一種用于關(guān)口電能計量裝置遠程校驗的多路模擬采集器的研制

張鼎衢,楊路,宋強,孟慶亮,潘峰

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司計量中心， 廣州 510080)

0 引 言

關(guān)口電能計量裝置現(xiàn)場測試包括關(guān)口表運行誤差測試、電壓互感器(PT)二次壓降測試、互感器二次負載測試。人工現(xiàn)場測試時，需要在聯(lián)合接線盒、互感器就地端子箱處接入測試儀器，在高壓場地鋪設(shè)幾百米電纜，并在運行狀態(tài)下多次松(緊)螺絲、分(合)連片。傳統(tǒng)的工作模式工作量大、效率低，易引起失壓、分流等計量異常，并存在作業(yè)風(fēng)險[1-2]。目前，國內(nèi)大部分電力機構(gòu)仍以人工現(xiàn)場校驗為主[3-4]，部分學(xué)者已經(jīng)開展了電能表遠程校驗的研究[5-7]；也有電力科研機構(gòu)開始了針對電能計量裝置遠程監(jiān)測技術(shù)的研究，包括基于電能計量自動化主站數(shù)據(jù)的監(jiān)測[2]、二次回路狀態(tài)監(jiān)測[8-11]等技術(shù)研究。北京電力公司從電能計量裝置的管理現(xiàn)狀入手，提出一種提高電能計量裝置數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用水平的方法[12]；山東電科院針對計量回路分流竊電方式提出了一種全新的監(jiān)測手段，利用異頻導(dǎo)納法測試電流回路異頻導(dǎo)納，根據(jù)測試導(dǎo)納值判斷回路是否存在分流竊電行為；云南電力試驗研究院根據(jù)當(dāng)前建設(shè)的智能化變電站開發(fā)電能數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，實現(xiàn)對關(guān)口電能計量裝置的運行工況、準(zhǔn)確度掌控以及電能計量數(shù)據(jù)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化管控；西安工程大學(xué)提出了一種支持熱插拔的協(xié)議適配方案，用于解決電能計量裝置遠程校驗系統(tǒng)多種裝置接入的通信問題；廣州工業(yè)大學(xué)提出了將數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及人工智能技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測技術(shù)中，并提出了一些初步的應(yīng)用思路[13]。程瑛穎等人提出了電能計量裝置狀態(tài)模糊綜合評估與檢驗策略，選取多個能夠反應(yīng)電能計量裝置運行狀態(tài)的指標(biāo)，建立樹形評估體系，結(jié)合層次分析法和模糊綜合評估法得到電能計量裝置運行狀態(tài)的綜合評估結(jié)果。以上研究均以局部性研究為主，未形成系統(tǒng)性的成果。且基于用電信息采集系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測過渡依賴終端上送的數(shù)據(jù)，不能直接反映各計量裝置及二次回路的狀態(tài)，無法對故障進行準(zhǔn)確定位，特別是告警閥值設(shè)置的范圍過大，只能監(jiān)測到失壓、失流等電量差異大的計量故障，無法監(jiān)控到電能表誤差超差、二次壓降超差等細微的計量差異，更無法對電能計量裝置的健康狀態(tài)、可靠性進行評估和預(yù)測。

研制一種用于關(guān)口電能計量裝置遠程校驗的多路模擬采集器，采用高精度穿心式CT、高精度A/D采集電路、CPU處理單元、載波通信單元及時鐘電路等部件，運用基于頻率自適應(yīng)的移窗補償準(zhǔn)同步算法進行電參數(shù)計算，能夠?qū)崿F(xiàn)電能表端電參量的精確測量，能夠采集電能表功率脈沖、PT端及CT端監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電能表、PT二次壓降及互感器二次負載的遠程校驗、在線監(jiān)測等多種應(yīng)用。

1 概述

多路模擬采集器為關(guān)口電能計量裝置遠程校驗裝置的核心功能模塊之一，采用高精度穿心式0.01級的高穩(wěn)寬溫型CT、內(nèi)置高精度A/D采集電路與CPU處理單元、通信單元、時鐘電路等部件，如圖1所示。

圖1 多路模擬采集器框架結(jié)構(gòu)及應(yīng)用模型

采集與測量精度優(yōu)于0.05%RD(典型值達到0.02%RD)，時鐘對時精度不低于1 ms，同步精度不低于1 μs。主要功能包括：采用基于頻率自適應(yīng)的移窗補償準(zhǔn)同步的硬件核心算法，精準(zhǔn)監(jiān)測三相電壓、電流、功率；采用寬帶載波、LoRa技術(shù)，采集PT、CT監(jiān)測單元數(shù)據(jù)，進行PT二次壓降、互感器二次負載測試與監(jiān)控；通過采集電能表電能脈沖，進行電能表校驗；通過輸入回路智能切換以及脈沖輸出，進行自校；通過以太網(wǎng)光纖與本地控制單元通信，并通過網(wǎng)絡(luò)或4G方式實現(xiàn)主站遠程校驗與在線監(jiān)測。

