袁瑞銘，姜振宇，鐘侃，田海亭，魯觀娜，王琳

（1.國網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學研究院，北京100045；2.華北電力科學研究院有限責任公司，北京100045；3.北京化工大學，北京100029）

0 引 言

目前智能電網(wǎng)建設中，增量的智能變電站建設都采用IEC 61850協(xié)議實現(xiàn)電壓、電流的信號傳輸。由于傳統(tǒng)模擬量輸入的電能表無法應用于智能變電站體系，因此采用光纖以太網(wǎng)與SMV采樣值報文輸入的數(shù)字化電能表被大量應用。數(shù)字化電能表不僅在輸入信號方式上與傳統(tǒng)電能表不同，在處理器結構設計、電能計算方法、數(shù)字信號處理方式等都存在差異，而且其計量性能還受限于智能變電站整體采樣速率、前端合并單元等影響［1］。由于受限于智能變電站低采樣率，以及SMV報文解碼速度等因數(shù)，數(shù)字化電能表計量誤差受動態(tài)負荷的影響將更加明顯。

隨著電網(wǎng)工業(yè)動態(tài)負載應用量增加，用電負載電流逐漸呈現(xiàn)隨時間動態(tài)變化，甚至短時沖擊波動的情況。從文獻［2］的研究可以看出，在動態(tài)波動的負載電流下，不同廠家電能表走字精度測試結果出現(xiàn)較大差異。因此，如何在實驗室評價傳統(tǒng)電能表動態(tài)負荷計量精度成為研究熱點。文獻［3］提出了電能表動態(tài)特性評價方法；文獻［4］提出了針對動態(tài)沖擊性負荷的計量方法與檢測手段，但其檢測模型溯源仍然存在問題；文獻［5-7］則提出了可溯源的電能表動態(tài)誤差特性實驗模型與方法。然而，目前電能表實驗室動態(tài)誤差檢定研究都主要針對傳統(tǒng)模擬量輸入電能表，對于智能變電站應用的數(shù)字化電能表，現(xiàn)有的研究主要針對穩(wěn)態(tài)負荷環(huán)境下的計量檢測［8-9］，動態(tài)誤差試驗方面仍然缺乏有效的手段。因此，本文基于OOK模型，提出數(shù)字化電能表動態(tài)誤差測試裝置設計方法，解決智能變電站數(shù)字化電能表動態(tài)負荷計量精度實驗室檢定問題。

1 基于IEC 61850的數(shù)字化計量體系

智能變電站數(shù)字化計量體系如圖1所示，一次側采用電子式互感器（ECT與EVT）直接將一次電壓與電流模擬量轉換為電壓與電流數(shù)字信號，然后，經(jīng)過合并單元將數(shù)字信號組包為符合IEC 61850-9協(xié)議的SMV采樣值報文，通過光纖以太網(wǎng)傳輸?shù)介g隔層數(shù)字化電能表中。數(shù)字化電能表解析報文，恢復實際電壓與電流采樣數(shù)字信號，在此基礎上完成電能計算［10］。

圖1 智能變電站計量體系Fig.1 Metering system of smart substation

從圖1可看出，數(shù)字化電能表直接通過光纖以太網(wǎng)接口接收電子式互感器的采樣報文數(shù)據(jù)，因此數(shù)字化電能表與常規(guī)電能表有較大的區(qū)別，其沒有模擬量采樣部分，同時受限于整個智能變電站采樣率的影響，其接收的SMV報文采樣率要遠低于常規(guī)電能表AD電路的采樣率。在動態(tài)負荷下，數(shù)字化電能表低采樣率將會對其計量精度造成影響，因此，研究針對數(shù)字化電能表動態(tài)負荷計量性能的測試方法與裝置，對改善智能變電站動態(tài)負荷計量性能具有重要意義。

2 OOK動態(tài)信號測試模型

OOK是一種通過矩形包絡信號來調制正弦信號模型，其原理是通過二進制序列對穩(wěn)態(tài)電流信號進行二進制通斷鍵控 OOK（On-Off-Key）［7］，OOK動態(tài)測試電壓信號模型 us（ti）、電流信號模型 id（ti）和功率信號模型 pd（ti）如下：

式中 ti=iT/n，（i=0，1，…n）；T為信號周期；ωc=2πfc，fc=1/T；φk為第 k個周期的相位。

OOK模型可以實現(xiàn)整數(shù)周期的波形通斷，在用于動態(tài)負荷試驗時，僅控制電流波形的輸出和截止，并不改變波形形狀，具有可溯源、測試信號頻譜信息廣等特點，因此常用于模擬量輸入的常規(guī)電能表動態(tài)負荷測試。針對光纖以太網(wǎng)數(shù)字量輸入的數(shù)字化電能表，該模型仍然適用，但需要設計OOK信號的SMV組包過程以及配合虛擬數(shù)字化標準電能表來實現(xiàn)整個測試過程。

