張英+秦濤+程昱舒

摘 要： 由于傳統(tǒng)的電能表與數(shù)字電能表的工作方式不同，所以傳統(tǒng)電能表校驗臺無法對數(shù)字電能表進行校驗。因此，設計了一種新的數(shù)字電能表計量校驗裝置。介紹了數(shù)字電能計量系統(tǒng)和數(shù)字電能表校驗儀的工作原理。該校驗儀的準確度達到了0.05級，抗干擾性能好，能夠適應現(xiàn)場復雜的測試環(huán)境，并且具有很好的便攜性，能夠滿足常用數(shù)字電能表校驗的需要。

關鍵字： 數(shù)字化變電站； 數(shù)字電能表； 數(shù)字電能表校驗儀； IEC61850標準

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）13?0099?03

Design of a new check instrument for digital electric energy meter

ZHANG Ying1， QIN Tao2， CHENG Yu?shu1

（1. Measurement Center of Shanxi Electric Power Company， Taiyuan 030002， China； 2. Henan XJ Metering Co.， Ltd， Xuchang 461000， China）

Abstract： Since the working mode of traditional electric energy meter is different from that of the digital electric power meter， the calibration platform for traditional electric energy meter can not calibrate the digital power meter. Therefore， a new metrology?calibration device for digital electric power meter was designed. The working principles of digital electric power metrological system and digital electric power meter are introduced. The accuracy rate of the new calibrator reaches the level of 0.05， can fit the complex testing environment in spot and meet the requirements of digital electric power meter calibration， and has strong anti?interference capability and good portability.

Keywords： digital substation； digital electric energy meter； calibrator of digital electric energy meter； IEC61850 standard

0 引 言

隨著數(shù)字化技術不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的變電站自動化系統(tǒng)已無法滿足智能化電網(wǎng)發(fā)展的需要，數(shù)字化變電站將是繼綜合自動化技術后電力系統(tǒng)變電站建設的又一次革新，數(shù)字化變電站必將是變電站建設的趨勢[1]。它以變電站一、二次設備為數(shù)字化對象，以高速網(wǎng)絡通信平臺為基礎，通過對數(shù)字化信息進行標準化[2]，實現(xiàn)信息共享和互操作，并以網(wǎng)絡數(shù)據(jù)為基礎，實現(xiàn)測量監(jiān)視、控制保護、信息管理等自動化功能[3]。

數(shù)字化變電站中的電能計量系統(tǒng)和傳統(tǒng)的計量系統(tǒng)不同，它采用電子式互感器替代了電磁式互感器，將電壓、電流實時采樣功能前移到互感器中，在一次側將電壓、電流信號進行了數(shù)字化，然后通過光纖將數(shù)字化的電壓、電流信息傳輸?shù)胶喜卧?，合并單元按照IEC61850?9?1標準將電壓、電流信息組合后輸出數(shù)字信號幀到二次，為了適應這樣的變化，就需要在新的技術條件的基礎上設計一套符合數(shù)字變電站特點的數(shù)字化計量和檢測系統(tǒng)[4?5]。

1 數(shù)字化變電站

隨著智能電網(wǎng)技術突飛猛進地發(fā)展，傳統(tǒng)的變電站已經(jīng)不能適應智能電網(wǎng)發(fā)展的需要，未來智能變電站將廣泛地采用數(shù)字化變電站，例如，根據(jù)國家電網(wǎng)公司的電網(wǎng)規(guī)劃，在十二五期間將在全國至少建設110 kV及以上的數(shù)字化變電站6 000余座。數(shù)字化變電站是指變電站的信息采集、傳輸處理、輸出過程全部數(shù)字化，基本特征為設備智能化、通信網(wǎng)絡化、模型和通信協(xié)議統(tǒng)一化、運行管理自動化等[6]。

