數字化電能表檢測項目及方法研究

徐宏偉, 孟展，張秋雁 ，張俊瑋 ，叢中笑 ，丁超

(1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴陽 550000；2.華中科技大學，武漢430074)

0 引 言

數字化電能表接收合并單元或者電子式互感器輸出的采樣值報文直接計算電能，理論上不會產生任何誤差[1]，但是隨著我國數字化變電站的大量建設，數字化電能表在運行過程中計量準確性的問題逐漸暴露出來，現有數字化電能表檢測方法及檢測技術是在電子式電能表檢測規程的基礎上發展而來的，所以導致即便數字化電能表通過了國家標準檢測，在現場運行過程中仍發現數字化電能表存在誤差超差、長期計量失準的問題，這表明現有的數字化電能表檢測項目仍不完善。

目前，數字化電能表相關的技術標準有國家標準GB/T 27215.303-2013《交流電測量設備特殊要求 第3部分：數字化電能表》、國家電網公司企業標準Q/GDW 11018-2013《數字化電能表特殊要求》、中國電力企業聯合會團體標準T/CEC 116-2016《數字化電能表技術規范》、數字化電能表的測試規范主要是2013年國家電網公司頒布的企業標準Q/GDW 11111-2013《數字化電能表校準規范》[2]，該規范是在傳統電子式電能表檢定規程的基礎上發展而來的。其中并沒有針對數字化電能表電能計量算法適應性的檢測項目。

針對這一問題，以現場實負荷數據分析為依據提出了一些新的檢測項目，研究了相應的檢測方法和檢測技術。為驗證所提出的檢測項目的有效性，研制了0.01級標準數字化電能表，通過與三臺其他數字化電能表在現場進行的長期計量對比測試，證明了所提出的數字化電能表檢測項目能夠有效保證數字化電能表現場計量的準確性。

1 現場實負荷數據分析

為了找出數字化電能表現場計量失準的關鍵影響量，在貴州某110 kV數字化變電站建立了綜合監測系統，可持續記錄現場實負荷數據并進行分析。同時，以傳統電子式電能表作為標準電能，監測多個數字化電能表的計量誤差。現場監測系統如圖1所示。

圖1 現場綜合監測平臺

現場綜合監測系統從2015年4月開始至今仍在運行，任取其中一天的三相電壓、電流數據如圖2所示。被監測線路的額定電壓為110 kV，額定電流為600 A。

圖2 2015年8月12日監測數據

從圖2中可以看出，現場實際電壓、電流數據在不停波動，且與理想工況差別明顯。任取圖2中五段數據進行分析，發現各段數據均存在噪聲、諧波頻率偏差，任取其中一段數據如圖3所示。

圖3中三相電壓平均信噪比為42.18 dB，三相電流平均信噪比為33.62 dB；三相電壓平均總諧波畸變為0.77%，三相電流平均總諧波畸變為3.25%。雖然電流總諧波畸變較大，但是各次諧波均符合國家電能質量標準；三相平均頻率為50.08 Hz。

圖3 10分鐘監測數據

2 新增試驗項目

從前文的分析可以知道，數字化變電站現場波形中包含噪聲、諧波、頻率偏移等誤差影響量，為了全面評估現場復雜工況下數字化電能表的性能，新增電能計量算法適應性檢測項目。

2.1 輸入噪聲試驗

數字化電能表前端設備中的A/D采樣模塊不可避免的會在信號中疊加噪聲。由于整個數據傳輸鏈路中未設計濾波器對噪聲信號進行過濾。并且數字化電能表普遍采用點積和算法作為電能計量算法，該算法會將疊加在采樣值中的噪聲信號當作電能量進行計算，影響數字化電能表計量的準確性。A/D芯片并非理想器件，它的理想轉換曲線與實際轉換曲線之間存在一定的偏差[3-5]。SINAD、THD與輸出SNR之間存在以下關系[5]:

SNR=-10lg(10-SINAD/10-10-THD/10)

(1)

(2)

式中VS、Vn分別為滿量程輸入信號及噪聲信號的有效值；VDNL、VΔt、Vhn分別為DNL誤差、孔徑抖動誤差、熱噪聲產生的噪聲電壓；N為A/D器件的量化位數。

目前，電子式互感器及合并單元普遍采用的A/D芯片精度為16位，文中進行噪聲研究時，選取具有代表性的某型號電子式互感器采用的A/D芯片AD7685為例進行分析。參考AD7685芯片資料，在額定輸入條件下，SINAD=93.6 dB，THD=-110 dB，因此可以計算出AD7685芯片的SNR≈93.6 dB[6]。以上分析是在A/D芯片滿量程輸出的基礎上進行的。GB/T 20840.8-2007《電子式電流互感器》國家標準對1%額定負荷點處的測量誤差也進行了規定[7]，且電子式互感器A/D模塊輸出的SNR隨著輸入信號的降低而變小，因此，有必要對輸入為1%額定負荷點處的A/D芯片輸出SNR進行分析。

