數(shù)字化電能計(jì)量檢測技術(shù)方案研究

摘要：數(shù)字化電能計(jì)量技術(shù)通過直接采用電子式互感器和數(shù)字化電能表，利用數(shù)字信號傳輸，顯著提高了計(jì)量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，減少了計(jì)量誤差，也提升了計(jì)量工作效率。本文主要圍繞數(shù)字化電能計(jì)量主題，分析計(jì)量檢測技術(shù)的具體方式，并在此基礎(chǔ)上探討其技術(shù)方案，旨在提高電能計(jì)量的效率和質(zhì)量，力求能夠更好地實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，推動(dòng)電能計(jì)量工作的向好發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；電能計(jì)量；檢測技術(shù)

中圖分類號：TM933.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1674-4977.2025.01.043

1數(shù)字化電能計(jì)量檢測技術(shù)概述

目前，數(shù)字化電能計(jì)量以應(yīng)用系統(tǒng)的方式呈現(xiàn)，通常采用光纖通信技術(shù)替換傳統(tǒng)電纜，充分利用光纖較強(qiáng)的電磁抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)電能損耗量的高精度、數(shù)字化反饋[1]。從數(shù)字變電站的宏觀運(yùn)維視角看，其在較為復(fù)雜的工況下仍能確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳?zhǔn)性，從根本上消除了數(shù)據(jù)飽和問題，大幅減少了數(shù)據(jù)傳輸誤差，極大地增強(qiáng)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測和計(jì)量的精度與效率。

此外，數(shù)字化電能計(jì)量保持了與電力技術(shù)的有機(jī)契合，實(shí)現(xiàn)了不同系統(tǒng)、平臺之間的良好互通性，能夠具備超強(qiáng)抗磁性和高可靠性，從而建立起穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道，為信息流通構(gòu)建了堅(jiān)實(shí)的保障[2]。以三相電能計(jì)量系統(tǒng)為例，其中，包含電子式電壓互感器、電子式電流互感器、信息合并單元、電能計(jì)量表等部分構(gòu)成，其大致結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)字電能表的普及應(yīng)用，不僅增強(qiáng)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力，還會對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行深度加工，使電能管理變得更加直觀透明，實(shí)現(xiàn)了管理層面的可視化升級。就其核心功能及特點(diǎn)而言，一是集信息獲取、轉(zhuǎn)換與處理于一體的融合能力；二是模型構(gòu)建與智能運(yùn)算的能力；三是接口兼容和高速傳輸?shù)哪芰?；四是協(xié)議解析與數(shù)據(jù)整合的能力。在各項(xiàng)功能作用之下，即使面對復(fù)雜的數(shù)據(jù)交換場景，亦能游刃有余，確保工作成果的高質(zhì)量輸出。

2數(shù)字化電能計(jì)量檢測技術(shù)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)

2.1數(shù)字式電子互感器

數(shù)字式電子互感器通常選用了多模光纖作為主要傳輸媒介，這在很大程度上依賴于光電互感器與二級設(shè)備間穩(wěn)定、高效的光纖連接界面，其旨在通過利用設(shè)備接口的高度適配性，為數(shù)據(jù)傳輸提供必要的通道保障[3]。其中，相較于傳統(tǒng)的電子式互感器，數(shù)字式電子互感器具備更強(qiáng)的性能，其內(nèi)部電子結(jié)構(gòu)更加精密，主要由電流、電壓等傳感元件，以及光纖輸出、一次轉(zhuǎn)換器、二次轉(zhuǎn)換器等模塊構(gòu)成。

在實(shí)際的設(shè)備運(yùn)行方面，一次轉(zhuǎn)換器側(cè)重于將電壓與電流傳感器產(chǎn)生的原始信號，轉(zhuǎn)換成適宜于光纖傳播的形式。隨后，這些經(jīng)轉(zhuǎn)化的信號會導(dǎo)向光纖輸出單元，進(jìn)而沿著光纖通道送達(dá)二次轉(zhuǎn)換器。二次轉(zhuǎn)換器則用于接收相應(yīng)的信號，并且利用其內(nèi)部的轉(zhuǎn)換機(jī)制，將相關(guān)信號通過識別與格式轉(zhuǎn)換，使其傳輸?shù)胶喜卧校源_保數(shù)據(jù)通信的連續(xù)性和精確性。與傳統(tǒng)的互感器相比，數(shù)字式電子互感器性能優(yōu)越，具備更高的安全性和適用性，其參數(shù)比較如表1所示。