數(shù)字化變電站建設的關鍵是實現(xiàn)能滿足上述特征的通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)，并開發(fā)出相應的智能設備。相對于傳統(tǒng)變電站，智能變電站的一次設備采用數(shù)字輸出的電子式互感器等智能一次設備。一次設備和二次設備間用光纖傳輸數(shù)字編碼信息的方式交換采樣值、狀態(tài)量、控制命令等信息，取消了控制電纜等硬接線[7]，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)變電站和數(shù)字變電站

智能變電站技術的推廣，引發(fā)了電能計量技術的變革， 需要采用新的數(shù)字方式進行計量，數(shù)字計量方式由于采用光纖通道進行數(shù)字量的傳輸，不存在二次壓降以及模擬電能表的A/D采集誤差，大大減小了傳統(tǒng)計量二次回路誤差因素，因此，數(shù)字計量必將成為電能計量專業(yè)今后的發(fā)展方向[8]。

2 數(shù)字表電能計量系統(tǒng)

傳統(tǒng)計量系統(tǒng)由電磁式互感器、電能表通過電纜直接連接構成，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)電能表計量系統(tǒng)

數(shù)字電能計量系統(tǒng)是由電子式互感器、合并單元通過光纖連接構成，如圖3所示。

圖3 數(shù)字電能表計量系統(tǒng)

與傳統(tǒng)電能表不同，數(shù)字電能表的電量以數(shù)字信號的形式通過光纖以太網(wǎng)接口輸入，在傳輸?shù)倪^程中沒有附加誤差，數(shù)字電能表對接收到的數(shù)字信號直接進行數(shù)學運算，理論上也不會增加誤差。假設電壓、電流互感器為0.2級，線纜傳輸誤差 0.1%，傳統(tǒng)電能表為0.2級，可得傳統(tǒng)電能計量系統(tǒng)準確度為0.7%，數(shù)字電能計量系統(tǒng)的準確度[9]為 0.4%。由以上分析可知，與傳統(tǒng)的電能計量系統(tǒng)相比較，數(shù)字電能計量系統(tǒng)減小了測量誤差，提高了計量準確度。

數(shù)字電能表是由數(shù)字信號處理單元、中央處理器單元、通信單元、存儲單元和顯示單元等組成，如圖4所示。

數(shù)字電能表的工作原理：一次合并單元將采樣數(shù)據(jù)組織為IEC61850格式的數(shù)據(jù)幀傳輸給數(shù)字信號處理單元，數(shù)字信號處理單元對數(shù)據(jù)幀進行解析后得到計量采樣值，然后通過對采樣值進行積分和濾波運算后取得電壓、電流值，通過對采樣值進行乘積運算得到瞬時功率值，然后對瞬時功率進行積分運算得到一段時間內的電能。最后數(shù)字信號處理單元將這些數(shù)據(jù)傳給中央處理器單元，中央處理器單元對數(shù)據(jù)進行處理后生成電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、功率數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)等，然后傳遞給顯示單元、存儲單元、通信單元。同時中央處理單元作為整個系統(tǒng)的核心，負責處理通信、時鐘、按鍵、時鐘等單元傳來的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)按照軟件設定的邏輯進行響應，生成事件信息、控制信息等，并將這些信息傳遞給對應的單元。

圖4 數(shù)字電能表結構

數(shù)字電能表具有正向、反向有功電能量和四象限無功電能量計量功能，并可設置組合有功和無功電能量，具有分時計量功能，支持至少尖、峰、平、谷四個費率。至少能存儲上12個結算日的單向總電能和各費率電能數(shù)據(jù)，掉電過結算時間上電后能補全12個結算日電量數(shù)據(jù)。能夠進行定時凍結、瞬時凍結、日凍結、約定凍結和整點凍結，能夠記錄掉電、編程記錄、開表蓋、拉合閘、電源異常等時間，支持RS 485、紅外、光纖、以太網(wǎng)等通信方式。

