技术领域：
本发明涉及一种基于动态负荷模型的智能电能表动态误差测量方法，可应用于智能电能表对于电网中动态负荷的测量，属于电力计量技术领域。
背景技术：
：
随着我国智能电网的快速发展，电能表的动态误差特性测试已经成为亟需解决的新问题。一方面，太阳能、风能、潮汐能、生物质能等分布式能源的引入，使电网中产生了呈现动态性能的电能；另一方面，电力电子技术的普及使得电网中动态用电负荷越来越多，如电气化铁路、交流电弧炉、中频感应加热炉、交流逆变器装置、建筑塔吊与焊接设备等。这些负荷工作时瞬时电流剧烈地大范围波动，导致用户的电能计量值明显小于电力系统变电站出口的电能计量值，引起电能计量的误差，不能实现公正合理的计费，严重影响供电方的经济利益。
目前，国内外对于电能表动态误差特性的研究处于起步阶段，国内外专家学者建立了多种动态负荷模型，这些动态负荷模型可以提高仿真准确度，但是，它们并不适用于电能表动态误差测试实验。此外，已有研究对于测试激励的动态负荷电能信号数学模型和动态负荷功率模型的研究不够完善，对于电能表动态误差测试缺少动态电能值溯源方法。
技术实现要素：
：
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足并提供一种能够充分反映动态负荷变化范围和变化模式的智能电能表动态误差测试方法。运用该方法产生的动态负荷波形便于控制，呈现周期特性，能够实现动态电能量值的溯源，可有效测试电能表的动态误差，充分反映动态负荷的变化范围和功率模式。周期变化的动态负荷测试激励可实现重复测试对比电能表的动态误差，不确定度小于0.4%。
本发明的目的可以通过如下措施来达到：一种基于动态负荷模型的智能电能表动态误差测量方法，其特征在于其步骤如下：
步骤一、建立动态负荷电压、电流信号的数学模型：
在动态负荷条件下，电能表测试激励的瞬时交流电压和电流信号分别表示为：
（1）
（2）
其中，为交流电压信号的有效值；为交流电流信号的有效值；；为测试激励电流在时刻的瞬时相位；
为反映负荷变化及便于控制产生测试激励信号，令式（1）和式（2）中的为确定函数，且第个周期T内的为常数；然后，对时域瞬时电压、电流信号在每个整数周期上进行截短，将其分解为各个周期上的瞬时电压和瞬时电流：
其中，为窗函数；稳态正弦电流信号；则测试激励的瞬时电压和电流信号可分别用函数序列表示；令；则：
则动态负荷测试激励电流信号可表示为：
式（8）表明，通过二进制序列对稳态电流信号进行二进制通断键控，可以得到一种新型的通断键动态负荷电流信号模型，该电流信号能够反映多种动态负荷模式，可有效测试电流表的动态误差；
步骤二：建立动态负荷电能序列的数学模型；
电能表测量的输入是瞬时电压和瞬时电流，输出的电能计量值与2个输入的乘积和时间相关；本发明将输入电能表的函数序列相乘积分转换为电能序列作为电能表的测试输入激励，具体方法如下：
通断键控制方式下，输入至电能表的任意1个周期T内的动态负荷瞬时功率为：
将式（3）、式（4）代入式（9）中整理简化得：
则在通断键测试激励方式下，电能表在任意1个周期T内计量的电能为：
当、、分别为测试输入的某特定值时，取、；若，则任意1个周期T内的动态负荷激励电能为：
其中，定义为某一输入的测试电能当量；此时，电能表的动态负荷激励电能可用输入的离散电能序列表示为：
；
步骤三、建立电能序列激励与动态负荷模式；
为了能够比较全面地测试电能表的动态误差特性，根据线性系统对输出动态响应的激励方法，本文的测试输入序列采用了离散矩形电能序列激励方式；
离散矩形电能序列激励可以看做是单位抽样序列激励的叠加， 满足：
其中，分别为激励序列通、段长度，均为正整数，为激励序列周期；
根据激励序列通的长度和激励序列断的长度的取值范围，可以给出暂态、短时、长时3种不同的动态负荷功率模式；当时，可由1个通断键周期内动态负荷电流信号导通周期个数定义动态负荷功率模式：
a.若，则定义为暂态动态负荷功率模式；
b.若，则定义为短时动态负荷功率模式；
c.若，则定义为长时动态负荷功率模式；
步骤四、电能表动态误差的测量算法；
设动态负荷电能序列为序列总长度，且；对于标准表，取，则标准表测量的总电能为:
输入到被测电能表的动态负荷电能理论值为：
（15）
则被测电能表测量的动态负荷电能理论值可由标准表电能测量值表示为：