2.2合并單元

合并單元依據(jù)時(shí)間同步信號的節(jié)拍，同步采集同一時(shí)間點(diǎn)下各通道的電流與電壓樣本數(shù)據(jù)，之后將這些數(shù)據(jù)封裝進(jìn)IEC 61850通信協(xié)議格式中，并轉(zhuǎn)發(fā)給二次設(shè)備，確保了數(shù)據(jù)交互的標(biāo)準(zhǔn)化與高效性。

另外，數(shù)字式電子互感器的二次轉(zhuǎn)換模塊，不僅能夠直接從傳統(tǒng)互感器中提取信號，還能將這些信號有效集成并傳送至合并單元。在合并單元向外發(fā)送的數(shù)據(jù)包里，不僅包含了各個(gè)電流與電壓的測量值，還附加了數(shù)據(jù)有效性的標(biāo)識信息，為保護(hù)、控制及計(jì)量等下游設(shè)備，提供了精準(zhǔn)可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.3數(shù)字化電能表

在數(shù)字化變電站中，電能表的接入方式主要分為兩類，一種是數(shù)字接口數(shù)字化電能表，另一種是低壓小信號模擬接口電能表。其中，數(shù)字接口數(shù)字化電能表，主要是通過光纖通道接收相關(guān)信號與數(shù)據(jù)，并且專門設(shè)計(jì)了用于處理合并單元輸出的IEC 61850-9-1/2通信協(xié)議數(shù)據(jù)包[4]。從運(yùn)行性能上看，此類數(shù)字化電能表能夠直接解析包含電流、電壓、采樣速率等關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)字編碼信息，以及與時(shí)間戳相對應(yīng)的數(shù)據(jù)序列，高效精準(zhǔn)地執(zhí)行電能計(jì)量任務(wù)。

此外，低壓小信號模擬接口數(shù)字電能表，其接收信號的方式為電氣連接，它在通信中主要依據(jù)IEC 60044-7、IEC 60044-8標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)與電子電壓、電流互感器進(jìn)行匹配，能夠兼容并利用這些互感器輸出的模擬小信號，經(jīng)由內(nèi)置的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，進(jìn)而進(jìn)行電能計(jì)量和相關(guān)數(shù)據(jù)處理，確保了數(shù)字化電能計(jì)量的精度和可靠性[5]。數(shù)字化電能表的工作原理如圖2所示。

3數(shù)字化電能計(jì)量檢測技術(shù)方案分析

3.1電能計(jì)量系統(tǒng)誤差分析

對比相同精度級別的傳統(tǒng)電能計(jì)量系統(tǒng)，數(shù)字化電能計(jì)量所產(chǎn)生的誤差更小，主要源于數(shù)字化系統(tǒng)采用無損的數(shù)字信號傳輸，并且電能表對接收的數(shù)據(jù)包執(zhí)行的數(shù)字運(yùn)算，本身不會引入額外誤差。加之?dāng)?shù)字信號處理過程，對溫度變化和時(shí)間漂移具有天然的抵抗性，使數(shù)字化電能表在理想條件下的計(jì)量誤差極低，甚至無需常規(guī)校驗(yàn)。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)字化電能表仍會遭遇一些導(dǎo)致誤差的因素：1）采樣點(diǎn)數(shù)的差異對計(jì)量精度的影響。數(shù)字化變電站對實(shí)際電壓、電流信號進(jìn)行周期性采樣時(shí)，不同的采樣點(diǎn)數(shù)量會導(dǎo)致數(shù)據(jù)捕捉的差異，因此要求在評估電能表的計(jì)量精度時(shí)，必須考察采樣點(diǎn)數(shù)變化所帶來的影響。2）諧波干擾的影響。諧波干擾是影響電能計(jì)量的重要因子，因此需要依托快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)，對結(jié)果進(jìn)行計(jì)算與分析，以增強(qiáng)諧波干擾抗性。3）量化精度中的電壓電流額定值影響。由于在實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用中，電壓、電流互感器存在規(guī)模、型號差異，致使其在運(yùn)行中的計(jì)量量化系數(shù)不同，必須利用相對統(tǒng)一的量化模型，使其具備穩(wěn)定、精確的計(jì)量系數(shù)。4）容錯(cuò)機(jī)制的影響。當(dāng)數(shù)字化電能表未能接收到合并單元的數(shù)據(jù)包，或是接收到的數(shù)據(jù)不合規(guī)時(shí)，其內(nèi)置的容錯(cuò)處理機(jī)制會發(fā)揮作用，因此在評估中也必須考慮容錯(cuò)處理能力及其對計(jì)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生的影響。

