CN110531299B - 电能表动态测试信号电能量值的压缩感知间接测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电能表动态测试信号电能量值的压缩感知间接测量方法，该压缩感知间接测量方法，包括动态测试信号的模态分解单元，稳态与动态信号测量单元，动态电能量值计算单元构成；动态电能量值计算单元包括动态电能量值的间接测量模型和标准表电能量值的读取或累积，该间接测量模型具有三个输入辅助测量参量，根据该间接测量模型实现从动态测试信号电能量值到稳态测试信号电能量值的溯源；本发明涉及的动态测试信号电能量值压缩感知间接测量方法，解决了目前动态测试信号电能量值的准确测量理论问题，以及在伪随机动态测试信号条件下，电能表动态误差的测试问题，实现简单方便，可用于全面地测试电能表的动态误差特性。

Description

电能表动态测试信号电能量值的压缩感知间接测量方法

1、技术领域

本发明涉及一种动态测试信号参考电能量值的压缩感知间接测量方法，尤其涉及一种可用于测量电能表动态误差测试信号的标准参考电能量值的间接方法,该方法可以用于测试智能电能表的动态误差特性。

2、背景技术

随着智能电网建设的持续发展，从电源和负载来看，智能电网呈现出两个新特性：第一，由于风能、太阳能和潮汐能等新电源的推广使用，使电网新型电源的输出功率呈现非稳态特性；第二，重工业用户的大功率动态负荷越来越多，如：炼钢电弧炉、电解铝、高铁电力机车等，电力负荷功率呈现出频繁随机动态变化特性。这些智能电网的新特性使电能生产和消耗的电能计量与智能电能表的动态误差测试都面临着新的挑战。目前智能电能表、电子式电能表和感应式电能表的生产、测试和检定都是在稳态条件下进行的，这将导致无法测试评价电能表的动态误差特性。电能表动态测试信号参考电能量值准确测量与溯源方法复杂，目前没有形成完善的动态测试信号的参考电能量值测量模型和准确测量与溯源方法，间接影响电能表的动态误差特性测试技术的进步。

3、发明内容

本发明是为了避免上述已有方法存在的不足之处，可简单且方便地实现动态测试信号参考电能量值的溯源，测量确定智能电能表动态电能量值，在解决测试电能表在大功率动态负荷下的动态误差特性测试问题中发挥重要作用。

本发明的目的在于解决智能电能表动态测试信号的参考电能量值测量问题，以及该标准参考电能量值的溯源问题，而发明的一种动态测试信号标准参考电能量值的压缩感知间接测量模型与方法，进而提高电能表的动态误差测试方法的准确度。间接测量模型是以易测量的稳态电能量和正特征值累积量M⁺与负特征值累积量M^-作为输入辅助测量参量，确定被测量动态参考电能量值的间接测量模型，从而给出从动态参考电能量值到间接测量模型的辅助稳态测试信号电能量值的溯源方法。

本发明所述的一种电能表动态测试信号电能量值的压缩感知间接测量方法，它采用动态测试电压和电流信号(1)，动态测试信号模态分解预处理单元(2)，稳态与动态信号测量单元(3)和动态电能量值计算单元(4)完成动态测试信号的参考电能量值测量和溯源。动态测试电压和电流信号(1)为三相/单相稳态测试电压信号u_k(t)与稳态电流信号i_k(t)、三相/单相动态测试电压信号

与二幅值/三幅值调制的动态测试电流信号

动态测试电压和电流信号(1)输入动态测试信号模态分解与处理单元(2)得到稳态功率信号与动态电流两种本征模态信号；两种本征模态信号分别由稳态与动态信号测量单元(3)测量，对于稳态功率信号采用标准电能表测量得到其电能量值E_S0，对动态电流本征模态信号，采用压缩感知测量矩阵测量得到该信号的正特征值累积量M⁺和负特征值累积量M^-；稳态电能量值E_S0、正特征值累积量M⁺与负特征值累积量M^-作为三个辅助测量参量，输入动态电能量值计算单元(4)中动态电能量值间接测量模型，采用动态测量算法计算动态测试信号的参考电能量值E_X0，由间接测量模型实现动态测试信号参考电能量值E_X0到稳态测试信号电能量值E_S0的溯源，采用参考电能量值E_X0和被测电能表输出的电能量值E_Z，计算给出电能表的动态误差。