设被测电能表实际测量的电能值为，被测电能表动态误差可由下式计算得到：
对于电能表的每次动态误差测试，实际观察到的通断键周期个数不一定是整数，因此根据上式计算动态误差时，最大可产生1个通断键周期的误差；若通断键测量周期数为,则该算法产生的理论附加误差小于；
步骤五、建立电能表动态误差的测试系统：
电能表动态误差测试系统是由标准电能表、计算机、程控电源、动态负荷电能控制与动态误差测试装置和2个被测电能表组成，计算机分别连接程控电源、动态负荷电能控制与动态误差测试装置，程控电源连接标准电能表，标准电能表动态负荷电能控制与动态误差测试装置，动态负荷电能控制与动态误差测试装置连接2个被测电能表；
误差测试中，首先通过计算机来控制程控电源产生稳态的三相交流电压和电流，将稳态的三相交流电流输入至动态负荷电能控制与动态误差测试装置中；然后，动态负荷电能控制与动态误差测试装置产生三相动态电流分别输入至2个被测电能表，使被测电能表对动态负荷电能进行计量；最后由动态负荷电能控制与动态误差测试装置在设定的被测电能表输出脉冲期间，采集标准电能表的输出脉冲，根据步骤四提出的电能表动态误差测量算法，完成被测电能表动态误差的计算与显示；
步骤六、测试结果分析：
采用上述电能表动态误差测试系统，对国内外3个厂家的三相四线电能表进行了动态误差测试，每一个动态误差测试都选取了300个以上的通断键测量周期；3种电能表在暂态、短时、长时3种动态负荷功率模式共6种通断周期比状态下的动态误差如表1所示；表1中，动态误差均为5次测量最大误差值；厂家A电能表为1.0级智能电能表，厂家B电能表为1.0级电子式载波电能表，厂家C电能表为0.5s级国外关口电能表；
由表1可见：厂家A智能电能表的动态误差明显优于其它电子式电能表；在暂态动态负荷1：40模式下，厂家C电能表动态误差最小；厂家B电能表没有脉冲输出，出现了不能计量暂态动态负荷电能的情况；在长时动态负荷功率模式下，厂家A和C电能表动态误差明显小于其误差等级；上述测试结果表明电能表的动态误差与测试激励动态负荷的功率模式息息相关，不同电能表的动态误差特性差异较大。
本发明同已有技术相比可产生如下积极效果：首先，建立了一种通断键动态负荷电流信号的数学模型，在此基础上建立了一种动态负荷电能序列的数学模型，并定义了3种动态负荷功率模式；其次，提出了一种从动态电能值到静态电能值的溯源方法，推导得出一种电能表动态误差测量的算法；最后，建立了电能表动态误差测量系统，采用该系统分别对国内外不同厂家的电能表进行动态误差测试，结果表明电能表的动态误差与测试激励动态负荷的功率模式紧密相关，不同电能表的动态误差特性差异较大，有些被测电能表的动态误差甚至超过了其准确度等级的20倍，不适合计量动态负荷电能。
其具有如下特点：
1.与已有的电力负荷动态特性模型相比，本发明建立的电力负荷动态特性模型具有能够充分反映动态负荷的变化范围和变化模式、便于控制产生、呈现周期特性、能够实现动态电能量值溯源的特点。
2.利用二进制序列对稳态电流信号进行二进制通断键控制，得到了一种新型的动态负荷电流信号模型。该电流信号能够产生多种动态负荷模式，可有效测试电能表的动态误差。
3.采用所建立的电能序列模型与激励方式研发了动态负荷电能控制与动态误差测试装置，所产生的动态负荷电能信号呈周期性变化，可以充分反映动态负荷的变化范围和功率模式，周期变化的动态负荷测试激励可实现重复测试对比电能表的动态误差。
4.当通断键测量周期在300个以上时，考虑到标准表的误差小于，本发明所提出的动态误差测试方法的不确定度小于0.4%。
附图说明：
图1为本发明的电能表动态误差测试系统的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图表对本发明的实施方式做详细说明：
实施例：一种基于动态负荷模型的智能电能表动态误差测量方法，其包括如下6个步骤：
步骤一、建立动态负荷电压、电流信号的数学模型。
在动态负荷条件下，电能表测试激励的瞬时交流电压和电流信号分别表示为：
（1）
（2）
其中，为交流电压信号的有效值；为交流电流信号的有效值；；为测试激励电流在时刻的瞬时相位。
为反映负荷变化及便于控制产生测试激励信号，令式（1）和式（2）中的为确定函数，且第个周期T内的为常数。然后，对时域瞬时电压、电流信号在每个整数周期上进行截短，将其分解为各个周期上的瞬时电压和瞬时电流：
