唐登平，李俊，鄭欣，夏天，向鑫，李紅斌

(1.國網(wǎng)湖北電力公司計量中心，武漢 430018； 2.華中科技大學(xué)，武漢 430074)

0 引 言

近年來，數(shù)字化電能表以其穩(wěn)定度高、誤差小的優(yōu)點在現(xiàn)代化智能變電站的建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。數(shù)字電能表從合并單元接收IEC 61850協(xié)議采樣數(shù)據(jù)進行電能計量，與自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣模塊、接收二次側(cè)模擬信號的傳統(tǒng)電能表在結(jié)構(gòu)上有本質(zhì)性區(qū)別[4]，這使得基于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電能表的現(xiàn)場在線校驗方法已不再適用，有必要研制標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表進行數(shù)字化電能表現(xiàn)場在線校驗。

對0.2級數(shù)字化電能表進行現(xiàn)場校驗，需要在不斷電的情況下在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)高精度校驗，這需要標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表實現(xiàn)0.05級電能計量精度同時輸出10 kHz以上的高頻電能脈沖[5]。但是，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表前端采樣系統(tǒng)常用的4 kHz采樣頻率、250 μs數(shù)據(jù)傳輸間隔、逐次比較型采樣原理[6]，限制了標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖的有效輸出頻率、采樣值數(shù)據(jù)處理和電能計算的時間以及電能算法的電能計量精度，從而影響現(xiàn)場校驗準(zhǔn)確度的提升。

文中研制了一種能夠用于數(shù)字化電能表現(xiàn)場在線校驗系統(tǒng)的高性能標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表。通過高精度分頻脈沖技術(shù)實現(xiàn)，以實時DSP系統(tǒng)為核心，研制的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表的電能計量準(zhǔn)確度高、實時性好、可靠性強，能夠保證數(shù)字化電能表現(xiàn)場校驗的準(zhǔn)確、快速、可靠進行。

1 原理

基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表的數(shù)字化電能表現(xiàn)場在線校驗原理圖如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表需要接收現(xiàn)場合并單元發(fā)送的IEC 61850協(xié)議數(shù)據(jù)，進行精確電能計算，同時輸出高頻次標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖[7]。

圖1 數(shù)字化電能表在線校驗原理圖

作為一種應(yīng)用于現(xiàn)場校驗的標(biāo)準(zhǔn)電能計量裝置，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表需要具備比普通數(shù)字化電能表更高的性能：需要有更高的復(fù)雜負(fù)荷電能計量準(zhǔn)確度和現(xiàn)場可靠性；輸出的標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖需要能夠準(zhǔn)確響應(yīng)現(xiàn)場動態(tài)負(fù)荷的實時變化和較高的校驗精度；設(shè)計時需要綜合考慮準(zhǔn)確度、校驗可操作性、校驗人力時間成本之間的合理性。但是，現(xiàn)場在線校驗中，數(shù)字化電能表的實際運行環(huán)境給標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表的性能提升提出了挑戰(zhàn)，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

(1)采樣頻率限制。

在電能計量過程中，數(shù)字化電能表以采樣時間間隔對電能進行累計，電能表輸出的固定脈沖數(shù)表示的電能與實際的電能之間的主要誤差為脈沖計數(shù)溢出誤差，其值為采樣間隔瞬時累計三相電能量與計量的總電能量之間的比值，為:

(1)

式中P為三相電能功率；Δt為采樣間隔時間；t為電能計量總時間；從式(1)可以看出，溢出誤差大小與采樣頻率有關(guān)，采樣頻率越小，則采樣間隔時間Δt越長，電能計量的溢出誤差越大。

與此同時，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖進行電能表校驗時，校驗系統(tǒng)最大電能累計誤差為一個電能脈沖所表示的電能，當(dāng)輸出的電能脈沖頻率越高，系統(tǒng)校驗精度將會越高，達到固定校驗精度所需的校驗時間也將越短。

