数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置的制作方法

本发明涉及数字化电能表计量精度测试领域，具体地，涉及一种数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置。

背景技术：

随着智能电网的发展，架构在IEC61850标准基础上的智能变电站大量建设，基于光纤以太网的数字化电能表也在智能变电站中得到大量应用。有别于传统电能表，数字化电能表没有模拟量采样部分，而是直接通过光纤以太网接收合并单元传入的IEC61850-SMV数字化采样值报文，因此，传统的电能表测试装置也无法应用于数字化电能表，必须采用数字化电能表专用的测试台体。

而大量电力电子工业负载的应用，使得电网负荷逐渐呈现随时间动态波动，甚至冲击性的特点。由于数字化电能表专用测试台体只能测量数字化电能表在稳态负荷下的计量精度，其在非线性负荷下的计量精度无法测量，使得智能变电站关口的计量精度受动态、冲击性负荷的影响越来越大。因此，需要有专用的装置，来对数字化电能表在非线性负荷下的计量精度进行测量。

目前公布的相关电能表非线性负荷下计量精度的测量装置主要包括：

1、采用可编程单元与可控硅控制电路，生成三相动态功率输送给电能表，同时比对电能表输出的有功脉冲误差(申请号：201310659769.X，公开号：103630871A，公开日：2014.03.12，申请国：中国)。这种测量装置自身不生成电压电流信号，而是通过可控硅按照编程逻辑，改变外部功率源输入的电压与电流信号形状，来达到输出非线性负荷的目的，同时接受电能表输入的有功电能脉冲，进行计量精度判定。

2、通过动态功率信号源单元，生产动态调制的功率源信号输入被测电能表，进行电能表非线性负荷测试(申请号：201410613009.X，公开号：104345294A，公开日：2015-2-11，申请国：中国)。这种装置是在设备内部集成一个斜线功率源和指数功率源单元，直接输出调制好的电压与电流波动信号，同时接受被测电能表返回的电能脉冲，进行有功电能精度判定。

上述装置主要针对传统模拟量输入的电能表进行非线性负荷计量性能评测，而无法应用于需要数字化报文输入的数字化电能表。目前仍然未有能够独立测试数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置，用以测量数字化电能表的非线性负荷计量精度。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置，包括非线性负荷生成单元和计量精度测量单元，其中：非线性负荷生成单元与被测数字化电能表和计量精度测量单元连接；计量精度测量单元与被测数字化电能表连接；非线性负荷生成单元用于：生成用于被测数字化电能表的非线性负荷计量精度测量的电流数字信号、电压数字信号和理论功率，向被测数字化电能表输出电流数字信号和电压数字信号，向计量精度测量单元输出理论功率；计量精度测量单元用于：接收被测数字化电能表根据电流数字信号和电压数字信号输出的被测有功电能脉冲，接收非线性负荷生成单元输出的理论功率，根据理论功率和被测有功电能脉冲，输出被测数字化电能表的非线性负荷计量精度。

在其中一种实施例中，数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置还包括：与非线性负荷生成单元连接的第一控制单元，用于接收非线性负荷模型选择指令，向非线性负荷生成单元输出非线性负荷模型选择指令；非线性负荷生成单元包括：通信接口，用于接收第一控制单元输出的非线性负荷模型选择指令；定时器，用于在通信接口接收非线性负荷模型选择指令后，启动定时器；第二控制单元，用于在启动定时器后，根据非线性负荷模型选择指令，从多个非线性负荷模型函数中选择调用一个非线性负荷模型函数，生成用于数字化电能表的非线性负荷计量精度测量的电流数字信号、电压数字信号和理论功率。

在其中一种实施例中，多个非线性负荷模型函数包括：

第一非线性负荷模型函数Y₁，Y₁＝[U_a1,U_b1,U_c1,I_a1,I_b1,I_c1]；

其中，u_a1为第一非线性负荷模型函数的A相电压，u_b1为第一非线性负荷模型函数的B相电压，u_c1为第一非线性负荷模型函数的C相电压，i_a1为第一非线性负荷模型函数的A相电流，i_b1为第一非线性负荷模型函数的B相电流，i_c1第一非线性负荷模型函数的C相电流，a为第一幅值参数，b为第二幅值参数，f为波形频率，M为波形的频率比例，U_rms为相电压有效值，I_rms为相电流有效值，t为时间；