數(shù)字電能表處理的信號為IEC61850格式的數(shù)字信號，在傳輸過程中不會出現(xiàn)誤差，但由于電能表內部處理器字長有限，在進行數(shù)值運算時會產(chǎn)生截斷誤差，另一方面電能計算算法是對連續(xù)域內的信號進行離散化處理后近似計算，會造成一定偏差，同時電網(wǎng)信號頻率波動、諧波及非同步采樣的影響也會導致計量裝置誤差[10]。因此，必須對數(shù)字電能表進行誤差校驗，但是由于數(shù)字電能表與傳統(tǒng)電能表工作方式的不同，導致傳統(tǒng)電能表校驗臺無法對數(shù)字電能表進行校驗工作，因此必須要重新設計新的電能計量校驗裝置。

3 數(shù)字電能表計量校驗系統(tǒng)

本文采用ARM+DSP架構，以高精度的A/D采樣芯片設計了一種數(shù)字電能表計量校驗裝置，它采用過采樣技術提高了采樣精度，并通過濾波器抑制了采樣信號的噪聲。同時對電源和采樣輸入采用光耦和壓敏電阻隔離措施，能夠適應測試現(xiàn)場的復雜干擾環(huán)境。

該校驗儀具備以下主要特點：

（1） 接口豐富，具有光纖以太網(wǎng)接口、RJ45接口、USB接口和RS 232接口等，能夠滿足不同設備的連接需要。

（2） 能夠在多種負荷模式下進行檢驗。

（3） 能夠在量傳模式下，采用傳統(tǒng)電能基準（如COM3000）進行精度校準和量值溯源。

（4） 能夠模擬通信延時、數(shù)據(jù)幀丟失等故障，以此來檢查數(shù)字電能表的通信容錯能力。

（5） 具有很強的可擴展性，能夠通過軟件升級來滿足未來數(shù)字電能表升級的需要。

（6） 采用了便攜性設計，方便在現(xiàn)場進行校驗工作。

該數(shù)字電能表校驗儀的工作原理如圖5所示，電腦通過一個RS 232口連接標準功率源用于自動輸出不同的檢定點功率，通過另一個RS 232口連接數(shù)字電能表校驗儀用于設置校驗儀的參數(shù)并讀取誤差數(shù)據(jù)。數(shù)字電能表校驗儀通過光纖或以太網(wǎng)口向數(shù)字電能表輸出不同檢定點的IEC61850格式的采樣數(shù)據(jù)幀，數(shù)字電能表對采樣數(shù)據(jù)計算后產(chǎn)生的脈沖輸出通過線纜回傳給數(shù)字電能表校驗儀，校驗儀比較后將誤差數(shù)據(jù)通過RS 232傳給電腦。

圖5 數(shù)字電能表校驗儀連接方式

同時該校驗儀在量傳模式下能夠通過更高精度的標準電能表（如COM3000）來檢驗它的精度是否符合要求，如圖6所示。

圖6 數(shù)字電能表校驗儀校準

電腦通過RS 232口控制標準功率源自動輸出不同的檢定點功率，標準功率源通過線纜分別連接數(shù)字電能表校驗儀和COM3000，并將COM3000的脈沖輸入連接到校驗儀的脈沖輸出，這樣就可以在不同的檢定點測試出數(shù)字電能表校驗儀的精度是否達到設計要求。

4 結 語

本文系統(tǒng)地闡述了數(shù)字化變電站的基本構造和運行方式，說明了數(shù)字電能表工作方式和原理，并對其對應的數(shù)字電能計量檢測系統(tǒng)和溯源原理進行了論述，在此基礎上設計了一種新的數(shù)字電能表校驗儀，經(jīng)測試該校驗儀的準確度達到了0.05級，抗干擾性能好，能夠適應現(xiàn)場復雜的測試環(huán)境，并且具有很好的便攜性，能夠滿足常用數(shù)字電能表校驗的需要。

參考文獻

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[10] 李娥英，陳浩，陳福勝，等.基于IEC61850的數(shù)字電能表檢定方法研究[J].湖南電力，2013（z1）：23?25.

