数字电能表的校验方法研究

袁 辉，尧冬梅，张朝军

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

随着智能电网技术的高速发展，基于IEC 61850标准[1]建立的数字化变电站将成为变电站建设的趋势。它的信息采集、传输处理和输出过程将全部实现数字化，基本特征为设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化等。数字变电站技术的推广，引发了电能计量技术的变革。数字计量方式由于采用光纤通道进行数字量的传输，有效地消除了二次压降和模拟电能表的模拟/数字（A/D）转换误差，提高了电能计量的准确度和稳定度；因此，数字计量将成为电能计量专业的发展方向。

国家计量法规定，用于贸易结算的关口电能计量装置必须接受强制检定。在传统的电子式电能计量系统中，电磁式互感器输出模拟电压、电流信号，通过二次电缆传送给电能表，电能表将模拟量转化为数字脉冲量，再经计数器累积计数计算出某段时间t内的电能，这样传统的电子式电能计量系统就会带来较大的测量不确定度[2]。而在数字计量系统中，电子式互感器输出数字电压、电流信号，通过光纤传输到合并单元，合并单元按照IEC 61850-9标准将电压电流信息组合成规范格式的数据帧，数字电能表接收此数据帧，直接进行数学计算得出电能。由此可知，电子式互感器和数字电能表的工作原理和输入输出形式发生了本质改变，传统的校验设备和技术已无法对其进行校验；因此，研究电子式互感器和数字电能表的检验方法已成为业界的热点课题[3-6]。

目前，对电子式互感器的检验通常采用基于绝对值比较的误差校验方法，即采用传统标准电流电压互感器作为标准器，标准互感器的二次输出经过模数转换，与合并单元发出的数字信号进行比较，得到电子式互感器的比值误差和相位误差。然而，对数字电能表的检测方法仍处于探讨中；因此，本文将讨论数字电能表的校验方法及其量值溯源问题。

1 数字化变电站电能计量系统

数字化变电站电能计量系统方框图如图1所示。它由电子式电流互感器（ECT）、电子式电压互感器（EVT）、GPS同步时钟、合并单元、数字电能表组成。数字化变电站内母线的高电压、大电流经电子式互感器变换成符合IEC 60044标准要求的小信号，通过光纤输送给合并单元。合并单元依据GPS同步时钟信号的节拍，将同一时间节点的各项电压电流信号进行数字化处理，按照IEC 61850标准的要求，对各项数据打包、传输。数字电能表接收来自合并单元的数字信号，采用数字信号处理算法直接计算得到电功率和电能等电能计量数据。

图1 数字化变电站电能计量系统方框图

传统计量系统由电磁式模拟互感器、电能表通过电缆连接构成。假设电压、电流互感器、电能表均为0.2级，加上线缆传输误差0.1%，最终计量系统准确度为0.7%。数字电能计量系统采用输出数字信号的电子式互感器，具有校验信息的数字化电流、电压信号在传输处理的过程中没有附加误差，解决了传统变电站强电场对模拟信号及模拟信号之间相互干扰的问题，数字电能表将接收的数字信号进行数学计算，理论上也不会增加误差；因此，数字式电能计量系统的准确度由电子式电压、电流互感器决定。假设数字式电压、电流互感器均为0.2级，最终电能计量系统的准确度为0.4%。由以上分析可知，与传统的电能计量系统相比较，数字电能计量系统减小了测量误差，提高了计量准确度。

2 数字电能表

数字电能表是应用于数字变电站计量电能的新型仪表，它采用数字信号处理器与中央微处理器相结合的构架，将数字信号处理器的高速数据吞吐能力与中央微处理器复杂的管理能力完美结合。其中，由合并单元生成符合IEC 61850-9协议要求的数据信息，通过协议处理芯片获取，并传送至数字信号处理单元完成对电压、电流、功率等电参量的测量，电能累计以及电能的计算等任务，再与中央微处理器进行数据交换，由中央微处理器最终完成表计的显示、数据统计、储存、人机交互、数据交换等复杂的管理功能。数字电能表原理框图如图2所示。

图2 数字电能表原理框图

数字电能表可以实现分时计量电能，可计量多个费率（尖、峰、平、谷）的正反向有功电能、四象限无功电能及感性、容性无功电能，能实时测量总功率及三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因素及频率，并显示功率方向；根据需要计算出三相三线制时各线对虚拟中点的电参量值、正反向最大需量的有功电能和四象限最大需量的无功电能，并记录最大需量出现的时间；统计当月总电能及4种费率分时的电能，并存储最近12个月的相应历史数据。还可以实现负荷曲线记录，能记录掉电、断相、失压、无负荷、失流等基本事件以及其他事件；具有无源脉冲输出和无源测试脉冲输出，并提供USB接口，可通过该接口使用PC编程软件对电表进行编程；有独立的RS485接口和接触式或调制型光学通信接口。