其中，为窗函数；稳态正弦电流信号。则测试激励的瞬时电压和电流信号可分别用函数序列表示。令。则：
则动态负荷测试激励电流信号可表示为：
式（8）表明，通过二进制序列对稳态电流信号进行二进制通断键控，可以得到一种新型的通断键动态负荷电流信号模型，该电流信号能够反映多种动态负荷模式，可有效测试电流表的动态误差。
步骤二：建立动态负荷电能序列的数学模型。
电能表测量的输入是瞬时电压和瞬时电流，输出的电能计量值与2个输入的乘积和时间相关。本发明将输入电能表的函数序列相乘积分转换为电能序列作为电能表的测试输入激励，具体方法如下：
通断键控制方式下，输入至电能表的任意1个周期T内的动态负荷瞬时功率为：
将式（3）、式（4）代入式（9）中整理简化得：
则在通断键测试激励方式下，电能表在任意1个周期T内计量的电能为：
当、、分别为测试输入的某特定值时，取、。若，则任意1个周期T内的动态负荷激励电能为：
其中，定义为某一输入的测试电能当量。此时，电能表的动态负荷激励电能可用输入的离散电能序列表示为：
。
步骤三、建立电能序列激励与动态负荷模式。
为了能够比较全面地测试电能表的动态误差特性，根据线性系统对输出动态响应的激励方法，本文的测试输入序列采用了离散矩形电能序列激励方式。
离散矩形电能序列激励可以看做是单位抽样序列激励的叠加， 满足：
其中，分别为激励序列通、段长度，均为正整数，为激励序列周期。
根据激励序列通的长度和激励序列断的长度的取值范围，可以给出暂态、短时、长时3种不同的动态负荷功率模式。当时，可由1个通断键周期内动态负荷电流信号导通周期个数定义动态负荷功率模式：
a.若，则定义为暂态动态负荷功率模式；
b.若，则定义为短时动态负荷功率模式；
c.若，则定义为长时动态负荷功率模式。
步骤四、电能表动态误差的测量算法。
设动态负荷电能序列为序列总长度，且。对于标准表，取，则标准表测量的总电能为:
输入到被测电能表的动态负荷电能理论值为：
（15）
则被测电能表测量的动态负荷电能理论值可由标准表电能测量值表示为：
设被测电能表实际测量的电能值为，被测电能表动态误差可由下式计算得到：
对于电能表的每次动态误差测试，实际观察到的通断键周期个数不一定是整数，因此根据上式计算动态误差时，最大可产生1个通断键周期的误差。若通断键测量周期数为,则该算法产生的理论附加误差小于。
步骤五、建立电能表动态误差的测试系统。
参见图1，电能表动态误差测试系统是由标准电能表、计算机、程控电源、动态负荷电能控制与动态误差测试装置和2个被测电能表组成，计算机分别连接程控电源、动态负荷电能控制与动态误差测试装置，程控电源连接标准电能表，标准电能表动态负荷电能控制与动态误差测试装置，动态负荷电能控制与动态误差测试装置连接2个被测电能表。
误差测试中，首先通过计算机来控制程控电源产生稳态的三相交流电压和电流，将稳态的三相交流电流输入至动态负荷电能控制与动态误差测试装置中。然后，动态负荷电能控制与动态误差测试装置产生三相动态电流分别输入至2个被测电能表，使被测电能表对动态负荷电能进行计量；最后由动态负荷电能控制与动态误差测试装置在设定的被测电能表输出脉冲期间，采集标准电能表的输出脉冲，根据步骤四提出的电能表动态误差测量算法，完成被测电能表动态误差的计算与显示。
步骤六、测试结果分析。
本发明采用附图1所示的电能表动态误差测试系统，对国内外3个厂家的三相四线电能表进行了动态误差测试，每一个动态误差测试都选取了300个以上的通断键测量周期。3种电能表在暂态、短时、长时3种动态负荷功率模式共6种通断周期比状态下的动态误差如表1所示。表1中，动态误差均为5次测量最大误差值；厂家A电能表为1.0级智能电能表，厂家B电能表为1.0级电子式载波电能表，厂家C电能表为0.5s级国外关口电能表。
由表1可见：厂家A智能电能表的动态误差（除1：40模式外）明显优于其它电子式电能表；在暂态动态负荷1：40模式下，厂家C电能表动态误差最小；厂家B电能表没有脉冲输出，出现了不能计量暂态动态负荷电能的情况；在长时动态负荷功率模式下，厂家A和C电能表动态误差明显小于其误差等级。上述测试结果表明电能表的动态误差与测试激励动态负荷的功率模式息息相关，不同电能表的动态误差特性差异较大。