數(shù)字電能表是由數(shù)字信號處理單元、中央處理器單元、通信單元、存儲單元和顯示單元等組成，如圖4所示。

數(shù)字電能表的工作原理：一次合并單元將采樣數(shù)據(jù)組織為IEC61850格式的數(shù)據(jù)幀傳輸給數(shù)字信號處理單元，數(shù)字信號處理單元對數(shù)據(jù)幀進行解析后得到計量采樣值，然后通過對采樣值進行積分和濾波運算后取得電壓、電流值，通過對采樣值進行乘積運算得到瞬時功率值，然后對瞬時功率進行積分運算得到一段時間內的電能。最后數(shù)字信號處理單元將這些數(shù)據(jù)傳給中央處理器單元，中央處理器單元對數(shù)據(jù)進行處理后生成電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、功率數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)等，然后傳遞給顯示單元、存儲單元、通信單元。同時中央處理單元作為整個系統(tǒng)的核心，負責處理通信、時鐘、按鍵、時鐘等單元傳來的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)按照軟件設定的邏輯進行響應，生成事件信息、控制信息等，并將這些信息傳遞給對應的單元。

圖4 數(shù)字電能表結構

數(shù)字電能表具有正向、反向有功電能量和四象限無功電能量計量功能，并可設置組合有功和無功電能量，具有分時計量功能，支持至少尖、峰、平、谷四個費率。至少能存儲上12個結算日的單向總電能和各費率電能數(shù)據(jù)，掉電過結算時間上電后能補全12個結算日電量數(shù)據(jù)。能夠進行定時凍結、瞬時凍結、日凍結、約定凍結和整點凍結，能夠記錄掉電、編程記錄、開表蓋、拉合閘、電源異常等時間，支持RS 485、紅外、光纖、以太網(wǎng)等通信方式。

數(shù)字電能表處理的信號為IEC61850格式的數(shù)字信號，在傳輸過程中不會出現(xiàn)誤差，但由于電能表內部處理器字長有限，在進行數(shù)值運算時會產(chǎn)生截斷誤差，另一方面電能計算算法是對連續(xù)域內的信號進行離散化處理后近似計算，會造成一定偏差，同時電網(wǎng)信號頻率波動、諧波及非同步采樣的影響也會導致計量裝置誤差[10]。因此，必須對數(shù)字電能表進行誤差校驗，但是由于數(shù)字電能表與傳統(tǒng)電能表工作方式的不同，導致傳統(tǒng)電能表校驗臺無法對數(shù)字電能表進行校驗工作，因此必須要重新設計新的電能計量校驗裝置。

3 數(shù)字電能表計量校驗系統(tǒng)

本文采用ARM+DSP架構，以高精度的A/D采樣芯片設計了一種數(shù)字電能表計量校驗裝置，它采用過采樣技術提高了采樣精度，并通過濾波器抑制了采樣信號的噪聲。同時對電源和采樣輸入采用光耦和壓敏電阻隔離措施，能夠適應測試現(xiàn)場的復雜干擾環(huán)境。

