本發明涉及數字化電能表計量精度測試領域，具體地，涉及一種數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置。

背景技術：

隨著智能電網的發展，架構在IEC61850標準基礎上的智能變電站大量建設，基于光纖以太網的數字化電能表也在智能變電站中得到大量應用。有別于傳統電能表，數字化電能表沒有模擬量采樣部分，而是直接通過光纖以太網接收合并單元傳入的IEC61850-SMV數字化采樣值報文，因此，傳統的電能表測試裝置也無法應用于數字化電能表，必須采用數字化電能表專用的測試臺體。

而大量電力電子工業負載的應用，使得電網負荷逐漸呈現隨時間動態波動，甚至沖擊性的特點。由于數字化電能表專用測試臺體只能測量數字化電能表在穩態負荷下的計量精度，其在非線性負荷下的計量精度無法測量，使得智能變電站關口的計量精度受動態、沖擊性負荷的影響越來越大。因此，需要有專用的裝置，來對數字化電能表在非線性負荷下的計量精度進行測量。

目前公布的相關電能表非線性負荷下計量精度的測量裝置主要包括：

1、采用可編程單元與可控硅控制電路，生成三相動態功率輸送給電能表，同時比對電能表輸出的有功脈沖誤差(申請號：201310659769.X，公開號：103630871A，公開日：2014.03.12，申請國：中國)。這種測量裝置自身不生成電壓電流信號，而是通過可控硅按照編程邏輯，改變外部功率源輸入的電壓與電流信號形狀，來達到輸出非線性負荷的目的，同時接受電能表輸入的有功電能脈沖，進行計量精度判定。

2、通過動態功率信號源單元，生產動態調制的功率源信號輸入被測電能表，進行電能表非線性負荷測試(申請號：201410613009.X，公開號：104345294A，公開日：2015-2-11，申請國：中國)。這種裝置是在設備內部集成一個斜線功率源和指數功率源單元，直接輸出調制好的電壓與電流波動信號，同時接受被測電能表返回的電能脈沖，進行有功電能精度判定。

上述裝置主要針對傳統模擬量輸入的電能表進行非線性負荷計量性能評測，而無法應用于需要數字化報文輸入的數字化電能表。目前仍然未有能夠獨立測試數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置。

技術實現要素：

本發明實施例提供一種數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置，用以測量數字化電能表的非線性負荷計量精度。

為了實現上述目的，本發明實施例提供一種數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置，包括非線性負荷生成單元和計量精度測量單元，其中：非線性負荷生成單元與被測數字化電能表和計量精度測量單元連接；計量精度測量單元與被測數字化電能表連接；非線性負荷生成單元用于：生成用于被測數字化電能表的非線性負荷計量精度測量的電流數字信號、電壓數字信號和理論功率，向被測數字化電能表輸出電流數字信號和電壓數字信號，向計量精度測量單元輸出理論功率；計量精度測量單元用于：接收被測數字化電能表根據電流數字信號和電壓數字信號輸出的被測有功電能脈沖，接收非線性負荷生成單元輸出的理論功率，根據理論功率和被測有功電能脈沖，輸出被測數字化電能表的非線性負荷計量精度。

在其中一種實施例中，數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置還包括：與非線性負荷生成單元連接的第一控制單元，用于接收非線性負荷模型選擇指令，向非線性負荷生成單元輸出非線性負荷模型選擇指令；非線性負荷生成單元包括：通信接口，用于接收第一控制單元輸出的非線性負荷模型選擇指令；定時器，用于在通信接口接收非線性負荷模型選擇指令后，啟動定時器；第二控制單元，用于在啟動定時器后，根據非線性負荷模型選擇指令，從多個非線性負荷模型函數中選擇調用一個非線性負荷模型函數，生成用于數字化電能表的非線性負荷計量精度測量的電流數字信號、電壓數字信號和理論功率。

