波动对智能电表计量误差影响的装置，首先测量得到被检电能表在纯基波信号输入条件下的最大初始固有误差，然后分别测量得到被检电能表在谐波输入实验和频率波动实验中的最大计量误差，最后基于最大初始固有误差、谐波输入实验和频率波动实验中的最大计量误差综合计算得到被检电能表的最大综合误差，通过先单独计算被检电能表分别在谐波输入实验和频率波动实验中的最大计量误差，再采用两个单独计算的最大计量误差结果来综合计算得到被检电能表的最大综合误差，有效减少了实验工作量，提高了实验效率，并且可以准确地分析得到谐波含量与频率波动对于智能电表计量误差的影响。更重要的是，本发明基于对实际工作中谐波变化和频率变化带来的电能计量误差的概率分布情况进行分析得到，两者带来的电能计量误差在概率上呈矩形分布，从而确定最大综合误差计算公式中开方运算内的系数1/3，并分析得到实际工作中谐波变化和频率变化对电能计量结果的影响具有正负偏差的对称性，为确保最大综合误差计算结果的矩形区间分布对称性，从而确定最大综合误差计算公式中对开方运算结果取2倍系数，以符合电能表实际工中电能计量误差宽置信区间的特点。

可以理解，当所述计算机仅控制所述程控电源输出基波信号至标准电能表和被检电能表进行多次实验时，所述误差计算器在每次实验中测量得到标准电能表和被检电能表的电能值，并计算得到单次实验中被检电能表的初始固有误差，并从多次实验结果得到的多个初始固有误差中取最大值作为被检电能表的最大初始固有误差。

所述计算机控制所述谐波发生器基于不同的谐波次数和谐波含量生成多个单次谐波信号，同时控制所述程控电源同步输出基波信号，以将基波信号分别与多个单次谐波信号逐一合成为多个测试信号，多个测试信号以全波的形式分别输出至被检电能表和标准电能表进行逐一测试，所述误差计算器记录每次测试得到的被检电能表和标准电能表的电能值，并基于被检电能表和标准电能表的电能值计算得到本次测试中被检电能表的第一计量误差，并从多次测试得到的多个第一计量误差结果中取最大值作为被检电能表在谐波实验中的第一最大计量误差。

所述计算机控制所述程控电源输出不同频率值的激波信号并分别输出至被检电能表和标准电能表进行逐一测试，所述误差计算器记录每次测试得到的被检电能表和标准电能表的电能值，并基于被检电能表和标准电能表的电能值计算得到本次测试中被检电能表的第二计量误差，并从多次测试得到的多个第二计量误差结果中取最大值作为被检电能表在频率波动实验中的第二最大计量误差。

可以理解，所述误差计算器基于被检电能表和标准电能表的电能值计算误差所采用的公式为：

其中，e表示初始固有误差/第一计量误差/第二计量误差，w′表示被检电能表的电能值，w表示标准电能表的电能值。

可以理解，所述误差计算器具体采用以下公式计算得到被检电能表的最大综合误差：

其中，e

可以理解，本发明基于对实际工作中谐波变化和频率变化带来的电能计量误差的概率分布情况进行分析得到，两者带来的电能计量误差在概率上呈矩形分布，从而确定最大综合误差计算公式中开方运算内的系数1/3，并分析得到实际工作中谐波变化和频率变化对电能计量结果的影响具有正负偏差的对称性，为确保最大综合误差计算结果的矩形区间分布对称性，从而确定最大综合误差计算公式中对开方运算结果取2倍系数，以符合电能表实际工中电能计量误差宽置信区间的特点。

接下来，举出一个具体实例对采用上述实施例的装置进行测试的过程进行举例说明。

步骤1：设定实验所处的环境温度为25±1℃，相对湿度为50±20％。启动程控电源，向各个部件提供正常工作的电压和电流，设备稳定之后，设定基波电压有效值为220V，基波电流有效值为20A，基波频率为50Hz，相位均为0°。采用0.5级被检电能表和标准电能表，测量三次，计算所述实验环境下无谐波输入和频率波动时的被检电能表的初始固有误差，实验数据如表1所示：

表1、无谐波输入和频率波动时测量得到的被检电能表的初始固有误差

从而得到被检电能表的最大初始固有误差为0.064％。

步骤2：将谐波发生器接入电路中，计算机控制谐波发生器中的谐波次数和输出波形，通过配置谐波发生器使得测试的谐波次数为2～16次，在测试过程中各谐波含量分别为40％(2次)，51％(3次)，20％(4次)，22％(5次)，20％(6次)，18％(7次)，15％(8次)，15％(9次)，12％(10次)，11％(11次)，7％(12次)，9％(13次)，9％(14次)，9％(15次)，8％(16次)，并完成被检智能电表在不同谐波次数和含量影响下的电能表计量误差实验，实验数据如表2所示：

表2、不同谐波输入条件下被检电能表的计量误差

从而得到被检电能表的最大第一计量误差为：2.5942％。

步骤3：设置测试的电压为220V，电流为20A，频率分别为49.5Hz、50Hz、50.5Hz、51Hz、51.5Hz，相位均为0°，不输入其他谐波含量，计算得出的实验数据如表3所示：

表3、频率波动条件下被检电能表的计量误差

从而得到被检电能表的第二最大计量误差为0.132％。

步骤4：基于以上实验数据计算最大综合误差，公式为：

从而计算得到最大综合误差e

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。