一種新的數字電能表校驗儀設計

張英+秦濤+程昱舒

摘 要： 由于傳統的電能表與數字電能表的工作方式不同，所以傳統電能表校驗臺無法對數字電能表進行校驗。因此，設計了一種新的數字電能表計量校驗裝置。介紹了數字電能計量系統和數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，能夠適應現場復雜的測試環境，并且具有很好的便攜性，能夠滿足常用數字電能表校驗的需要。

關鍵字： 數字化變電站； 數字電能表； 數字電能表校驗儀； 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

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

數字化變電站中的電能計量系統和傳統的計量系統不同，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、電流信號進行了數字化，然后通過光纖將數字化的電壓、電流信息傳輸到合并單元，合并單元按照IEC61850?9?1標準將電壓、電流信息組合后輸出數字信號幀到二次，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字變電站特點的數字化計量和檢測系統[4?5]。

1 數字化變電站

隨著智能電網技術突飛猛進地發展，傳統的變電站已經不能適應智能電網發展的需要，未來智能變電站將廣泛地采用數字化變電站，例如，根據國家電網公司的電網規劃，在十二五期間將在全國至少建設110 kV及以上的數字化變電站6 000余座。數字化變電站是指變電站的信息采集、傳輸處理、輸出過程全部數字化，基本特征為設備智能化、通信網絡化、模型和通信協議統一化、運行管理自動化等[6]。

數字化變電站建設的關鍵是實現能滿足上述特征的通信網絡和系統，并開發出相應的智能設備。相對于傳統變電站，智能變電站的一次設備采用數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字編碼信息的方式交換采樣值、狀態量、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 傳統變電站和數字變電站

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

2 數字表電能計量系統

傳統計量系統由電磁式互感器、電能表通過電纜直接連接構成，如圖2所示。

圖2 傳統電能表計量系統

數字電能計量系統是由電子式互感器、合并單元通過光纖連接構成，如圖3所示。

圖3 數字電能表計量系統

與傳統電能表不同，數字電能表的電量以數字信號的形式通過光纖以太網接口輸入，在傳輸的過程中沒有附加誤差，數字電能表對接收到的數字信號直接進行數學運算，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%，傳統電能表為0.2級，可得傳統電能計量系統準確度為0.7%，數字電能計量系統的準確度[9]為 0.4%。由以上分析可知，與傳統的電能計量系統相比較，數字電能計量系統減小了測量誤差，提高了計量準確度。

數字電能表是由數字信號處理單元、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。

數字電能表的工作原理：一次合并單元將采樣數據組織為IEC61850格式的數據幀傳輸給數字信號處理單元，數字信號處理單元對數據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。最后數字信號處理單元將這些數據傳給中央處理器單元，中央處理器單元對數據進行處理后生成電壓數據、電流數據、功率數據、電量數據等，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的核心，負責處理通信、時鐘、按鍵、時鐘等單元傳來的數據，并對這些數據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 數字電能表結構

數字電能表具有正向、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據，掉電過結算時間上電后能補全12個結算日電量數據。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、以太網等通信方式。

數字電能表處理的信號為IEC61850格式的數字信號，在傳輸過程中不會出現誤差，但由于電能表內部處理器字長有限，在進行數值運算時會產生截斷誤差，另一方面電能計算算法是對連續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，必須對數字電能表進行誤差校驗，但是由于數字電能表與傳統電能表工作方式的不同，導致傳統電能表校驗臺無法對數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 數字電能表計量校驗系統

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，能夠適應測試現場的復雜干擾環境。

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、數據幀丟失等故障，以此來檢查數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字電能表升級的需要。

（6） 采用了便攜性設計，方便在現場進行校驗工作。

該數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口連接數字電能表校驗儀用于設置校驗儀的參數并讀取誤差數據。數字電能表校驗儀通過光纖或以太網口向數字電能表輸出不同檢定點的IEC61850格式的采樣數據幀，數字電能表對采樣數據計算后產生的脈沖輸出通過線纜回傳給數字電能表校驗儀，校驗儀比較后將誤差數據通過RS 232傳給電腦。

圖5 數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

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

參考文獻

[1] 艾兵，江波.數字電能表計量及其電能表檢測技術[J].四川電力技術，2011，34（2）：10?13.