在其中一種實施例中，多個非線性負荷模型函數包括：

第一非線性負荷模型函數Y₁，Y₁＝[U_a1,U_b1,U_c1,I_a1,I_b1,I_c1]；

其中，u_a1為第一非線性負荷模型函數的A相電壓，u_b1為第一非線性負荷模型函數的B相電壓，u_c1為第一非線性負荷模型函數的C相電壓，i_a1為第一非線性負荷模型函數的A相電流，i_b1為第一非線性負荷模型函數的B相電流，i_c1第一非線性負荷模型函數的C相電流，a為第一幅值參數，b為第二幅值參數，f為波形頻率，M為波形的頻率比例，U_rms為相電壓有效值，I_rms為相電流有效值，t為時間；

以及，第二非線性負荷模型函數Y₂，Y₂＝[U_a2,U_b2,U_c2,I_a2,I_b2,I_c2]；

其中，u_a2為第二非線性負荷模型函數的A相電壓，u_b2為第二非線性負荷模型函數的B相電壓，u_c2為第二非線性負荷模型函數的C相電壓，i_a2為第二非線性負荷模型函數的A相電流，i_b2為第二非線性負荷模型函數的B相電流，i_c2第二非線性負荷模型函數的C相電流，a_n為二進制序列，g(t-nT)為幅值增益，T為函數周期，n為周期數，N為非負整數集；

當調用第一非線性負荷模型函數時，電流數字信號包括：第一非線性負荷模型函數的A相電流、第一非線性負荷模型函數的B相電流和第一非線性負荷模型函數的C相電流；電壓數字信號包括：第一非線性負荷模型函數的A相電壓、第一非線性負荷模型函數的B相電壓和第一非線性負荷模型函數的C相電壓；當調用第二非線性負荷模型函數時，電流數字信號包括：第二非線性負荷模型函數的A相電流、第二非線性負荷模型函數的B相電流和第二非線性負荷模型函數的C相電流；電壓數字信號包括：第二非線性負荷模型函數的A相電壓、第二非線性負荷模型函數的B相電壓和第二非線性負荷模型函數的C相電壓。

在其中一種實施例中，計量精度測量單元包括：信號發生器，用于根據理論功率，輸出平均功率為理論功率的標準電流數字信號和標準電壓數字信號；與信號發生器連接的標準數字化電能表，用于根據標準電流數字信號和標準電壓數字信號，輸出標準有功電能脈沖；分別與被測數字化電能表、標準數字化電能表連接的脈沖比對器，用于根據被測有功電能脈沖和標準有功電能脈沖，輸出被測數字化電能表的非線性負荷計量精度。

在其中一種實施例中，通過如下公式得到被測數字化電能表的非線性負荷計量精度：其中，E為被測數字化電能表的非線性負荷計量精度，M為一函數周期內的標準有功電能脈沖數，N為一函數周期內的被測有功電能脈沖數，C_b為標準數字化電能表的脈沖常數，C_m為被測數字化電能表的脈沖常數，R為比例函數。

在其中一種實施例中，通過如下公式得到比例函數R：當非線性負荷生成單元調用第一非線性負荷模型函數時，比例函數R＝1；當非線性負荷生成單元調用第二非線性負荷模型函數時，比例函數R＝L/S，其中，L為a_n中二進制數的總數，S為a_n中二進制數為1的總數。

在其中一種實施例中，數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置還包括：分別與非線性負荷生成單元和被測數字化電能表連接的組包單元，用于將電流數字信號和電壓數字信號組包生成報文，把報文發送至被測數字化電能表。

在其中一種實施例中，數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置還包括：與第一控制單元連接的觸摸屏液晶顯示器，用于供用戶輸入非線性負荷模型選擇指令，第一幅值參數、第二幅值參數、波形頻率、波形的頻率比例、相電壓有效值、相電流有效值、二進制序列、幅值增益、函數周期、周期數、標準數字化電能表的脈沖常數和被測數字化電能表的脈沖常數；觸摸屏液晶顯示器還用于：顯示被測數字化電能表的非線性負荷計量精度

本發明實施例的數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置，非線性負荷生成單元向被測數字化電能表輸出電流數字信號和電壓數字信號，向計量精度測量單元輸出理論功率；計量精度測量單元接收被測數字化電能表根據電流數字信號和電壓數字信號輸出的被測有功電能脈沖，接收非線性負荷生成單元輸出的理論功率，根據理論功率和被測有功電能脈沖，輸出被測數字化電能表的非線性負荷計量精度，從而實現對數字化電能表在非線性負荷下的計量精度的測量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例中數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置的結構框圖；