3 數(shù)字化電能表動態(tài)誤差特性測試裝置

3.1 裝置總體技術方案

鑒于OOK模型具有可溯源、頻段覆蓋廣以及便于數(shù)字化實現(xiàn)等特點，基于OOK離散模型式（1）～式（3）來設計數(shù)字化電能表動態(tài)誤差特性測試裝置。為支持算法實現(xiàn)，本文測試裝置采用ARM9核心CPU+DSP數(shù)字信號處理器的雙核架構，總體架構圖如圖2所示。

ARM9核心CPU負責整個裝置工作任務的管理，負責液晶的顯示控制，與操作用戶的輸入接口，以及向DSP數(shù)字信號處理器發(fā)送工作指令。DSP數(shù)字信號處理器采用一片高速32位定點DSP芯片設計，通過其高速數(shù)字信號處理的特點，根據(jù)非線性負荷數(shù)學模型，生成對應的IEC 61850光纖以太網(wǎng)電壓與電流采樣數(shù)字信號（SMV），并通過光纖以太網(wǎng)控制器輸出動態(tài)變化的SMV信號。同時，該方案通過一片F(xiàn)PGA，生成高速脈沖，該FPGA可以根據(jù)DSP采用指定模型所計算的理論功率，來生成高速比對脈沖，同時可以接受外部數(shù)字化電能表的脈沖信號，并在FPGA中進行精度比對，最終輸出測試結果。

圖2 測試裝置總體方案Fig.2 Overall scheme of measuring equipment

3.2 數(shù)字化電能表OOK測試方法實現(xiàn)流程

3.2.1 OOK信號輸出

測試信號的輸出與控制主要在DSP中實現(xiàn)。由于SMV采樣值報文必須按照嚴格的時間間隔通過光纖以太網(wǎng)輸出，因此，DSP中SMV采樣值報文輸出過程必須在定時器中斷函數(shù)中實現(xiàn)，若每一次定時器中斷都調用一遍式（1）～式（3）產(chǎn)生OOK波形信號，會嚴重占用系統(tǒng)資源。為提高效率，本文采用異步方式來實現(xiàn)OOK信號波形產(chǎn)生與SMV報文組包輸出。具體流程如圖3。

具體步驟如下：

（1）在主循環(huán)函數(shù)中，調用式（1）～式（3）生成 k個周期OOK測試電壓與電流采樣值數(shù)據(jù)。k值的選取須與所選型號DSP計算速度相結合，具體為DSP計算生成k個周期OOK信號數(shù)據(jù)的時間Ts要小于k個信號周期時間的一半，即：Ts≤（T·k）/2；

（2）將采樣數(shù)據(jù)存于數(shù)組A。若數(shù)組A存滿，則數(shù)組A進入信號發(fā)送狀態(tài)；同時將采樣數(shù)據(jù)存儲位置切換為數(shù)組B；

（3）定時器按T/n的間隔生成中斷，中斷程序中讀取處于發(fā)送狀態(tài)的數(shù)組A采樣值序列，并進行IEC 61850 SMV組包，調用以太網(wǎng)DMA，通過裝置光纖接口發(fā)送SMV組包數(shù)據(jù)，傳輸至被測數(shù)字化電能表；

圖3 OOK數(shù)字化實現(xiàn)流程Fig.3 Flow chart of the realization of OOK digitalization

（4）在 k值滿足 Ts≤（T·k）/2下，數(shù)組 A中所存儲的OOK波形通過中斷程序發(fā)送完畢時，主循環(huán)已將新生成的信號存滿于數(shù)組B，在下一次定時器中，將發(fā)送數(shù)組切換為數(shù)組B，采樣數(shù)據(jù)存儲數(shù)組切換為數(shù)組A。

3.2.2 動態(tài)誤差計算

在測試中，被測數(shù)字化電能表接收到SMV組包數(shù)據(jù)后，向裝置FPGA模塊返回有功電能脈沖。DSP在調用OOK模型輸出通斷波形信號時，同時依據(jù)電壓電流設定的有效值Um、Im及相位φk，輸出標準化正弦信號，輸入到裝置DSP中內(nèi)置數(shù)字化標準電能表中。數(shù)字化標準電能表計算出標準有功電能，并調用FPGA模塊，生成高頻標準化脈沖。

由于OOK模型中，通的周波數(shù)量和斷開的周波數(shù)量是確定的，若被測數(shù)字化電能表在OOK信號下有功電能計量完全準確，則內(nèi)置數(shù)字化標準電能表返回的有功脈沖數(shù)量，與被測數(shù)字化電能表返回的有功脈沖數(shù)量，其比例與OOK波形通斷比應該是相同的。因此，兩個有功脈沖比例與OOK通斷比的相對誤差，即可視為數(shù)字化電能表在OOK信號下的有功電能計量誤差。FPGA將被試數(shù)字化電能表的有功電能脈沖數(shù)N，與標準脈沖數(shù)M，按如下公式，進行誤差計算。

