數字化電能表在數字化變電站中的應用

馮小麗 ，李 盼，李旭東，王軍凱，劉 東

（1.西儀集團有限責任公司 陜西 西安 710082；2.西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054；3.河南省登封市電業局 河南 登封 452470）

隨著我國電力市場的建立和完善，電廠、電網內部的運營機制和管理模式正在發生著深刻的變化，能源價格的不斷上漲，利益各方都對電能計量管理給予了高度重視，對電度表計量的準確性提出了更高的要求。電子式互感器的應用，是數字化變電站的主要技術特征之一，它使電壓、電流等電氣量的采集實現了數字化，為完成常規變電站由裝置冗余向信息冗余的轉變以及信息集成化應用提供了基礎。它與傳統的電磁式互感器相比，具有如下優點：1）絕緣結構簡單，造價低；2）不含鐵心，消除了CT飽和、鐵磁諧振等問題；3）抗電磁干擾性能好，低壓側無開路高壓的危險；4）動態范圍大，測量精度高；5）頻率響應范圍寬，可達到1 MHz；6）沒有因充油而導致易燃、易爆等危險；7）體積小，重量輕；8）提供采樣值數字量輸出。電子式互感器作為數字化電能表的基本組成部分，數字化電能表的應用，它使電壓、電流等電氣量的采集實現了數字化，為變電站電能管理系統開啟了全數字時代。

1 數字化電能表原理

數字式電能表的電量輸入采用數字接口，遵循IEC61850標準，在物理層上采用高速光纖以太網，可以和電子式互感器實現真正意義上的無縫連接。底層操作系統大多采用嵌入式實時操作系統（RTOS），利用其良好的可靠性和卓越的實時性以及可裁剪性，可以方便實現電能表的各種功能。

2 數字化電能表的關鍵技術

為了實現電能計量，需要通過數據采集將各種信息讀出，以便實現對各種電能信息的管理和分析。電能表讀取電流、電壓采樣值之后，采用基于傅立葉變換的算法（FFT）進行有功、無功電能計算。

2.1 數據同步采集

合并單元是對來自電子式互感器的電流和/或電壓采樣值數據進行時間相關組合的物理單元。合并單元接入了多個電子式互感器分散采樣并用數字輸出的信號，因此它需要完成電子式互感器同步采樣的功能。電子式互感器同步采樣是指在不同的采樣地點同時開始采樣，使不同互感器采樣點的采樣結果在時間上具有同步性。采樣同步的方法主要有2種：1）全球定位系統（GPS）秒脈沖信號同步采樣；2）角度調整的插值法。上述2種方法可結合使用，以達到較高的精度和可靠性。合并單元為變電站過程層數據的共享和集成應用提供了解決方案，是數字化變電站的重要組成部分之一。電子式互感器、合并單元和二次保護控制設備之間的連接關系如圖1所示。

圖1 電子式互感器、合并單元和二次保護控制設備的連接Fig.1 Connections among electric transformer,merging unit and protection&bay controller

電子式互感器與合并單元之間的采樣值數字信號傳輸依賴于傳感器特性，采用專用光纖通信鏈路，沒有統一的公用通信標準，是以各廠家約定的私有通信協議來進行的。如西安同維的無源磁光玻璃型電子式電流互感器（ECT）與國電南瑞的合并單元裝置（MU）之間采用以下數據通信方式：

物理鏈路：采用1對2根850μm多模光纖，物理接頭方式為FC接頭，其中1根由MU至ECT，發送同步采樣脈沖，另1根由ECT至MU，發送ECT數據。

物理層：采用異步數據流（不采用Manchester碼），遵從UART方式進行通信，采用典型的11位（1個起始位、8位數據、1個奇偶校驗位和1個停止位，起始位為0，停止位為1）。空位是二進制1，兩幀之間應傳輸填充空位Bit。

鏈路層幀格式：起始符（2字節）+數據（4字節）+狀態（1字節）+幀校驗（1字節），合計8字節。幀校驗采用簡單CRC奇校驗和。

2.2 離散信號處理

在實際信號分析過程中，沒法得到離散信號，都是通過采樣的方式得到一系列的離散值。因此，為了能夠進行數字計算就會用到有限離散傅立葉變換。DFT是連續傅立葉變換的離散形式。模擬信號的連續時間傅立葉變換可以表示為：

x（t）經抽樣后變為x（nT），T為抽樣周期。 離散信號x（nT）的傅立葉變換可以表示為：

2.3 FFT算法

直接用離散傅立葉變換（DFT）進行諧波分析計算，需要進行N2次復數乘法運算，而且還要作N（N-1）算數加法運算。因此，對于大的N值，運算工作量將是相當大的，電力系統諧波分析大多是用FFT算法。快速傅立葉變換（FFT）算法[6]將長序列的DFT分解為短序列的DFT。N點的DFT先分解為2個N/2點的DFT，每個N/2點的DFT又可分解為2個N/4的DFT，等等。最小變換的點數即所謂的“基數”。因此，基數為2的FFT算法的最小變換（或稱碟形）是2點的DFT。

