基于電子式互感器的電能計量系統校準方法研究

李 剛，蔣鑫源，何道遠，吳云浪

(1.國家電網重慶市電力公司營銷服務中心，重慶 400015;2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

在電能測量實踐中，電壓變壓器(voltage transformer,VT)和電流變壓器(current transformer,CT)是工業和科研應用中常用的電力傳感器[1]。這種傳感器基于簡單的工作原理，其堅固的結構保證了在時間和繁重工作條件下的高可靠性。作為被動設備，它不需要任何外部電源，并能保證輸入和輸出端子之間的高電流絕緣。盡管有時會在帶寬上受到限制，但它的計量特性通常適用于大多數電力場合，如輸入和輸出范圍以及測量誤差、校準等[2-3]。

在電力系統中，傳統高壓電能計量系統主要包括三個部分：儀用變壓器(包括電流互感器和電壓互感器)、金屬二次回路電纜和功率表(power meter,PM)[4]。在傳統的高壓電能計量系統體系中，高壓互感器的輸出為5 A或1 A(電流互感器)/100 V或120 V(電壓互感器)。在PM內部，通過使用I/U和V/U轉換器，將5 A/100 V信號轉換成適合模擬/數字(analog/digital,A/D)轉換的低電平值[3]。然后，將來自模數轉換器(analog-to-digital converter,ADC)的數字信號發送到數字信號處理(digital signal processing,DSP)單元，使用特定的算法來計算電參數，如有功功率、無功功率和電能等[5]。在PM的實現過程中，需要考慮如下參數：采樣率、模數轉換器ADC的采樣方式以及相位角的補償等。常規高壓電源的校準方法計量系統是通過對其組成部分分別進行標定，然后將幾種誤差源結合起來，得到系統的綜合不確定度[6]。高壓電子式互感器器(electronic instrument transformers,EITs)和數字接口功率計(digital power meter,DPM)是該系統的組成部分，EITs可以直接輸出數字信號。在國際電工委員會IEC標準的附錄中，有一種方法與上述傳統方法使用了相同的原理，以獲得基于電子式互感器的電能計量系統的集成不確定度[7]。

雖然如此，在DPM中，不再需要U/U、I/U轉換器和其他模擬電路，DPM可以作為PM的純數字部分。因此，傳統的PM是電能計量系統的獨立組成部分，其精度由自身決定。但DPM是不一樣的。DPM的準確性不僅取決于DPM本身，還取決于EITs。來自EITs的采樣數據，有功功率、無功功率和電能通常使用DPMs內的特定數字信號處理器進行計算[8-10]。當工作者評估該系統的性能時，需要考慮的以下四個問題。①電子式電流互感器(electronic current transformer,ECT)和電子式電壓互感器(electronic voltage transforner,EVT)的采樣數據同步，當采樣狀態同步而二者在不同相時有可能出現計量錯誤。②電子式互感器中模數轉換器的實際采樣速率，當電壓/電流信號的總諧波失真較高時，ADC的采樣率需要足夠高才能滿足電能計量系統的精度等級。③電子式互感器信號傳輸的延遲時間，根據IEC標準，最大額定延遲時間要求小于500 μs。實際上，不同的電子式互感器裝置延遲時間可能不同。當延遲發生時，ECT和EVT在同一相位的變化相當大，可能會引起DPM明顯的不確定性；④DPM不能根據電流的不同范圍來補償ECT內部信號調理電路的增益和相位角。因此，當一次電流遠低于額定值時，電能計量系統的精度可能很差[11]。

在這種情況下，盡管ECT和EVT在單獨校準時可能具有較高的精度水平，但系統的不確定度可能高于使用傳統方法估計的綜合不確定度，甚至超出所需的限制。另外，DPMs和EITs通常由不同的廠家設計，其采樣率、延遲時間、同步/異步采樣方式等相應的技術指標可能有很大的不同。對于這種類型的電能計量系統，應該把它的所有部件作為一個整體來進行校準。EIT技術已經發展了許多年，并在近些年得到了廣泛的應用[12]。數字化輸出的DPM和EITs在電力系統中的應用須考慮到這些問題，但現今公開發表的研究論文很少。本文提出的方法可以應對那些迫切需要解決的實際問題。

