基于数字补偿技术改善高压功率源失真度的方法技术

本发明专利技术公开了基于数字补偿技术改善高压功率源失真度的方法。该方法采用数字补偿技术，改善高压电能计量装置功率源输出信号波形失真度。该方法基于表源一体高压电能计量装置实施，利用现代数字合成及高速数字采样技术，以逐点补偿方式修正功率源输出波形，使高压电能计量装置输出的波形信号失真度指标大幅改善，从而抵消因为升压、升流器以及高压电能表等非线性负载导致功率源输出回路正弦信号的失真，减少因功率提供的信号失真度大而导致高压电能表检定过程中引入不确定度误差值。通过采用数字补偿技术使得高压电能计量装置在额定功率输出状态下信号波形失真度优于0.3％。

A Method of Improving the Distortion of High Voltage Power Source Based on Digital Compensation Technology

The invention discloses a method for improving distortion of high voltage power source based on digital compensation technology. This method uses digital compensation technology to improve the waveform distortion of power source output signal of high voltage electric energy metering device. This method is based on the meter-source integrated high-voltage energy metering device. By using modern digital synthesis and high-speed digital sampling technology, the output waveform of power source is corrected by point-by-point compensation, so that the waveform signal distortion index of high-voltage energy metering device is greatly improved, and the voltage boost, booster and high-voltage power are offset. Nonlinear loads such as meters lead to the distortion of sinusoidal signals in the output circuit of power source, which reduces the uncertainty errors introduced in the verification process of high-voltage watt-hour meters due to the large distortion of signals provided by power. By using digital compensation technology, the signal waveform distortion of high voltage electric energy metering device is better than 0.3% at rated power output.