數(shù)字化電能計量系統(tǒng)的前端采樣系統(tǒng)通常采用4 kHz，標(biāo)準(zhǔn)化電能表接收采樣數(shù)據(jù)輸出電能脈沖的溢出誤差受到采樣頻率限制，使用其進行校驗時校驗的精度和時間均受到限制，提升標(biāo)準(zhǔn)化電能表輸出的電能脈沖頻率無法再提升校驗精度，即標(biāo)準(zhǔn)化電能表輸出的電能脈沖有效頻率也被限制在4 kHz，難以達到0.05級以上的標(biāo)準(zhǔn)電能表額定功率下脈沖輸出頻率不小于10 kHz的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)處理時間和算法限制。

不同于傳統(tǒng)電能表集成采樣系統(tǒng)，數(shù)字化電能表得到采樣值數(shù)據(jù)需要通過IEC 61850通信協(xié)議，因此標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表既需要在250 μs時間內(nèi)快速完成對網(wǎng)口數(shù)據(jù)的接收、對協(xié)議的解析和對電能的計算，又需要保證電能計量的準(zhǔn)確性和高頻脈沖輸出的實時性。

同時，相比于傳統(tǒng)電能表，數(shù)字化電能表達到高精度的電能計量對電能算法的要求更高。為取得高準(zhǔn)確度的電能計量精度，傳統(tǒng)電能表往往集成Σ-Δ采樣原理的高頻率采樣設(shè)備，相當(dāng)于電能計算之前先對采樣序列進行高階插值積分，使用點積和算法就能獲得很高的電能計量精度[8-9]。數(shù)字化電能表的前端采樣設(shè)備通常采用逐次比較型原理，使用點積和算法只有一階代數(shù)精度，對現(xiàn)場復(fù)雜負(fù)荷的電能計量精度難以保證；使用快速傅里葉變換等復(fù)雜電能算法需要對較長時間的采樣數(shù)據(jù)列進行處理[10]，計算量大的同時，電能計算、電能脈沖輸出和數(shù)據(jù)采集之間存在延時，電能計量的實時性較低。

根據(jù)上述特點，文章研制了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表。該標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表由光電轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)包接收解碼模塊、DSP三相電能計量模塊、定時分頻脈沖輸出模塊和電能存儲顯示模塊組成，如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表結(jié)構(gòu)框圖

該裝置中，光電轉(zhuǎn)換模塊完成IEC 61850協(xié)議采樣值數(shù)據(jù)從光纖信號到電信號的高精度解碼轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)接收解碼模塊對采樣值數(shù)據(jù)包進行解析，提取有效的采樣值數(shù)據(jù)進行高精度實時電能計算；定時分頻模塊通過高精度分頻技術(shù)實現(xiàn)高頻次脈沖輸出；電能存儲顯示模塊對歷史電能進行累計，并定時刷新顯示。該數(shù)字化電能表具有如下特點：

(1)高精度分頻脈沖輸出技術(shù)。對采樣值數(shù)據(jù)進行插值細(xì)化重采樣，再將電能脈沖分頻輸出，提高了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表輸出脈沖的有效頻率，校驗時，校驗的精度得到提高，校驗時間縮短；

(2)基于高性能DSP實時處理。以快速的處理能力和高速的響應(yīng)速度保證高頻次脈沖輸出在采樣間隔內(nèi)的準(zhǔn)確、實時、可靠進行；

(3)插值重采樣點積和電能計算。為高精度分頻脈沖輸出技術(shù)提供重采樣的基礎(chǔ)，同時，提升復(fù)雜負(fù)荷的電能計量準(zhǔn)確度，抑制電網(wǎng)負(fù)荷中的隨機噪聲成分。

2 實現(xiàn)

高精度分頻脈沖輸出技術(shù)是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表的核心，通過高性能實時DSP系統(tǒng)和插值重采樣點積和電能計量算法為高精度分頻脈沖輸出技術(shù)提供硬件和算法上的支撐，同時用插值重采樣點積和算法保證復(fù)雜負(fù)荷的電能計量精度。

2.1 高精度分頻脈沖輸出技術(shù)

為實現(xiàn)高精度分頻脈沖輸出，對采樣值數(shù)據(jù)進行了三次細(xì)化，參與計算的采樣值間隔Δt時間變?yōu)樵蓸娱g隔的四分之一，從公式(1)可知，誤差縮小為原來的四分之一，從而額定工況最大有效脈沖輸出頻率提高到前端采樣系統(tǒng)采樣頻率的四倍，即16 kHz，在達到0.05級標(biāo)準(zhǔn)電能表脈沖輸出頻率和保證裕度的同時，節(jié)省運算時間，保證電能計量的準(zhǔn)確性和實時性。高精度分頻脈沖輸出技術(shù)的工作原理如圖3所示。

