电网实负荷工况下模拟量输入式合并单元校验仪的研制

国网江苏省电力有限公司扬州供电公司 成国锋

鉴于目前变电站二次回路的电子式互感器技术尚不成熟，国内传统变电站的数字化改造及智能变电站的建设仍主要采用电磁式互感器+模拟量合并单元方式。模拟量输入式合并单元是数字化电能计量体系的核心设备，其计量性能不仅影响数字化电能计量的准确度，更是电能计量系统安全运行的前提。现有的合并单元检测规范对实负荷的检测标准缺乏相关的定义,同时市场上大多数厂家研制的合并单元校验设备均不提供实负荷输出功能，导致合并单元的性能检测存在不全面的问题。

本文研制了一种实负荷工况下的模拟量输入式合并单元校验仪，校验仪通过增加实负荷输出功能实现了互感器二次侧任意波形的模拟，解决了传统合并单元校验仪无法提供实负荷检验的问题，并采用频率自适应的DFT 特征提取算法消除了实负荷信号输入时谐波、频率抖动引入的误差，保证了校验结果的准确性。

1 校验原理

实负荷工况下模拟量输入式合并单元校验仪主要由三相程控功率源、同步时钟、标准A/D 通道、DFT 算法模块及误差计算模块几部分组成，其具体的校验原理如图1所示。其中三相程控功率源作为信号源，向被测合并单元和标准A/D 通道提供电压、电流信号，同步时钟发生同步触发信号控制各模块同步采样，采样后的数据输入DFT 算法模块中进行基波特征参量的提取，最后在误差计算模块完成标准值与合并单元的误差比对及计算。

图1 实负荷下模拟量输入式合并单元校验仪的测试原理图

2 关键技术研究

通过对实负荷下模拟量输入式合并单元校验仪测试原理进行分析，为实现校验仪的实负荷功能，首先需支持实负荷信号的输入，三相程控功率源作为信号源需提供实负荷的输入及输出功能，即满足实负荷复现功能。同时考虑到实负荷信号中存在多种谐波及宽带随机噪声的叠加，将影响基波信号的准确测量，因此需设计一种DFT 算法，提升噪声背景下基波参数估计的准确度。

2.1 具有实负荷复现功能的三相程控功率源设计

2.1.1 硬件设计

为实现暂态性能测试或互感器二次侧波形数据可实时正常输入，为三相程控功率源增加了数字输入接口，接口采用DA9000A 网络芯片作为网口传输，信号通过DA 芯片进行数模转换，再通过功率放大模块进行放大输出生成信号源。具有实负荷复现功能的三相程控功率源结构设计如图2所示。

图2 具有实负荷复现功能的三相程控功率源结构设计图

具有实负荷复现功能的三相程控功率源由DM9000A 初始化接收模块、串口参数配置模块、数据操作及SDRAM 操作模块、乒乓操作模块、实负荷转DA 输出模块及功率放大模块等组成。在功率源上电后，DA9000A 初始化接收模块及SDRAM 操作模块将自动完成对相应芯片的初始化配置，串口参数配置模块用于接收实负荷发送命令并传输给数据操作模块，数据操作模块在接收到命令后通过DA9000A 初始化接收模块向上位机发送请求数据帧，上位机在接收到请求数据帧后将向功率源传输基于IEC-61850-9-2的实负荷数据，实负荷数据传输到数据操作及SDRAM 操作模块完成电压、电流通道数据的解包及存储。该过程中为防止数据丢失，在SDRAM 操作模块中设定相应的判定机制，通过对SDRAM 发送地址、接收地址、报文长度的判定来控制数据操作模块请求帧的发送与停止操作。SDRAM 存储的数据采用乒乓操作的方式输出到实负荷转DA 输出模块，DA 输出模块完成数字信号到模拟信号的转换，并通过功率放大模块完成电压、电流信号的输出。

2.2.2 算法优化

传统的三相程控功率源含有固定波表[1]，通过采用人工设定不同比例系数改变寻址步长的方式实现功率源幅值的自由控制。为减少人工因素的干扰，保证实负荷输出的自动性及有效性，进行了实负荷自适配比例转换算法设计：上位机向三相程控功率源输入额定工况下的波形数据，功率源的主控板对1s 内的波形数据进行缓存选出最大的数据点G(k0)，其中k0为对应的采样序列点，然后选取k0附近的3个序列点k1、k2、k3，采样序列点满足k1＜k0＜k2＜k3，将4个数据点带入拉格朗日3阶插值算法中计算数据的极值：