該校驗儀具備以下主要特點：

（1） 接口豐富，具有光纖以太網(wǎng)接口、RJ45接口、USB接口和RS 232接口等，能夠滿足不同設備的連接需要。

（2） 能夠在多種負荷模式下進行檢驗。

（3） 能夠在量傳模式下，采用傳統(tǒng)電能基準（如COM3000）進行精度校準和量值溯源。

（4） 能夠模擬通信延時、數(shù)據(jù)幀丟失等故障，以此來檢查數(shù)字電能表的通信容錯能力。

（5） 具有很強的可擴展性，能夠通過軟件升級來滿足未來數(shù)字電能表升級的需要。

（6） 采用了便攜性設計，方便在現(xiàn)場進行校驗工作。

該數(shù)字電能表校驗儀的工作原理如圖5所示，電腦通過一個RS 232口連接標準功率源用于自動輸出不同的檢定點功率，通過另一個RS 232口連接數(shù)字電能表校驗儀用于設置校驗儀的參數(shù)并讀取誤差數(shù)據(jù)。數(shù)字電能表校驗儀通過光纖或以太網(wǎng)口向數(shù)字電能表輸出不同檢定點的IEC61850格式的采樣數(shù)據(jù)幀，數(shù)字電能表對采樣數(shù)據(jù)計算后產(chǎn)生的脈沖輸出通過線纜回傳給數(shù)字電能表校驗儀，校驗儀比較后將誤差數(shù)據(jù)通過RS 232傳給電腦。

圖5 數(shù)字電能表校驗儀連接方式

同時該校驗儀在量傳模式下能夠通過更高精度的標準電能表（如COM3000）來檢驗它的精度是否符合要求，如圖6所示。

圖6 數(shù)字電能表校驗儀校準

電腦通過RS 232口控制標準功率源自動輸出不同的檢定點功率，標準功率源通過線纜分別連接數(shù)字電能表校驗儀和COM3000，并將COM3000的脈沖輸入連接到校驗儀的脈沖輸出，這樣就可以在不同的檢定點測試出數(shù)字電能表校驗儀的精度是否達到設計要求。

4 結 語

本文系統(tǒng)地闡述了數(shù)字化變電站的基本構造和運行方式，說明了數(shù)字電能表工作方式和原理，并對其對應的數(shù)字電能計量檢測系統(tǒng)和溯源原理進行了論述，在此基礎上設計了一種新的數(shù)字電能表校驗儀，經(jīng)測試該校驗儀的準確度達到了0.05級，抗干擾性能好，能夠適應現(xiàn)場復雜的測試環(huán)境，并且具有很好的便攜性，能夠滿足常用數(shù)字電能表校驗的需要。

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[5] 陳應林，黃德祥.數(shù)字式電能計量系統(tǒng)及檢定裝置設計[J].電力自動化設備，2009（4）：114?117.

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[10] 李娥英，陳浩，陳福勝，等.基于IEC61850的數(shù)字電能表檢定方法研究[J].湖南電力，2013（z1）：23?25.

數(shù)字電能表是由數(shù)字信號處理單元、中央處理器單元、通信單元、存儲單元和顯示單元等組成，如圖4所示。

數(shù)字電能表的工作原理：一次合并單元將采樣數(shù)據(jù)組織為IEC61850格式的數(shù)據(jù)幀傳輸給數(shù)字信號處理單元，數(shù)字信號處理單元對數(shù)據(jù)幀進行解析后得到計量采樣值，然后通過對采樣值進行積分和濾波運算后取得電壓、電流值，通過對采樣值進行乘積運算得到瞬時功率值，然后對瞬時功率進行積分運算得到一段時間內的電能。最后數(shù)字信號處理單元將這些數(shù)據(jù)傳給中央處理器單元，中央處理器單元對數(shù)據(jù)進行處理后生成電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、功率數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)等，然后傳遞給顯示單元、存儲單元、通信單元。同時中央處理單元作為整個系統(tǒng)的核心，負責處理通信、時鐘、按鍵、時鐘等單元傳來的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)按照軟件設定的邏輯進行響應，生成事件信息、控制信息等，并將這些信息傳遞給對應的單元。

圖4 數(shù)字電能表結構

數(shù)字電能表具有正向、反向有功電能量和四象限無功電能量計量功能，并可設置組合有功和無功電能量，具有分時計量功能，支持至少尖、峰、平、谷四個費率。至少能存儲上12個結算日的單向總電能和各費率電能數(shù)據(jù)，掉電過結算時間上電后能補全12個結算日電量數(shù)據(jù)。能夠進行定時凍結、瞬時凍結、日凍結、約定凍結和整點凍結，能夠記錄掉電、編程記錄、開表蓋、拉合閘、電源異常等時間，支持RS 485、紅外、光纖、以太網(wǎng)等通信方式。