圖2是本發明實施例中計量精度測量單元的結構框圖；

圖3是本發明實施例中數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置其中一種實施例的結構框圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

鑒于目前仍然未有能夠獨立測試數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置，本發明實施例提供一種數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置，非線性負荷生成單元向被測數字化電能表輸出電流數字信號和電壓數字信號，向計量精度測量單元輸出理論功率；計量精度測量單元接收被測數字化電能表根據電流數字信號和電壓數字信號輸出的被測有功電能脈沖，接收非線性負荷生成單元輸出的理論功率，根據理論功率和被測有功電能脈沖，輸出被測數字化電能表的非線性負荷計量精度，從而實現對數字化電能表在非線性負荷下的計量精度的測量。以下結合附圖對本發明進行詳細說明。

圖1是本發明實施例中數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置的結構框圖，如圖1所示，數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置，包括非線性負荷生成單元和計量精度測量單元，其中：非線性負荷生成單元與被測數字化電能表和計量精度測量單元連接；計量精度測量單元與被測數字化電能表連接；非線性負荷生成單元用于：生成用于被測數字化電能表的非線性負荷計量精度測量的電流數字信號、電壓數字信號和理論功率，向被測數字化電能表輸出電流數字信號和電壓數字信號，向計量精度測量單元輸出理論功率；計量精度測量單元用于：接收被測數字化電能表根據電流數字信號和電壓數字信號輸出的被測有功電能脈沖，接收非線性負荷生成單元輸出的理論功率，根據理論功率和被測有功電能脈沖，輸出被測數字化電能表的非線性負荷計量精度。

實施例中，數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置還可以包括：與非線性負荷生成單元連接的第一控制單元，用于接收非線性負荷模型選擇指令，向非線性負荷生成單元輸出非線性負荷模型選擇指令；非線性負荷生成單元包括：通信接口，用于接收第一控制單元輸出的非線性負荷模型選擇指令；定時器，用于在通信接口接收非線性負荷模型選擇指令后，啟動定時器；第二控制單元，用于在啟動定時器后，根據非線性負荷模型選擇指令，從多個非線性負荷模型函數中選擇調用一個非線性負荷模型函數，生成用于數字化電能表的非線性負荷計量精度測量的電流數字信號、電壓數字信號和理論功率。

具體實施時，非線性負荷生成單元的通信接口接收第一控制單元輸出的非線性負荷模型選擇指令，定時器在通信接口接收非線性負荷模型選擇指令后，啟動定時器。非線性負荷模型的第二控制單元在啟動定時器后，從多個非線性負荷模型函數中選擇調用一個非線性負荷模型函數，生成對應該非線性負荷模型函數的理論功率。同時，定時器按照中斷頻率進行中斷，產生多個中斷后的時間t，將其輸入到該非線性負荷模型函數中，生成每一時間對應的三相電流數字信號和三相電壓數字信號。被測數字化電能表根據每一時間對應的三相電流數字信號和三相電壓數字信號，輸出被測有功電能脈沖；計量精度測量單元根據理論功率和被測有功電能脈沖，輸出被測數字化電能表的非線性負荷計量精度。

實施例中，多個非線性負荷模型函數可以包括：第一非線性負荷模型函數Y₁，Y₁＝[U_a1,U_b1,U_c1,I_a1,I_b1,I_c1]；

其中，u_a1為第一非線性負荷模型函數的A相電壓，u_b1為第一非線性負荷模型函數的B相電壓，u_c1為第一非線性負荷模型函數的C相電壓，i_a1為第一非線性負荷模型函數的A相電流，i_b1為第一非線性負荷模型函數的B相電流，i_c1第一非線性負荷模型函數的C相電流，a為第一幅值參數，b為第二幅值參數，f為波形頻率，M為波形的頻率比例，U_rms為相電壓有效值，I_rms為相電流有效值，t為時間；

