數(shù)字化變電站電能計(jì)量裝置檢驗(yàn)技術(shù)①

林國營， 周尚禮， 孫衛(wèi)明， 伍少成

(廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院， 廣州 510600)

數(shù)字化變電站電能計(jì)量裝置檢驗(yàn)技術(shù)①

林國營， 周尚禮， 孫衛(wèi)明， 伍少成

(廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院， 廣州 510600)

由傳統(tǒng)模擬計(jì)量裝置過渡到數(shù)字計(jì)量裝置所帶來的量值傳遞問題，如果不能較好解決，必將影響數(shù)字化變電站應(yīng)用的推廣步伐。該文立足于解決數(shù)字計(jì)量中的量值傳遞問題，研究了電子式互感器和基于IEC61850數(shù)字電能表的誤差檢驗(yàn)方法，并研制了檢驗(yàn)裝置。將采集單元作為獨(dú)立模塊溯源到現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)，解決了數(shù)字轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)化問題，然后將檢驗(yàn)裝置作為整體進(jìn)行誤差測試、性能驗(yàn)證。結(jié)果表明，該方法能夠用于對數(shù)字電能計(jì)量裝置進(jìn)行誤差校驗(yàn)。

數(shù)字化變電站； 電子式互感器； 數(shù)字化電能表； 誤差校驗(yàn)； 量值傳遞

電子式互感器在數(shù)字化變電站的應(yīng)用改變了電能計(jì)量裝置的結(jié)構(gòu)，以單相計(jì)量為例，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，設(shè)備之間以光纖連接。合并單元作為間隔層設(shè)備，對互感器的采樣值傳輸起到協(xié)議轉(zhuǎn)換和時(shí)間同步的作用。合并單元的輸出為數(shù)字量信號(hào)，研究互感器的檢驗(yàn)方法一直是業(yè)界的熱點(diǎn)課題，主要難點(diǎn)是校驗(yàn)裝置的量值溯源問題。電能表的檢驗(yàn)技術(shù)在國內(nèi)幾乎仍是空白，主要的難點(diǎn)也是檢驗(yàn)裝置的量值溯源問題。

本文首先結(jié)合電能計(jì)量裝置的特點(diǎn)，給出電子式互感器和電能表的檢驗(yàn)方案，重點(diǎn)討論了設(shè)計(jì)難點(diǎn)，然后深入討論校驗(yàn)裝置的量值溯源方法，最后給出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)字化變電站計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of watt-hour metering systemin digitalized substation

1 電子式互感器檢驗(yàn)方法

1.1 檢驗(yàn)方法

文獻(xiàn)[1～5]介紹了一種電子式互感器檢驗(yàn)方法，這種方法采用傳統(tǒng)電磁式互感器作為標(biāo)準(zhǔn)器具，標(biāo)準(zhǔn)互感器的二次輸出經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，再與被試電子式互感器輸出比較得到比差和角差。影響檢驗(yàn)精度的因素可分兩部分：標(biāo)準(zhǔn)器具和校驗(yàn)儀。檢定電子式電流互感器時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)器具為標(biāo)準(zhǔn)電流互感器和標(biāo)準(zhǔn)取樣電阻，等級(jí)可選0.02級(jí)和0.01級(jí)，實(shí)際誤差應(yīng)小于(0.02%，1′)。校驗(yàn)儀包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和數(shù)據(jù)處理單元，設(shè)計(jì)難點(diǎn)是模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、時(shí)鐘同步和處理算法。按照國標(biāo)JJG313-94[11]、JJG314-94[12]及《電子式互感器校準(zhǔn)規(guī)范》，在額定頻率和被檢電子式互感器被測量程范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)比被檢電子式互感器高兩個(gè)準(zhǔn)確度級(jí)別，其實(shí)際誤差應(yīng)不大于被檢電子式互感器誤差限值的1/5[6]。為達(dá)到檢驗(yàn)現(xiàn)場用0.2S級(jí)電子式電流互感器目的，校驗(yàn)裝置的整體精度至少為0.05級(jí)，實(shí)際誤差應(yīng)達(dá)到比差小于0.04%，角差小于2′。