2.4 諧波功率的算法

1）單相有功功率的計算方法 電路中所稱的有功功率，一般是指平均有功功率，其定義為：

由該定義式，同樣可以導出有功功率的兩種不同算法。直接把公式（3）離散化，用離散求和的方法代替積分運算，可得：

雙通道模擬開關選擇同一相同一時刻規格化的電壓、電流信號分別送兩路A/D轉化為同一時刻的電壓、電流瞬時數字量，進行相乘累加。

2）三相有功功率測量方法 雙通道模擬開關依序將A、B、C相電壓、電流信號分別送兩路A/D轉化為同一時刻的電壓、電流瞬時數字量，進行相乘累加。由于各相信號的采樣轉化的時間間隔大概有10 μs，所以采樣時間差引起的相位差可以忽略不計。

據三相功率公式：

3 誤差分析

電氣的準確度是衡量測量特性的主要指標。電子式電氣測量系統的測量誤差主要分為系統誤差和隨機誤差，他們存在于系統的各個環節中。隨機誤差指服從大多數統計分布規律的誤差，產生原因為許多影響量的總和，一般用統計規律來描述。電能表的測量誤差主要來自兩個方面，硬件電路本身產生的誤差和軟件誤差（即算法誤差）。硬件誤差主要是傳感器、放大電路、AD轉換電路、DSP電路產生的誤差；程序算法的誤差主要是FFT轉換和采集所產生的誤差。對于一個由多個環節串聯而成的系統，它的相對誤差a為各個環節相對誤差之和。

系統的總相對誤差應為式（6）所示。

其中：a1為傳感器相對誤差；a2為放大器相對誤差；a3為AD轉換器相對誤差；a4為DSP數據處理相對誤差。

對于諧波測量[7]，為了保證諧波測量精度，使測量的電壓和電流信號不失真，對PT和CT要求也高，要求具有較高的頻率特性。本次設計采用的是專門用來采樣的傳感器，其精度等級為0.02級，AD轉換器是16為的AD轉換器，能分辨出滿刻度的0.002，運算放大器的放大倍數為10萬倍以上，濾波電路產生的誤差可以忽略不計。綜合上述誤差，所以硬件電路的主要誤差來源于互感器和AD電路。因此，硬件總誤差a應該為

軟件算法誤差，主要是在微處理器完成各種測量算法，計算所要的電氣量時產生的，這部分誤差主要取決于CPU的字長，選用的算法以及采用的頻率能否跟蹤電力系統頻率的微小變化等因素。本次設計采用的CPU字長為32位，在加上嚴格的算法和自適應調整采樣間隔，已將這部分的誤差大幅度減小，忽略不計。

FFT算法誤差：對基本電參量的測量，采用矩形積分算法，采樣點數為128點，由矩形積分算法的誤差公式

計算出其截斷誤差為

綜合硬件誤差和軟件誤差，這種數字化電能表對基本電參數的測量精度可達到

在實驗過程中，做了單相測試，經過多次測試，其結果基本穩定。表1是測試情況。

從表1的前4行的功率測量值可以看出，最大相對誤差為0.012%，說明該儀表具有較好的線性；接下來測量感性、容性輸入對儀表對稱度的影響。由表1的5-8行的功率測量值來看，最大相對誤差為0.026 7%，說明該儀表的對稱性滿足要求；最后改變輸入頻率，以確定儀表的測量帶寬。當輸入頻率由100 Hz增大到2 000 Hz，測量結果的最大相對誤差為0.04%，說明該儀表在2 k頻率范圍內都能準確測量。

4 結 論

隨著網絡技術的快速進步，傳輸速率可達千兆乃至更高的網絡。數字化電能表采用IEC61850-9-2協議，可對采樣值數據采集的內容進行靈活配置，增強了應用的靈活性。克服了目前沒有統一的公用通信標準，方便了采樣值的數據共享，給信息集成化應用打下了堅實的基礎。在硬件和軟件算法上做了大量的改進，實驗結果表明，誤差小，信息集成度高。減少了合并單元的使用，降低了成本，為數字化電能表在數字化變電站中的應用進行了有益的探索。

表1 B相測試結果Tab.1 The test results of B phase

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