以及，第二非線性負荷模型函數Y₂，Y₂＝[U_a2,U_b2,U_c2,I_a2,I_b2,I_c2]；

其中，u_a2為第二非線性負荷模型函數的A相電壓，u_b2為第二非線性負荷模型函數的B相電壓，u_c2為第二非線性負荷模型函數的C相電壓，i_a2為第二非線性負荷模型函數的A相電流，i_b2為第二非線性負荷模型函數的B相電流，i_c2第二非線性負荷模型函數的C相電流，a_n為二進制序列，g(t-nT)為幅值增益，T為函數周期，n為周期數，N為非負整數集；

當調用第一非線性負荷模型函數時，電流數字信號可以包括：第一非線性負荷模型函數的A相電流、第一非線性負荷模型函數的B相電流和第一非線性負荷模型函數的C相電流；電壓數字信號可以包括：第一非線性負荷模型函數的A相電壓、第一非線性負荷模型函數的B相電壓和第一非線性負荷模型函數的C相電壓；

當調用第二非線性負荷模型函數時，電流數字信號可以包括：第二非線性負荷模型函數的A相電流、第二非線性負荷模型函數的B相電流和第二非線性負荷模型函數的C相電流；電壓數字信號可以包括：第二非線性負荷模型函數的A相電壓、第二非線性負荷模型函數的B相電壓和第二非線性負荷模型函數的C相電壓。

圖2是本發明實施例中計量精度測量單元的結構框圖。如圖2所示，計量精度測量單元可以包括：信號發生器，用于根據理論功率，輸出平均功率為理論功率的標準電流數字信號和標準電壓數字信號；與信號發生器連接的標準數字化電能表，用于根據標準電流數字信號和標準電壓數字信號，輸出標準有功電能脈沖；分別與被測數字化電能表、標準數字化電能表連接的脈沖比對器，用于根據被測有功電能脈沖和標準有功電能脈沖，輸出被測數字化電能表的非線性負荷計量精度。

具體實施時，信號發生器在接收到非線性負荷生成單元輸出的理論功率后，依據理論功率生成三相標準電流數字信號和三相標準電壓數字信號，其平均功率與理論功率相等；標準數字化電能表根據三相標準電流數字信號和三相標準電壓數字信號，輸出標準有功電能脈沖；脈沖比對器接收被測有功電能脈沖和標準有功電能脈沖，根據標準有功電能脈沖得到一函數周期內的標準有功電能脈沖數，根據被測有功電能脈沖得到一函數周期內的被測有功電能脈沖數，通過如下公式得到被測數字化電能表的非線性負荷計量精度：

其中，E為被測數字化電能表的非線性負荷計量精度，M為一函數周期內的標準有功電能脈沖數，N為一函數周期內的被測有功電能脈沖數，C_b為標準數字化電能表的脈沖常數，C_m為被測數字化電能表的脈沖常數，R為比例函數。

實施例中，可以通過如下公式得到比例函數R：當非線性負荷生成單元調用第一非線性負荷模型函數時，比例函數R＝1；當非線性負荷生成單元調用第二非線性負荷模型函數時，比例函數R＝L/S，其中，L為a_n中二進制數的總數，S為a_n中二進制數為1的總數。

實施例中，數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置還可以包括：分別與非線性負荷生成單元和被測數字化電能表連接的組包單元，用于將電流數字信號和電壓數字信號組包生成報文，將報文發送至被測數字化電能表。

具體實施時，組包單元可以為SMV(Sampled Measured Value)組包單元，依據IEC61850標準9-1/9-2協議，對輸入組包單元的電流數字信號和電壓數字信號組包生成符合標準要求的網絡交采值報文，并調用網絡物理層協議將該報文發送至被測數字化電能表。其中，SMV報文的采樣頻率與定時器中斷頻率相等，均可以采用4KHz的頻率。

實施例中，數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置還可以包括：與第一控制單元連接的觸摸屏液晶顯示器，用于供用戶輸入非線性負荷模型選擇指令，第一幅值參數、第二幅值參數、波形頻率、波形的頻率比例、相電壓有效值、相電流有效值、二進制序列、幅值增益、函數周期、周期數、標準數字化電能表的脈沖常數和被測數字化電能表的脈沖常數；觸摸屏液晶顯示器還用于：顯示被測數字化電能表的非線性負荷計量精度。