根據(jù)以上分析，校驗(yàn)儀的實(shí)際誤差應(yīng)小于(0.02%，1′)，如此高精度的比差和角差要求，普通AD轉(zhuǎn)換器很難達(dá)到。同時(shí)，校驗(yàn)裝置應(yīng)能適用于變電站環(huán)境，即裝置應(yīng)具有自校準(zhǔn)功能。因此，本文采用了Agilent的3458A八位半數(shù)字多用表，它能夠提供高達(dá)100 kS/s的轉(zhuǎn)換速率，1 kHz的輸入信號(hào)仍然具有96dB的信噪比，交流采樣最小量程10 mV，中頻帶電壓采集精度達(dá)100×10-6[7]。能接收外部觸發(fā)脈沖，用于同步被測互感器的采樣時(shí)刻。

合并單元都要求具有時(shí)鐘同步接口，用于同一間隔的電流互感器和電壓互感器同步采樣。IEC標(biāo)準(zhǔn)[8]對同步秒脈沖的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定，并要求合并單元檢查秒脈沖輸入的合理性，當(dāng)相鄰脈沖間隔時(shí)間與理想間隔時(shí)間(1 s)相差大于10 μs時(shí)認(rèn)為脈沖輸入不正常。本文以ARM7處理器為核心設(shè)計(jì)了同步控制卡，如圖2陰影部分所示。光脈沖或者電脈沖以秒脈沖的形式輸出至合并單元，并于接到檢驗(yàn)命令后的下一個(gè)秒脈沖輸出，同時(shí)輸出電觸發(fā)脈沖至3458A，實(shí)現(xiàn)互感器和數(shù)表的同步采樣。

根據(jù)前面的論述，檢驗(yàn)方案結(jié)構(gòu)如圖3所示(以電子式電壓互感器為例)。經(jīng)測試，不同3458A之間的100 V以下檔位的一致性比較好，因此標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通道采用感應(yīng)分壓器，避免3458A工作于100 V檔位。處理算法采用傅立葉變換法，此方法在電網(wǎng)頻率波動(dòng)或非同步采樣時(shí)，誤差比較大，尤其是相位誤差完全不能滿足要求，有多種頻率補(bǔ)償算法，經(jīng)測試，基于插值FFT的諧波分析算法[9]具有精度高、運(yùn)算量小的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 采樣同步卡原理圖Fig.2 Schematic diagram of syn-sampling card

圖3 電子式電壓互感器的校驗(yàn)原理圖Fig.3 Schematic diagram of electronic voltagetransformer calibration

1.2 校驗(yàn)儀的量值溯源

電子式互感器的校驗(yàn)基于絕對值比較法，因此涉及到數(shù)字采樣單元和誤差計(jì)算單元兩部分。目前還沒有數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)源可以對計(jì)算單元進(jìn)行檢定，而數(shù)字采樣單元的波形復(fù)現(xiàn)能力是可以從現(xiàn)有國家規(guī)程中得到檢定依據(jù)。那么，檢驗(yàn)裝置的電能誤差也可以通過現(xiàn)有的電能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)證。

電子式互感器檢驗(yàn)裝置的測量對象為比差和角差，比差溯源等效為有效值檢定，角差溯源等效為相位檢定。有效值檢定原理簡單，可采用Fluke 5720A作為標(biāo)準(zhǔn)源，其精度為0.01級(jí)。

相位檢定原理如圖4所示，兩臺(tái)數(shù)表構(gòu)成相位測量通道。圖中的BHE型互感器校驗(yàn)儀檢定裝置可以非常方便、精確地設(shè)定角差，設(shè)定分辨率0.05′，調(diào)節(jié)范圍[-500′，+500′]，裝置精度為0.2級(jí)。