1 電能計量系統的工作原理

1.1 電子式互感器

電子式交流互感器包括電子式交流電壓互感器和電子式交流電流互感器。電子式電流互感器的主要特點有：①集計量、測量、保護功能于一體；②磁芯磁導率高，產品精度高，整個工作區間內線性好；③基于低功率小線圈原理制成，輸出信號為低電壓小信號；④二次信號傳輸采用屏蔽電纜，減少干擾。

電子式電壓互感器的主要特點有：①頻響范圍寬，測量范圍大，線性度好，在系統故障狀態下可使保護裝置可靠動作；②電壓二次輸出端短路時不會產生過電流，也不會產生鐵磁諧振，根除了電力系統運行中的重大故障隱患，保障了人員和設備的安全；③直接輸出小電壓信號，簡化了系統結構、減少了誤差源；④二次信號傳輸采用屏蔽電纜，減少了干擾。

電子式互感器與傳統的電磁互感器相比，具有更多優點。其在通信、安全、校準糾錯以及智能化程度等方面改進很大[13]。電子式互感器的通用原理如圖1所示。

圖1 電子式互感器的通用原理框圖

1.2 高壓電能計量系統的結構

三相帶EITs的高壓電能計量系統輸電線路間隔由三相電子式電流互感器、三相電子式電壓互感器、一個合并單元(MU)和一個DPM構成。高壓電能計量系統原理如圖2所示。通常情況下，使用兩根光纖將電子式互感器連接到控制室的合并單元。針對電子式互感器，采用雙通道模式：一個通道用來接收采樣命令；另一個通道用來發送采樣數據。所有電子式互感器的同步采樣都可以通過命令通道同時向它們發送相同的采樣命令。

圖2 高壓電能計量系統原理框圖

圖2中，三相電流和電壓互感器的輸出是數字光脈沖信號，通過光纖傳輸到合并單元。電子式互感器的所有輸出使用特定的數據幀格式，在合并單元中組合，并傳輸到數字接口功率計。合并單元主要有兩個功能：一是根據IEC 61850 LE和 IEC 60044-8，將電子式互感器的輸出信號轉換成標準輸出；二是同步電子式互感器的采樣過程，合并單元可以接收外部觸發信號來啟動電子式互感器的采樣過程。在接收到來自合并單元的串行輸出之后，DPM首先對采樣數據進行解碼，然后根據同相電壓和電流采樣數據進行功率和能量計算。

1.3 電子式互感器的校準

使用數字化電子式互感器輸出校準時采用的是參考儀用變壓器(reference instrument transformer，RIT)。圖3為電子式互感器校準系統原理框圖。

圖3 電子式互感器校準系統原理框圖

被校準的 ECT通過傳感器測得一次側電流。一次側轉換器通過光纖將一次側電流傳輸至二次側轉換器。二次輸出信號輸入到采樣系統2(DSS2)。利用標準互感器，校準系統得到二次電流信號，通過電流/電壓(I/U)轉換單元得到二次電壓信號并輸入到采樣系統1(DSS1)和 采樣系統2中。采樣系統2將被校互感器的輸出信號與標準信號作差，并在同步時鐘脈沖信號下將該差值信號與采樣系統1的標準信號輸入到工控機中，由計算軟件完成比值誤差和相位誤差的分析和計算[14]。

1.4 DPM的校準

DPM只接收數字信號，因此其校準過程可以使用基于現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)的數字系統實現。FPGA是一種由用戶配置的集成電路，其配置通常使用硬件描述語言(hardware description language,HDL)指定。圖4為基于FPGA的DPM校準器原理框圖。

