袁 輝，堯冬梅，張朝軍

（中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)[1]建立的數(shù)字化變電站將成為變電站建設(shè)的趨勢。它的信息采集、傳輸處理和輸出過程將全部實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，基本特征為設(shè)備智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化、模型和通信協(xié)議統(tǒng)一化、運(yùn)行管理自動化等。數(shù)字變電站技術(shù)的推廣，引發(fā)了電能計(jì)量技術(shù)的變革。數(shù)字計(jì)量方式由于采用光纖通道進(jìn)行數(shù)字量的傳輸，有效地消除了二次壓降和模擬電能表的模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換誤差，提高了電能計(jì)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度；因此，數(shù)字計(jì)量將成為電能計(jì)量專業(yè)的發(fā)展方向。

國家計(jì)量法規(guī)定，用于貿(mào)易結(jié)算的關(guān)口電能計(jì)量裝置必須接受強(qiáng)制檢定。在傳統(tǒng)的電子式電能計(jì)量系統(tǒng)中，電磁式互感器輸出模擬電壓、電流信號，通過二次電纜傳送給電能表，電能表將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖量，再經(jīng)計(jì)數(shù)器累積計(jì)數(shù)計(jì)算出某段時(shí)間t內(nèi)的電能，這樣傳統(tǒng)的電子式電能計(jì)量系統(tǒng)就會帶來較大的測量不確定度[2]。而在數(shù)字計(jì)量系統(tǒng)中，電子式互感器輸出數(shù)字電壓、電流信號，通過光纖傳輸?shù)胶喜卧?，合并單元按照IEC 61850-9標(biāo)準(zhǔn)將電壓電流信息組合成規(guī)范格式的數(shù)據(jù)幀，數(shù)字電能表接收此數(shù)據(jù)幀，直接進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算得出電能。由此可知，電子式互感器和數(shù)字電能表的工作原理和輸入輸出形式發(fā)生了本質(zhì)改變，傳統(tǒng)的校驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)已無法對其進(jìn)行校驗(yàn)；因此，研究電子式互感器和數(shù)字電能表的檢驗(yàn)方法已成為業(yè)界的熱點(diǎn)課題[3-6]。

目前，對電子式互感器的檢驗(yàn)通常采用基于絕對值比較的誤差校驗(yàn)方法，即采用傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電流電壓互感器作為標(biāo)準(zhǔn)器，標(biāo)準(zhǔn)互感器的二次輸出經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，與合并單元發(fā)出的數(shù)字信號進(jìn)行比較，得到電子式互感器的比值誤差和相位誤差。然而，對數(shù)字電能表的檢測方法仍處于探討中；因此，本文將討論數(shù)字電能表的校驗(yàn)方法及其量值溯源問題。

1 數(shù)字化變電站電能計(jì)量系統(tǒng)

數(shù)字化變電站電能計(jì)量系統(tǒng)方框圖如圖1所示。它由電子式電流互感器（ECT）、電子式電壓互感器（EVT）、GPS同步時(shí)鐘、合并單元、數(shù)字電能表組成。數(shù)字化變電站內(nèi)母線的高電壓、大電流經(jīng)電子式互感器變換成符合IEC 60044標(biāo)準(zhǔn)要求的小信號，通過光纖輸送給合并單元。合并單元依據(jù)GPS同步時(shí)鐘信號的節(jié)拍，將同一時(shí)間節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)電壓電流信號進(jìn)行數(shù)字化處理，按照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的要求，對各項(xiàng)數(shù)據(jù)打包、傳輸。數(shù)字電能表接收來自合并單元的數(shù)字信號，采用數(shù)字信號處理算法直接計(jì)算得到電功率和電能等電能計(jì)量數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)字化變電站電能計(jì)量系統(tǒng)方框圖

傳統(tǒng)計(jì)量系統(tǒng)由電磁式模擬互感器、電能表通過電纜連接構(gòu)成。假設(shè)電壓、電流互感器、電能表均為0.2級，加上線纜傳輸誤差0.1%，最終計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度為0.7%。數(shù)字電能計(jì)量系統(tǒng)采用輸出數(shù)字信號的電子式互感器，具有校驗(yàn)信息的數(shù)字化電流、電壓信號在傳輸處理的過程中沒有附加誤差，解決了傳統(tǒng)變電站強(qiáng)電場對模擬信號及模擬信號之間相互干擾的問題，數(shù)字電能表將接收的數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，理論上也不會增加誤差；因此，數(shù)字式電能計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度由電子式電壓、電流互感器決定。假設(shè)數(shù)字式電壓、電流互感器均為0.2級，最終電能計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度為0.4%。由以上分析可知，與傳統(tǒng)的電能計(jì)量系統(tǒng)相比較，數(shù)字電能計(jì)量系統(tǒng)減小了測量誤差，提高了計(jì)量準(zhǔn)確度。