2 外觀結(jié)構(gòu)

多路模擬采集器具有聯(lián)合接線盒的外觀結(jié)構(gòu)(尺寸200 mm×75 mm×95 mm)，充分考慮了安裝空間、現(xiàn)場可操作性和電氣可靠性。同時，設(shè)計有剩余孔位隔板、連片位置擋板、封印安裝孔等防竊電措施，防止在使用中出現(xiàn)竊電現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 多路模擬采集器外觀圖

現(xiàn)場安裝時，可直接替換原有接線盒使用，施工簡單，降低了應(yīng)用難度。

3 硬件與軟件設(shè)計

多路模擬采集器采用BF609核心板進行設(shè)計，如圖3所示。

BF609用來完成交流采樣與計算、PT、CT監(jiān)測單元及電能數(shù)據(jù)的抄讀、時鐘同步、在線校驗及其它測試任務(wù)等。硬件計算采用點積和、改進準(zhǔn)同步的算法，可以保證整個裝置的精度達到0.05級要求。同時，利用BF609的高性能定時器的特性，最高可以實現(xiàn)高達30 ns的時鐘同步性能。

對于電壓的采集采用電阻分壓方式(輸入阻抗100 kΩ)，電流的采集采用穿心式0.01級零磁通電流互感器，并使用零負載方式的I/V變換電路，再通過高精度低噪聲運放ADA4522-2作為信號緩沖與放大。該設(shè)計可以保證不接入電流回路，所帶入的負載約為0.09 VA(按照三相四線接線、額定電壓57.7 V計算)，對計量回路的影響可以忽略不計。

在模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，為實現(xiàn)高速高精度采集，選用8通道的18位高精度同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD7608)。使用固定采樣率12.8 kHz，采樣周期78 μs，即對50 Hz工頻信號每周波采集256點，使用BF609的Sport口雙線方式讀取8通道全部數(shù)據(jù)，僅需要7.2 μs(按10 MHz、4通道72個時鐘信號計算)，綜合其它因素，每個采樣點的最大讀取時間不到10 μs, 文中采用8倍過采樣方式，此時的轉(zhuǎn)換時間約40 μs，SNR約98 dB，有效地提高數(shù)據(jù)采集的精度與穩(wěn)定性。

對于電能表的在線檢驗，采用了標(biāo)準(zhǔn)表法：通過比對自身功率與電能表功率(通過采集電能表電脈沖)，實現(xiàn)電能表誤差測試。該模塊設(shè)計兩套有功、無功脈沖輸入口，通過光耦隔離后，用I/O口來進行采集，可同時對兩塊電能表進行在線校驗。

為實現(xiàn)自校，設(shè)計有功、無功脈沖輸出口，并進行光耦隔離，以保證系統(tǒng)的可靠性。同時，每個采集通道均設(shè)計信號繼電器，可實現(xiàn)多路模擬采集器測量或自校回路智能切換。

同步時鐘電路采用寬帶載波的方式，利用E2E或P2P的方式進行，同步信號輸入口使用IO+定時器的方式。同時，預(yù)留一個GPS/北斗授時模塊，保證時鐘同步的可靠性。

供電電源采用外置電源設(shè)計(220 V AC/DC轉(zhuǎn)12 V DC)，其額定輸出功率10 W，滿足多路模擬采集器理論計算的最大功耗7.25 W的要求。

如圖4所示，多路模擬采集器的軟件在基于ADI提供的CCES開發(fā)環(huán)境下進行開發(fā)，自帶UCOS實時操作系統(tǒng)，為了達到更高的交流采集性能，采用雙核心方式。其中，核心CORE1采集AD7608的數(shù)據(jù)并完成相關(guān)計算，并通過共享數(shù)據(jù)存儲的方式，將這些數(shù)據(jù)傳給核心CORE0。

圖4 多路模擬采集器主控程序框架圖

其中，主控程序采用BF609的核心CORE0完成協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)存儲與分析等功能。AD7608采集部分程序設(shè)計部分在核心CORE1上運行，完成所有電參數(shù)采集與計算后，將相關(guān)的計算結(jié)果存儲到BF609的數(shù)據(jù)共享區(qū)，并通知核心CORE0進行讀取。程序的計算部分綜合采用了改進型準(zhǔn)同步算法、點積和算法、FFT等多種算法，針對可能存在頻率波動或波形畸變的實際信號，可達到0.001 Hz的測量精度，為電壓、電流及功率的準(zhǔn)確計算提供了保障。同時，軟件設(shè)計還包括交采出廠精度校準(zhǔn)流程、交采精度在線自校驗流程、電能表校驗流程、PT二次壓降校驗流程、通信協(xié)議設(shè)計、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、通信接口設(shè)計與定義等多個內(nèi)容。