以及，第二非线性负荷模型函数Y₂，Y₂＝[U_a2,U_b2,U_c2,I_a2,I_b2,I_c2]；

其中，u_a2为第二非线性负荷模型函数的A相电压，u_b2为第二非线性负荷模型函数的B相电压，u_c2为第二非线性负荷模型函数的C相电压，i_a2为第二非线性负荷模型函数的A相电流，i_b2为第二非线性负荷模型函数的B相电流，i_c2第二非线性负荷模型函数的C相电流，a_n为二进制序列，g(t-nT)为幅值增益，T为函数周期，n为周期数，N为非负整数集；

当调用第一非线性负荷模型函数时，电流数字信号包括：第一非线性负荷模型函数的A相电流、第一非线性负荷模型函数的B相电流和第一非线性负荷模型函数的C相电流；电压数字信号包括：第一非线性负荷模型函数的A相电压、第一非线性负荷模型函数的B相电压和第一非线性负荷模型函数的C相电压；当调用第二非线性负荷模型函数时，电流数字信号包括：第二非线性负荷模型函数的A相电流、第二非线性负荷模型函数的B相电流和第二非线性负荷模型函数的C相电流；电压数字信号包括：第二非线性负荷模型函数的A相电压、第二非线性负荷模型函数的B相电压和第二非线性负荷模型函数的C相电压。

在其中一种实施例中，计量精度测量单元包括：信号发生器，用于根据理论功率，输出平均功率为理论功率的标准电流数字信号和标准电压数字信号；与信号发生器连接的标准数字化电能表，用于根据标准电流数字信号和标准电压数字信号，输出标准有功电能脉冲；分别与被测数字化电能表、标准数字化电能表连接的脉冲比对器，用于根据被测有功电能脉冲和标准有功电能脉冲，输出被测数字化电能表的非线性负荷计量精度。

在其中一种实施例中，通过如下公式得到被测数字化电能表的非线性负荷计量精度：其中，E为被测数字化电能表的非线性负荷计量精度，M为一函数周期内的标准有功电能脉冲数，N为一函数周期内的被测有功电能脉冲数，C_b为标准数字化电能表的脉冲常数，C_m为被测数字化电能表的脉冲常数，R为比例函数。

在其中一种实施例中，通过如下公式得到比例函数R：当非线性负荷生成单元调用第一非线性负荷模型函数时，比例函数R＝1；当非线性负荷生成单元调用第二非线性负荷模型函数时，比例函数R＝L/S，其中，L为a_n中二进制数的总数，S为a_n中二进制数为1的总数。

在其中一种实施例中，数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置还包括：分别与非线性负荷生成单元和被测数字化电能表连接的组包单元，用于将电流数字信号和电压数字信号组包生成报文，把报文发送至被测数字化电能表。

在其中一种实施例中，数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置还包括：与第一控制单元连接的触摸屏液晶显示器，用于供用户输入非线性负荷模型选择指令，第一幅值参数、第二幅值参数、波形频率、波形的频率比例、相电压有效值、相电流有效值、二进制序列、幅值增益、函数周期、周期数、标准数字化电能表的脉冲常数和被测数字化电能表的脉冲常数；触摸屏液晶显示器还用于：显示被测数字化电能表的非线性负荷计量精度

本发明实施例的数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置，非线性负荷生成单元向被测数字化电能表输出电流数字信号和电压数字信号，向计量精度测量单元输出理论功率；计量精度测量单元接收被测数字化电能表根据电流数字信号和电压数字信号输出的被测有功电能脉冲，接收非线性负荷生成单元输出的理论功率，根据理论功率和被测有功电能脉冲，输出被测数字化电能表的非线性负荷计量精度，从而实现对数字化电能表在非线性负荷下的计量精度的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置的结构框图；

