本發(fā)明屬于電計量設(shè)備通信檢測，涉及基于壓電阻抗的直流和偶次諧波負(fù)載平衡、建模方法。

背景技術(shù)：

1、對于直接接入式電表,采用普通電流互感器作為電流傳感器時，半波直流電流導(dǎo)致電流互感器磁芯被單方向磁化，在大電流下磁芯很容易磁飽和而失去電流信號傳遞功能。在國內(nèi)電網(wǎng)中，單相智能表具有零線電流監(jiān)測功能，多數(shù)方案采用普通電流互感器作為電流采樣部件，在出現(xiàn)半波直流負(fù)載時很容易導(dǎo)致零線電流監(jiān)測不準(zhǔn)，導(dǎo)致零火線電流不相等，誤判旁路。三相智能表直通式接入的規(guī)格一般采用普通電流互感器作為電流采樣部件，在實際負(fù)載使用中，如含有半波負(fù)載時很容易產(chǎn)生電能計量不準(zhǔn)確，影響電能計量收費情況。

2、電表的抗直流性能是通過直流和偶次諧波-半波整流波形測試來檢驗的。在執(zhí)行這類試驗時，要求對兩條直流回路負(fù)載進(jìn)行精準(zhǔn)平衡，但在實際操作中，由于功率源輸出穩(wěn)定性、接線差異、連接阻抗不確定性等因素的影響，實現(xiàn)兩條回路完全負(fù)載平衡極其困難。同時，在長時間通電過程中，連接部位可能出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象，這會導(dǎo)致阻抗發(fā)生改變，進(jìn)一步加大負(fù)載平衡的復(fù)雜性。因此，在實際測試中經(jīng)常會出現(xiàn)較大的測量誤差。

3、當(dāng)前智能電表進(jìn)行直流及偶次諧波性能測試所使用的設(shè)備大都是將被測電表與同樣型號的參照電表或等效電阻負(fù)載并聯(lián)接入同一測試系統(tǒng)中。但是在實際測試時會因回路內(nèi)部存在微小的阻抗差異導(dǎo)致測試結(jié)果偏差過大。這種情況對企業(yè)產(chǎn)品送檢、招投標(biāo)是非常不利的。

4、為將精確匹配負(fù)載將測試偏差控制在可接受范圍內(nèi)，本發(fā)明創(chuàng)新性地提出一種可直連在測試裝置上的輔助式直流和偶次諧波負(fù)載平衡方法及裝置。

5、另外，改進(jìn)前的阻抗匹配技術(shù)，一種是運用大功率電子負(fù)載來實現(xiàn)負(fù)載均衡，此方法對電子負(fù)載組件功率容量、精準(zhǔn)度以及溫度性能指標(biāo)有較高的要求，采購成套的設(shè)備又價值過高。整體實現(xiàn)成本較高、實現(xiàn)復(fù)雜。另外采用繼電器進(jìn)行負(fù)載平衡的技術(shù)手段亦存在明顯問題：由于繼電器在匹配實際阻抗差值時可能存在不精確情況，導(dǎo)致繼電器頻繁切換以尋找合適阻抗匹配點，不僅難以達(dá)到理想的阻抗適應(yīng)狀態(tài)，還易引發(fā)電弧現(xiàn)象，從而影響系統(tǒng)的可靠性和安全性。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題總的來說是提供一種基于壓電阻抗的直流和偶次諧波負(fù)載平衡、建模方法。

2、結(jié)合實際情況，為解決以上問題，本發(fā)明創(chuàng)新性地提出了一種輔助型直流負(fù)載平衡及偶次諧波處理方法及其配套裝置，其核心技術(shù)在于應(yīng)用壓電阻抗原理，通過調(diào)節(jié)pzt不同預(yù)緊力而產(chǎn)生的內(nèi)部特性變化對兩條測試回路負(fù)載阻抗匹配進(jìn)行阻抗匹配。并經(jīng)過采樣電阻采集測試回路電流并將信號傳輸給微處理器，微處理器根據(jù)采樣信號控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓預(yù)緊力，通過改變pzt的壓電導(dǎo)納進(jìn)而對兩回路阻抗進(jìn)行無極調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對負(fù)載的實時精準(zhǔn)監(jiān)測和均衡調(diào)控。