4 算法分析

交流采樣是對被測信號的瞬時值進行采樣，然后對采樣值進行計算獲取被測量的信息，然而，實際運行負荷復(fù)雜多變，電壓、電流隨時間的變化具有波動性，存在一定的頻率偏移。為實現(xiàn)高準(zhǔn)確度測量，理論上應(yīng)使用同步采樣方式，然而在工程實際中，尤其是在非正弦波形情況下，由于硬件鎖相環(huán)電路的跟蹤誤差或采樣頻率軟件自動鎖定誤差的存在，總存在著同步誤差，很難達到理想采樣，即非同步是絕對的，同步是相對的。另一方面，為保證數(shù)據(jù)的實時性，整個計算過程需要在極短的時間內(nèi)完成。因此，在實際數(shù)值計算過程中，需采用合理的算法來提高計算精度和減少計算時長[14-15]。選用了點積和算法和準(zhǔn)同步算法作為電參數(shù)的主要計算方法。其中，點積和算法主要用于電壓、電流、功率等的計算，準(zhǔn)同步算法主要用于頻率的計算。同時，對準(zhǔn)同步算法進行了改進，創(chuàng)新的采用了頻率自適應(yīng)和移窗補償?shù)姆椒?，既能保證頻率測量的精度，又可以提高運算速度。

4.1 點積和算法

點積和算法是電參數(shù)計算中最常用、簡單的計算方法，可以直接利用ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換)的采樣值進行簡單的乘加運算即可獲得計算值，具體如下：

參考GB/T 20840.8-2007《電子式電流互感器》中的暫態(tài)電壓電流模型，若取τ=1/2πf，離散后τ=N/2π，則N點離散化后公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中U、I為電壓、電流的有效值；k取整數(shù)。將采樣點數(shù)據(jù)代入式(1)～ 式(3)，可計算電壓、電流和功率，根據(jù)式(4)可計算一定時間的電能:

W=Pt

(4)

點積和計算步驟較為簡單，在硬件計算中可以快速實現(xiàn)。因此，在理想的基波信號下，選擇點積和算法既能保證計算精度又能保證計量速度。然而，實際被測信號非正弦信號，并具有波動性，可以增加采樣點數(shù)(N)和計算周波數(shù)(n)來保證計算精度，但增加了計算時長，且無法消除非同步采樣引起的誤差。為此，在點積和算法的基礎(chǔ)上選用了準(zhǔn)同步算法，并對算法進行了改進。

4.2 準(zhǔn)同步算法

令采樣頻率偏差為Δ/2π，x0是起始點對應(yīng)的角度值，則周期信號f(x)在一個周期內(nèi)的平均值為：

(5)

設(shè)Fn(x)為f(x)迭代n次后的函數(shù)，則：

(6)

對于周期函數(shù)，必有：

(7)

假設(shè)f(x)為角度偏差為Δ的余弦信號f(x)=cos(x)，則：

(8)

(9)

對于非同步采樣時，由于Δ一般很小，所以 sin(Δ)≈Δ，相對誤差為：

(10)

相對誤差最大值為：

(11)

按照準(zhǔn)同步遞推計算，每增加一次遞推，則相對誤差縮小了約Δ/(2π+Δ)倍，多次遞推后，非同步誤差逐步消除[16]。

4.3 頻率自適應(yīng)算法

運行采樣數(shù)值進行點積和、準(zhǔn)同步遞推計算時，需要準(zhǔn)確測量信號的頻率，從而獲得準(zhǔn)確的采樣點數(shù)[17-18]。信號的頻率可以通過零比較法測量，設(shè)兩個過零點之間一個周期的采樣點為：y1，y2，…，yn，其過零點之間的采樣點數(shù)為n。

根據(jù)圖5可知：第一個從零到正過零時間差tΔ1=T1-TZ1，第二個從負到零的時間差tΔ2=TZ2-TZ，一個周期非同步時間差tΔ=tΔ1+tΔ2。令t=x/ω，則：

圖5 過零比較法測量信號頻率原理圖

Δ1=2π×tΔ1/(tΔ1+nTs)

(12)

Δn=2π×tΔ/(tΔ+nTs)

(13)

根據(jù)準(zhǔn)同步算法，設(shè)f(x)=cos(x)，則：

(14)

設(shè)：

(15)

對于使用頻率自適應(yīng)的準(zhǔn)同步算法的n次遞推公式可改寫為：

(16)