所述稳态测试电压信号u_k(t)和稳态测试电流信号i_k(t)，其表达式分别为：

u_k(t)＝Usin(Ω₁t+φ_k)

式中，Ω₁＝2πf₁为角频率，f₁为工频频率，T₁＝1/f₁为稳态信号的工频周期,φ_k为三相稳态电压信号相位，

为三相稳态电流信号相位，k＝a,b,c分别表示a相、b相和c相信号；由信号u_k(t)和信号i_k(t)相乘得稳态功率信号

所述动态测试电压信号

和二幅值/三幅值动态测试电流信号

其表达式分别为：

由信号

和信号

相乘得动态测试功率信号

式中，A_kL＝[α_k0,α_k1,…,α_k(L-1)]，α_k(L+n)＝α_kn，为动态测试电流

的特征向量，B_L＝[β₀,β₁,…,β_L-1]_1×L，β_k(L+n)＝β_kn为动态测试电压

的特征向量，L∈[2,∞)为有界正整数，T＝LT₁为动态测试信号周期,g(t-nT)为窗函数，G_n(t)＝[g(t-T)，g(t-2T)，…g(t-nT)]为窗函数向量。

所述动态测试信号的模态分解与处理单元，将动态测试电压

与动态测试电流

相乘得到动态测试功率信号

同时将动态测试电流信号

与

分解，得到动态电流特征信号

和稳态

用稳态测试电压u_k(t)与稳态测试电流i_k(t)相乘得到稳态功率

用

代替

送入稳态与动态信号测量单元，既保留稳态功率

的稳定度，又便于实现动态测试信号的电能量值溯源。

所述稳态与动态信号测量单元由标准电能表和压缩感知测量矩阵构成：在测量时间L′T₁内采用标准电能表测量稳态功率

的累积稳态测试信号的电能量值E_S0；在相同的测量时间L′T₁内，对动态电流信号

或动态电流特征信号

采用压缩感知匹配滤波器测量矩阵Φ_B测量计算

的正特征值累积量M⁺和负特征值累积量M^-；压缩感知匹配滤波器测量矩阵Φ_B为：

式中，

正特征值累积量M⁺和负特征值累积量M^-计算算法如下：

式中，

分别取二值序列或三值序列。

所述的动态电能量值计算单元中，动态电能量值间接测量模型的输入辅助测量参量为稳态测试信号电能量值E_S0、正特征值累积量M⁺和负特征值累积量M^-，输出为测量的动态测试信号的参考电能量值E_X0；通过读取标准电能表的电能值或累计标准电能表在测量时间L′T₁内输出的电能脉冲数，计算得到稳态电能量值E_S0；其中，所述动态电能量值的间接测量模型为：

式中，E_X0为动态测试信号的参考电能量值，L(·|·)为似然函数，

E_S0为稳态测试信号电能量值；

所述计算动态测试信号的参考电能量值E_X0的动态测量算法为：

该式给出了从动态测试信号的参考电能量值E_X0到稳态测试信号电能量值E_S0的溯源关系。

所述动态负荷电流信号特征向量A_kL′＝[α_k0,α_k1,…,α_k(L′-1)]，α_kn＝α_k(L+n)可以为“0”与“+1”二值序列，或“+1”、“0”与“-1”三值序列，可为确定型序列或伪随机型序列。

本发明的有益效果是：

本发明能够针对电能表动态误差特性的测试应用需求，在电能表动态测试信号条件下，利用动态电能量值的间接测量模型，准确地测量得到动态测试信号的参考电能量值，有效地解决确定与伪随机动态测试信号电能量值的测量和溯源问题，显著地提高电能表动态误差测试方法的准确度。

4、附图及附图说明

图1是本发明电能表动态测试信号电能量值的压缩感知间接测量方法。

5、具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的电能表动态测试信号电能量值的压缩感知间接测量方法包括：动态测试信号模态分解单元(2)，稳态与动态信号测量单元(3)和动态电能量值计算单元(4)。其中输入信号为：使用稳态功率源产生的三相/单相稳态电压和电流信号(1)，以及使用信号产生单元或设备调制稳态电压和电流信号(1)产生的二幅值/三幅值动态测试电流信号(1)。

本实施方式所述的一种电能表动态测试信号电能量值的压缩感知间接测量方法，根据电能表动态误差特性的测量需要；针对三相/单相动态测试电流信号和三相/单相稳态测试电压与电流信号，采用标准电能表测量稳态功率

