中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验装置的制作方法

本发明属于电能计量设备校验技术领域，尤其涉及一种中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验装置。

背景技术：

大量非线性电力电子负载的使用以及分布式新能源的引入，使得电能计量设备工作在复杂的电网运行环境中。当前智能电能表等电能计量设备的运行故障率较高，造成了供电企业电能计量社会服务的隐患，而电网运行环境因素是造成电能计量设备故障的主要原因之一。电能计量设备包括智能电能表、数字化电能表、高压电能表、电磁式互感器以及电能计量整体装置等，这些电能计量设备在现有复杂电网运行环境下的计量特性和工作可靠性亟需校验，但是现代电网实际运行中非线性负载以及分布式新能源接入的不确定性使得电能计量设备的运行环境变化多端，因此通过现场校验工作来确定电能计量设备计量特性的有效性大打折扣，而现有实验室电能计量设备校验装置的复杂电网运行环境再现和在复杂电网运行环境下对电能计量设备进行校验的能力又存在不足。

另一方面，现有的电能计量设备的标准规范，特别是涉及质量管控、检测项目及检测方法等方面的内容，已无法满足对于新出现的复杂电网运行环境下的适应性考核要求。因此，十分有必要建设能方便地再现复杂电网运行环境并在此环境下进行电能计量设备校验的装置，这样的装置有助于电能计量设备的质量管控、检测方法改进、故障还原分析、计量新原理方法和新设备的探索与应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验装置，其能同时提供试验用三相中压电压与三相电流，三相电流处于中压状态，从而构建存在电能质量问题的中压电网电能计量现场运行仿真环境，并在此环境下实现高压电能表、智能电能表、数字化电能表、电磁式互感器以及中压电能计量整体装置的计量性能及功能的校验与检测。

为此，本发明采用如下的技术方案：中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验装置，包括装置三相工作电源、a相标准电流互感器、a相标准电压互感器、c相标准电流互感器、c相标准电压互感器、互感器二次信号连接电路、三相标准电能表、互感器误差计算器、被试三相电能表、低压电能表误差计算器、高压电能表误差计算器和中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验控制平台；

所述的中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验控制平台包括数据采集模块、电能计量运行模式控制模块、建模仿真模块、现场录波输入模块、电量波形及误差数据模块、显示模块、电能质量分析模块和仿真与实测波形数据接口模块；

所述的数据采集模块接收三相标准电能表、互感器误差计算器、低压电能表误差计算器、高压电能表误差计算器以及来自互感器二次信号连接电路的所有互感器的二次信号；建模仿真模块接收电能计量运行模式控制模块发出的控制信息并进行建模仿真，从而产生中压电网计量点的电流和电压运行仿真波形数据；电量波形及误差数据模块收集来自数据采集模块、建模仿真模块和现场录波输入模块的信息，并将相应的电流和电压运行仿真波形数据、所有互感器的二次信号数据、各种误差数据发送给显示模块进行实时显示，同时将电流和电压运行仿真波形数据、所有互感器的二次信号数据发送给电能质量分析模块进行电能质量分析，分析结果通过显示模块进行显示，并且将电流和电压运行仿真波形数据、a相标准电流互感器、a相标准电压互感器、c相标准电流互感器、c相标准电压互感器的二次信号发送给仿真及实测波形数据接口模块。