在圖4中，只讀存儲器(read only memory,ROM)存儲某一時刻或某一時間段電壓和電流的采集數據。ROM電壓用于采集電壓數據，ROM電流用于采集電流數據。在生成電壓和電流采樣數據時，地址發生器用于循環解決特定采樣點的問題，可以修改電壓和電流信號之間的相位角。數據幀生成單元的作用是將電壓和電流采樣數據編碼為DPM可以接收的格式[15]。

圖4 基于FPGA的DPM校準器原理框圖

1.5 電子式互感器高壓電能計量系統的校準

理想的電子式互感器電能計量系統的校準方法是用高壓標準電源同時向ECT和EVT施加高壓和電流信號。但是商用標準電源的輸出電壓不超過1 kV，遠低于電力系統中幾百千伏的電壓水平。實際上，有功功率和無功功率都可以通過電流值和電壓值相乘計算。如果知道電壓或電流一個固定值和它們之間的相角，那么就可以計算有功功率和無功功率。因此，可以在EITs的校準過程中對高壓電能計量系統進行校準。電能計量系統校準方法原理如圖5所示。

圖5 電能計量系統校準方法原理圖

圖5中，RIT是一個標準式的參考儀用變壓器(包括ECT和EVT)，為校準系統提供參考信號。I/U轉換器由一個小電流互感器和分流器組合而成，把5 A的輸入電流轉換成一個低電平模擬電壓信號(5 V)。U/U轉換器是一個電壓比100 V/5 V的小型電壓互感器。RIT的輸出(RCT為5 A，RVT為100 V)通過I/U或U/U轉換器轉換為低電平模擬電壓信號，使用萬用表對其進行測量。然后，萬用表的采樣數據發送到基于LabVIEW的PM。該PM是參考計量系統的一部分，用于提供校準過程中使用的標準電氣參數。而DPM是計量系統測試過程中的一個重要組件，DPM的兩個輸入信號由參考儀用變壓器(RIT)和FPGA單元提供，與圖4所示的DPM校準器原理相同。

DPM將結果發送到計算機端，PM和DPM結果之間的差異是在同一臺計算機中計算的。因此，這兩者計量結果之間的差異可以在計算機上獲得。在圖5中，FPGA內部包括同步鎖相環和延時控制單元，用一個相位測量單元通過RIT和I/U或U/U轉換器測量高壓或電流的相位信息。FPGA內部的ROM采集的電壓和電流信號可以同步到RIT中。同時，鎖相環和延遲控制單元可以同步萬用表和MU的采樣過程。

校準流程的方法主要包括以下兩個步驟。

①電壓通道測試。在FPGA的ROM表中，將MU中當前信道的采樣數據固定為0x2D41H，由EIT提供電壓信道，EIT的額定數字輸出為0x2D41H rms，如圖5所示。MU從EVT中獲取電壓采樣數據，從FPGA內部的ROM中獲取電流采樣數據。電壓采樣數據和固定電流采樣數據都可以通過MU發送到DPM。然后通過以太網接口將DPM的測量結果發送到計算機端，RVT和EVT的高壓輸入通過高壓發生器完成。RVT提供參考信號，使用ROM的電流采樣數據和萬用表測量的電壓數據來計算參考電參數，例如電壓、相位和功率。通過改變額定電壓的80%～120%的高壓范圍，比較兩種電能計量結果，即得到電能計量系統隨電壓信號變化的綜合測量不確定度。

②電流通道測試。MU中：電壓通道的采樣數據固定為0x2D41H；電流通道采樣數據來自ECT，它連接到電流發生器(1～2 000 A)；電流和電壓采樣數據均可通過MU發送到DPM。DPM的測量結果通過以太網接口發送到計算機端。RCT的輸出作為參考信號，通過萬用表的數值獲取。之后利用固定電壓采樣數據和RCT的電流采樣數據，計算出均方根電流、相位和功率等參考電參數。通過改變額定電流的1%～120%的范圍，比較兩種電能計量結果，得到電能計量系統隨電流信號變化的綜合測量不確定度。