3.2數(shù)字化電子互感器的檢測

檢驗(yàn)中的數(shù)字化電子互感器主要利用合并單元對信號的處理，通常是利用同步信號的節(jié)拍特征，以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的輸出和傳導(dǎo)。同時(shí)，數(shù)據(jù)采集設(shè)備用于接收標(biāo)準(zhǔn)互感器二次輸出信號，結(jié)合控制主機(jī)的相關(guān)指令，控制同步信號觸發(fā)器進(jìn)行采樣。在檢測中，采樣命令需要同兩套數(shù)據(jù)采集器同步下達(dá)，再控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的同步。

另外，在數(shù)字化電子互感器的檢測中，誤差控制顯得尤為重要，需要利用計(jì)算機(jī)控制平臺，對合并單元所處理的數(shù)據(jù)包實(shí)施解碼，并通過誤差分析算法進(jìn)行全面分析，以此來提取二次輸出的幅值A(chǔ)及相位偏移。同時(shí)，還需要通過采集器接收數(shù)字進(jìn)行計(jì)算，以確定標(biāo)準(zhǔn)互感器二次輸出的幅值B和相應(yīng)相位偏移。利用相關(guān)的計(jì)算公式即可準(zhǔn)確評估比值誤差和角度誤差。數(shù)字化電子互感器檢測方式如圖3所示。

3.3數(shù)字化電能表檢測

為了檢測模擬接口的數(shù)字化電能表精度，可采用結(jié)合低壓標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)與變換單元的檢測方案。該檢測裝置的核心組成部分包括標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器、電壓與電流變換模塊，以及被檢測的數(shù)字化電能表本身。其中，標(biāo)準(zhǔn)信號源利用高性能的16位高速DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）模塊，以超過每秒百千赫茲的頻率輸出，遵循IEC 60044-7/8規(guī)范的高質(zhì)量正弦電壓數(shù)字信號。隨后通過幅值校準(zhǔn)、濾波整形，通過輸出緩沖電路，最終傳遞至被測電能表的模擬輸入接口。

整個(gè)檢測系統(tǒng)在上位機(jī)軟件的統(tǒng)一指揮下運(yùn)行，不僅能夠完成對電能表基本誤差的常規(guī)檢查，且覆蓋所有預(yù)設(shè)的檢測點(diǎn)，同時(shí)還具備擴(kuò)展功能，能全面檢測電能表的計(jì)數(shù)、啟動(dòng)閾值、空轉(zhuǎn)抑制、低電壓應(yīng)對及缺相等關(guān)鍵性能指標(biāo)，確保了電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

4結(jié)束語

在新時(shí)代智能電網(wǎng)發(fā)展背景下，電能計(jì)量領(lǐng)域的發(fā)展如火如荼，且愈發(fā)面向自動(dòng)化和信息化轉(zhuǎn)型。在此背景下，探究數(shù)字化電能計(jì)量檢測技術(shù)，能更好地適應(yīng)現(xiàn)實(shí)需求，保證電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性，解決數(shù)字化變電站中的電能計(jì)量問題，從而助力提升電網(wǎng)計(jì)量的精確性與智能化水平。

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作者簡介

倪浩然，男，1992年出生，工程師，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)量檢定。

（編輯：劉一童，收稿日期：2024-06-25）