數(shù)表接收同步脈沖到啟動(dòng)采樣需要一段延遲時(shí)間，設(shè)為td，由圖4可知，計(jì)算結(jié)果中不會(huì)存在td，因此需要單獨(dú)測量td并作為系統(tǒng)誤差進(jìn)行修正。根據(jù)文獻(xiàn)[7]介紹的測試方法，測得td=900 ns。

圖4 電子式互感器校驗(yàn)儀的檢定原理圖Fig.4 Schematic diagram of verifying electronictransformer calibration system

2 數(shù)字化電能表檢驗(yàn)

數(shù)字化電能表的輸入為符合IEC61850-9-1或IEC61850-9-2采樣值傳輸協(xié)議[10]的數(shù)據(jù)幀，因此，檢驗(yàn)裝置應(yīng)能輸出此數(shù)據(jù)幀，并能從合并單元接收數(shù)據(jù)幀。

檢驗(yàn)裝置從實(shí)現(xiàn)方式上可以根據(jù)數(shù)學(xué)函數(shù)輸出虛擬的電壓、電流采樣值。這種方法稱為數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)法，在實(shí)現(xiàn)上比較簡單，但根據(jù)國家溯源政策規(guī)定，量值溯源是通過一條具有規(guī)定不確定度的不間斷的比較鏈，使測量結(jié)果能夠與法定的標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系起來[11]。而此方案中傳輸?shù)碾妷?、電流值由于是根?jù)數(shù)學(xué)函數(shù)計(jì)算得到的，無法與其他標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行量值比對，另外更重要的是，采用模擬標(biāo)準(zhǔn)源得到采樣數(shù)據(jù)的方法更加符合實(shí)際電能產(chǎn)生的過程。

為此，本文基于模擬溯源法設(shè)計(jì)了電能表檢驗(yàn)方案，原理如圖5所示。標(biāo)準(zhǔn)功率源為通用三相功率源，COM3000為傳統(tǒng)的0.01級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電能表，兩者組成0.01級(jí)的電能表檢定裝置。其中的標(biāo)準(zhǔn)表和數(shù)字抽樣的誤差作為整體由更高精度的模擬標(biāo)準(zhǔn)電能檢定裝置進(jìn)行檢定。校驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部分是模擬合并單元，將模擬信號(hào)采集后，按照IEC61850協(xié)議組成以太網(wǎng)幀，通過光纖網(wǎng)絡(luò)或者雙絞線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給被檢電能表。整個(gè)校驗(yàn)裝置包含標(biāo)準(zhǔn)功率源、標(biāo)準(zhǔn)電能表和模擬合并單元3部分。此量值傳遞模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，開發(fā)難度大，但邏輯清晰，既能向上溯源更高精度的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，又能向下檢定數(shù)字化電能表。

圖5 數(shù)字化電能表檢驗(yàn)方案Fig.5 Traceability model of accuracy fordigitalized watt-hour meter

方案設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是使COM3000、校驗(yàn)裝置和被檢數(shù)字化電能表組成量值傳遞途徑。難點(diǎn)是檢驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)和量值溯源。本文設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)裝置原理圖如圖6所示。

由于電能表檢定的量程范圍比較大，信號(hào)調(diào)理模塊通過調(diào)整信號(hào)的放大比例，提高采樣的信噪比和分辨率。ADS1278為24位8通道同步采樣Δ-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，可以達(dá)到111dB的信噪比。數(shù)據(jù)處理芯片為ADI公司的Blackfin531，主頻達(dá)400MHz，具有雙運(yùn)算單元，完成數(shù)據(jù)處理、電能累積、誤差計(jì)算和IEC61850通信任務(wù)。電能累積算法為實(shí)時(shí)采樣點(diǎn)積分，不應(yīng)再作其他誤差修正處理，系統(tǒng)誤差的修正在采樣值傳輸通道，然后將修正后的采樣值以IEC61850-9-1或IEC61850-9-2協(xié)議數(shù)據(jù)幀發(fā)送至被測電能表以及檢驗(yàn)裝置內(nèi)部的電能累積單元。工控機(jī)的功能是人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)裝置命令下載和測試數(shù)據(jù)處理。