3、為解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

4、一種基于壓電阻抗的直流和偶次諧波負(fù)載平衡建模方法，在電網(wǎng)運行中搭建電能表，進(jìn)行直流分量和偶次諧波測試，建模方法包括以下步驟；

5、s1，搭建試驗電路模型并進(jìn)行調(diào)整；試驗電路模型具有負(fù)載電阻；負(fù)載電阻采用pzt的壓電陶瓷片電阻；

6、s2，根據(jù)負(fù)載電阻的壓電材料的導(dǎo)納來識別負(fù)載電阻所使用的pzt的壓電方程；

7、其中，pzt的壓電材料的壓電導(dǎo)納和阻抗互為倒數(shù)：

8、y＝i/v；

9、其中，y為壓電導(dǎo)納，i為負(fù)載電阻產(chǎn)生的輸出電流，v為負(fù)載電阻的激勵電壓；

10、v＝e3ha；

11、其中，e3為電場強(qiáng)度，ha為pzt的縱向厚度；

12、s3，引進(jìn)pzt的機(jī)械阻抗，給pzt施加持續(xù)作用的激勵力信號，得到pzt的壓電導(dǎo)納方程；

13、s4，基于搭建試驗電路模型，確定模糊控制系統(tǒng)。

14、進(jìn)一步，在步驟s1中，試驗電路包括負(fù)載平衡裝置、被試儀表eut1、平衡阻抗eut2及二極管da1、da2；

15、被試儀表eut1所在的第一支路與平衡阻抗eut2所在的第二支路并聯(lián)設(shè)置在iain與iaout之間；

16、負(fù)載平衡裝置包括采樣電阻ra1、ra2及負(fù)載電阻rz1、rz2；

17、在第一支路上，二極管da1、采樣電阻ra1、被試儀表eut1及負(fù)載電阻rz1串聯(lián)設(shè)置；

18、在第二支路上，反接二極管da2、采樣電阻ra2、被試儀表eut1及負(fù)載電阻rz2串聯(lián)設(shè)置；

19、在采樣電阻ra1及采樣電阻ra2電連接標(biāo)準(zhǔn)電能表；

20、標(biāo)準(zhǔn)電能表電連接微處理器；微處理器電連接有控制器；控制器電連接有執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動負(fù)載電阻rz1和/或負(fù)載電阻rz2線性調(diào)節(jié)。

21、進(jìn)一步，在被試儀表eut1中，回路電流為i1，平衡阻抗ra1的回路阻抗為r1；

22、在平衡阻抗中，回路電流為i2，平衡阻抗ra2的回路阻抗為r2；

23、輸入總電流源為i。

24、進(jìn)一步，其中，被試儀表eut1與被試儀表eut1采用同型號的儀表且阻抗相同；

25、執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用電機(jī)，控制器為永磁同步電控器；

26、負(fù)載電阻rz1、rz2采用pzt材料；

27、采樣電阻ra1阻值等于采樣電阻ra2阻值；

28、采樣電阻ra1、ra2阻值為被試儀表eut1阻值的若干倍。

29、在步驟s2中，首先，根據(jù)pzt的電位移式(1)計算出電流i；

30、i＝j(luò)ω∫∫d3dxdy?????????????(1)；

31、式中，d3為pzt的電位移；x，y分別為pzt的縱向和橫向位移變量；

32、然后，在僅考慮pzt的縱向變形的情況下，得pzt的壓電方程；

33、

34、式中：ε1為負(fù)載電阻的應(yīng)變；σ1為負(fù)載電阻的應(yīng)力；

35、為電場強(qiáng)度為0或常數(shù)時的復(fù)彈性柔順系數(shù)；

36、為應(yīng)力為0或常數(shù)時的復(fù)介電常數(shù)；

37、d31為壓電應(yīng)變常數(shù)；

38、e3為負(fù)載電阻的電場強(qiáng)度；

39、其次，pzt的x方向運動方程表示為：

40、

41、式中：u為pzt的縱向位移；

42、為pzt的機(jī)械損耗因數(shù)；

43、p為pzt的密度，設(shè)式(4)的解為：

44、

45、式中：a、b為待定系數(shù)；k為波數(shù)，即k＝2π/λ；帶入邊界條件得b＝0；同時，在pzt與負(fù)載匹配裝置的結(jié)構(gòu)聯(lián)接處，x＝l?a，負(fù)載匹配裝置結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的抗力即聯(lián)接處pzt截面應(yīng)力狀態(tài)為：

46、

47、式中：zs為結(jié)構(gòu)的機(jī)械阻抗；ba為pzt的寬度；ha為pzt的厚度；l?a為pzt的長度，變量上面一橫表示變量的空間分量；

48、再次，將式(6)帶入式(2)得應(yīng)變：

49、

50、由聯(lián)立式(7)、式(5)的系數(shù)a解得：

51、

52、進(jìn)一步，在步驟s3中，首先，根據(jù)式(5)至式(8)的推導(dǎo)確定pzt的驅(qū)動響應(yīng)；pzt的機(jī)械阻抗表述為激勵力信號和電信號速度響應(yīng)之比：

53、

54、式中：為pzt的靜態(tài)剛度；

55、引入pzt機(jī)械阻抗后，式(8)簡化為：

56、

57、然后，將式(10)和b＝0帶入式(5)，得pzt自傳感驅(qū)動器的輸出位移為：

58、

59、往后，pzt自傳感驅(qū)動器的應(yīng)變?yōu)槎Y(jié)合式(2)得到pzt應(yīng)力：

60、

61、將式(12)帶入式(3)得pzt的電位移d3:

62、

63、將式(13)帶入式(1)得pzt的輸出電流i:

64、

65、將式(14)帶入y＝i/v，得到pzt的壓電導(dǎo)納方程：

66、

67、再后，其中，負(fù)載電阻具有進(jìn)行電阻調(diào)解的調(diào)解螺栓，根據(jù)壓電材料的導(dǎo)納方程式(15)，將壓電片粘貼在負(fù)載電阻調(diào)節(jié)螺栓上，通過調(diào)節(jié)螺栓的預(yù)緊力來改變壓電材料的內(nèi)部特性調(diào)控負(fù)載電阻阻抗。

68、進(jìn)一步，在步驟s4中，首先，確定模糊控制系統(tǒng)的參數(shù)；

69、記eut回路電流為i1，回路阻抗為r1。平衡回路電流為i2，回路阻抗為r2,試驗輸入總電流為i。其中，且i＝i1+i2；當(dāng)r1不變時，r2增加i1減小i2增加，當(dāng)r2不變時r1增加i2減小i1增加；

70、然后，選取測試回路電流的有效值i1、平衡回路電流的有效值i2；控制變量為pzt的壓電納導(dǎo)與pzt固定到螺栓與螺母中間時的螺栓旋轉(zhuǎn)角度θ；輸出變量為兩測試回路之間的平衡關(guān)系；

71、其次，對輸入變量和輸出變量進(jìn)行模糊化處理，將量化為三個語言值，每個語言值對應(yīng)一個隸屬函數(shù)；

72、三個語言值包括i1＞i2、i2＞i1及i1＝i2；

73、再次，采用對比采樣電阻電壓的方式，即比較采樣電阻的電壓大小，得出兩回路電流大小；

74、當(dāng)v1小于v2時，即被試回路電流有效值i1小于平衡回路電流有效值i2時，由基爾霍夫定律得知，平衡回路阻抗r2小于被試回路阻抗r1，則增加被試回路電阻，達(dá)到負(fù)載平衡狀態(tài)。

75、一種基于壓電阻抗的直流和偶次諧波負(fù)載平衡方法，包括以下步驟；

76、步驟1：采樣流過被測電能表單元與負(fù)載電阻rz1的正半周波形的采樣電阻ra1的電壓值v1，以及流過采用平衡表作為平衡阻抗eut2與負(fù)載電阻rz2的采樣電阻ra2的電壓值v2；

77、步驟2：判斷電壓值v1和電流值v2的有效值是否相等；若不相等，通過負(fù)載電阻對應(yīng)微處理器調(diào)節(jié)平衡阻抗的阻值后，返回步驟1。

78、進(jìn)一步，負(fù)載電阻的預(yù)緊力由電機(jī)控制，通過電機(jī)來調(diào)控平衡阻抗的電阻；

79、在步驟1中，進(jìn)行如權(quán)利要求1所述的建模，將試驗設(shè)備電流回路安裝負(fù)載平衡設(shè)備，并安裝被試表與平衡表；在建模后對電壓值進(jìn)行以下采樣步驟；

80、步驟1-1：安裝負(fù)載平衡裝置試驗電路，放入被試儀表eut1；

81、步驟1-2：將采樣電阻ra1接入被測電能表單元的輸出端，采樣電阻ra2接入所述平衡表的輸出端；

82、步驟1-3：采集流過采樣電阻ra1和采樣電阻ra2兩端的電壓信號，從而確定電壓值v1和電壓值v2的電壓波形；

83、在步驟2中；

84、步驟2-1：獲取負(fù)載電阻的電壓值有效值，并將計算結(jié)果發(fā)送到微處理器；

85、步驟2-2：微處理器比較電壓有效值v1和電流有效值v2：

86、若電流有效值v1＞v2，則微處理器控制電機(jī)增加平衡回路阻抗，增加電壓有效值v2；

87、若電流有效值v1＜v2，則微處理器控制電機(jī)增加被試回路阻抗，增加電流有效值v1；

88、若電流有效值v1＝v2，則負(fù)載達(dá)到平衡。

89、在步驟2-1中，首先，將設(shè)備恢復(fù)原位即pzt材料恢復(fù)原狀，記此時負(fù)載電阻的螺栓位置為初始位置0°；然后，通過采樣電阻對回路電壓采樣，記采樣電阻ⅰ電壓為v1，采樣電阻ⅱ電壓為v2；

90、其中，負(fù)載電阻采用pzt材料的螺栓壓接的方式，通過使用電機(jī)調(diào)節(jié)螺栓預(yù)緊力來平衡兩回路阻抗；

91、本發(fā)明旨在解決直流和偶次諧波負(fù)載不平衡的問題。本方法在不改變原有直流和偶次諧波測試裝置，可在該測試設(shè)備的基礎(chǔ)上增加負(fù)載平衡功能，此外本發(fā)明對溫度升高不敏感，可在熱穩(wěn)定之前達(dá)到阻抗平衡狀態(tài)，并在之后的熱穩(wěn)定過程中維持動態(tài)阻抗平衡。對比其他調(diào)節(jié)電阻方法，本方法效果最優(yōu)，且成本低，操作簡單，測試效率高。