图2是本发明实施例中计量精度测量单元的结构框图；

图3是本发明实施例中数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置其中一种实施例的结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

鉴于目前仍然未有能够独立测试数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置，本发明实施例提供一种数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置，非线性负荷生成单元向被测数字化电能表输出电流数字信号和电压数字信号，向计量精度测量单元输出理论功率；计量精度测量单元接收被测数字化电能表根据电流数字信号和电压数字信号输出的被测有功电能脉冲，接收非线性负荷生成单元输出的理论功率，根据理论功率和被测有功电能脉冲，输出被测数字化电能表的非线性负荷计量精度，从而实现对数字化电能表在非线性负荷下的计量精度的测量。以下结合附图对本发明进行详细说明。

图1是本发明实施例中数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置的结构框图，如图1所示，数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置，包括非线性负荷生成单元和计量精度测量单元，其中：非线性负荷生成单元与被测数字化电能表和计量精度测量单元连接；计量精度测量单元与被测数字化电能表连接；非线性负荷生成单元用于：生成用于被测数字化电能表的非线性负荷计量精度测量的电流数字信号、电压数字信号和理论功率，向被测数字化电能表输出电流数字信号和电压数字信号，向计量精度测量单元输出理论功率；计量精度测量单元用于：接收被测数字化电能表根据电流数字信号和电压数字信号输出的被测有功电能脉冲，接收非线性负荷生成单元输出的理论功率，根据理论功率和被测有功电能脉冲，输出被测数字化电能表的非线性负荷计量精度。

实施例中，数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置还可以包括：与非线性负荷生成单元连接的第一控制单元，用于接收非线性负荷模型选择指令，向非线性负荷生成单元输出非线性负荷模型选择指令；非线性负荷生成单元包括：通信接口，用于接收第一控制单元输出的非线性负荷模型选择指令；定时器，用于在通信接口接收非线性负荷模型选择指令后，启动定时器；第二控制单元，用于在启动定时器后，根据非线性负荷模型选择指令，从多个非线性负荷模型函数中选择调用一个非线性负荷模型函数，生成用于数字化电能表的非线性负荷计量精度测量的电流数字信号、电压数字信号和理论功率。

具体实施时，非线性负荷生成单元的通信接口接收第一控制单元输出的非线性负荷模型选择指令，定时器在通信接口接收非线性负荷模型选择指令后，启动定时器。非线性负荷模型的第二控制单元在启动定时器后，从多个非线性负荷模型函数中选择调用一个非线性负荷模型函数，生成对应该非线性负荷模型函数的理论功率。同时，定时器按照中断频率进行中断，产生多个中断后的时间t，将其输入到该非线性负荷模型函数中，生成每一时间对应的三相电流数字信号和三相电压数字信号。被测数字化电能表根据每一时间对应的三相电流数字信号和三相电压数字信号，输出被测有功电能脉冲；计量精度测量单元根据理论功率和被测有功电能脉冲，输出被测数字化电能表的非线性负荷计量精度。

实施例中，多个非线性负荷模型函数可以包括：第一非线性负荷模型函数Y₁，Y₁＝[U_a1,U_b1,U_c1,I_a1,I_b1,I_c1]；

其中，u_a1为第一非线性负荷模型函数的A相电压，u_b1为第一非线性负荷模型函数的B相电压，u_c1为第一非线性负荷模型函数的C相电压，i_a1为第一非线性负荷模型函数的A相电流，i_b1为第一非线性负荷模型函数的B相电流，i_c1第一非线性负荷模型函数的C相电流，a为第一幅值参数，b为第二幅值参数，f为波形频率，M为波形的频率比例，U_rms为相电压有效值，I_rms为相电流有效值，t为时间；

