数字化变电站电能计量装置检验技术①

林国营， 周尚礼， 孙卫明， 伍少成

(广东电网公司电力科学研究院， 广州 510600)

数字化变电站电能计量装置检验技术①

林国营， 周尚礼， 孙卫明， 伍少成

(广东电网公司电力科学研究院， 广州 510600)

由传统模拟计量装置过渡到数字计量装置所带来的量值传递问题，如果不能较好解决，必将影响数字化变电站应用的推广步伐。该文立足于解决数字计量中的量值传递问题，研究了电子式互感器和基于IEC61850数字电能表的误差检验方法，并研制了检验装置。将采集单元作为独立模块溯源到现有的国家标准，解决了数字转换的标准化问题，然后将检验装置作为整体进行误差测试、性能验证。结果表明，该方法能够用于对数字电能计量装置进行误差校验。

数字化变电站； 电子式互感器； 数字化电能表； 误差校验； 量值传递

电子式互感器在数字化变电站的应用改变了电能计量装置的结构，以单相计量为例，装置结构如图1所示，设备之间以光纤连接。合并单元作为间隔层设备，对互感器的采样值传输起到协议转换和时间同步的作用。合并单元的输出为数字量信号，研究互感器的检验方法一直是业界的热点课题，主要难点是校验装置的量值溯源问题。电能表的检验技术在国内几乎仍是空白，主要的难点也是检验装置的量值溯源问题。

本文首先结合电能计量装置的特点，给出电子式互感器和电能表的检验方案，重点讨论了设计难点，然后深入讨论校验装置的量值溯源方法，最后给出实验数据。

图1 数字化变电站计量装置结构图Fig.1 Structure of watt-hour metering systemin digitalized substation

1 电子式互感器检验方法

1.1 检验方法

文献[1～5]介绍了一种电子式互感器检验方法，这种方法采用传统电磁式互感器作为标准器具，标准互感器的二次输出经过模数转换，再与被试电子式互感器输出比较得到比差和角差。影响检验精度的因素可分两部分：标准器具和校验仪。检定电子式电流互感器时的标准器具为标准电流互感器和标准取样电阻，等级可选0.02级和0.01级，实际误差应小于(0.02%，1′)。校验仪包括模数转换单元和数据处理单元，设计难点是模数转换单元、时钟同步和处理算法。按照国标JJG313-94[11]、JJG314-94[12]及《电子式互感器校准规范》，在额定频率和被检电子式互感器被测量程范围内，标准器应比被检电子式互感器高两个准确度级别，其实际误差应不大于被检电子式互感器误差限值的1/5[6]。为达到检验现场用0.2S级电子式电流互感器目的，校验装置的整体精度至少为0.05级，实际误差应达到比差小于0.04%，角差小于2′。

根据以上分析，校验仪的实际误差应小于(0.02%，1′)，如此高精度的比差和角差要求，普通AD转换器很难达到。同时，校验装置应能适用于变电站环境，即装置应具有自校准功能。因此，本文采用了Agilent的3458A八位半数字多用表，它能够提供高达100 kS/s的转换速率，1 kHz的输入信号仍然具有96dB的信噪比，交流采样最小量程10 mV，中频带电压采集精度达100×10-6[7]。能接收外部触发脉冲，用于同步被测互感器的采样时刻。

合并单元都要求具有时钟同步接口，用于同一间隔的电流互感器和电压互感器同步采样。IEC标准[8]对同步秒脉冲的技术参数进行了规定，并要求合并单元检查秒脉冲输入的合理性，当相邻脉冲间隔时间与理想间隔时间(1 s)相差大于10 μs时认为脉冲输入不正常。本文以ARM7处理器为核心设计了同步控制卡，如图2阴影部分所示。光脉冲或者电脉冲以秒脉冲的形式输出至合并单元，并于接到检验命令后的下一个秒脉冲输出，同时输出电触发脉冲至3458A，实现互感器和数表的同步采样。

根据前面的论述，检验方案结构如图3所示(以电子式电压互感器为例)。经测试，不同3458A之间的100 V以下档位的一致性比较好，因此标准信号通道采用感应分压器，避免3458A工作于100 V档位。处理算法采用傅立叶变换法，此方法在电网频率波动或非同步采样时，误差比较大，尤其是相位误差完全不能满足要求，有多种频率补偿算法，经测试，基于插值FFT的谐波分析算法[9]具有精度高、运算量小的优点。