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[4] 李前，張述漢，陸以彪，等.數字電能計量系統現場檢定技術研究[J].電測與儀表，2010，47（10）：25?29.

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[6] 林劍.變電站自動化系統的發展與智能化的趨勢[J].科技傳播，2010（24）：98?100.

[7] 楊靜然，白小會.數字化變電站技術發展與應用[J].供用電，2010（1）：1?6.

[8] 張宏科.智能電能計量系統初探[J].北京電力高等專科科學學校學報，2011（9）：123?125.

[9] 郭志忠.電子式互感器評述[J].電力系統保護與控制，2008，36（15）：1?5.

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

數字電能表是由數字信號處理單元、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。

數字電能表的工作原理：一次合并單元將采樣數據組織為IEC61850格式的數據幀傳輸給數字信號處理單元，數字信號處理單元對數據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。最后數字信號處理單元將這些數據傳給中央處理器單元，中央處理器單元對數據進行處理后生成電壓數據、電流數據、功率數據、電量數據等，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的核心，負責處理通信、時鐘、按鍵、時鐘等單元傳來的數據，并對這些數據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 數字電能表結構

數字電能表具有正向、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據，掉電過結算時間上電后能補全12個結算日電量數據。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、以太網等通信方式。

數字電能表處理的信號為IEC61850格式的數字信號，在傳輸過程中不會出現誤差，但由于電能表內部處理器字長有限，在進行數值運算時會產生截斷誤差，另一方面電能計算算法是對連續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，必須對數字電能表進行誤差校驗，但是由于數字電能表與傳統電能表工作方式的不同，導致傳統電能表校驗臺無法對數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 數字電能表計量校驗系統

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，能夠適應測試現場的復雜干擾環境。

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、數據幀丟失等故障，以此來檢查數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字電能表升級的需要。

（6） 采用了便攜性設計，方便在現場進行校驗工作。

該數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口連接數字電能表校驗儀用于設置校驗儀的參數并讀取誤差數據。數字電能表校驗儀通過光纖或以太網口向數字電能表輸出不同檢定點的IEC61850格式的采樣數據幀，數字電能表對采樣數據計算后產生的脈沖輸出通過線纜回傳給數字電能表校驗儀，校驗儀比較后將誤差數據通過RS 232傳給電腦。

圖5 數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

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

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

數字電能表是由數字信號處理單元、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。

數字電能表的工作原理：一次合并單元將采樣數據組織為IEC61850格式的數據幀傳輸給數字信號處理單元，數字信號處理單元對數據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。最后數字信號處理單元將這些數據傳給中央處理器單元，中央處理器單元對數據進行處理后生成電壓數據、電流數據、功率數據、電量數據等，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的核心，負責處理通信、時鐘、按鍵、時鐘等單元傳來的數據，并對這些數據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 數字電能表結構

數字電能表具有正向、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據，掉電過結算時間上電后能補全12個結算日電量數據。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、以太網等通信方式。

數字電能表處理的信號為IEC61850格式的數字信號，在傳輸過程中不會出現誤差，但由于電能表內部處理器字長有限，在進行數值運算時會產生截斷誤差，另一方面電能計算算法是對連續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，必須對數字電能表進行誤差校驗，但是由于數字電能表與傳統電能表工作方式的不同，導致傳統電能表校驗臺無法對數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 數字電能表計量校驗系統

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，能夠適應測試現場的復雜干擾環境。

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、數據幀丟失等故障，以此來檢查數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字電能表升級的需要。

（6） 采用了便攜性設計，方便在現場進行校驗工作。

該數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口連接數字電能表校驗儀用于設置校驗儀的參數并讀取誤差數據。數字電能表校驗儀通過光纖或以太網口向數字電能表輸出不同檢定點的IEC61850格式的采樣數據幀，數字電能表對采樣數據計算后產生的脈沖輸出通過線纜回傳給數字電能表校驗儀，校驗儀比較后將誤差數據通過RS 232傳給電腦。

圖5 數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

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

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