圖3是本發明實施例中數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置其中一種實施例的結構框圖。如圖3所示，非線性負荷生成單元和組包單元可以采用數字信號處理器來實現，信號發生器、第一控制單元和標準數字化電能表可以采用中央處理器來實現，脈沖比對器可以采用現場可編程門陣列(FPGA)單元來實現。其中，數字信號處理器可以采用32位400MHz的數字信號處理器，中央處理器可以包括200MHz的ARM9處理器。

實施例中，數字信號處理器可以通過SPI總線與中央處理器連接，中央處理器可以通過并行總線分別與觸摸屏液晶顯示器和現場可編程門陣列單元連接，現場可編程門陣列單元可以通過IO接口與被測數字化電能表連接。

實施例中，數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置還可以包括：與數字信號處理器連接的以太網控制器；分別與以太網控制器連接的多個光纖接口、多個RJ45接口和多個單模光纖接口的其中一個或任意組合，用于將電流數字信號和電壓數字信號輸出至被測數字化電能表。其中，光纖接口可以為10/100BASE-FX光纖接口，單模光纖接口可以為FT3協議單模光纖接口。

具體實施時，用戶通過觸摸屏液晶顯示器輸入非線性負荷模型選擇指令，第一幅值參數、第二幅值參數、波形頻率、波形的頻率比例、相電壓有效值、相電流有效值、二進制序列、幅值增益、函數周期、周期數、標準數字化電能表的脈沖常數和被測數字化電能表的脈沖常數，觸摸屏液晶顯示器將用戶輸入的上述數據傳輸至中央處理器。中央處理器中的第一控制單元向數字信號處理器輸出非線性負荷模型選擇指令。數字信號處理器中的非線性負荷生成單元，生成用于被測數字化電能表的非線性負荷計量精度測量的電流數字信號、電壓數字信號和理論功率，向組包單元輸出電流數字信號和電壓數字信號，向中央處理器輸出理論功率。組包單元生成報文，并調用以太網控制器的驅動，通過多個光纖接口、多個RJ45接口和多個單模光纖接口的其中一個或任意組合，并行輸出報文至被測數字化電能表。中央處理器中的信號發生器根據理論功率輸出標準電流數字信號和標準電壓數字信號；中央處理器內置的標準數字化電能表，根據標準電流數字信號和標準電壓數字信號輸出標準有功電能脈沖至現場可編程門陣列單元。現場可編程門陣列單元接收標準有功電能脈沖，還接收被測數字化電能表根據電流數字信號和電壓數字信號輸出的被測有功電能脈沖；現場可編程門陣列單元內置的脈沖比對器，根據標準有功電能脈沖和被測有功電能脈沖計算被測數字化電能表的非線性負荷計量精度，并將其返回至中央處理器，中央處理器將被測數字化電能表的非線性負荷計量精度返回至觸摸屏液晶顯示器進行顯示。

實施例中，數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置還可以包括：通過并行總線與中央處理器連接的Nand flash存儲器和/或鐵電存儲器，用于存儲電流數字信號、電壓數字信號、理論功率、被測有功電能脈沖、標準電流數字信號、標準電壓數字信號、標準有功電能脈沖和數字化電能表的非線性負荷計量精度。

實施例中，數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置還可以包括：通過串行總線與中央處理器連接的擴展通訊單元，用于傳輸數字化電能表的非線性負荷計量精度。擴展通訊單元可以包括：RS485接口，RS232接口和RJ485接口的其中之一或任意組合。

綜上，本發明實施例的數字化電能表的非線性負荷計量精度測量裝置，非線性負荷生成單元向被測數字化電能表輸出電流數字信號和電壓數字信號，向計量精度測量單元輸出理論功率；計量精度測量單元接收被測數字化電能表根據電流數字信號和電壓數字信號輸出的被測有功電能脈沖，接收非線性負荷生成單元輸出的理論功率，根據理論功率和被測有功電能脈沖，輸出被測數字化電能表的非線性負荷計量精度，從而實現對數字化電能表在非線性負荷下的計量精度的測量。本發明還可以通過多路接口，傳輸電流數字信號和電壓數字信號至被測數字化電能表，可同時對多臺不同接口類型的數字化電能表進行測量，提高了測量效率。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限定本發明的保護范圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。