數字化電能表動態誤差特性測試裝置的設計*

袁瑞銘，姜振宇，鐘侃，田海亭，魯觀娜，王琳

（1.國網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

目前智能電網建設中，增量的智能變電站建設都采用IEC 61850協議實現電壓、電流的信號傳輸。由于傳統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與SMV采樣值報文輸入的數字化電能表被大量應用。數字化電能表不僅在輸入信號方式上與傳統電能表不同，在處理器結構設計、電能計算方法、數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，數字化電能表計量誤差受動態負荷的影響將更加明顯。

隨著電網工業動態負載應用量增加，用電負載電流逐漸呈現隨時間動態變化，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較大差異。因此，如何在實驗室評價傳統電能表動態負荷計量精度成為研究熱點。文獻［3］提出了電能表動態特性評價方法；文獻［4］提出了針對動態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誤差特性實驗模型與方法。然而，目前電能表實驗室動態誤差檢定研究都主要針對傳統模擬量輸入電能表，對于智能變電站應用的數字化電能表，現有的研究主要針對穩態負荷環境下的計量檢測［8-9］，動態誤差試驗方面仍然缺乏有效的手段。因此，本文基于OOK模型，提出數字化電能表動態誤差測試裝置設計方法，解決智能變電站數字化電能表動態負荷計量精度實驗室檢定問題。

1 基于IEC 61850的數字化計量體系

智能變電站數字化計量體系如圖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字信號，然后，經過合并單元將數字信號組包為符合IEC 61850-9協議的SMV采樣值報文，通過光纖以太網傳輸到間隔層數字化電能表中。數字化電能表解析報文，恢復實際電壓與電流采樣數字信號，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，數字化電能表直接通過光纖以太網接口接收電子式互感器的采樣報文數據，因此數字化電能表與常規電能表有較大的區別，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電能表AD電路的采樣率。在動態負荷下，數字化電能表低采樣率將會對其計量精度造成影響，因此，研究針對數字化電能表動態負荷計量性能的測試方法與裝置，對改善智能變電站動態負荷計量性能具有重要意義。

2 OOK動態信號測試模型

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態電流信號進行二進制通斷鍵控 OOK（On-Off-Key）［7］，OOK動態測試電壓信號模型 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模型可以實現整數周期的波形通斷，在用于動態負荷試驗時，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電能表動態負荷測試。針對光纖以太網數字量輸入的數字化電能表，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字化標準電能表來實現整個測試過程。

3 數字化電能表動態誤差特性測試裝置

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字化實現等特點，基于OOK離散模型式（1）～式（3）來設計數字化電能表動態誤差特性測試裝置。為支持算法實現，本文測試裝置采用ARM9核心CPU+DSP數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數字信號處理器發送工作指令。DSP數字信號處理器采用一片高速32位定點DSP芯片設計，通過其高速數字信號處理的特點，根據非線性負荷數學模型，生成對應的IEC 61850光纖以太網電壓與電流采樣數字信號（SMV），并通過光纖以太網控制器輸出動態變化的SMV信號。同時，該方案通過一片FPGA，生成高速脈沖，該FPGA可以根據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 數字化電能表OOK測試方法實現流程

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。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中實現，若每一次定時器中斷都調用一遍式（1）～式（3）產生OOK波形信號，會嚴重占用系統資源。為提高效率，本文采用異步方式來實現OOK信號波形產生與SMV報文組包輸出。具體流程如圖3。

具體步驟如下：

（1）在主循環函數中，調用式（1）～式（3）生成 k個周期OOK測試電壓與電流采樣值數據。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信號數據的時間Ts要小于k個信號周期時間的一半，即：Ts≤（T·k）/2；

（2）將采樣數據存于數組A。若數組A存滿，則數組A進入信號發送狀態；同時將采樣數據存儲位置切換為數組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送狀態的數組A采樣值序列，并進行IEC 61850 SMV組包，調用以太網DMA，通過裝置光纖接口發送SMV組包數據，傳輸至被測數字化電能表；

圖3 OOK數字化實現流程Fig.3 Flow chart of the realization of OOK digitalization

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

3.2.2 動態誤差計算

在測試中，被測數字化電能表接收到SMV組包數據后，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中內置數字化標準電能表中。數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，通的周波數量和斷開的周波數量是確定的，若被測數字化電能表在OOK信號下有功電能計量完全準確，則內置數字化標準電能表返回的有功脈沖數量，與被測數字化電能表返回的有功脈沖數量，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，即可視為數字化電能表在OOK信號下的有功電能計量誤差。FPGA將被試數字化電能表的有功電能脈沖數N，與標準脈沖數M，按如下公式，進行誤差計算。

式中Cb、Cm分別為數字化標準表脈沖常數和數字化電能表的脈沖常數；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，完成了數字化電能表動態負荷測試過程。

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測試指令后，主CPU單元將接受的指令類型，下發到DSP中。裝置DSP依據圖3所示流程，準備對應參數的OOK信號序列，記錄當前所設置的OOK信號通斷周期數量比例。同時輸出標準正弦信號給內置數字化標準電能表，后者產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，定時器依據設定的采樣率進行中斷，在中斷函數中將OOK信號，經過SMV組包傳輸至被測數字化電能表，同時FPGA單元進入脈沖比對模式。數字化電能表的有功電能脈沖經過脈沖接收IO口返回至FPGA單元中，依據式（4）完成誤差計算，并將動態誤差結果經由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字化電能表動態誤差特性測試裝置有效性，將本裝置光纖以太網接口與國內某廠家數字化電能表連接，進行OOK模型下的動態負荷試驗。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協議的SMV報文，通過光纖以太網輸入到數字化電能表，測試數字化電能表的動態計量誤差。

4.2.2 數字化電能表動態誤差試驗

裝置輸出圖5所示OOK動態電流信號，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，功率因數為1.0。測試數字化電能表在標準正弦的穩態電流下的誤差以及在OOK動態電流信號下的誤差。返回的三相有功電能計量誤差數據如表1所示。

表1 數字化電能表動態誤差測試實驗Tab.1 Dynamic metering experiment of digital energy meter

從表1可看出，在常規穩態電流下，數字化電能表計量誤差小于千分之一，符合0.2 S級表內控誤差要求。但在加入不同組合的OOK信號后，計量誤差發生明顯波動，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。但隨著通斷波形周期間隔縮短，數字化電能表出現比較嚴重的超差，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傳輸，這說明其采樣部分不會像傳統電能表引入誤差，但數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態負荷設計的數字計量算法，都會對其動態負荷下的計量精度造成影響。這樣說明，穩態負荷下檢定的數字化電能表應用于動態負荷中，其計量誤差無法保證。

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

5 結束語

文章研究開發了智能變電站數字化電能表的動態誤差特性測試裝置，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方案，并基于該方案生成了OOK數字化動態測試信號、實現了IEC 61850-9協議的SMV組包以及動態誤差測試。