數(shù)字化電能表在數(shù)字化變電站中的應用

馮小麗 ，李 盼，李旭東，王軍凱，劉 東

（1.西儀集團有限責任公司 陜西 西安 710082；2.西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054；3.河南省登封市電業(yè)局 河南 登封 452470）

隨著我國電力市場的建立和完善，電廠、電網(wǎng)內(nèi)部的運營機制和管理模式正在發(fā)生著深刻的變化，能源價格的不斷上漲，利益各方都對電能計量管理給予了高度重視，對電度表計量的準確性提出了更高的要求。電子式互感器的應用，是數(shù)字化變電站的主要技術特征之一，它使電壓、電流等電氣量的采集實現(xiàn)了數(shù)字化，為完成常規(guī)變電站由裝置冗余向信息冗余的轉(zhuǎn)變以及信息集成化應用提供了基礎。它與傳統(tǒng)的電磁式互感器相比，具有如下優(yōu)點：1）絕緣結構簡單，造價低；2）不含鐵心，消除了CT飽和、鐵磁諧振等問題；3）抗電磁干擾性能好，低壓側(cè)無開路高壓的危險；4）動態(tài)范圍大，測量精度高；5）頻率響應范圍寬，可達到1 MHz；6）沒有因充油而導致易燃、易爆等危險；7）體積小，重量輕；8）提供采樣值數(shù)字量輸出。電子式互感器作為數(shù)字化電能表的基本組成部分，數(shù)字化電能表的應用，它使電壓、電流等電氣量的采集實現(xiàn)了數(shù)字化，為變電站電能管理系統(tǒng)開啟了全數(shù)字時代。

1 數(shù)字化電能表原理

數(shù)字式電能表的電量輸入采用數(shù)字接口，遵循IEC61850標準，在物理層上采用高速光纖以太網(wǎng)，可以和電子式互感器實現(xiàn)真正意義上的無縫連接。底層操作系統(tǒng)大多采用嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），利用其良好的可靠性和卓越的實時性以及可裁剪性，可以方便實現(xiàn)電能表的各種功能。

2 數(shù)字化電能表的關鍵技術

為了實現(xiàn)電能計量，需要通過數(shù)據(jù)采集將各種信息讀出，以便實現(xiàn)對各種電能信息的管理和分析。電能表讀取電流、電壓采樣值之后，采用基于傅立葉變換的算法（FFT）進行有功、無功電能計算。

2.1 數(shù)據(jù)同步采集

合并單元是對來自電子式互感器的電流和/或電壓采樣值數(shù)據(jù)進行時間相關組合的物理單元。合并單元接入了多個電子式互感器分散采樣并用數(shù)字輸出的信號，因此它需要完成電子式互感器同步采樣的功能。電子式互感器同步采樣是指在不同的采樣地點同時開始采樣，使不同互感器采樣點的采樣結果在時間上具有同步性。采樣同步的方法主要有2種：1）全球定位系統(tǒng)（GPS）秒脈沖信號同步采樣；2）角度調(diào)整的插值法。上述2種方法可結合使用，以達到較高的精度和可靠性。合并單元為變電站過程層數(shù)據(jù)的共享和集成應用提供了解決方案，是數(shù)字化變電站的重要組成部分之一。電子式互感器、合并單元和二次保護控制設備之間的連接關系如圖1所示。

圖1 電子式互感器、合并單元和二次保護控制設備的連接Fig.1 Connections among electric transformer,merging unit and protection&bay controller

電子式互感器與合并單元之間的采樣值數(shù)字信號傳輸依賴于傳感器特性，采用專用光纖通信鏈路，沒有統(tǒng)一的公用通信標準，是以各廠家約定的私有通信協(xié)議來進行的。如西安同維的無源磁光玻璃型電子式電流互感器（ECT）與國電南瑞的合并單元裝置（MU）之間采用以下數(shù)據(jù)通信方式：

物理鏈路：采用1對2根850μm多模光纖，物理接頭方式為FC接頭，其中1根由MU至ECT，發(fā)送同步采樣脈沖，另1根由ECT至MU，發(fā)送ECT數(shù)據(jù)。

物理層：采用異步數(shù)據(jù)流（不采用Manchester碼），遵從UART方式進行通信，采用典型的11位（1個起始位、8位數(shù)據(jù)、1個奇偶校驗位和1個停止位，起始位為0，停止位為1）。空位是二進制1，兩幀之間應傳輸填充空位Bit。

鏈路層幀格式：起始符（2字節(jié)）+數(shù)據(jù)（4字節(jié)）+狀態(tài)（1字節(jié)）+幀校驗（1字節(jié)），合計8字節(jié)。幀校驗采用簡單CRC奇校驗和。

2.2 離散信號處理

在實際信號分析過程中，沒法得到離散信號，都是通過采樣的方式得到一系列的離散值。因此，為了能夠進行數(shù)字計算就會用到有限離散傅立葉變換。DFT是連續(xù)傅立葉變換的離散形式。模擬信號的連續(xù)時間傅立葉變換可以表示為：

x（t）經(jīng)抽樣后變?yōu)閤（nT），T為抽樣周期。 離散信號x（nT）的傅立葉變換可以表示為：

2.3 FFT算法

直接用離散傅立葉變換（DFT）進行諧波分析計算，需要進行N2次復數(shù)乘法運算，而且還要作N（N-1）算數(shù)加法運算。因此，對于大的N值，運算工作量將是相當大的，電力系統(tǒng)諧波分析大多是用FFT算法?？焖俑盗⑷~變換（FFT）算法[6]將長序列的DFT分解為短序列的DFT。N點的DFT先分解為2個N/2點的DFT，每個N/2點的DFT又可分解為2個N/4的DFT，等等。最小變換的點數(shù)即所謂的“基數(shù)”。因此，基數(shù)為2的FFT算法的最小變換（或稱碟形）是2點的DFT。

