適用于復雜工況的高性能標準數字化電能表*

唐登平，李俊，鄭欣，夏天，向鑫，李紅斌

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

0 引 言

近年來，數字化電能表以其穩定度高、誤差小的優點在現代化智能變電站的建設中得到廣泛的應用[1-3]。數字電能表從合并單元接收IEC 61850協議采樣數據進行電能計量，與自帶模數轉換器采樣模塊、接收二次側模擬信號的傳統電能表在結構上有本質性區別[4]，這使得基于傳統標準電能表的現場在線校驗方法已不再適用，有必要研制標準數字化電能表進行數字化電能表現場在線校驗。

對0.2級數字化電能表進行現場校驗，需要在不斷電的情況下在較短的時間內實現高精度校驗，這需要標準數字化電能表實現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，標準數字電能表前端采樣系統常用的4 kHz采樣頻率、250 μs數據傳輸間隔、逐次比較型采樣原理[6]，限制了標準電能脈沖的有效輸出頻率、采樣值數據處理和電能計算的時間以及電能算法的電能計量精度，從而影響現場校驗準確度的提升。

文中研制了一種能夠用于數字化電能表現場在線校驗系統的高性能標準數字化電能表。通過高精度分頻脈沖技術實現，以實時DSP系統為核心，研制的標準數字化電能表的電能計量準確度高、實時性好、可靠性強，能夠保證數字化電能表現場校驗的準確、快速、可靠進行。

1 原理

基于標準數字化電能表的數字化電能表現場在線校驗原理圖如圖1所示。標準數字化電能表需要接收現場合并單元發送的IEC 61850協議數據，進行精確電能計算，同時輸出高頻次標準電能脈沖[7]。

圖1 數字化電能表在線校驗原理圖

作為一種應用于現場校驗的標準電能計量裝置，標準數字化電能表需要具備比普通數字化電能表更高的性能：需要有更高的復雜負荷電能計量準確度和現場可靠性；輸出的標準電能脈沖需要能夠準確響應現場動態負荷的實時變化和較高的校驗精度；設計時需要綜合考慮準確度、校驗可操作性、校驗人力時間成本之間的合理性。但是，現場在線校驗中，數字化電能表的實際運行環境給標準數字化電能表的性能提升提出了挑戰，主要體現在如下幾個方面：

(1)采樣頻率限制。

在電能計量過程中，數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表示的電能與實際的電能之間的主要誤差為脈沖計數溢出誤差，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，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，當使用標準電能脈沖進行電能表校驗時，校驗系統最大電能累計誤差為一個電能脈沖所表示的電能，當輸出的電能脈沖頻率越高，系統校驗精度將會越高，達到固定校驗精度所需的校驗時間也將越短。

數字化電能計量系統的前端采樣系統通常采用4 kHz，標準化電能表接收采樣數據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，提升標準化電能表輸出的電能脈沖頻率無法再提升校驗精度，即標準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級以上的標準電能表額定功率下脈沖輸出頻率不小于10 kHz的國家標準要求。

(2)處理時間和算法限制。

不同于傳統電能表集成采樣系統，數字化電能表得到采樣值數據需要通過IEC 61850通信協議，因此標準數字化電能表既需要在250 μs時間內快速完成對網口數據的接收、對協議的解析和對電能的計算，又需要保證電能計量的準確性和高頻脈沖輸出的實時性。

同時，相比于傳統電能表，數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。為取得高準確度的電能計量精度，傳統電能表往往集成Σ-Δ采樣原理的高頻率采樣設備，相當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]。數字化電能表的前端采樣設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精度，對現場復雜負荷的電能計量精度難以保證；使用快速傅里葉變換等復雜電能算法需要對較長時間的采樣數據列進行處理[10]，計算量大的同時，電能計算、電能脈沖輸出和數據采集之間存在延時，電能計量的實時性較低。

根據上述特點，文章研制了標準數字化電能表。該標準數字化電能表由光電轉換模塊、數據包接收解碼模塊、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 標準數字化電能表結構框圖

該裝置中，光電轉換模塊完成IEC 61850協議采樣值數據從光纖信號到電信號的高精度解碼轉換；數據接收解碼模塊對采樣值數據包進行解析，提取有效的采樣值數據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實現高頻次脈沖輸出；電能存儲顯示模塊對歷史電能進行累計，并定時刷新顯示。該數字化電能表具有如下特點：

(1)高精度分頻脈沖輸出技術。對采樣值數據進行插值細化重采樣，再將電能脈沖分頻輸出，提高了標準數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速度保證高頻次脈沖輸出在采樣間隔內的準確、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提供重采樣的基礎，同時，提升復雜負荷的電能計量準確度，抑制電網負荷中的隨機噪聲成分。

2 實現

高精度分頻脈沖輸出技術是標準數字化電能表的核心，通過高性能實時DSP系統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雜負荷的電能計量精度。