SNR=10lg(Vs_1%/Vn)2=

6.02N-40(dB)

(3)

式中k可由A/D芯片滿量程輸出時的信噪比計算出來，有k≈0.53。因此，電子式電流互感器在1%額定負載時，內部A/D模塊輸出的信噪比為SNR≈53.6 dB。由于分析時選取的是相對理想情況下A/D芯片輸出的信噪比，實際情況下信噪比會更低。

在負荷為1%額定電流時取信噪比為40 dB，利用文中信噪比計算公式，計算出2%額定電流處信噪比為46 dB，同理，計算得到5%額定電流處的信噪比為54 dB，10%額定電流處的信噪比為60 dB。在負荷較大時，信噪比將進一步提高，數字化電能表在信噪比越高的條件下，計量誤差越小，因此，當信噪比大于60 dB時，將不再進行試驗。要求在試驗條件下數字化電能表的計量誤差不超過準確度等級的誤差限值，試驗條件和試驗判據如表1所示，試驗電壓為額定電壓，試驗方法為疊加隨機白噪聲。

2.2 非同步試驗

目前電能計量系統中的同步方式均存在一定的非同步泄露[8]，因此有必要進行非同步試驗，即頻率偏差試驗。根據文獻[9]的仿真結果，功率因數越低，誤差越大；頻率偏差越大，非同步采樣誤差越大。因此僅選擇國家標準中允許的最大頻率偏差點±0.5 Hz進行試驗，且因為負荷大小不會影響數字化電能表的計量準確性，所以本試驗僅在電能表額定負荷下進行。試驗條件及試驗判據如表2所示。

表1 輸入噪聲試驗百分數誤差限值

表2 非同步采樣試驗百分數誤差限值

2.3 諧波負荷試驗

電網中的非線性負荷會向電網中注入大量諧波導致波形畸變[10]，因此需要設立諧波負荷試驗驗證數字化電能表能否在諧波條件下準確計量。試驗條件及試驗判據如表3所示。參照GB/T 17215.322-2008國家標準中“8.2影響量引起的誤差極限中諧波影響量規定的準確度測試條件”[11]，測試時僅針對5次諧波下的誤差進行測試，基波電壓為額定電壓，基波電流I1=0.5Imax(Imax為數字化電能表允許輸入的最大電流)；5次諧波電壓U5=10%Un，5次諧波電流I5=40%In。若電網基波頻率偏移量為Δf，則第k次諧波的頻率偏移量為k·Δf，因此有必要考核數字化電能表在頻率偏移條件下的諧波計量性能，參考非同步采樣試驗，基波頻率偏移量設為±0.5 Hz。

表3 諧波負荷試驗百分數誤差限值

3 實驗室檢測與工程應用

研制了0.01級數字化電能表，該電能表一次額定電壓為110 kV，一次額定電流為600 A，二次額定電壓為57.7 V，二次額定電流為5 A。為提升該表的現場適應能力，采用了“基于全相位數據處理的數字電能算法”，與傳統點積和算法相比，該算法能夠將非同步采樣轉換為近似同步采樣，不需要對采樣值進行加窗，也不需要增加插值算法校正頻譜，算法實現簡單，誤差更小，當電網波形不為50 Hz標準正弦波時，該算法的計量準確性更高。

在實驗室對該電能表和國內三個主流廠家的0.2S級數字化電能表進行測試，測試項目為所提出的數字化電能表檢測新增試驗項目，試驗條件參照第3節中各表中數據，測試過的數字化電能表被應用于貴州省某110 kV智能變電站中進行實時及長期計量誤差監測，對所提出的數字化電能檢測項目的應用價值進行了驗證。

3.1 實驗室檢測

所有試驗結果中，1#、2#、3#數字化電能表分別為國內三個主流廠家的產品，4#數字化電能表為所研制的0.01級數字化電能表。試驗結構圖見圖4，以標準數字功率源的設定值作為標準電能。數字化電能表在同一試驗條件下進行誤差測試時，多次測試結果會出現波動的原因是標準數字功率源輸出波形會自帶誤差。

