摘要：本文深入研究了电压监测仪的有效值数字测量中的均方根和平均绝对值。并通过仿真计算，分析了被测电压频率偏移时的有效补偿线性插值法和查表法，同时进行仿真对比。最后，结合电网频率在小范围内偏移的特点，该研究进行了仿真实现，证明了频率偏移下的电压幅值准确测量有着重要的意义。
关键词：电压监测仪；频率偏移；线性插值法；查表法；
引言：随着敏感性负荷的大量投入使用，电压质量问题已经成为电能质量的主要问题。为了监测电压质量问题，电压监测仪广泛地在电网中投入使用。而电压监测仪的检测精度则是检测电压质量的重要保证。本文就电网频率偏移时，针对电压监测仪的补偿算法进行仿真研究，对不同的补偿方法提出了其适用范围和优缺点。
1 电压监测系统的架构：
电压监测系统架构如图1所示，电压监测系统需要有强大的数据统计和存储功能，其通信采用多通道通讯，并具有良好的人机交互界面。由采集系统采集的汇总数据逐级上报和远程调用。
图1.电压监测系统架构
为了监测电压质量问题，电压监测仪广泛地在电网中投入使用。而在电压监测系统中，对电压幅值的数据准确性显得尤其重要。
2 电压监测算法与误差分析：
为进行电压质量监测，多种电压监测方法被提出。目前而言，电压的计算方式有多种，峰值电压法、小波变换法、状态空间矩阵法、FFT法等。
而在电网应用中最为广泛的测量电压方法分别是均方根法（Root Mean Square，RMS）和平均绝对值法（Mean Absolute Value，MAV）。均方根法和平均绝对值法对于工频电网有很准确的测量作用。该两种方法本质是利用纯正弦交流信号有效值与平均值的数学关系，通过计算交流电压的平均值或均方根值，从而间接得到有效值。但在电网实际运行中，电网电压频率会存在一定范围的波动，从而引起幅值的测量误差。现在进行仿真分析频率对均方根法和平均绝对值法造成的误差。电网电压频率的偏移通常在47.5-52.5Hz，故在仿真实验中取电压频率为47.5-52.5Hz，其仿真结果如图2所示。
图2 频率偏移对电压测量的影响
由图2可见，在频率偏移时，采用均方根法和平均绝对值法都存在不同程度的误差。
3 频率偏移时的有效值方法：
对于频率偏移时，可以采取有效的补偿方法来消除误差。通常，可以采用有效值精度补偿有线性插值法和查表法。
3.1线性插值法
对于已知的函数表中，插入一些表中没有列出的、所需要的中间值，可以使用插值法。也是最为广泛使用的一种简单插值方法。
若函数f（x）在自变数x一些离散值所对应的函数值为已知，则可以作一个适当的特定函数p（x），使得p（x）在这些离散值所取的函数值，就是f（x）的已知值。从而可以用p（x）来估计f（x）在这些离散值之间的自变数所对应的函数值，这种方法称为插值法。用MATLAB进行仿真实验，实验结果如图2所示。
图3 线性插值法对电压测量的影响
由图3看出，插值法对于线性度良好的曲线具有很好的补偿作用。且容易看出，经过插值法补偿后的均方根法和平均绝对值法在曲线上存在一定的相似度，但在幅值上仍有一定的偏差。
3.2查表法
它的特点是查找范围越大，精度要求越高，所需表格就越大，占用内存也越大，常被用于快速实现非线性等复杂运算。
按照行标，在47.5Hz 到 52.5Hz的频率测试范围内，允许电压幅值偏差为 0.5%，对于220V，对应的误差即为1.1V。通过计算得出，频率偏差 0.1Hz 时最大误差为 0.22V，以 0.1Hz为一个步长，编制47Hz 到 53Hz 范围的频率制表即可满足行标要求。
图4 查表法对电压测量结果的影响
由图4可以看出，在该频率段范围内，采用查表法后的电压测量误差很小，同时满足均方根法和平均绝对值法的误差要求。由于查表法只对表内数据进行处理，对数据不大的系统而言补偿效果最好，而且计算简单，占用的内存资源少。结合电网的频率实际运行情况特点，对于频率偏移范围为 47.5Hz 到 52.5Hz的电网，查表法最为快速简单。
4 结论
本文深入研究了电压监测仪的有效值数字测量中的均方根和平均绝对值。并通过仿真计算，分析了被测电压频率偏移时此两种方法的误差。为解决此误差，提出了线性插值法和查表法来进行补偿，同时进行仿真对比。最后，结合电网频率在小范围内偏移的特点，提出了查表法为最有效值精度补偿方案。该研究对频率偏移下的电压幅值准确测量有着重要的意义。
参考文献：
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作者简介：
唐元媛（1986－），女，湖南永州人，工学学士，工程师，研究方向为电能质量与电测试验。
论文作者:唐元媛
论文发表刊物:《电力设备》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/9
标签：电压论文; 频率论文; 电网论文; 方根论文; 误差论文; 有效值论文; 绝对值论文; 《电力设备》2018年第6期论文;