實現(xiàn)過程為：當(dāng)電能表接收到一個IEC 61850協(xié)議數(shù)據(jù)包后，DSP一方面控制CPU進行數(shù)據(jù)包解析和電能計算，以四分之一采樣時間間隔對瞬時的重采樣后的采樣電能值進行計算并累加，當(dāng)電能累加量超過設(shè)定的閾值后，將對應(yīng)脈沖的標(biāo)志位置為有效，并將累加量減去一個脈沖當(dāng)量的電能值；另一方面，DSP在接收數(shù)據(jù)包的同時產(chǎn)生中斷觸發(fā)定時分頻功能，每定時四分之一個采樣時間間隔后，校驗相應(yīng)的標(biāo)志位，當(dāng)標(biāo)志位有效則觸發(fā)一個電能脈沖輸出后繼續(xù)定時，直至將一個完整的采樣周期四等分。精準(zhǔn)分頻技術(shù)將采樣數(shù)據(jù)與采樣間隔均勻四等分，保證電能脈沖輸出的準(zhǔn)確性、實時性。

圖3 高精度分頻脈沖輸出

2.2 電能計量算法

文章充分兼顧現(xiàn)場電能計量的準(zhǔn)確性與實時性需求，提出了插值重采樣點積和的算法。算法原理如下：

首先對采樣值序列三階插值細(xì)化，以電壓采樣序列為例：對于任意連續(xù)的采樣值序列中的采樣點i，利用與之相鄰的三個連續(xù)采樣點i-3,i-2,i-1，使用式(2)進行在i和i+1之間進行三次等間隔插值，得到四個新的采樣點，然后利用式(3)的點積和算法對新的采樣序列進行電能計算。

(2)

(3)

式中Δt′插值后新序列采樣點間的間隔時間，取值為原采樣間隔時間Δt的四分之一；N′為插值后新序列采樣點個數(shù)。

對采樣值序列三階插值細(xì)化這一過程相當(dāng)于將原有采樣序列重采樣，重采樣的頻率是原有采樣頻率的四倍，根據(jù)插值的原理，重采樣的時刻和時鐘定時分頻的時間恰好能一一對應(yīng)，為分頻脈沖輸出技術(shù)的高精度實現(xiàn)提供基礎(chǔ)。同時插值細(xì)化使得動態(tài)變化的負(fù)荷的采樣能力提升，而且插值過程實際上是對一段采樣間隔內(nèi)的數(shù)據(jù)加權(quán)求和，信號中的隨機噪聲成分大多呈高斯分布，在求和的過程中相互削弱，隨機誤差得到抑制。

對上述算法進行仿真，首先通過不同頻率的正弦函數(shù)模擬基波和諧波、通過隨機數(shù)生成函數(shù)模擬時域上相互獨立的隨機噪聲，再使用疊加方法將上述函數(shù)疊加生成電壓電流信號函數(shù)，然后用4 kHz頻率將函數(shù)在時域上離散化，再將離散的數(shù)據(jù)點作為算法的輸入，將電能算法計算出的電能值與輸入函數(shù)所代表的理論電能值比較。

諧波仿真分別在基波電壓、電流的基礎(chǔ)上依次疊加5%基波含量的2～13次諧波和直流分量，取10次電能仿真計算誤差的最大值，結(jié)果如表1所示。

間諧波仿真，在基波電流的基礎(chǔ)上依次疊加5%基波含量的0.25倍～4.75倍基波頻率的諧波，計算總電能的計量誤差，結(jié)果如表2所示。

頻率影響量仿真在50±1 Hz內(nèi)調(diào)整輸入電壓、電流函數(shù)的頻率，取10次電能仿真計算誤差的最大值，結(jié)果如表3所示。

噪聲仿真在工頻信號分別疊加30 dB～50 dB高斯噪聲，取50次獨立試驗的最大誤差，仿真結(jié)果如表4所示。

表1 算法諧波仿真

表2 算法間諧波仿真

表3 算法頻率影響仿真

表4 算法噪聲仿真

2.3 高性能實時DSP系統(tǒng)