式中Cb、Cm分別為數(shù)字化標準表脈沖常數(shù)和數(shù)字化電能表的脈沖常數(shù)；E為輸出誤差；R為一輪測試周期中，通的信號占總信號長度的比例。FPGA通過公式（4）計算出誤差后，將結果返回至DSP中，完成了數(shù)字化電能表動態(tài)負荷測試過程。

4 裝置測試流程與試驗結果

4.1 測試流程

圖4 裝置測試流程Fig.4 Test process of the device

裝置的測試流程如圖4所示，在用戶操作界面下發(fā)測試指令后，主CPU單元將接受的指令類型，下發(fā)到DSP中。裝置DSP依據(jù)圖3所示流程，準備對應參數(shù)的OOK信號序列，記錄當前所設置的OOK信號通斷周期數(shù)量比例。同時輸出標準正弦信號給內(nèi)置數(shù)字化標準電能表，后者產(chǎn)生高頻標準化有功電能脈沖給FPGA單元。

DSP生成OOK信號序列后，定時器依據(jù)設定的采樣率進行中斷，在中斷函數(shù)中將OOK信號，經(jīng)過SMV組包傳輸至被測數(shù)字化電能表，同時FPGA單元進入脈沖比對模式。數(shù)字化電能表的有功電能脈沖經(jīng)過脈沖接收IO口返回至FPGA單元中，依據(jù)式（4）完成誤差計算，并將動態(tài)誤差結果經(jīng)由DSP及主CPU單元返回至用戶界面中。至此，完成一次完整的測試操作。

4.2 試驗結果

4.2.1 測試信號輸出

為驗證本文提出的數(shù)字化電能表動態(tài)誤差特性測試裝置有效性，將本裝置光纖以太網(wǎng)接口與國內(nèi)某廠家數(shù)字化電能表連接，進行OOK模型下的動態(tài)負荷試驗。裝置輸出波形如圖5所示。

圖5 輸出波形Fig.5 Output waveform

圖5為通過數(shù)字化錄波軟件記錄的裝置輸出波形，從圖中可以看出，裝置輸出符合OOK模型的通斷信號波形，該信號波形被正確轉換為IEC 61850-9協(xié)議的SMV報文，通過光纖以太網(wǎng)輸入到數(shù)字化電能表，測試數(shù)字化電能表的動態(tài)計量誤差。

4.2.2 數(shù)字化電能表動態(tài)誤差試驗

裝置輸出圖5所示OOK動態(tài)電流信號，電壓信號采用標準正弦波形，電壓有效值設定為57.7 V，電流有效值設定為1.5 A，功率因數(shù)為1.0。測試數(shù)字化電能表在標準正弦的穩(wěn)態(tài)電流下的誤差以及在OOK動態(tài)電流信號下的誤差。返回的三相有功電能計量誤差數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 數(shù)字化電能表動態(tài)誤差測試實驗Tab.1 Dynamic metering experiment of digital energy meter

從表1可看出，在常規(guī)穩(wěn)態(tài)電流下，數(shù)字化電能表計量誤差小于千分之一，符合0.2 S級表內(nèi)控誤差要求。但在加入不同組合的OOK信號后，計量誤差發(fā)生明顯波動，在通斷波形周期間隔較長時，信號波動不大，總體誤差還在0.5%以內(nèi)。但隨著通斷波形周期間隔縮短，數(shù)字化電能表出現(xiàn)比較嚴重的超差，在波形通斷比較快速的設置點，計量誤差超差最嚴重。

由于數(shù)字化電能表沒有模擬量采樣部分，采樣值信號都通過光纖以太網(wǎng)傳輸，這說明其采樣部分不會像傳統(tǒng)電能表引入誤差，但數(shù)字化電能表受限于較慢的采樣速率（目前智能變電站普遍4 kHz的采樣率），在OOK信號通斷間隔較短時，其采樣率的限制及針對穩(wěn)態(tài)負荷設計的數(shù)字計量算法，都會對其動態(tài)負荷下的計量精度造成影響。這樣說明，穩(wěn)態(tài)負荷下檢定的數(shù)字化電能表應用于動態(tài)負荷中，其計量誤差無法保證。

因此，通過所提出的裝置，可有效反映數(shù)字化電能表在OOK信號下誤差變動，從而評價數(shù)字化電能表在動態(tài)負荷下的計量性能變化。解決穩(wěn)態(tài)負荷下數(shù)字化電能表檢定存在的缺陷，為數(shù)字化電能表實驗室性能評價提供了新的手段。

5 結束語

文章研究開發(fā)了智能變電站數(shù)字化電能表的動態(tài)誤差特性測試裝置，針對智能變電站計量特點，基于OOK模型，設計裝置總體技術方案與軟硬件具體實現(xiàn)方案，并基于該方案生成了OOK數(shù)字化動態(tài)測試信號、實現(xiàn)了IEC 61850-9協(xié)議的SMV組包以及動態(tài)誤差測試。