图2 采样同步卡原理图Fig.2 Schematic diagram of syn-sampling card

图3 电子式电压互感器的校验原理图Fig.3 Schematic diagram of electronic voltagetransformer calibration

1.2 校验仪的量值溯源

电子式互感器的校验基于绝对值比较法，因此涉及到数字采样单元和误差计算单元两部分。目前还没有数字标准源可以对计算单元进行检定，而数字采样单元的波形复现能力是可以从现有国家规程中得到检定依据。那么，检验装置的电能误差也可以通过现有的电能标准进行验证。

电子式互感器检验装置的测量对象为比差和角差，比差溯源等效为有效值检定，角差溯源等效为相位检定。有效值检定原理简单，可采用Fluke 5720A作为标准源，其精度为0.01级。

相位检定原理如图4所示，两台数表构成相位测量通道。图中的BHE型互感器校验仪检定装置可以非常方便、精确地设定角差，设定分辨率0.05′，调节范围[-500′，+500′]，装置精度为0.2级。

数表接收同步脉冲到启动采样需要一段延迟时间，设为td，由图4可知，计算结果中不会存在td，因此需要单独测量td并作为系统误差进行修正。根据文献[7]介绍的测试方法，测得td=900 ns。

图4 电子式互感器校验仪的检定原理图Fig.4 Schematic diagram of verifying electronictransformer calibration system

2 数字化电能表检验

数字化电能表的输入为符合IEC61850-9-1或IEC61850-9-2采样值传输协议[10]的数据帧，因此，检验装置应能输出此数据帧，并能从合并单元接收数据帧。

检验装置从实现方式上可以根据数学函数输出虚拟的电压、电流采样值。这种方法称为数字标准法，在实现上比较简单，但根据国家溯源政策规定，量值溯源是通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果能够与法定的标准联系起来[11]。而此方案中传输的电压、电流值由于是根据数学函数计算得到的，无法与其他标准进行量值比对，另外更重要的是，采用模拟标准源得到采样数据的方法更加符合实际电能产生的过程。

为此，本文基于模拟溯源法设计了电能表检验方案，原理如图5所示。标准功率源为通用三相功率源，COM3000为传统的0.01级标准电能表，两者组成0.01级的电能表检定装置。其中的标准表和数字抽样的误差作为整体由更高精度的模拟标准电能检定装置进行检定。校验装置的关键部分是模拟合并单元，将模拟信号采集后，按照IEC61850协议组成以太网帧，通过光纤网络或者双绞线网络发送给被检电能表。整个校验装置包含标准功率源、标准电能表和模拟合并单元3部分。此量值传递模型结构较为复杂，开发难度大，但逻辑清晰，既能向上溯源更高精度的电能标准装置，又能向下检定数字化电能表。

图5 数字化电能表检验方案Fig.5 Traceability model of accuracy fordigitalized watt-hour meter

方案设计的重点是使COM3000、校验装置和被检数字化电能表组成量值传递途径。难点是检验装置的设计和量值溯源。本文设计的检验装置原理图如图6所示。

由于电能表检定的量程范围比较大，信号调理模块通过调整信号的放大比例，提高采样的信噪比和分辨率。ADS1278为24位8通道同步采样Δ-∑模数转换芯片，可以达到111dB的信噪比。数据处理芯片为ADI公司的Blackfin531，主频达400MHz，具有双运算单元，完成数据处理、电能累积、误差计算和IEC61850通信任务。电能累积算法为实时采样点积分，不应再作其他误差修正处理，系统误差的修正在采样值传输通道，然后将修正后的采样值以IEC61850-9-1或IEC61850-9-2协议数据帧发送至被测电能表以及检验装置内部的电能累积单元。工控机的功能是人机接口，实现检验装置命令下载和测试数据处理。

图6 数字化电能表检验装置原理图Fig.6 Schematic diagram of digitalizedmeter calibration system

3 量值溯源实验

电子式互感器检验系统中的标准器具可以参照相关规范进行检定，而校验仪采用比对的方式进行量值溯源，在5 mV～100 V量程范围内，比差检定数据如表1所示。从检定数据可知，即使频率偏离达到±1 Hz时，校验仪在比差测量时引入的误差仍小于0.02%。

表1 不同频率下的比值误差Tab.1 Ratio errors under different frequencies (×10-4)

改变BHE型互感器校验仪检定装置的角差设定值，可以检定校验仪的相位误差。另外，改变模拟被测通道的采样率，可以检定校验仪在被检互感器不同采样率时的误差波动。检定数据描绘于误差坐标，结果如图7所示。从检定数据可见，本校验仪在角差测量时引入的误差始终小于1′。