本发明针对中压电网系统，利用试验电压电流发生设备和电能计量设备等硬件实物与计算机软件模拟技术相结合的半物理仿真技术，构建电能计量设备的仿真试验装置。本发明通过设置电网拓扑结构、分布式新能源及非线性负载来自由地构建虚拟的电网运行环境，对电能计量点进行电量波形取样，并通过试验电压电流发生设备再现实际的运行仿真环境。本发明将试验电流处在中压状态并采用虚功原理对电能计量设备进行高压一体化校验，互感器误差采用极坐标表示法进行计算，中压运行仿真试验环境进行实时的电能质量分析，采用闭环控制技术保证试验电压和电流的仿真精度。本发明同时能满足高压电能表、智能电能表、数字化电能表、电磁式互感器以及中压电能计量整体装置的校验，装置符合gb/t11150-2001《电能表检验装置》、jjg597-2005《交流电能表检定装置检定规程》、jjg1036-1993《交流电能表检定装置试验规范》、dl/t585-1995《电子式标准电能表技术条件》、dl/t460-1992《电能表检定装置检定规程》、dl/t731-2000《电能表测量用误差计算器》、jjg596-2012《电子式电能表检定规程》、dl460-2005《电能表检定装置检定规程》、jg307-2006《交流电能表检定规程》、dl/t614-2007《多功能电能表》、dl/t645-2007《多功能电能表通信规约》等国家标准、行业标准及计量检定规程的要求。这样的中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验装置未见有专利和文献报道。

进一步地，本发明还包括a相电流波形程控电源、a相中压升流器、a相电压波形程控电源、a相中压升压器、c相电流波形程控电源、c相中压升流器、c相电压波形程控电源、c相中压升压器、a相被试电流互感器、被试高压电能表或中压电能计量整体装置、a相被试电压互感器、c相被试电流互感器和c相被试电压互感器。

进一步地，所述的被试高压电能表或中压电能计量整体装置包括a相计量单元和c相计量单元。

进一步地，所述的装置三相工作电源向a相电流波形程控电源、a相电压波形程控电源、c相电流波形程控电源和c相电压波形程控电源提供三相四线制工作电源，a相电流波形程控电源、a相电压波形程控电源、c相电流波形程控电源和c相电压波形程控电源分别接收来自仿真与实测波形数据接口模块的电压电流仿真及实测波形数据，并根据各自的波形数据分别驱动a相中压升流器、a相中压升压器、c相中压升流器和c相中压升压器，使得a相中压升流器、a相中压升压器、c相中压升流器和c相中压升压器分别输出a相试验电流、a相试验电压、c相试验电流和c相试验电压。

进一步地，a相标准电流互感器、a相被试电流互感器、a相标准电压互感器、a相被试电压互感器、c相被试电流互感器、c相标准电流互感器、c相被试电压互感器和c相标准电压互感器的二次输出端口分别与互感器二次信号连接电路上相应的输入端口相连接，互感器二次信号连接电路将a相标准电流互感器、a相标准电压互感器、c相标准电流互感器、c相标准电压互感器的二次信号提供给三相标准电能表，互感器二次信号连接电路将a相被试电流互感器、a相被试电压互感器、c相被试电流互感器、c相被试电压互感器的二次信号提供给被试三相电能表，互感器二次信号连接电路将所有互感器的二次信号提供给互感器误差计算器，低压电能表误差计算器同时接收三相标准电能表和被试三相电能表的输出信号，高压电能表误差计算器同时接收三相标准电能表和被试高压电能表或中压电能计量整体装置的输出信号。

进一步地，对于a相电流波形程控电源，它通过比较a相电流仿真波形数据和a相标准电流互感器的二次信号数据对a相中压升流器输出的a相试验电流进行闭环控制，使得a相试验电流波形尽量接近a相电流仿真波形数据的要求，对于a相中压升压器、c相中压升流器和c相中压升压器，也进行相同的闭环控制。

进一步地，a相电流波形程控电源、a相电压波形程控电源、c相电流波形程控电源、和c相电压波形程控电源输出的电量波形的基波相同，基波在设定的范围内一个取值。

进一步地，对于互感器变比的选择，要求a相标准电流互感器与c相标准电流互感器、a相标准电压互感器与c相标准电压互感器、a相被试电流互感器与c相被试电流互感器、a相被试电压互感器与c相被试电压互感器的变比相同，但并不要求标准电流互感器与被试电流互感器的变比相等，也不要求标准电压互感器与被试电压互感器的变比相等。