3 数字电能表校验技术

通过以上分析可知数字电能表与传统电能表的工作原理完全不同。数字电能表所接收的信号是数字化的电压电流信号，而不是传统的57.7V/100V电压信号或者5A/1A的电流信号，内部没有电压传感器和电流传感器以及A/D转换单元。数字电能表将获取的数字化电压电流瞬时值进行数学计算得到电功率和电能。理论上，数字电能表只是将接收到的电压电流数字信息进行简单的乘加运算，是不会产生误差的。然而实际上，由于通信误码率、算法误差、截断误差等因素的影响，数字电能表仍然存在误差。那么对数字电能表的误差检验就很有必要了。由于数字电能表的误差检验与传统电能表的误差检验有本质的区别，传统的校验技术已经不能满足数字电能表的校验要求；因此，需要重新研究数字电能表的检测技术。

3.1 基于标准数字功率源的数字电能表校验技术研究

目前，国内一些电力研究院已经研制出了数字电能表的检测装置[7]，测试方案如图3所示。标准数字功率源按照设定的电压、电流、功率因素等参数产生符合IEC 61850-9标准格式的数据帧，通过交换机和光电转换器将数据传送到被检数字电能表，同时输出标准脉冲。数字电能表根据接收到的数帧实时累积电能，并按照电能表的脉冲常数输出相应的低频脉冲。误差计算器比较标准脉冲和电能表输出的脉冲，从而计算出被检数字电能表的误差。

图3 基于标准数字功率源的数字电能表校验方案

这种校验方法能够很好地校验数字电能表由通信误码率和算法引起的误差。根据国家溯源政策[8]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。然而该方案中的标准数字功率源生成的电流、电压值是理论上计算出来的，不能参与量值溯源。因此，要解决量值溯源问题还有待研究。此外，标准数字功率源输出的功率数据完全稳定，而现场的功率是一直处于变化状态的，所以标准数字功率源无法完全模拟现场的情况，这就有可能造成在实验室检测合格的电能表在现场检测不合格。传统的模拟功率源输出的功率也是有波动的，所以说在模拟现场情况的方面，数字功率源不如模拟功率源。通过以上分析比较，提出基于标准模拟功率源的数字电能表检验方案。

3.2 基于标准模拟功率源的数字电能表校验技术研究

基于模拟标准功率源的数字电能表的校验方案如图4所示。图中虚框为校验装置，包括标准功率源、模拟合并单元和标准数字电能表。标准功率源输出传统的模拟电压、电流信号，经过模拟合并单元中的A/D转换器转化成数字信号。模拟合并单元按照IEC 61850-9-1/2协议，将数字化的各路电压、电流信号进行打包，传输给标准数字电能表。标准数字电能表从数据帧中直接提取各相电压电流信号，进行计算得到电能，同时发出电能脉冲信号。校验装置向下校验低等级的数字电能表时，将被校数字电能表与标准数字电能表并联起来，模拟合并单元将标准数据同时发送给标准表和被校表，标准表和被校表接收、解析含有电流电压功率因素等信息的数据帧，计算并实时累计电能，同时输出电能脉冲。误差计算器比较标准表和被校表的脉冲数得到被校表的电能误差。

图4 基于标准模拟功率源的数字电能表校验方案

这种校验方法采用模拟功率源，能准确模拟现场情况，符合数字电能表的实际工况。该校验系统可由上位机软件控制，可以进行基本误差、走字、启动、潜动、失压、断相、协议符合性和随机丢帧等检测，从而全面校验被检数字电能表的电能准确度及功能。

图5 数字电能表校验装置溯源方案

3.3 数字电能表校验装置溯源

数字电能表校验装置向上溯源时，方案如图5所示。标准功率源输出两路模拟电压、电流信号，一路输出给更高等级的传统模拟标准电能表，对该模拟信号进行测量；另一路经过模拟合并单元采集并生成符合IEC 61850标准的数据帧，传送给校验装置的标准数字电能表。比较传统模拟标准电能表的实测电能值和校验装置中数字电能表的计算电能值，就得到了校验装置的整体误差。这样校验装置就能通过传统的模拟电能表，最终溯源到国家电能基准。

4 结束语

本文概括介绍了数字化变电站的数字计量系统，采用电子式互感器、合并单元和数字电能表等高新技术产品，有效地提高了电能计量准确度。重点对数字电能表的工作方式和原理进行了阐述，由于其原理和接口与传统电能表发生了根本变化，传统的校验技术已不适应于数字电能表的校验；因此，提出了一种基于模拟标准功率源的数字电能表校验方案，该方案能向下校验低等级的数字电能表，也能向上溯源到更高等级模拟电能表。

[1]IEC61850 Communication networks and systems in substations[S].

[2]张朝军，尧冬梅，智新国，等.电能表检验装置的误差测量与不确定度评定[J].中国测试技术，2006，32（3）：16-19.

[3]钱政，李童杰，张翔.电子式互感器校验方法的设计与实现[J].北京航天航空大学学报，2006，32（11）：1316-1323.

[4]刘水，黄洋界，李斌.数字化电能计量检测技术方案研究[J].电测与仪表，2011，48（544）：66-71.

[5]高佳.浅谈数字化电能表的应用[J].计量与测试技术，2011，38（12）：31-32.

[6]林国营，周尚礼，孙卫明，等.数字化变电站电能计量装置检验技术[J].电力系统及其自动化学报，2011，23（3）：145-148.

[7]姚力，李少腾，陆春光.数字化电能表检测装置设计[J].电测与仪表，2010，47（536A）：28-32.

[8]CNAL/AR10：2002量值溯源政策[S].