高精度分頻脈沖輸出和電能算法都對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表的處理能力和可靠性提出了更高的要求。文章基于32位高性能浮點DSP系統(tǒng)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表。裝置的硬件系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 基于DSP的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表硬件結(jié)構(gòu)

其中DSP系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表的核心，采用硬件一體化設(shè)計，由DSP統(tǒng)一協(xié)調(diào)IEC 61850協(xié)議數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析、實時電能計算、高精度高頻電能脈沖輸出等功能，避免多進行芯片級聯(lián)帶來的系統(tǒng)可靠性降低。主系統(tǒng)采用6層板工業(yè)設(shè)計，發(fā)熱量小、溫度范圍寬、抗電磁干擾能力強，并通過電源濾波器和線性穩(wěn)壓直流電源保證供電的穩(wěn)定性。

(1)接收、解析數(shù)據(jù)包。

IEC 61850協(xié)議數(shù)據(jù)通過10 M/100 M以太網(wǎng)控制器連接到DSP系統(tǒng)，地址匹配系統(tǒng)會過濾無效數(shù)據(jù)包，并將有效數(shù)據(jù)高速收入到EMAC緩存區(qū)并產(chǎn)生中斷，DSP的CPU在納秒內(nèi)響應(yīng)中斷，讀取數(shù)據(jù)并解析，同時觸發(fā)定時器定時。數(shù)據(jù)包接收時，直接通過高速底層通信協(xié)議進行，避免了常用的通信協(xié)議層與層之間頻繁數(shù)據(jù)交換帶來的誤碼和時延，再依托高性能數(shù)字信號處理能力，實時DSP系統(tǒng)能夠在30 μs內(nèi)完成數(shù)據(jù)包的準(zhǔn)確接收和解析。

(2)數(shù)據(jù)運算。

DSP的CPU通過智能算法，判定IEC 61850協(xié)議數(shù)據(jù)包的標(biāo)志信息，對重復(fù)數(shù)據(jù)包進行舍棄，對丟失數(shù)據(jù)包進行線性插值補償；使用集成的硬件乘法器對采樣值數(shù)據(jù)進行高速計算。數(shù)字信號處理采用456 MHz工作主頻，具有高速的數(shù)字信號處理能力，能在5 μs內(nèi)完成一個采樣點的電能計量；數(shù)據(jù)采用32位高精度浮點計算，數(shù)字信號運算精度高，截斷誤差小。

(3)脈沖輸出。

計時觸發(fā)的準(zhǔn)時性、脈沖輸出時刻的精確性是高精度分頻脈沖輸出技術(shù)的關(guān)鍵。文章通過分配多優(yōu)先級別的DSP中斷系統(tǒng)，實現(xiàn)優(yōu)先級：數(shù)據(jù)接收中斷>定時觸發(fā)中斷>定時器中斷>脈沖輸出中斷，并將中斷響應(yīng)時間和定時誤差控制在納秒級。

3 試驗結(jié)果與分析

(1)誤差測試項目及方法[11-13]。

基本誤差試驗：在額定電壓下，分別在功率因數(shù)1/0.5 L/0.8 C下進行電流波動為0.1In～1.2In的誤差試驗。

電壓影響量試驗：在額定電流下、功率因數(shù)為1條件下，進行電壓波動為0.9Un～1.1Un的誤差試驗。

頻率影響量實驗：功率因數(shù)為1條件下，做頻率波動為49 Hz～51 Hz誤差影響試驗。

逆相序試驗：在功率因數(shù)為1條件下，改變?nèi)嚯妷弘娏飨嘈?，測試誤差。

電壓不平衡試驗：在額定電流，功率因數(shù)為1條件下，分別進行單相失壓和雙相失壓下的誤差試驗。

5次諧波試驗，在基波電壓為Un、電流為0.5Imax的基礎(chǔ)上分別疊加0.1倍基波電壓和0.4倍基波電流的5次諧波，進行誤差試驗。

間諧波試驗：在額定電壓下，通過特定波形電流產(chǎn)生基波與間諧波相疊加的效果，即輸入波形為兩周期In與兩周期0.5In交替循環(huán)的電流[12]，進行間諧波誤差試驗。