进一步地，互感器二次信号连接电路将a相标准电压互感器和c相标准电压互感器的两个二次信号输出端口连接成三相三线端口，并与三相标准电能表的三相电压输入端口相连接，互感器二次信号连接电路将a相被试电压互感器和c相被试电压互感器的两个二次信号输出端口连接成三相三线端口，并与被试三相电能表的三相电压输入端口相连接。互感器误差计算器接收所有互感器的二次输出信号，然后利用付氏变换计算每个信号的基波和谐波分量，并按互感器误差定义的极坐标表示法进行各被试互感器基波和谐波准确度的校验。

进一步地，数据采集模块除了采集三相标准电能表、低压电能表误差计算器和高压电能表误差计算器的输出信息外，还收集所有互感器的二次信号以及来自互感器误差计算器的每个互感器二次输出信号的基波和谐波分量，这些互感器二次输出信息及其基波和谐波分量信息通过电量波形及误差数据模块传输给电能质量分析模块，以便根据电能质量国家标准进行各种电能质量问题的定性和定量分析。

本发明的试验方案可以通过电能计量运行模式控制模块进行人工输入选择，试验方案主要有三种：(1)指定试验电压电流波形。支持给定a相和c相中压试验电压与电流的电压电流幅值、对称度、功率因数以及耦合谐波成分自定义调节，然后通过仿真及实测波形数据接口输出，驱动四个波形程控电源；(2)采用电网现场录波。利用录波仪对电网实际运行波形进行现场记录，并通过现场录波输入模块进行输入，然后通过仿真及实测波形数据接口输出，驱动四个波形程控电源；(3)建模仿真产生试验电压电流波形，主要由建模仿真模块完成。建模仿真有两种方式，一种是利用matlab/simulink软件进行仿真，得到计量点的试验电压电流波形数据文件，另一种是通过starsim软件进行仿真，得到计量点的试验电压电流波形数据文件。同样地，两种试验电压电流波形数据文件通过仿真及实测波形数据接口输出，驱动四个波形程控电源。当采用建模仿真试验方案时，电能计量运行模式控制模块还需进行以下人工输入设定：选择搭建光伏、风电、典型储能、柴油发电机等典型分布式电源仿真模块，以及电气化铁路和变频调速电机等多种特殊负荷模型，组合至少八个节点分布式电源与负荷接入的微网，设定运行工况和环境变化，选择计量节点。数据采集模块、显示模块、电能质量分析模块与仿真和实测波形数据接口模块都是基于labview软件实现相应的功能。labview软件与matlab/simulink软件和starsim软件之间都有数据接口，因此可以方便地进行数据文件的交换；数据采集模块通过相应的labview软件获取相关数据；仿真和实测波形数据接口模块通过labview软件的rs485驱动程序，实现与四个波形程控电源的通讯；电能质量分析模块可以利用labview软件现成的电能质量分析vi来得到分析结果，例如基波频率、波形畸变率等，也可以专门编程来进行电能质量的计算分析。显示模块分多个界面分别对电能表误差、电压电流互感器误差、三相仿真和实测电压电流波形、相关电能质量分析结果等进行显示。

本发明可以模拟三相额定基波电压高达35kv、三相额定基波电流1000a、基波频率允许范围为45hz～65hz以及三相电压和三相电流存在畸变现象的电网电能计量运行环境，并在此环境下实现高压电能表、智能电能表、数字化电能表、电磁式互感器以及中压电能计量整体装置的计量性能及功能的校验与检测，电压电流谐波次数高达25次，2～15次谐波含量为基波幅值的30％，15～25次谐波含量为基波幅值的10％，最高检测准确度电压互感器为0.2级、电流互感器为0.2s级、互感器各次谐波电流的准确度为0.5级、高压电能表或中压电能计量整体装置为1级、三相电能表为0.2s级、三相谐波电能表为1级。