2 性能評估

2.1 校準系統的不確定度預算

在圖5中，3458A萬用表、相位測量單元、FPGA單元和基于LabVIEW的PM單元一起構成了基準PM模塊。使用Fluke 6100A電能功率標準源，用于替換圖5中的RIT和I/U或U/U單元。Fluke 6100A的標準電壓信號，由3458A采樣模擬基于LabVIEW的PM的電壓或電流信號，另一個電流或電壓信號由FPGA內部的ROM表中獲得。測量流程步驟與上節中提到的校準過程相同。測試結果表明，電壓、電流和有功功率測量的不確定度遠小于10-8數量級，電壓、電流測量的相位誤差小于50 μrad。

鎖相延遲控制單元和MU構成FPGA的核心部位，內部設計為時序邏輯電路。因此，幅值的不確定度為零，相位誤差僅由信號延時引起。在Quartus II軟件環境下，用Verilog HDL語言實現FPGA內部的時序邏輯電路，也可以從Quartus II的仿真結果中得到這些單元的延遲時間。結果表明，由鎖相延遲控制單元引起的信號延遲時間約為38 ns，由MU引起的信號延遲時間約為57 ns(FPGA內部的時鐘頻率為200 MHz)。鎖相延遲控制單元的總時延約為95 ns，在線路頻率50 Hz時的相位誤差約為30 μrad。圖5中的RCT/RVT是電感式儀用變壓器，相位誤差為80 μrad，相對不確定度為10×100-6。Fluke萬用表的測量不確定度約為10×100-6。校準系統總的不確定度如表1所示。

表1 校準系統總的不確定度表

從表1可以得出結論：該校準系統的量級為10×200-6。因此，它可以用來校準功率計量不確定度大于0.2%的系統。此外，在0.2級互感器和0.2級電能表的常規電能計量系統中，其綜合不確定度估計為0.7%。因此，上述校準系統估計的不確定度比要求高出三倍以上。

2.2 試驗案例分析

為了驗證本文所提出方法的性能，在35 kV電壓等級，對帶有EITs的電能計量系統進行了測試。電子式互感器ADC的采樣速率設置為12.8 kHz，由MU控制。使用常規方法估計系統的不確定度γ：

γ=γECT+γEVT+γDPM

(1)

式中：γECT為ECT的相對不確定度；γEVT為EVT的相對不確定度；γDPM為DPM的相對不確定度。

當使用圖2所示的測試設置電路在額定電壓(3/35 kV)和額定電流(200 A)條件下進行5次測試，所選ECT和EVT滿足IEC 0.2 s級精度限制。使用如圖3所示的基于FPGA的DPM校準器，得到被測DPM的不確定度為0.05%。根據式(1)，帶有EITs的單相電能計量系統的估計綜合不確定度γ為0.45%。

采用本文提出的校準方法，對電壓通道進行測試，不確定度為0.46%；而對電流通道測試，不確定度為0.58%。在對EITs的詳細測試結果進行分析后，發現ECT的額定延遲時間為200 μs，EVT的額定延遲時間為20 μs。因此，當該電能計量系統在電力系統中投入使用時，其實際不確定度(0.58%)比用傳統方法估計的綜合不確定度(0.45%)要低。在異步采樣條件下同時進行同相ECT和EVT測試，最終電能計量結果的總不確定度可達1.5%。該結果遠大于傳統方法估計的積分不確定度(0.45%)。

3 結論

本文提出了一種基于EITs的計量系統及校準方法。該方法具有一定的新穎性及使用價值。本文描述了其開發和性能評估，對計量系統的各部位進行了校準，包括誤差的來源、電子式互感器高壓電能計量系統的校準、電子式互感器的校準、DPM的校準等；對電能計量系統的不確定度進行了評估，并給出了試驗案例分析。相比較于傳統計量方法，本文所提出的計量校準方法在精確度上有了非常大的提高。研究結果顯示，該高壓電能計量系統校準方法對EITs校準電能計量系統的發展有一定的促進作用。