【技术实现步骤摘要】
基于数字补偿技术改善高压功率源失真度的方法
本专利技术涉及高压电能表计量检定领域，具体涉及一种基于数字补偿技术改善高压功率源失真度的方法。
技术介绍
近年随着高压电能表的应用范围逐步扩大，检定的工作量不断增加，迫切需要采用一源多表的计量检定方式并以最优性价比方案应对检定需求量的增加。目前对于高压电能表的检定均采用虚功率法，计量装置功率提供源有两种方式：一是采用市电通过一定滤波后自耦升压的方式为高压电能表提供虚功率，二是采用程控功率源方式。无论采用哪种方式，均不能实现电压大环反馈，从而导致高压电能表获得的电压信号失真度普遍偏大。通过不同高压电能表生产企业实际生产过程的检测数据所知：当计量装置挂一台高压电能表检定时功率源输出信号波形失真度约为0.5％；挂两台高压电能表时，功率源输出信号波形失真度约为0.96％；挂三台高压电能表时，功率源输出信号波形失真度约为1.44％；挂四台高压电能表时，功率源输出信号波形失真度约为1.92％。失真度指标随着负载的增加而呈线性的变差，虽然负载还远未达到计量装置输出功率满载值，在实际测试中使用四块电能表作为电压的负载接入，电压输出信号失真度指标已经接近国家标准规定的失真度最大值。由于现有高压电能表误差判定法是采用标准表来检定高压电能表，电压信号失真度指标好坏会影响标准表和高压电能表电能累量的大小，从而导致引入测量误差。在一源多表工作方式下如何降低信号失真度的量值一直困扰着计量装置生产厂家。在传统的高压电能表计量装置的信号处理系统由于存在着高压升压器、高压PT等非阻性器件，导致了高压电能表计量装置信号处理系统的截止频率只有400Hz～700Hz，离50Hz工频信号只有10倍频程距离，所以采用传统模拟PID电路无法把信号处理系统的开环增益提高，也就无法减少系统的稳态误差，从而无法改善电压信号失真度指标。
技术实现思路
针对高压电能表计量装置传统的信号处理系统存在的不足，本专利技术提出了一种基于数字补偿技术改善高压电能计量装置功率源输出信号波形失真度的方法。该方法基于高速采样AD、高速运算DSP芯片，以及高性能AI核心板构成的数字补偿电路，采用高速高精度采样技术对输出信号进行采集，采用数字补偿算法对数字采样信号进行数字补偿运算，逐点信号进行补偿并重新生成功率输出信号波形，以此数字方式补偿回路非线性失真，从而达到改善高压电能计量装置功率源输出信号波形失真度。本专利技术通过下述技术方案实现：基于数字补偿技术改善高压功率源失真度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，搭建表源一体的程控功率源式高压电能表计量检定电路及高速高精度数字补偿电路；所述表源一体的程控功率源式高压电能表计量检定电路包括依次连接的由一体化的数字合成高精度信号源和程控功率源组成的表源一体的程控功率源、升压器、高压电能表和高精度高压PT，所述高速高精度数字补偿电路包括依次连接的高速采样AD、高速运算DSP和高性能AI核心板；且所述高速采样AD与高精度高压PT连接，所述高性能AI核心板与所述数字合成高精度信号源连接；步骤二，所述高速采样AD用于对高精度高压PT的输出信号进行数字采样，采样速率达到10MHz以上；步骤三，通过高速运算DSP对进行数字采样后的信号进行数字补偿运算，进行逐点信号补偿并重新生成功率输出信号波形；步骤四，通过高性能AI核心板将该信号波形发送给数字合成高精度信号源，以此补偿回路非线性失真。为了降低数据处理过程中的干扰，提高数据处理的可靠性，进一步，所述步骤三中，在进行数字补偿运算之前还需对数字采样后的信号进行滤波、降噪处理。具体的，所述步骤三，采用位置式数字PID补偿算法对数字采样后的信号进行数字补偿运算，其运算公式如下：式中：e(j)为数字PID补偿算法输入量，分别表示第j个时刻的预设值与实际输出值之间的偏差值；u(k)为数字PID补偿算法输出量，表示第k个时刻进行数字补偿后的值；u(0)为预设值；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。进一步，采用位置式数字PID补偿算法用于周期性补偿，为了保证输出信号波形的完整性，每次每点采样运算后的输出值u(k)以数组方式暂存在内存，当完成整周期采样后，在信号波形下一周期开始才把运算结果以整周期信号波形方式更新输出。进一步，位置式数字PID补偿算法需要按周期采样点数建立e(k)差值和u(k)输出值的缓存数组，如果需要多点均值化滤波处理则对内存的需求大，在内存容量有限而且运算速度裕度大的系统还可在所述步骤三中，采用增量式数字PID补偿算法对数字采样后的信号进行数字补偿运算，其运算公式如下：u(k)＝u(k)-u(k-1)＝Kp(e(k)-e(k-1))+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)](3)式中：e(k)、e(k-1)、e(k-2)作为数字PID补偿算法输入量，分别表示第k个时刻、第k-1时刻、第k-2时刻的预设值与实际输出值之间的偏差值；u(k)为数字PID补偿算法输出量，表示第k个时刻进行数字补偿后的值；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。进一步，采用增量式数字PID补偿算法用于实时补偿，在一个信号波形点的输出过程中，数字补偿电路实时进行了三次AD数字采样、计算补偿量，并且实时修正输出值。具体的，所述数字合成高精度信号源用于信号源函数信号波形的产生，能够产生每周期信号波形3600点以上的正弦函数信号；所述程控功率源用于电路的模拟PID调节以及信号功率放大；所述升压器将功率放大信号进行二次电压升举并保留升压器初级的原反馈环以压缩减小误差函数；所述高压电能表为检定对象，为系统的负载；所述高精度高压PT为负载电压信号的精准采样部件。具体的，所述高性能AI核心实现数据的收集以及算法深度学习运算，用于将控制信号输出至数字合成高精度信号源；所述高速运算DSP实现对数字采样后的信号滤波、降噪及补偿运算；所述高速采样AD用于对高精度高压的输出信号进行数字采样。本专利技术具有如下的优点和有益效果：1、本专利技术充分考虑到高压电能表计量装置信号处理系统的特点，在无需考虑升压器、高压PT、高压电能表等负载特性曲线所带来的不确定影响度情况下，以逐点补偿方式修正功率源输出波形，使高压电能计量装置输出的波形信号失真度指标大幅改善，从而抵消因为升压、升流器以及高压电能表等非线性负载导致功率源输出回路正弦信号的失真，减少因功率提供的信号失真度大而导致高压电能表检定过程中引入不确定度误差值。通过采用数字补偿技术使得高压电能计量装置在额定功率输出状态下信号波形失真度优于0.3％。2、本专利技术采用表源一体的程控功率源，保障了系统中DA、AD工作在同一时钟条件并使用同一信号波形函数；同时能够产生每周波3600点以上的信号源，完全满足计量检定装置的实用要求，能以逐点方式精准补偿信号源函数波形的失真。3、本专利技术也可应用于改善低压电能表检定装置输出的波形信号失真度，从而能进一步提高低压电能表检定装置的电气性能指标。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1为本专利技术的数字补偿系统原理框图。图2为信号源产生波形比对图；a-传统信号源产生波形，b-数字合成高精度信号源产生波形图。图3为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于数字补偿技术改善高压功率源失真度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，搭建表源一体的程控功率源式高压电能表计量检定电路及高速高精度数字补偿电路；所述表源一体的程控功率源式高压电能表计量检定电路包括依次连接的由一体化的数字合成高精度信号源和程控功率源组成的表源一体的程控功率源、升压器、高压电能表和高精度高压PT，所述高速高精度数字补偿电路包括依次连接的高速采样AD、高速运算DSP和高性能AI核心板；且所述高速采样AD与高精度高压PT连接，所述高性能AI核心板与所述数字合成高精度信号源连接；步骤二，所述高速采样AD用于对高精度高压PT的输出信号进行数字采样，采样速率达到10MHz以上；步骤三，通过高速运算DSP对进行数字采样后的信号进行数字补偿运算，进行逐点信号补偿并重新生成功率输出信号波形；步骤四，通过高性能AI核心板将该信号波形发送给数字合成高精度信号源，以此补偿回路非线性失真。