本发明具有的有益效果是：(1)大量非线性负载的使用以及分布式新能源的引入，使得现代电网的电能质量问题日趋严重，常规电能计量设备在现有复杂电力运行环境下的计量特性亟需校验，但是非线性负载的不确定性以及分布式新能源的多样性使得现场校验工作的有效性大大降低，本发明利用试验电压电流发生设备和电能计量设备等硬件实物与计算机软件模拟相结合的半物理仿真技术，很好地解决了这一校验问题。计算机软件可以任意设置电网拓扑结构、分布式新能源的接入、非线性负载的使用，并可以对选取的电能计量点进行电流、电压和电能波形的取样，然后通过试验电压电流发生设备提供待校验的计量设备一个现场运行仿真环境。这样就可以在实验室进行实际电压电流波形条件下的计量特性校验。计算机软件的灵活性和开放性，使得本发明具有极强的现场运行仿真环境构造能力，这对电能计量技术及设备的研究和开发都具有重要意义。(2)本发明采用虚功原理对电能计量设备进行校验，由于将试验电流处在中压状态，这样就实现了计量设备在电压电流畸变波形条件下的高压一体化检定，并且与传统计量设备校验装置的单一设备校验功能不同，本发明能进行高压电能表、智能电能表、数字化电能表、电磁式互感器以及中压电能计量整体装置的校验。(3)与传统互感器校验装置需要标准互感器与被试互感器变比相等的条件相比，本发明允许两者变比不想等，因此降低了对标准互感器的要求。互感器误差采用极坐标表示法进行计算，更加符合互感器误差的定义，因此更加准确。(4)本发明具有对试验电压电流、互感器二次输出信号的电能质量分析和显示功能，因此能实时对中压仿真试验环境进行电能质量的定量分析。(5)试验电压电流发生设备采用电压电流波形程控电源闭环控制驱动中压升压器和升流器的方式，保证了中压试验电压和电流的仿真精度。(6)比较现场录波数据与建模仿真模块产生的仿真波形数据，可以验证对实际电网的电能计量运行环境建模的准确性。同时利用电能计量运行环境的建模仿真波形进行实验，可以预判电能计量设备在未来电网中的计量性能。

附图说明

图1是本发明的结构原理框图；

图2是本发明中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验控制平台的一种结构原理框图；

图中：1是装置三相工作电源、2是a相电流波形程控电源、3是a相中压升流器、4是a相电压波形程控电源、5是a相中压升压器、6是c相电压波形程控电源、7是c相中压升压器、8是c相电流波形程控电源、9是c相中压升流器、10是a相标准电流互感器、11是a相被试电流互感器、12是被试高压电能表或中压电能计量整体装置、13是a相标准电压互感器、14是a相被试电压互感器、15是c相被试电压互感器、16是c相标准电压互感器、17是c相被试电流互感器、18是c相标准电流互感器、19是互感器二次信号连接电路、20是三相标准电能表、21是互感器误差计算器、22是被试三相电能表、23是低压电能表误差计算器、24是高压电能表误差计算器、25是中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验控制平台、26是数据采集模块、27是电能计量运行模式控制模块、28是建模仿真模块、29是现场录波输入模块、30是电量波形及误差数据模块、31是显示模块、32是电能质量分析模块、33是仿真与实测波形数据接口模块。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明提出的中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验装置，其实施例如图1和图2所示，它包括装置三相工作电源1、a相电流波形程控电源2、a相中压升流器3、a相电压波形程控电源4、a相中压升压器5、c相电压波形程控电源6、c相中压升压器7、c相电流波形程控电源8、c相中压升流器9、a相标准电流互感器10、a相被试电流互感器11、被试高压电能表或中压电能计量整体装置12、a相标准电压互感器13、a相被试电压互感器14、c相被试电压互感器15、c相标准电压互感器16、c相被试电流互感器17、c相标准电流互感器18、互感器二次信号连接电路19、三相标准电能表20、互感器误差计算器21、被试三相电能表22、低压电能表误差计算器23、高压电能表误差计算器24和中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验控制平台25。

中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验控制平台25包括数据采集模块26、电能计量运行模式控制模块27、建模仿真模块28、现场录波输入模块29、电量波形及误差数据模块30、显示模块31、电能质量分析模块32和仿真与实测波形数据接口模块33。