以及，第二非线性负荷模型函数Y₂，Y₂＝[U_a2,U_b2,U_c2,I_a2,I_b2,I_c2]；

其中，u_a2为第二非线性负荷模型函数的A相电压，u_b2为第二非线性负荷模型函数的B相电压，u_c2为第二非线性负荷模型函数的C相电压，i_a2为第二非线性负荷模型函数的A相电流，i_b2为第二非线性负荷模型函数的B相电流，i_c2第二非线性负荷模型函数的C相电流，a_n为二进制序列，g(t-nT)为幅值增益，T为函数周期，n为周期数，N为非负整数集；

当调用第一非线性负荷模型函数时，电流数字信号可以包括：第一非线性负荷模型函数的A相电流、第一非线性负荷模型函数的B相电流和第一非线性负荷模型函数的C相电流；电压数字信号可以包括：第一非线性负荷模型函数的A相电压、第一非线性负荷模型函数的B相电压和第一非线性负荷模型函数的C相电压；

当调用第二非线性负荷模型函数时，电流数字信号可以包括：第二非线性负荷模型函数的A相电流、第二非线性负荷模型函数的B相电流和第二非线性负荷模型函数的C相电流；电压数字信号可以包括：第二非线性负荷模型函数的A相电压、第二非线性负荷模型函数的B相电压和第二非线性负荷模型函数的C相电压。

图2是本发明实施例中计量精度测量单元的结构框图。如图2所示，计量精度测量单元可以包括：信号发生器，用于根据理论功率，输出平均功率为理论功率的标准电流数字信号和标准电压数字信号；与信号发生器连接的标准数字化电能表，用于根据标准电流数字信号和标准电压数字信号，输出标准有功电能脉冲；分别与被测数字化电能表、标准数字化电能表连接的脉冲比对器，用于根据被测有功电能脉冲和标准有功电能脉冲，输出被测数字化电能表的非线性负荷计量精度。

具体实施时，信号发生器在接收到非线性负荷生成单元输出的理论功率后，依据理论功率生成三相标准电流数字信号和三相标准电压数字信号，其平均功率与理论功率相等；标准数字化电能表根据三相标准电流数字信号和三相标准电压数字信号，输出标准有功电能脉冲；脉冲比对器接收被测有功电能脉冲和标准有功电能脉冲，根据标准有功电能脉冲得到一函数周期内的标准有功电能脉冲数，根据被测有功电能脉冲得到一函数周期内的被测有功电能脉冲数，通过如下公式得到被测数字化电能表的非线性负荷计量精度：

其中，E为被测数字化电能表的非线性负荷计量精度，M为一函数周期内的标准有功电能脉冲数，N为一函数周期内的被测有功电能脉冲数，C_b为标准数字化电能表的脉冲常数，C_m为被测数字化电能表的脉冲常数，R为比例函数。

实施例中，可以通过如下公式得到比例函数R：当非线性负荷生成单元调用第一非线性负荷模型函数时，比例函数R＝1；当非线性负荷生成单元调用第二非线性负荷模型函数时，比例函数R＝L/S，其中，L为a_n中二进制数的总数，S为a_n中二进制数为1的总数。

实施例中，数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置还可以包括：分别与非线性负荷生成单元和被测数字化电能表连接的组包单元，用于将电流数字信号和电压数字信号组包生成报文，将报文发送至被测数字化电能表。

具体实施时，组包单元可以为SMV(Sampled Measured Value)组包单元，依据IEC61850标准9-1/9-2协议，对输入组包单元的电流数字信号和电压数字信号组包生成符合标准要求的网络交采值报文，并调用网络物理层协议将该报文发送至被测数字化电能表。其中，SMV报文的采样频率与定时器中断频率相等，均可以采用4KHz的频率。

实施例中，数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置还可以包括：与第一控制单元连接的触摸屏液晶显示器，用于供用户输入非线性负荷模型选择指令，第一幅值参数、第二幅值参数、波形频率、波形的频率比例、相电压有效值、相电流有效值、二进制序列、幅值增益、函数周期、周期数、标准数字化电能表的脉冲常数和被测数字化电能表的脉冲常数；触摸屏液晶显示器还用于：显示被测数字化电能表的非线性负荷计量精度。