2.1 高精度分頻脈沖輸出技術

為實現高精度分頻脈沖輸出，對采樣值數據進行了三次細化，參與計算的采樣值間隔Δt時間變為原采樣間隔的四分之一，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采樣頻率的四倍，即16 kHz，在達到0.05級標準電能表脈沖輸出頻率和保證裕度的同時，節省運算時間，保證電能計量的準確性和實時性。高精度分頻脈沖輸出技術的工作原理如圖3所示。

實現過程為：當電能表接收到一個IEC 61850協議數據包后，DSP一方面控制CPU進行數據包解析和電能計算，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，當電能累加量超過設定的閾值后，將對應脈沖的標志位置為有效，并將累加量減去一個脈沖當量的電能值；另一方面，DSP在接收數據包的同時產生中斷觸發定時分頻功能，每定時四分之一個采樣時間間隔后，校驗相應的標志位，當標志位有效則觸發一個電能脈沖輸出后繼續定時，直至將一個完整的采樣周期四等分。精準分頻技術將采樣數據與采樣間隔均勻四等分，保證電能脈沖輸出的準確性、實時性。

圖3 高精度分頻脈沖輸出

2.2 電能計量算法

文章充分兼顧現場電能計量的準確性與實時性需求，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化，以電壓采樣序列為例：對于任意連續的采樣值序列中的采樣點i，利用與之相鄰的三個連續采樣點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。

對采樣值序列三階插值細化這一過程相當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，為分頻脈沖輸出技術的高精度實現提供基礎。同時插值細化使得動態變化的負荷的采樣能力提升，而且插值過程實際上是對一段采樣間隔內的數據加權求和，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模擬基波和諧波、通過隨機數生成函數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疊加生成電壓電流信號函數，然后用4 kHz頻率將函數在時域上離散化，再將離散的數據點作為算法的輸入，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，結果如表1所示。

間諧波仿真，在基波電流的基礎上依次疊加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，結果如表2所示。

頻率影響量仿真在50±1 Hz內調整輸入電壓、電流函數的頻率，取10次電能仿真計算誤差的最大值，結果如表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

高精度分頻脈沖輸出和電能算法都對標準數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系統實現標準數字化電能表。裝置的硬件系統如圖4所示。

圖4 基于DSP的標準數字化電能表硬件結構

其中DSP系統為標準數字化電能表的核心，采用硬件一體化設計，由DSP統一協調IEC 61850協議數據接收、數據解析、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帶來的系統可靠性降低。主系統采用6層板工業設計，發熱量小、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壓直流電源保證供電的穩定性。

(1)接收、解析數據包。

IEC 61850協議數據通過10 M/100 M以太網控制器連接到DSP系統，地址匹配系統會過濾無效數據包，并將有效數據高速收入到EMAC緩存區并產生中斷，DSP的CPU在納秒內響應中斷，讀取數據并解析，同時觸發定時器定時。數據包接收時，直接通過高速底層通信協議進行，避免了常用的通信協議層與層之間頻繁數據交換帶來的誤碼和時延，再依托高性能數字信號處理能力，實時DSP系統能夠在30 μs內完成數據包的準確接收和解析。

(2)數據運算。

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

(3)脈沖輸出。

計時觸發的準時性、脈沖輸出時刻的精確性是高精度分頻脈沖輸出技術的關鍵。文章通過分配多優先級別的DSP中斷系統，實現優先級：數據接收中斷>定時觸發中斷>定時器中斷>脈沖輸出中斷，并將中斷響應時間和定時誤差控制在納秒級。

3 試驗結果與分析

(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：在功率因數為1條件下，改變三相電壓電流相序，測試誤差。

電壓不平衡試驗：在額定電流，功率因數為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級不確定度的數字標準源和標準脈沖計數、計時裝置，使用瓦秒法[11]對該標準數字化電能表進行誤差測試。測試系統框圖如圖5所示，脈沖計數裝置計量被校標準表輸出的固定脈沖數目，標準計時裝置測量收到這些脈沖數所用的時間，誤差計算模塊可以根據脈沖數和計時時間計算被校表輸出的功率，再與數字標準源的標準功率比較得出誤差。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準差，測試結果如表5所示。

序號測試項目平均誤差/%誤差標準差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

使用該標準數字化電能表和標準脈沖計數裝置，對某0.2級數字化電能表進行誤差測試結果校驗，與同一時間使用某一經過國家標準檢定的0.05級數字化電能表校驗系統的校驗結果進行比對，試驗框圖如圖6所示，標準數字功率源生成IEC 61850協議數據供被校數字化電能表、數字電能表校驗裝置、標準數字化電能表使用，誤差計算模塊通過比較被校數字化電能表輸出的低頻脈沖和標準數字化電能表輸出的高頻脈沖得出校驗誤差，再與同步控制狀態下的數字化電能表校驗系統的校驗結果比較。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果的平均值。測試結果如表6所示。

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

圖6 數字化電能表校驗結果比較試驗框圖

序號測試項目標準電能表校驗誤差σ1(%)校驗系統校驗誤差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 結束語

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

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

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