2 數(shù)字電能表

數(shù)字電能表是應(yīng)用于數(shù)字變電站計(jì)量電能的新型儀表，它采用數(shù)字信號處理器與中央微處理器相結(jié)合的構(gòu)架，將數(shù)字信號處理器的高速數(shù)據(jù)吞吐能力與中央微處理器復(fù)雜的管理能力完美結(jié)合。其中，由合并單元生成符合IEC 61850-9協(xié)議要求的數(shù)據(jù)信息，通過協(xié)議處理芯片獲取，并傳送至數(shù)字信號處理單元完成對電壓、電流、功率等電參量的測量，電能累計(jì)以及電能的計(jì)算等任務(wù)，再與中央微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由中央微處理器最終完成表計(jì)的顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、儲存、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)交換等復(fù)雜的管理功能。數(shù)字電能表原理框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字電能表原理框圖

數(shù)字電能表可以實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)量電能，可計(jì)量多個(gè)費(fèi)率（尖、峰、平、谷）的正反向有功電能、四象限無功電能及感性、容性無功電能，能實(shí)時(shí)測量總功率及三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因素及頻率，并顯示功率方向；根據(jù)需要計(jì)算出三相三線制時(shí)各線對虛擬中點(diǎn)的電參量值、正反向最大需量的有功電能和四象限最大需量的無功電能，并記錄最大需量出現(xiàn)的時(shí)間；統(tǒng)計(jì)當(dāng)月總電能及4種費(fèi)率分時(shí)的電能，并存儲最近12個(gè)月的相應(yīng)歷史數(shù)據(jù)。還可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷曲線記錄，能記錄掉電、斷相、失壓、無負(fù)荷、失流等基本事件以及其他事件；具有無源脈沖輸出和無源測試脈沖輸出，并提供USB接口，可通過該接口使用PC編程軟件對電表進(jìn)行編程；有獨(dú)立的RS485接口和接觸式或調(diào)制型光學(xué)通信接口。

3 數(shù)字電能表校驗(yàn)技術(shù)

通過以上分析可知數(shù)字電能表與傳統(tǒng)電能表的工作原理完全不同。數(shù)字電能表所接收的信號是數(shù)字化的電壓電流信號，而不是傳統(tǒng)的57.7V/100V電壓信號或者5A/1A的電流信號，內(nèi)部沒有電壓傳感器和電流傳感器以及A/D轉(zhuǎn)換單元。數(shù)字電能表將獲取的數(shù)字化電壓電流瞬時(shí)值進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算得到電功率和電能。理論上，數(shù)字電能表只是將接收到的電壓電流數(shù)字信息進(jìn)行簡單的乘加運(yùn)算，是不會產(chǎn)生誤差的。然而實(shí)際上，由于通信誤碼率、算法誤差、截?cái)嗾`差等因素的影響，數(shù)字電能表仍然存在誤差。那么對數(shù)字電能表的誤差檢驗(yàn)就很有必要了。由于數(shù)字電能表的誤差檢驗(yàn)與傳統(tǒng)電能表的誤差檢驗(yàn)有本質(zhì)的區(qū)別，傳統(tǒng)的校驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)不能滿足數(shù)字電能表的校驗(yàn)要求；因此，需要重新研究數(shù)字電能表的檢測技術(shù)。

3.1 基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源的數(shù)字電能表校驗(yàn)技術(shù)研究

目前，國內(nèi)一些電力研究院已經(jīng)研制出了數(shù)字電能表的檢測裝置[7]，測試方案如圖3所示。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源按照設(shè)定的電壓、電流、功率因素等參數(shù)產(chǎn)生符合IEC 61850-9標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀，通過交換機(jī)和光電轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)傳送到被檢數(shù)字電能表，同時(shí)輸出標(biāo)準(zhǔn)脈沖。數(shù)字電能表根據(jù)接收到的數(shù)幀實(shí)時(shí)累積電能，并按照電能表的脈沖常數(shù)輸出相應(yīng)的低頻脈沖。誤差計(jì)算器比較標(biāo)準(zhǔn)脈沖和電能表輸出的脈沖，從而計(jì)算出被檢數(shù)字電能表的誤差。