图7 校验仪角差检定数据图Fig.7 Phase error of electronic transformercalibration device

表2为数字化电能表检验装置在量传模式下的检定结果，从误差特性可知，校验装置的精度已经达到了0.05级的要求，系统误差主要来自模拟信号通道的容性误差，还可以通过采样值的相位修正来减小此误差。

表2 电能表校验装置在量传模式下的检定数据Tab.2 Calibration data of meter calibration system (%)

4 总结

本文讨论了数字化变电站电能计量装置的检验方法和检验装置的量值溯源方案，采用该校验装置对广东220 kV三乡数字化变电站的电能计量装置进行了验收试验。从试验结果来看，电子式电压互感器的精度受环境和电磁场的影响比较大，必须于安装后的试验数据为判定依据。数字化变电站电能计量装置的检验方法还处于探讨阶段，如需要对电能计量装置和校验装置的时间特性和温度特性作进一步的研究。

[1] 钱政，李童杰，张翔(Qian Zheng, Li Tongjie, Zhang Xiang).电子式互感器校验方法的设计与实现(Design and realization of calibration method of electronic transformer)[J].北京航天航空大学学报(Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics)，2006，32(11):1316-1319，1323.

[2] 于文斌，张国庆，郭志忠(Yu Wenbin, Zhang Guoqing, Guo Zhizhong).电子式电流互感器校验技术的研究(The research of calibration technology of electronic current transformers)[J].高电压技术(High Voltage Engineering)，2004，30(7):20-21，39.

[3] 张蓬鹤，何俊佳，陆以彪，等(Zhang Penghe, He Junjia, Lu Yibiao,etal).电子式互感器误差校验装置的研究(Research for electronic instrument transforms error calibration device)[J].电测与仪表(Electrical Measurement & Instrumentation)，2009，46(1):57-60.

[4] 徐雁，陈金玲，肖霞，等(Xu Yan, Chen Jinling, Xiao Xia,etal).光电式电压互感器校验方法的研究(Study on method of accuracy measurement used for optical-electric transformer)[J].高电压技术(High Voltage Engineering)，2003，29(2):15-16，45.

[5] 梅志刚，罗承沐，崔爱芳(Mei Zhigang, Luo Chengmu, Cui Aifang).一种虚拟互感器校验仪的设计(Design of virtual calibrator for instrument transformer)[J].变压器(Transformer)，2006，43(10):25-28.

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[7] Agilent Technologies Inc. Agilent Technologies 3458A Multimeter User's Guide[Z].Loveland,USA: Agilent Technologies Inc, 2000.

[8] IEC60044-8， Instrument transformers Part 8: Electronic current transformers[S].

[9] 祁才君，王小海(Qi Caijun, Wang Xiaohai).基于插值FFT算法的间谐波参数估计(Interharmonics estimation based on interpolation FFT algorithm)[J].电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society)，2003，18(1):92-95.

[10]IEC61850，Communication networks and systems in substations[S].

[11]CNAL/AR10:2002, 量值溯源政策[S].

CalibrationTechnologyofNontraditionalElectricEnergyMeasuringEquipmentsinDigitalizedSubstation

LIN Guo-ying， ZHOU Shang-li， SUN Wei-ming， WU Shao-cheng

(Guangdong Power Grid Corporation Electric Power Research Institute,Guangzhou 510600, China)

The change from traditional analog energy measuring to digital signal measuring brings problem of traceability of measuring value. If this problem isn't solved properly, the application of digitalized substation will be influenced. Aiming at solution to traceability of measuring value, the calibrating technology is studied for electronic instrument transfers and digitalized watt-hour meter, and the calibrating equipment is designed. The quality of A/D module can traces national standard. The error of the whole calibrating equipment can be tested in lab. The result shows that this technology can be used in calibrating nontraditional energy measuring devices.

digitalized substation； electronic instrument transfers； digitalized watt-hour meter； error calibration； traceability of measuring value

2009-08-25

2009-12-10

TM45

A

1003-8930(2011)03-0145-06

林国营(1982-)，男，硕士，工程师，研究方向为非线性负荷下的电能计量技术以及数字化变电站电能计量装置测试技术。Email:lingofive@gmail.com

周尚礼(1968-)，男，硕士，主任，高级工程师，研究方向为电磁测量。Email:zhshlyh@tom.com

孙卫明(1971-)，男，本科，工程师，研究方向为电能计量装置检测技术。Email:swm2804@21cn.com