(2)測試1

借助某0.01級不確定度的數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)源和標(biāo)準(zhǔn)脈沖計數(shù)、計時裝置，使用瓦秒法[11]對該標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表進行誤差測試。測試系統(tǒng)框圖如圖5所示，脈沖計數(shù)裝置計量被校標(biāo)準(zhǔn)表輸出的固定脈沖數(shù)目，標(biāo)準(zhǔn)計時裝置測量收到這些脈沖數(shù)所用的時間，誤差計算模塊可以根據(jù)脈沖數(shù)和計時時間計算被校表輸出的功率，再與數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)源的標(biāo)準(zhǔn)功率比較得出誤差。每組校驗項目的各測試點分別測試10次，取電能計量誤差的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，測試結(jié)果如表5所示。

序號測試項目平均誤差/%誤差標(biāo)準(zhǔn)差1基本誤差試驗0.002 74.5×10-52電壓影響量試驗0.009 22.2×10-53頻率影響量試驗-0.000 61.0×10-64逆相序試驗-0.000 51.0×10-65電壓不平衡試驗 0.001 92.3×10-565次諧波試驗0.000 97.3×10-57間諧波試驗0.0254.3×10-5

(3)測試2

使用該標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表和標(biāo)準(zhǔn)脈沖計數(shù)裝置，對某0.2級數(shù)字化電能表進行誤差測試結(jié)果校驗，與同一時間使用某一經(jīng)過國家標(biāo)準(zhǔn)檢定的0.05級數(shù)字化電能表校驗系統(tǒng)的校驗結(jié)果進行比對，試驗框圖如圖6所示，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源生成IEC 61850協(xié)議數(shù)據(jù)供被校數(shù)字化電能表、數(shù)字電能表校驗裝置、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表使用，誤差計算模塊通過比較被校數(shù)字化電能表輸出的低頻脈沖和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表輸出的高頻脈沖得出校驗誤差，再與同步控制狀態(tài)下的數(shù)字化電能表校驗系統(tǒng)的校驗結(jié)果比較。每個測試項目的各測試點分別測試10次，分別求兩種校驗在各測試項目下測試結(jié)果的平均值。測試結(jié)果如表6所示。

由測試結(jié)果可以看出，文章研制的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表，在標(biāo)準(zhǔn)要求的各數(shù)字化電能表校驗項目中，電能計量誤差均不超過0.03%；使用該標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表對0.2級電能表進行校驗，與相同測試條件下0.05級數(shù)字化電能能表校驗系統(tǒng)的校驗結(jié)果高度一致，校驗結(jié)果間差值不超過0.01%。

圖6 數(shù)字化電能表校驗結(jié)果比較試驗框圖

序號測試項目標(biāo)準(zhǔn)電能表校驗誤差σ1(%)校驗系統(tǒng)校驗誤差σ2(%)σ1-σ2(%)1基本誤差試驗0.015 10.016 4-0.001 32電壓影響量試驗0.016 20.016 00.000 23頻率影響量試驗0.016 70.016 5 0.000 24逆相序試驗0.012 6 0.016 5 -0.003 95電壓不平衡試驗0.017 60.016 40.001 265次諧波試驗0.015 10.016 9 -0.001 8

4 結(jié)束語

(1)分析了數(shù)字化電能計量特點對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能研制提出的高性能要求，并基于高性能DSP實時系統(tǒng)研制了高頻次脈沖輸出頻率的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表；

(2)測試結(jié)果表明：該裝置的電能計量誤差不超過0.03%。使用該裝置對數(shù)字化電能表進行校驗，與某0.05級的數(shù)字化電能表校驗系統(tǒng)的校驗結(jié)果間差值不超過0.01%；

(3)研制的裝置可應(yīng)用于數(shù)字化電能表現(xiàn)場在線校驗，對數(shù)字化電能表在現(xiàn)場實負(fù)荷下的計量性能監(jiān)測和運行狀態(tài)評估具有重要意義。在今后的研究中，將進一步驗證該裝置在現(xiàn)場條件下的運行特性。