圖4 實驗室檢測結構圖

3.1.1 輸入噪聲試驗

輸入噪聲試驗的10次試驗結果平均值如表4所示。

從表4可知：(1)被測1#、2#、3#數字化電能表在負載為0.01In，功率因數為1.0，SNR=40 dB時，計量誤差較大，平均誤差最大值分別達到0.373%、0.394%、0.326%，誤差超出了0.2S級數字化電能表的準確度等級范圍；(2)所研制的數字化電能表在噪聲條件下誤差仍然很小，可以忽略不計。

3.1.2 非同步采樣試驗

表4 輸入噪聲試驗結果

取10次試驗結果的平均值，如表5所示。

表5 非同步采樣試驗結果

從表5試驗結果可知：(1)被測0.2S級數字化電能表在頻率為49.5 Hz時，1#、2#、3#數字化電能表的最大誤差分別為0.055%、0.083%、0.071%，在頻率為50.5 Hz時，最大誤差分別為-0.073%、-0.058%、-0.033%，雖然未超過0.2S級誤差上限，但是誤差較大，不可忽略；(2)所研制的數字化電能表在噪聲條件下誤差仍然很小，可以忽略不計。

3.1.3 諧波負荷試驗

取10次試驗結果平均值，如表6所示。

從表6試驗結果可以看出：(1)被測0.2S級數字化電能表在頻率為49.5 Hz時，1#、2#、3#數字化電能表在諧波負荷條件下的誤差平均值最大分別為0.038%、0.107%、0.073%，在頻率為50.5 Hz時，最大誤差分別為-0.084%、-0.062%、-0.059%，雖然未超過0.2 S級誤差上限，但是誤差較大，不可忽略；(2)所研制的數字化電能表在頻率偏差為±0.5 Hz條件下，諧波負荷誤差均在數量級水平，誤差很小，可以忽略不計。

表6 諧波負荷試驗結果

3.2 工程應用

將經過以上試驗的數字化電能表應用于貴州省某110 kV智能變電站的綜合監測系統，對數字化電能表進行實時和長期誤差監測。實時監測能實現每秒誤差監測，長期監測能對24小時的電能量進行監測，對以日為單位的任何時間段內數字化電能表的長期誤差進行分析。

數字化電能表誤差監測結果如表7所示，其中中電壓總諧波畸變率、電流總諧波畸變率、電壓信噪比、電流信噪比、頻率均指的是三相的平均值。

從誤差監測結果中可以看到：(1)通過國家標準檢測的三個廠家0.2S級數字化電能表實時誤差出現超差的現象；(2)所研究的數字化電能表在現場負荷中含有噪聲、諧波、頻率偏差條件下與電子式電能表的比對誤差較小，能準確的進行電能計量。

取2015年8月12號～8月16號的監測數據，以日為單位，數字化電能表計量誤差如表8所示。

表7 現場短期誤差監測結果

表8 8月12日～16日24小時誤差

從表8可以看出：三個廠家數字化電能表在8月12號～16號的24小時誤差出現了不同程度的誤差超差現象；所研究的數字化電能表與電子誤差的比對誤差較小，計量準確性高。

三個廠家數字化電能表及本文研究的數字化電能表8月份的整體電能計量誤差如表9所示。

表9 8月份整體誤差

從表9可以看出：三個廠家數字化電能表8月份整體誤差均出現了誤差超差現象；所研究的數字化電能表與電子式電能表8月份的整體比對誤差為-0.113%，誤差較小，能準確的進行電能量的計量。

從工程應用中監測數據可以看出：通過國家標準檢測，而未通過所提出的檢測項目測試的三個0.2S級數字化電能表，在現場復雜工況條件下，實時誤差及長期誤差均出現不同程度的超差現象；通過所提出的檢測項目檢測后，現場復雜工況條件下適應性強，具有較高的準確度。因此，有必要對數字化電能表入網運行前按照所提出的檢測項目進行測試。

4 結束語

(1)如果僅實施標準中規定的數字化電能表檢測項目，不足以檢測復雜運行環境對數字化電能表的影響；

(2)增加了數字化電能表輸入噪聲、非同步以及諧波負荷試驗，可以模擬現場復雜運行環境，試驗結果表明僅有所研制的0.01級數字化電能表能夠通過新增檢測項目。但是這幾個試驗項目還需要進一步論證和規范，形成對應標準；

(3)現場實時誤差監測和長期誤差監測結果表明，未通過新增檢測項目的數字化電能表均出現了短時超差或者長期計量失準的問題。這證明了該試驗項目的必要性；

(4)數字化電能表只是起到計算器的功能，但是不同廠家的數字化電能表由于算法不同，復雜環境下的適應性不同。應該進一步研究和優化計量算法，減小噪聲等影響量帶來的附加誤差。