圖3 基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源的數(shù)字電能表校驗(yàn)方案

這種校驗(yàn)方法能夠很好地校驗(yàn)數(shù)字電能表由通信誤碼率和算法引起的誤差。根據(jù)國家溯源政策[8]規(guī)定，量值溯源是通過一條具有規(guī)定不確定度的不間斷的比較鏈，使測量結(jié)果能夠與法定的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系起來。然而該方案中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源生成的電流、電壓值是理論上計(jì)算出來的，不能參與量值溯源。因此，要解決量值溯源問題還有待研究。此外，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源輸出的功率數(shù)據(jù)完全穩(wěn)定，而現(xiàn)場的功率是一直處于變化狀態(tài)的，所以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源無法完全模擬現(xiàn)場的情況，這就有可能造成在實(shí)驗(yàn)室檢測合格的電能表在現(xiàn)場檢測不合格。傳統(tǒng)的模擬功率源輸出的功率也是有波動的，所以說在模擬現(xiàn)場情況的方面，數(shù)字功率源不如模擬功率源。通過以上分析比較，提出基于標(biāo)準(zhǔn)模擬功率源的數(shù)字電能表檢驗(yàn)方案。

3.2 基于標(biāo)準(zhǔn)模擬功率源的數(shù)字電能表校驗(yàn)技術(shù)研究

基于模擬標(biāo)準(zhǔn)功率源的數(shù)字電能表的校驗(yàn)方案如圖4所示。圖中虛框?yàn)樾ｒ?yàn)裝置，包括標(biāo)準(zhǔn)功率源、模擬合并單元和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表。標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出傳統(tǒng)的模擬電壓、電流信號，經(jīng)過模擬合并單元中的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。模擬合并單元按照IEC 61850-9-1/2協(xié)議，將數(shù)字化的各路電壓、電流信號進(jìn)行打包，傳輸給標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表從數(shù)據(jù)幀中直接提取各相電壓電流信號，進(jìn)行計(jì)算得到電能，同時(shí)發(fā)出電能脈沖信號。校驗(yàn)裝置向下校驗(yàn)低等級的數(shù)字電能表時(shí)，將被校數(shù)字電能表與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表并聯(lián)起來，模擬合并單元將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送給標(biāo)準(zhǔn)表和被校表，標(biāo)準(zhǔn)表和被校表接收、解析含有電流電壓功率因素等信息的數(shù)據(jù)幀，計(jì)算并實(shí)時(shí)累計(jì)電能，同時(shí)輸出電能脈沖。誤差計(jì)算器比較標(biāo)準(zhǔn)表和被校表的脈沖數(shù)得到被校表的電能誤差。

圖4 基于標(biāo)準(zhǔn)模擬功率源的數(shù)字電能表校驗(yàn)方案

這種校驗(yàn)方法采用模擬功率源，能準(zhǔn)確模擬現(xiàn)場情況，符合數(shù)字電能表的實(shí)際工況。該校驗(yàn)系統(tǒng)可由上位機(jī)軟件控制，可以進(jìn)行基本誤差、走字、啟動、潛動、失壓、斷相、協(xié)議符合性和隨機(jī)丟幀等檢測，從而全面校驗(yàn)被檢數(shù)字電能表的電能準(zhǔn)確度及功能。

圖5 數(shù)字電能表校驗(yàn)裝置溯源方案

3.3 數(shù)字電能表校驗(yàn)裝置溯源

數(shù)字電能表校驗(yàn)裝置向上溯源時(shí)，方案如圖5所示。標(biāo)準(zhǔn)功率源輸出兩路模擬電壓、電流信號，一路輸出給更高等級的傳統(tǒng)模擬標(biāo)準(zhǔn)電能表，對該模擬信號進(jìn)行測量；另一路經(jīng)過模擬合并單元采集并生成符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀，傳送給校驗(yàn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表。比較傳統(tǒng)模擬標(biāo)準(zhǔn)電能表的實(shí)測電能值和校驗(yàn)裝置中數(shù)字電能表的計(jì)算電能值，就得到了校驗(yàn)裝置的整體誤差。這樣校驗(yàn)裝置就能通過傳統(tǒng)的模擬電能表，最終溯源到國家電能基準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

本文概括介紹了數(shù)字化變電站的數(shù)字計(jì)量系統(tǒng)，采用電子式互感器、合并單元和數(shù)字電能表等高新技術(shù)產(chǎn)品，有效地提高了電能計(jì)量準(zhǔn)確度。重點(diǎn)對數(shù)字電能表的工作方式和原理進(jìn)行了闡述，由于其原理和接口與傳統(tǒng)電能表發(fā)生了根本變化，傳統(tǒng)的校驗(yàn)技術(shù)已不適應(yīng)于數(shù)字電能表的校驗(yàn)；因此，提出了一種基于模擬標(biāo)準(zhǔn)功率源的數(shù)字電能表校驗(yàn)方案，該方案能向下校驗(yàn)低等級的數(shù)字電能表，也能向上溯源到更高等級模擬電能表。

[1]IEC61850 Communication networks and systems in substations[S].

[2]張朝軍，堯冬梅，智新國，等.電能表檢驗(yàn)裝置的誤差測量與不確定度評定[J].中國測試技術(shù)，2006，32（3）：16-19.

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