數(shù)字電能表處理的信號為IEC61850格式的數(shù)字信號，在傳輸過程中不會出現(xiàn)誤差，但由于電能表內部處理器字長有限，在進行數(shù)值運算時會產(chǎn)生截斷誤差，另一方面電能計算算法是對連續(xù)域內的信號進行離散化處理后近似計算，會造成一定偏差，同時電網(wǎng)信號頻率波動、諧波及非同步采樣的影響也會導致計量裝置誤差[10]。因此，必須對數(shù)字電能表進行誤差校驗，但是由于數(shù)字電能表與傳統(tǒng)電能表工作方式的不同，導致傳統(tǒng)電能表校驗臺無法對數(shù)字電能表進行校驗工作，因此必須要重新設計新的電能計量校驗裝置。

3 數(shù)字電能表計量校驗系統(tǒng)

本文采用ARM+DSP架構，以高精度的A/D采樣芯片設計了一種數(shù)字電能表計量校驗裝置，它采用過采樣技術提高了采樣精度，并通過濾波器抑制了采樣信號的噪聲。同時對電源和采樣輸入采用光耦和壓敏電阻隔離措施，能夠適應測試現(xiàn)場的復雜干擾環(huán)境。

該校驗儀具備以下主要特點：

（1） 接口豐富，具有光纖以太網(wǎng)接口、RJ45接口、USB接口和RS 232接口等，能夠滿足不同設備的連接需要。

（2） 能夠在多種負荷模式下進行檢驗。

（3） 能夠在量傳模式下，采用傳統(tǒng)電能基準（如COM3000）進行精度校準和量值溯源。

（4） 能夠模擬通信延時、數(shù)據(jù)幀丟失等故障，以此來檢查數(shù)字電能表的通信容錯能力。

（5） 具有很強的可擴展性，能夠通過軟件升級來滿足未來數(shù)字電能表升級的需要。

（6） 采用了便攜性設計，方便在現(xiàn)場進行校驗工作。

該數(shù)字電能表校驗儀的工作原理如圖5所示，電腦通過一個RS 232口連接標準功率源用于自動輸出不同的檢定點功率，通過另一個RS 232口連接數(shù)字電能表校驗儀用于設置校驗儀的參數(shù)并讀取誤差數(shù)據(jù)。數(shù)字電能表校驗儀通過光纖或以太網(wǎng)口向數(shù)字電能表輸出不同檢定點的IEC61850格式的采樣數(shù)據(jù)幀，數(shù)字電能表對采樣數(shù)據(jù)計算后產(chǎn)生的脈沖輸出通過線纜回傳給數(shù)字電能表校驗儀，校驗儀比較后將誤差數(shù)據(jù)通過RS 232傳給電腦。

圖5 數(shù)字電能表校驗儀連接方式

同時該校驗儀在量傳模式下能夠通過更高精度的標準電能表（如COM3000）來檢驗它的精度是否符合要求，如圖6所示。

圖6 數(shù)字電能表校驗儀校準

電腦通過RS 232口控制標準功率源自動輸出不同的檢定點功率，標準功率源通過線纜分別連接數(shù)字電能表校驗儀和COM3000，并將COM3000的脈沖輸入連接到校驗儀的脈沖輸出，這樣就可以在不同的檢定點測試出數(shù)字電能表校驗儀的精度是否達到設計要求。

4 結 語

本文系統(tǒng)地闡述了數(shù)字化變電站的基本構造和運行方式，說明了數(shù)字電能表工作方式和原理，并對其對應的數(shù)字電能計量檢測系統(tǒng)和溯源原理進行了論述，在此基礎上設計了一種新的數(shù)字電能表校驗儀，經(jīng)測試該校驗儀的準確度達到了0.05級，抗干擾性能好，能夠適應現(xiàn)場復雜的測試環(huán)境，并且具有很好的便攜性，能夠滿足常用數(shù)字電能表校驗的需要。

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