2.4 諧波功率的算法

1）單相有功功率的計算方法 電路中所稱的有功功率，一般是指平均有功功率，其定義為：

由該定義式，同樣可以導出有功功率的兩種不同算法。直接把公式（3）離散化，用離散求和的方法代替積分運算，可得：

雙通道模擬開關選擇同一相同一時刻規(guī)格化的電壓、電流信號分別送兩路A/D轉(zhuǎn)化為同一時刻的電壓、電流瞬時數(shù)字量，進行相乘累加。

2）三相有功功率測量方法 雙通道模擬開關依序?qū)、B、C相電壓、電流信號分別送兩路A/D轉(zhuǎn)化為同一時刻的電壓、電流瞬時數(shù)字量，進行相乘累加。由于各相信號的采樣轉(zhuǎn)化的時間間隔大概有10 μs，所以采樣時間差引起的相位差可以忽略不計。

據(jù)三相功率公式：

3 誤差分析

電氣的準確度是衡量測量特性的主要指標。電子式電氣測量系統(tǒng)的測量誤差主要分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差，他們存在于系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)中。隨機誤差指服從大多數(shù)統(tǒng)計分布規(guī)律的誤差，產(chǎn)生原因為許多影響量的總和，一般用統(tǒng)計規(guī)律來描述。電能表的測量誤差主要來自兩個方面，硬件電路本身產(chǎn)生的誤差和軟件誤差（即算法誤差）。硬件誤差主要是傳感器、放大電路、AD轉(zhuǎn)換電路、DSP電路產(chǎn)生的誤差；程序算法的誤差主要是FFT轉(zhuǎn)換和采集所產(chǎn)生的誤差。對于一個由多個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成的系統(tǒng)，它的相對誤差a為各個環(huán)節(jié)相對誤差之和。

系統(tǒng)的總相對誤差應為式（6）所示。

其中：a1為傳感器相對誤差；a2為放大器相對誤差；a3為AD轉(zhuǎn)換器相對誤差；a4為DSP數(shù)據(jù)處理相對誤差。

對于諧波測量[7]，為了保證諧波測量精度，使測量的電壓和電流信號不失真，對PT和CT要求也高，要求具有較高的頻率特性。本次設計采用的是專門用來采樣的傳感器，其精度等級為0.02級，AD轉(zhuǎn)換器是16為的AD轉(zhuǎn)換器，能分辨出滿刻度的0.002，運算放大器的放大倍數(shù)為10萬倍以上，濾波電路產(chǎn)生的誤差可以忽略不計。綜合上述誤差，所以硬件電路的主要誤差來源于互感器和AD電路。因此，硬件總誤差a應該為

軟件算法誤差，主要是在微處理器完成各種測量算法，計算所要的電氣量時產(chǎn)生的，這部分誤差主要取決于CPU的字長，選用的算法以及采用的頻率能否跟蹤電力系統(tǒng)頻率的微小變化等因素。本次設計采用的CPU字長為32位，在加上嚴格的算法和自適應調(diào)整采樣間隔，已將這部分的誤差大幅度減小，忽略不計。

FFT算法誤差：對基本電參量的測量，采用矩形積分算法，采樣點數(shù)為128點，由矩形積分算法的誤差公式

計算出其截斷誤差為

綜合硬件誤差和軟件誤差，這種數(shù)字化電能表對基本電參數(shù)的測量精度可達到

在實驗過程中，做了單相測試，經(jīng)過多次測試，其結果基本穩(wěn)定。表1是測試情況。

從表1的前4行的功率測量值可以看出，最大相對誤差為0.012%，說明該儀表具有較好的線性；接下來測量感性、容性輸入對儀表對稱度的影響。由表1的5-8行的功率測量值來看，最大相對誤差為0.026 7%，說明該儀表的對稱性滿足要求；最后改變輸入頻率，以確定儀表的測量帶寬。當輸入頻率由100 Hz增大到2 000 Hz，測量結果的最大相對誤差為0.04%，說明該儀表在2 k頻率范圍內(nèi)都能準確測量。

4 結 論

隨著網(wǎng)絡技術的快速進步，傳輸速率可達千兆乃至更高的網(wǎng)絡。數(shù)字化電能表采用IEC61850-9-2協(xié)議，可對采樣值數(shù)據(jù)采集的內(nèi)容進行靈活配置，增強了應用的靈活性。克服了目前沒有統(tǒng)一的公用通信標準，方便了采樣值的數(shù)據(jù)共享，給信息集成化應用打下了堅實的基礎。在硬件和軟件算法上做了大量的改進，實驗結果表明，誤差小，信息集成度高。減少了合并單元的使用，降低了成本，為數(shù)字化電能表在數(shù)字化變電站中的應用進行了有益的探索。

表1 B相測試結果Tab.1 The test results of B phase

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