(17)

則：

(18)

由于：

(19)

γn的最大值為1/n。所以，F(xiàn)n的遞歸速度主要與采樣點數(shù)有關(guān)和信號頻率的關(guān)系比較小，且遞歸一次的衰減值約為每周波采樣點數(shù)倒數(shù)的n次冪。因此，頻率的影響被有效降低。

4.4 移窗補償算法

按照準(zhǔn)同步遞推公式可知：

(20)

(21)

設(shè)：

(22)

則：

(23)

5 測試與驗證

5.1 算法測試

為驗證上述算法，選擇12 800固定采樣率和10個周波的采樣點，分別用點積和方式和5階改進準(zhǔn)同步方式對50 Hz、 55 Hz信號進行計算，測試時長1 h，如圖6～圖9所示，得出如下結(jié)論：在50 Hz信號時，兩種方法的計算結(jié)果均很好，測量誤差波動均在 0.002%以內(nèi)。當(dāng)信號為55 Hz時，選用點積和方式計算的最大測量誤差波動增大到 0.005%，并具有非同步采樣導(dǎo)致的周期性誤差波動。選用5階改進準(zhǔn)同步測量的精度較高，測量誤差波動僅為0.002%。將采樣點數(shù)增加至25個周波時，選用點積和方式計算的最大測量誤差可達到0.0026%。

圖6 50 Hz信號8周波點積和測量誤差

圖7 55 Hz信號8周波點積和測量誤差

圖8 55 Hz信號5階準(zhǔn)同測量誤差

圖9 55 Hz信號25周波點積和測量誤差

因此，在采樣點數(shù)有限、計算時間相同的情況下，改進準(zhǔn)同步算法的計算精度相比點積和算法提高了2.5倍，若達到同樣的計算精度，點積和算法需要更多的采樣點數(shù)，花費約2.5倍的計算時長?？梢姡倪M準(zhǔn)同步算法可有效地克服由于非同步采樣而導(dǎo)致的計算誤差，可達到較好的測量精度，有效地提高了計算速度，大大提高了算法的適用性，可在電參數(shù)測量中得到更廣泛的應(yīng)用[19-20]。

5.2 裝置穩(wěn)定性測試

為驗證裝置的穩(wěn)定性，對裝置在室溫下進行長時間穩(wěn)定性測試，如圖10、圖11所示，經(jīng)測試長時間下，裝置的頻率、電壓等都具有較好的穩(wěn)定度。

圖10 53.3 Hz信號48小時電壓測量誤差

圖11 53.3 Hz信號48小時頻率測量誤差

5.3 裝置檢測結(jié)果

為驗證多路模擬采集器在絕緣性能、環(huán)境試驗、計量性能是否滿足要求，委托了華南國家計量測試中心廣東省計量科學(xué)研究院對多路模擬采集器進行相關(guān)檢測，并出具了檢測報告。

裝置運行測試，檢測項目：(1)振動試驗；(2)高低溫試驗；(3)絕緣電阻試驗；(4)絕緣強度試驗；(5)沖擊電壓試驗；(6)靜電放電抗擾度；(7)射頻連續(xù)波輻射騷擾抗擾度；(8)電快速瞬變脈沖群抗擾度；(9)浪涌(沖擊)抗擾度；(10)工頻磁場抗擾度。經(jīng)測試，被測裝置在以上檢測項目的實測結(jié)果均滿足相應(yīng)要求，檢測合格(檢測報告編號：XNZ2019348)。

裝置誤差測試，檢測項目：(1)直觀和通電檢查；(2)交流電壓；(3)交流電流；(4)頻率；(5)交流功率；(6)功率因數(shù)；(7)有功電能誤差；(8)無功電能誤差。經(jīng)測試，被測裝置在以上檢測項目的相對誤差滿足0.05級準(zhǔn)確度要求，檢測合格(檢測證書編號：DBN201912544)。

6 結(jié)束語

文中詳細介紹了多路模擬采集器的結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計、功能設(shè)計、算法分析等內(nèi)容。該裝置可直接替換原有接線盒使用，能夠?qū)崿F(xiàn)電能表端電參量的精確測量，能夠采集電能表功率脈沖、PT端及CT端監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電能表、PT二次壓降及互感器二次負載的遠程校驗、在線監(jiān)測等多種應(yīng)用。該裝置為關(guān)口電能計量裝置的安全、準(zhǔn)確及可靠運行提供了一套解決方案，對推進關(guān)口電能計量裝置狀態(tài)巡檢、保證作業(yè)人員安全、提高關(guān)口運行管理水平等方面有著重要的促進作用，確保了關(guān)口計量的準(zhǔn)確性和電力貿(mào)易雙方的公平公正。