装置三相工作电源1向a相电流波形程控电源2、a相电压波形程控电源4、c相电流波形程控电源8和c相电压波形程控电源6提供三相四线制工作电源，a相电流波形程控电源2、a相电压波形程控电源4、c相电流波形程控电源8和c相电压波形程控电源6分别接收来自仿真与实测波形数据接口模块33的电压电流仿真及实测波形数据，并根据各自的波形数据分别驱动a相中压升流器3、a相中压升压器5、c相中压升流器9和c相中压升压器7，使得a相中压升流器3、a相中压升压器5、c相中压升流器9和c相中压升压器7分别输出a相试验电流、a相试验电压、c相试验电流和c相试验电压。

a相中压升流器3的一个输出端分别与a相中压升压器5的一个输出端和被试高压电能表或中压电能计量整体装置12的a相电流输入端相连接，a相中压升流器3的另一个输出端与a相标准电流互感器10的一次输入同名端相连接，a相标准电流互感器10的一次输入非同名端与a相被试电流互感器11的一次输入同名端相连接，a相被试电流互感器11的一次输入非同名端分别与被试高压电能表或中压电能计量整体装置12的a相电流输出端、a相标准电压互感器13的一次输入同名端、a相被试电压互感器14的一次输入同名端、a相试验电压输出端相连接，a相中压升压器5的另一个输出端分别与c相中压升压器7的一个输出端、a相标准电压互感器13的一次输入非同名端、a相被试电压互感器14的一次输入非同名端、被试高压电能表或中压电能计量整体装置12的一个a相电压输入端、c相标准电压互感器16的一次输入非同名端、c相被试电压互感器15的一次输入非同名端、被试高压电能表或中压电能计量整体装置12的一个c相电压输入端、b相试验电压输出端相连接，c相中压升流器9的一个输出端分别与c相中压升压器7的另一个输出端和被试高压电能表或中压电能计量整体装置12的c相电流输入端相连接，c相中压升流器9的另一个输出端与c相标准电流互感器18的一次输入同名端相连接，c相标准电流互感器18的一次输入非同名端与c相被试电流互感器17的一次输入同名端相连接，c相被试电流互感器17的一次输入非同名端分别与被试高压电能表或中压电能计量整体装置12的c相电流输出端、c相标准电压互感器16的一次输入同名端、c相被试电压互感器15的一次输入同名端、c相试验电压输出端相连接。

a相标准电流互感器10、a相被试电流互感器11、a相标准电压互感器13、a相被试电压互感器14、c相被试电流互感器17、c相标准电流互感器18、c相被试电压互感器15和c相标准电压互感器16的二次输出端口分别与互感器二次信号连接电路19上相应的输入端口相连接，互感器二次信号连接电路19将a相标准电流互感器10、a相标准电压互感器13、c相标准电流互感器18、c相标准电压互感器16的二次信号提供给三相标准电能表20，互感器二次信号连接电路19将a相被试电流互感器11、a相被试电压互感器14、c相被试电流互感器17、c相被试电压互感器15的二次信号提供给被试三相电能表22，互感器二次信号连接电路19将所有互感器的二次信号提供给互感器误差计算器21，低压电能表误差计算器23同时接收三相标准电能表20和被试三相电能表22的输出信号，高压电能表误差计算器24同时接收三相标准电能表20和被试高压电能表或中压电能计量整体装置12的输出信号，中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验控制平台25的数据采集模块26接收三相标准电能表20、互感器误差计算器21、低压电能表误差计算器23、高压电能表误差计算器34以及来自互感器二次信号连接电路19的所有互感器的二次信号。

建模仿真模块28接收电能计量运行模式控制模块27发出的试验控制信息并进行建模仿真，从而产生中压电网计量点的电流和电压运行仿真波形数据。电量波形及误差数据模块33收集来自数据采集模块26、建模仿真模块28、现场录波输入模块29的信息，并将相应的电流和电压运行仿真波形数据、所有互感器的二次信号数据、各种误差数据发送给显示模块31进行实时显示，同时将电流和电压运行仿真波形数据、所有互感器的二次信号数据发送给电能质量分析模块32进行电能质量分析，分析结果通过显示模块31进行显示，最后将电流和电压运行仿真波形数据、a相标准电流互感器10、a相标准电压互感器13、c相标准电流互感器18、c相标准电压互感器16的二次信号发送给仿真及实测波形数据接口模块33。