累积的稳态测试信号电能量值E_S0，同时采用压缩感知匹配滤波器测量矩阵Φ_B测量计算

的正特征值累积量M⁺和负特征值累积量M^-，采用动态电能量值的间接测量模型和动态测试信号的电能量值的动态测量算法，测量得到被测动态测试信号的参考电能量值。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述的三相动态测试电压信号

三相动态测试电流信号

分别为：

其中，

其中，

动态测试功率信号

是由信号

和信号

相乘得到：

式中，u_k(t)＝Usin(Ω₁t+φ_k)，

Ω₁＝2πf₁为角频率，f₁为工频频率，T₁＝1/f₁为稳态信号的工频周期,φ_k为三相稳态电压信号相位，

为三相稳态电流信号相位，k＝a,b,c分别表示a相、b相和c相；A_kL＝[α_k0,α_k1,…,α_k(L-1)]，α_k(L+n)＝α_kn，为动态测试电流

的特征向量，B_L＝[β₀,β₁,…,β_L-1]_1×L，β_k(L+n)＝β_kn为动态测试电压

的特征向量，L∈[2,∞)为有界正整数，T＝LT₁为动态测试信号周期,g(t-nT)为窗函数，G_n(t)＝[g(t-T)，g(t-2T)，g(t-nT)]为窗函数向量；

为稳态功率信号：

具体实施方式三：本实施方式是对实施方式一、方式二的进一步说明，本实施方式所述的动态测试信号模态分解与处理单元，对动态测试功率信号

和动态测试电流信号

处理与分解，得到动态电流特征信号

和稳态

动态电流特征信号

为：

和

具有相同的特征向量A_kL＝[α_k0,α_k1,…,α_k(L-1)]，α_k(L+n)＝α_kn。

采用稳态测试电压u_k(t)与稳态测试电流i_k(t)相乘得到稳态功率

代替

保证动态测试功率信号

到稳态功率信号

溯源，

和

送入稳态与动态信号测量单元，测量

累积的稳态测试信号电能量值E_S0和

的正特征值累积量M⁺与负特征值累积量M^-。

具体实施方式四：本实施方式是对实施方式一、二、三的进一步说明，本实施方式所述的稳态与动态信号测量单元，在测量时间L′T₁内(L′＞L)采用标准电能表测量稳态功率

累积的稳态测试信号电能量值E_S0；在相同的测量时间L′T₁内，采用压缩感知匹配滤波器测量矩阵Φ_B测量计算

或

的正特征值累积量M⁺和负特征值累积量M^-；

所述压缩感知匹配滤波器测量矩阵Φ_B为：

式中，

正特征值累积量M⁺和负特征值累积量M^-测量计算算法如下：

式中，

分别取二值序列或三值序列。

具体实施方式五：本实施方式是对实施方式一、二、三或四的进一步说明，本实施方式所述的动态电能量值计算单元，包括动态电能量值间接测量模型和读取/累积电能量值两个部分。动态电能量值间接测量模型采用稳态测试信号电能量值E_S0、正特征值累积量M⁺和负特征值累积量M^-作为输入辅助测量参量，通过动态测试信号的参考电能量值E_X0的动态测量算法，计算得到被测量的动态测试信号的参考电能量值E_X0；通过读取标准电能表的电能值或累计标准电能表在测量时间L′T₁内输出的电能脉冲数，计算得到稳态测试信号电能量值E_S0；

其中，所述动态电能量值的间接测量模型为：

式中，E_X0为动态测试信号的参考电能量值，L(·|·)为似然函数，

E_S0为稳态测试信号电能量值；

所述动态测试信号的参考电能量值E_X0的动态测量算法为：

式中，E_X0到E_S0的计算关系给出了从动态测试信号电能量值到稳态测试信号电能量值溯源的原理。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种电能表动态测试信号电能量值的压缩感知间接测量方法，其特征是,输入的动态电压与电流测试信号(1)为三相/单相稳态测试电压信号u_k(t)与稳态电流信号i_k(t)，三相/单相动态测试电压信号