图3是本发明实施例中数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置其中一种实施例的结构框图。如图3所示，非线性负荷生成单元和组包单元可以采用数字信号处理器来实现，信号发生器、第一控制单元和标准数字化电能表可以采用中央处理器来实现，脉冲比对器可以采用现场可编程门阵列(FPGA)单元来实现。其中，数字信号处理器可以采用32位400MHz的数字信号处理器，中央处理器可以包括200MHz的ARM9处理器。

实施例中，数字信号处理器可以通过SPI总线与中央处理器连接，中央处理器可以通过并行总线分别与触摸屏液晶显示器和现场可编程门阵列单元连接，现场可编程门阵列单元可以通过IO接口与被测数字化电能表连接。

实施例中，数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置还可以包括：与数字信号处理器连接的以太网控制器；分别与以太网控制器连接的多个光纤接口、多个RJ45接口和多个单模光纤接口的其中一个或任意组合，用于将电流数字信号和电压数字信号输出至被测数字化电能表。其中，光纤接口可以为10/100BASE-FX光纤接口，单模光纤接口可以为FT3协议单模光纤接口。

具体实施时，用户通过触摸屏液晶显示器输入非线性负荷模型选择指令，第一幅值参数、第二幅值参数、波形频率、波形的频率比例、相电压有效值、相电流有效值、二进制序列、幅值增益、函数周期、周期数、标准数字化电能表的脉冲常数和被测数字化电能表的脉冲常数，触摸屏液晶显示器将用户输入的上述数据传输至中央处理器。中央处理器中的第一控制单元向数字信号处理器输出非线性负荷模型选择指令。数字信号处理器中的非线性负荷生成单元，生成用于被测数字化电能表的非线性负荷计量精度测量的电流数字信号、电压数字信号和理论功率，向组包单元输出电流数字信号和电压数字信号，向中央处理器输出理论功率。组包单元生成报文，并调用以太网控制器的驱动，通过多个光纤接口、多个RJ45接口和多个单模光纤接口的其中一个或任意组合，并行输出报文至被测数字化电能表。中央处理器中的信号发生器根据理论功率输出标准电流数字信号和标准电压数字信号；中央处理器内置的标准数字化电能表，根据标准电流数字信号和标准电压数字信号输出标准有功电能脉冲至现场可编程门阵列单元。现场可编程门阵列单元接收标准有功电能脉冲，还接收被测数字化电能表根据电流数字信号和电压数字信号输出的被测有功电能脉冲；现场可编程门阵列单元内置的脉冲比对器，根据标准有功电能脉冲和被测有功电能脉冲计算被测数字化电能表的非线性负荷计量精度，并将其返回至中央处理器，中央处理器将被测数字化电能表的非线性负荷计量精度返回至触摸屏液晶显示器进行显示。

实施例中，数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置还可以包括：通过并行总线与中央处理器连接的Nand flash存储器和/或铁电存储器，用于存储电流数字信号、电压数字信号、理论功率、被测有功电能脉冲、标准电流数字信号、标准电压数字信号、标准有功电能脉冲和数字化电能表的非线性负荷计量精度。

实施例中，数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置还可以包括：通过串行总线与中央处理器连接的扩展通讯单元，用于传输数字化电能表的非线性负荷计量精度。扩展通讯单元可以包括：RS485接口，RS232接口和RJ485接口的其中之一或任意组合。

综上，本发明实施例的数字化电能表的非线性负荷计量精度测量装置，非线性负荷生成单元向被测数字化电能表输出电流数字信号和电压数字信号，向计量精度测量单元输出理论功率；计量精度测量单元接收被测数字化电能表根据电流数字信号和电压数字信号输出的被测有功电能脉冲，接收非线性负荷生成单元输出的理论功率，根据理论功率和被测有功电能脉冲，输出被测数字化电能表的非线性负荷计量精度，从而实现对数字化电能表在非线性负荷下的计量精度的测量。本发明还可以通过多路接口，传输电流数字信号和电压数字信号至被测数字化电能表，可同时对多台不同接口类型的数字化电能表进行测量，提高了测量效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。