插值点附近的值：

通过求导的方式计算极值：

将式（2）求解的极大值点带入式（1）中求得波形数据中最大值点ymax，基于互感器二次侧输出的电压（57.7V）、电流（5A）的有效值，通过kv=ymaxV/57.74、ki=ymaxI/5即可计算出比例系数k。具有实负荷复现功能的三相程控功率源基于计算的比例系数k 值即可完成对波表的动态更新，从而实现对输入的实负荷数据按比例系数进行自行调整，该算法的设计有效避免了人为因素的干扰，保证了实负荷输出的自动性及有效性。

2.2 频率自适应的DFT 算法

针对现有算法在谱间干扰、宽带噪声存在时计算精度不足的问题，本节提出了基于频率自适应的DFT 算法。该算法基于窗函数、频率分辨率、插值算法实现了频谱分辨率自适应以抑制谐波对基波计算的频谱干扰，提升了噪声背景下基波特征参量估计的准确性。频率自适应的DFT 算法过程为：实负荷数据输入（M 个采样点）-基于N 点加窗的FFT 变换-计算自适应频谱分辨率f 及计算点数Ni-基于Ni 点加窗DFT 变化-加插值方法求解基波特征参量-完成计算。根据流程，具体的算法步骤如下：

从输入的M 个采样值序列中选取前N 个点进行Nuttall 加窗处理，对处理后的信号进行FFT 变换，并通过搜索信号幅度谱的峰值谱线完成基波粗糙频率f 的估计。Nuttall 窗函数的时域表示为[2]；，式中，i 为窗函数的项数；n=1,2,…,N-1;bm应满足约束条件，。

基于信号的粗糙频率f，计算满足自适应要求的计算点数Ni；由双插值方法频率分辨率的物理含义可知，为使频率修正系数δ(2)→0,Ni 应为（整数+1/2）个信号周期，Ni 计算方法为：。

对离散采样序列前Ni 个采样序列点进行加窗双插值DFT 算法，获取频率修正系数δ(2)，使用常用的双插值方法的修正公式实现对信号基波频率、幅值、相位的修正。

本算法通过频率分辨率自适应调整DFT 算法计算点数Ni，达到每次计算参数估计值的方差都落在其参数估计的方差下限（δ(2)→0），从而抑制了基波与谐波间的频谱干扰，提升了算法计算的准确度。

3 试验与验证

合并单元测试中最重要就是对其准确度的测试[3]。为验证实负荷工况下模拟量输入式合并单元校验仪的准确度，从基本准确度、实负荷工况下的准确度这两方面对合并单元校验仪进行了相应的测试。

3.1 基本精确度测试

将研制的实负荷工况下模拟量输入式合并单元校验仪送至武汉高压研究所检验进行校验，校验结果如表1、表2所示，结果来源于出具的校准证书（证书编号：(计)字第201860073)。

表1 合并单元校验仪电压基本准确度数据

表2 合并单元校验仪电流基本准确度数据

从表1和表2的数据可看出本文研制的实负荷工况下模拟量输入式合并单元校验仪的准确度较高，在电压测量时最大比差为0.3×10-4，最大角差为-0.1’；在电流测量时最大比差为-0.14×10-3，最大角差为-1’，设备的准确度整体达到了0.05级。

3.2 实负荷工况下的准确度测试

从湖南衡阳某220kV 变电站的4个月（2021年3月14日～2021年7月14日）运行数据中选取4月21日、6月9日、7月3日3天中各1小时互感器二次侧数据作为源数据进行测试，通过选取不同频率、电压、电流范围内的源数据，保证测试结果的准确性及完整性。采用国内某厂合并单元作为比对设备，将实负荷数据通过网口导入三相程控功率源模块进行测试，测试结果见表3、表4。可看出，实负荷工况下的比值差最大值为0.004%，相位差最大值为0.568’，满足互感器检定规程中关于0.05级比差、角差的误差限值要求。

表3 实负荷工况下的三相电压准确度测试

表4 实负荷工况下的三相电流准确度测试

通过上述基本准确度和实负荷工况下的准确度的试验结果可看出，本文研制的实负荷工况下的模拟量输入式合并单元校验仪具有实负荷功能，可满足对0.2级合并单元进行校验的精度要求。合并单元测试是其工程化应用必不可少的过程，是产品规范化的有效手段，具有综合检测能力校验仪的使用能够极大地促进数字化电能计量技术的发展进程。