与二幅值/三幅值调制的动态测试电流信号

分别称为稳态周期本征模态信号与二幅值/三幅值调制的动态本征模态信号构成；输入的动态测试信号在动态测试信号模态分解与处理单元(2)得到稳态功率信号与动态电流本征模态信号两种模态；两种模态信号分别由稳态与动态信号测量单元(3)测量，对于稳态功率信号采用标准电能表测量得到其电能量值E_S0，对动态电流本征模态信号，采用压缩感知测量矩阵测量得到该信号的正特征值累积量M⁺和负特征值累积量M^-；稳态测试信号电能量值E_S0、正特征值累积量M⁺与负特征值累积量M^-作为三个辅助测量参量，输入动态电能量值计算单元(4)中动态电能量值间接测量模型，采用动态测量算法计算动态测试信号的参考电能量值E_X0，由间接测量模型实现动态测试信号参考电能量值E_X0到稳态测试信号电能量值E_S0的溯源，采用动态测试信号的参考电能量值E_X0和被测电能表输出的电能量值E_Z，计算给出电能表的动态误差；

其中，所述稳态周期本征模态信号为稳态测试电压信号u_k(t)和稳态测试电流信号i_k(t)，其表达式分别为：

u_k(t)＝Usin(Ω₁t+φ_k)

式中，Ω₁＝2πf₁为角频率，f₁为工频频率，T₁＝1/f₁为稳态信号的工频周期,φ_k为三相稳态电压信号相位，

为三相稳态电流信号相位，k＝a,b,c分别表示a相、b相和c相；由信号u_k(t)和信号i_k(t)相乘得稳态功率信号

所述输入二幅值/三幅值调制的动态本征模态信号为动态测试电压

和动态测试电流信号

其表达式分别为：

由信号

和信号

相乘得动态测试功率信号

式中，A_kL＝[α_k0,α_k1,…,α_k(L-1)]，α_k(L+n)＝α_kn，为动态测试电流

的特征向量，B_L＝[β₀,β₁,…,β_L-1]_1×L，β_k(L+n)＝β_kn为动态测试电压

的特征向量，L∈[2,∞)为有界正整数，T＝LT₁为动态测试信号周期，g(t-nT)为窗函数，G_n(t)＝[g(t-T)，g(t-2T)，…g(t-nT)]为窗函数向量；

所述动态电能量值计算单元(4)中动态电能量值间接测量模型的输入辅助测量参量为稳态测试信号电能量值E_S0、正特征值累积量M⁺和负特征值累积量M^-，输出为测量的动态测试信号的参考电能量值E_X0；通过读取标准电能表的电能值或累计标准电能表在测量时间L′T₁内输出的电能脉冲数，计算得到稳态测试信号电能量值E_S0；采用动态测量算法计算动态测试信号的参考电能量值E_X0；

其中，所述动态电能量值的间接测量模型为：

式中，E_X0为动态测试信号的参考电能量值，E_S0为稳态测试信号电能量值，L(·|·)为似然函数，

所述计算动态测试信号的参考电能量值E_X0的动态测量算法为：

该式给出了E_X0到E_S0的溯源关系。

2.根据权利要求1所述的一种电能表动态测试信号电能量值的压缩感知间接测量方法，其特征在于，所述动态测试信号的模态分解与处理单元，将动态测试电压

与动态测试电流

相乘得到动态测试功率信号

同时将动态测试电流信号

与

分解，得到动态电流特征信号

和稳态

用稳态测试电压u_k(t)与稳态测试电流i_k(t)相乘得到稳态功率

用

代替

送入稳态与动态信号测量单元，保留稳态功率

的稳定性与便于电能量值溯源特性；动态电流特征信号

为：

3.根据权利要求1所述的一种电能表动态测试信号电能量值的压缩感知间接测量方法，其特征在于，所述稳态与动态信号测量单元，

和

送入稳态与动态信号测量单元，在测量时间L′T₁内，采用标准电能表测量稳态功率

累积的稳态测试信号电能量值E_S0；在相同的测量时间L′T₁内，对动态电流信号

采用压缩感知匹配滤波器测量矩阵Φ_B测量计算

或

的正特征值累积量M⁺和负特征值累积量M^-；

其中，压缩感知匹配滤波器测量矩阵Φ_B为：

式中，

正特征值累积量M⁺和负特征值累积量M^-计算如下：

式中，

分别取二值序列或三值序列。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种电能表动态测试信号电能量值的压缩感知间接测量方法，其特征在于，对于动态负荷电流信号特征向量A_kL′＝[α_k0,α_k1,…,α_k(L′-1)]，α_kn＝α_k(L+n)可以为“0”与“+1”二值序列，或“+1”、“0”与“-1”三值序列，可为确定型序列或伪随机型序列。

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