本实施例具体设计参数为：

本发明可以构建三相试验电压和三相试验电流存在畸变现象的电网电能计量运行环境，在此环境下实现高压电能表、智能电能表、数字化电能表、电磁式互感器以及中压电能计量整体装置的计量性能及功能的校验与检测。装置三相工作电源为三相380v/50hz常规供电电源，a相中压升压器5和c相中压升压器7输出的额定基波试验电压为10kv，a相中压升流器3和c相中压升流器9输出的额定基波试验电流600a、三相试验电压和三相试验电流的基波频率为50hz，试验电压和试验电流的谐波次数高达25次，2～15次谐波含量为基波幅值的30％，15～25次谐波含量为基波幅值的10％，a相电流波形程控电源2和c相电流波形程控电源8的输出容量分别为5kva，a相电压波形程控电源4和c相电压波形程控电源6的输出容量分别为1.5kva，a相标准电流互感器10和c相标准电流互感器18的工作电压为10kv、额定频率为50hz、额定变比为600a/5a、基波准确度为0.05s级、2～25次谐波的准确度为0.2级，a相被试电流互感器11和c相被试电流互感器17的工作电压为10kv、额定频率为50hz、额定变比为600a/5a、基波准确度为0.2s级、2～25次谐波的准确度为0.5级，a相标准电压互感器13和c相标准电压互感器16的额定电压为10kv、额定频率为50hz、额定变比为10kv/100v、基波准确度为0.05级、2～25次谐波的准确度为0.2级，a相被试电压互感器14和c相被试电压互感器15的额定电压为10kv、额定频率为50hz、额定变比为10kv/100v、基波准确度为0.2级、2～25次谐波的准确度为0.5级，被试高压电能表或中压电能计量整体装置12的额定电压为10kv、额定频率为50hz、额定电流为600a、准确度为1级，三相标准电能表20的准确度为0.05级，被试三相电能表22准确度为0.2s级。互感器误差计算器21具有八路16位250ks/s的模/数高速同步数据采集电路，数据采集模块26除了具有八路16位250ks/s的模/数高速同步数据采集电路外，还具有接收三相标准电能表20、互感器误差计算器21、低压电能表误差计算器23、高压电能表误差计算器24的输出信号的电路。在windows7操作系统下中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验控制平台25中的建模仿真模块28采用matlab/simulink仿真软件和starsim软件，支持8个节点的微网计算。每个节点含分布式电源和特殊负荷。显示模块31、电能质量分析模块32和仿真与实测波形数据接口模块33的功能通过labview实时仿真软件实现，仿真波形数据文件采用*.csv、*.tdms、*.matinascii等格式，电量波形及误差数据模块30采用msaccess数据库，利用labview自带的文件读取函数实现共享数据的读写。电能计量运行模式控制模块27以模块化的形式提供良好的人机交互界面，方便中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验控制平台25上的各种软件仿真操作和硬件设置，支持与中压电网电能计量高压一体化半物理仿真试验装置各功能模块的软件程序交互调用与装置远程控制功能，实现电力系统运行场景的再现，支持任意计量点的选取。电能质量分析模块32可分析计量点电气量以及电能计量设备的电能质量特性。

此外，本发明装置符合gb/t11150-2001《电能表检验装置》、jjg597-2005《交流电能表检定装置检定规程》、jjg1036-1993《交流电能表检定装置试验规范》、dl/t585-1995《电子式标准电能表技术条件》、dl/t460-1992《电能表检定装置检定规程》、dl/t731-2000《电能表测量用误差计算器》、jjg596-2012《电子式电能表检定规程》、dl460-2005《电能表检定装置检定规程》、jg307-2006《交流电能表检定规程》、dl/t614-2007《多功能电能表》、dl/t645-2007《多功能电能表通信规约》等国家和行业标准及相关的计量检定规程的要求。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

应该理解到的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。