圖6 數(shù)字化電能表檢驗(yàn)裝置原理圖Fig.6 Schematic diagram of digitalizedmeter calibration system

3 量值溯源實(shí)驗(yàn)

電子式互感器檢驗(yàn)系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)器具可以參照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行檢定，而校驗(yàn)儀采用比對的方式進(jìn)行量值溯源，在5 mV～100 V量程范圍內(nèi)，比差檢定數(shù)據(jù)如表1所示。從檢定數(shù)據(jù)可知，即使頻率偏離達(dá)到±1 Hz時(shí)，校驗(yàn)儀在比差測量時(shí)引入的誤差仍小于0.02%。

表1 不同頻率下的比值誤差Tab.1 Ratio errors under different frequencies (×10-4)

改變BHE型互感器校驗(yàn)儀檢定裝置的角差設(shè)定值，可以檢定校驗(yàn)儀的相位誤差。另外，改變模擬被測通道的采樣率，可以檢定校驗(yàn)儀在被檢互感器不同采樣率時(shí)的誤差波動(dòng)。檢定數(shù)據(jù)描繪于誤差坐標(biāo)，結(jié)果如圖7所示。從檢定數(shù)據(jù)可見，本校驗(yàn)儀在角差測量時(shí)引入的誤差始終小于1′。

圖7 校驗(yàn)儀角差檢定數(shù)據(jù)圖Fig.7 Phase error of electronic transformercalibration device

表2為數(shù)字化電能表檢驗(yàn)裝置在量傳模式下的檢定結(jié)果，從誤差特性可知，校驗(yàn)裝置的精度已經(jīng)達(dá)到了0.05級(jí)的要求，系統(tǒng)誤差主要來自模擬信號(hào)通道的容性誤差，還可以通過采樣值的相位修正來減小此誤差。

表2 電能表校驗(yàn)裝置在量傳模式下的檢定數(shù)據(jù)Tab.2 Calibration data of meter calibration system (%)

4 總結(jié)

本文討論了數(shù)字化變電站電能計(jì)量裝置的檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)裝置的量值溯源方案，采用該校驗(yàn)裝置對廣東220 kV三鄉(xiāng)數(shù)字化變電站的電能計(jì)量裝置進(jìn)行了驗(yàn)收試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果來看，電子式電壓互感器的精度受環(huán)境和電磁場的影響比較大，必須于安裝后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為判定依據(jù)。數(shù)字化變電站電能計(jì)量裝置的檢驗(yàn)方法還處于探討階段，如需要對電能計(jì)量裝置和校驗(yàn)裝置的時(shí)間特性和溫度特性作進(jìn)一步的研究。

[1] 錢政，李童杰，張翔(Qian Zheng, Li Tongjie, Zhang Xiang).電子式互感器校驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(Design and realization of calibration method of electronic transformer)[J].北京航天航空大學(xué)學(xué)報(bào)(Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics)，2006，32(11):1316-1319，1323.

[2] 于文斌，張國慶，郭志忠(Yu Wenbin, Zhang Guoqing, Guo Zhizhong).電子式電流互感器校驗(yàn)技術(shù)的研究(The research of calibration technology of electronic current transformers)[J].高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering)，2004，30(7):20-21，39.

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[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

林國營(1982-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榉蔷€性負(fù)荷下的電能計(jì)量技術(shù)以及數(shù)字化變電站電能計(jì)量裝置測試技術(shù)。Email:lingofive@gmail.com

周尚禮(1968-)，男，碩士，主任，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姶艤y量。Email:zhshlyh@tom.com

孫衛(wèi)明(1971-)，男，本科，工程師，研究方向?yàn)殡娔苡?jì)量裝置檢測技術(shù)。Email:swm2804@21cn.com