【技术特征摘要】
1.基于数字补偿技术改善高压功率源失真度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一，搭建表源一体的程控功率源式高压电能表计量检定电路及高速高精度数字补偿电路；所述表源一体的程控功率源式高压电能表计量检定电路包括依次连接的由一体化的数字合成高精度信号源和程控功率源组成的表源一体的程控功率源、升压器、高压电能表和高精度高压PT，所述高速高精度数字补偿电路包括依次连接的高速采样AD、高速运算DSP和高性能AI核心板；且所述高速采样AD与高精度高压PT连接，所述高性能AI核心板与所述数字合成高精度信号源连接；步骤二，所述高速采样AD用于对高精度高压PT的输出信号进行数字采样，采样速率达到10MHz以上；步骤三，通过高速运算DSP对进行数字采样后的信号进行数字补偿运算，进行逐点信号补偿并重新生成功率输出信号波形；步骤四，通过高性能AI核心板将该信号波形发送给数字合成高精度信号源，以此补偿回路非线性失真。2.根据权利要求1所述的基于数字补偿技术改善高压功率源失真度的方法，其特征在于，所述步骤三中，在进行数字补偿运算之前还需对数字采样后的信号进行滤波、降噪处理。3.根据权利要求1所述的基于数字补偿技术改善高压功率源失真度的方法，其特征在于，所述步骤三中，采用位置式数字PID补偿算法对数字采样后的信号进行数字补偿运算，其运算公式如下：式中：e(j)为数字PID补偿算法输入量，分别表示第j个时刻的预设值与实际输出值之间的偏差值；u(k)为数字PID补偿算法输出量，表示第k个时刻进行数字补偿后的值；u(0)为预设值；Kp为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。4.根据权利要求3所述的基于数字补偿技术改善高压功率源失真度的方法，其特征在于，采用位置式数字PID补偿算法用于周期性补偿，为了保证输出信号波形的完整性，每次每点采样运算后的输出值u(k)以数组方式暂存在内存，当完成整周...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨勇波，陈缨，羊静，姜振超，蒋映霞，刘曦，陈进，冯杰，李立雄，
申请(专利权)人：国网四川省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：四川,51