一種基于實際工況的數(shù)字化電能表校驗方法及其誤差分析

寇英剛, 范 潔， 楊世海，陳 剛， 胡 琛， 穆小星， 徐敏銳

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司, 江蘇 南京 210024；2. 國家電網(wǎng)公司電能計量重點實驗室(國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211103；3. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

一種基于實際工況的數(shù)字化電能表校驗方法及其誤差分析

寇英剛1, 范 潔1， 楊世海2，陳 剛2， 胡 琛3， 穆小星2， 徐敏銳2

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司, 江蘇 南京 210024；2. 國家電網(wǎng)公司電能計量重點實驗室(國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211103；3. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

數(shù)字化電能表在實際工況下受到頻率波動、諧波、輸入噪聲等因素影響，常出現(xiàn)誤差超差的現(xiàn)象。為了研究現(xiàn)場實際工況下數(shù)字化電能表的計量性能，提出了一種基于實際工況的校驗方法，研制了工況復(fù)現(xiàn)裝置，推出了Blackman離散傅里葉變換(DFT)+自適應(yīng)線性(Adaline)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實現(xiàn)了標準電能的計算，并將該數(shù)字化電能表校驗方法和瓦秒法進行了比較分析。誤差分析結(jié)果表明基于實際工況的數(shù)字化電能表校驗方法和瓦秒法均能用于校驗數(shù)字化電能表，但是前者的測試結(jié)果波動更小，更加穩(wěn)定,且能夠為現(xiàn)場復(fù)雜工況下電能表性能評估提供參考。

數(shù)字化電能表；實際工況；校驗；傅里葉變換；自適應(yīng)線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0 引言

智能變電站利用電磁式互感及模擬量輸入合并單元或電子式互感器作為信號傳感單元， IEC 61850標準作為通信協(xié)議，數(shù)字化電能表作為計量單元，實現(xiàn)了基于IEC 61850協(xié)議的數(shù)字計量系統(tǒng)[1-3]。數(shù)字化電能表作為數(shù)字電能計量系統(tǒng)的重要組成部分，可應(yīng)用于數(shù)字化變電站的貿(mào)易結(jié)算，因此研究其計量性能具有重要意義。

理論上，數(shù)字化電能表的準確性和可靠性較高。但實際上，通過實驗室檢定的數(shù)字化電能表在現(xiàn)場運行時多次出現(xiàn)誤差超差現(xiàn)象，且數(shù)字化電能表的溯源方案暫無定論，因此其還不具備貿(mào)易結(jié)算方面的應(yīng)用條件[4-6]。由于數(shù)字化電能表是工作在頻率波動、諧波、輸入噪聲等復(fù)雜工況下的高精度儀器，實驗室的模擬環(huán)境不能完全還原復(fù)雜的現(xiàn)場工況，因此實驗室測試得到的不超差數(shù)字化電能表，在現(xiàn)場工況下的準確度還有待考核，有必要對數(shù)字化電能表在現(xiàn)場工況下的誤差狀態(tài)進行評估。

目前廣泛采用的數(shù)字化電能表校驗方法均為虛負荷校驗法，包括標準數(shù)字表法、標準數(shù)字源法、標準模擬表法和瓦秒法[7-13]。標準表法將標準數(shù)字表和被校數(shù)字表的電能誤差進行比較；標準源法利用輸出協(xié)議數(shù)據(jù)和高頻標準電能脈沖對數(shù)字化電能表進行校驗；標準模擬表法利用信號調(diào)理單元、協(xié)議轉(zhuǎn)換單元和標準模擬表，計算數(shù)字化表誤差；瓦秒法采用計算被校數(shù)字化電能表輸出電能脈沖數(shù)并測量時間的原理，計算被校表誤差。然而，上述數(shù)字化電能表校驗方案尚未建立現(xiàn)場實際工況和被校數(shù)字化電能表誤差之間的聯(lián)系，數(shù)字化電能表在現(xiàn)場實際工況下的誤差特性研究還存在空白。

文中提出了一種基于實際工況的數(shù)字化電能表校驗方法，研制了工況復(fù)現(xiàn)裝置，并提出了Blackman離散傅里葉變換(DFT)+自適應(yīng)線性(Adaline)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，實現(xiàn)了標準電能的計算。

1 校驗方法的原理

校驗方法的基本原理如圖1所示。

圖1 基于實際工況的校驗方案原理Fig.1 Calibration scheme for digital watt-hour meter using real load

工況讀取模塊接收合并單元輸出的數(shù)據(jù)，存儲為自定義格式數(shù)據(jù)包；工況復(fù)現(xiàn)模塊將自定義格式數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為標準格式數(shù)據(jù)包，向被校表發(fā)包，同時記錄當(dāng)前已發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量；被校表接收標準格式數(shù)據(jù)包后輸出電能脈沖，集成于校驗儀的標準表，同時計算標準電能數(shù)據(jù)，兩路數(shù)據(jù)進行比較，得到被校表的誤差。校驗儀一方面接收實際工況讀取模塊的數(shù)據(jù)文件，另一方面利用反饋的數(shù)據(jù)包值截取數(shù)據(jù)文件進行電能計算。

電能脈沖計算原理如圖2所示。在T0時刻收到第一個脈沖，記錄當(dāng)前發(fā)包數(shù)量N0；在T1時刻收到第二個脈沖，記錄當(dāng)前發(fā)包裝置N1；在Ti時刻收到第i+1個脈沖，記錄當(dāng)前發(fā)包裝置Ni。利用數(shù)據(jù)文件中N0～Ni的原始數(shù)據(jù)進行計算，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)文件的精確截取，標準通道和被校表用同一組數(shù)據(jù)進行電能計算，得出二者計算電能的誤差，測試時間設(shè)為5 min，數(shù)字化電能表的相對誤差為：

(1)

式中：m0為標準數(shù)字化電能表算定的脈沖數(shù)；m為被校數(shù)字化電能表脈沖數(shù)。

圖2 實際工況下電能脈沖計算原理Fig.2 Calculation principle of energy pulse under real load

2 校驗方法的實現(xiàn)

2.1 工況讀取模塊

工況讀取模塊如圖3所示，包括光纖收發(fā)器和計算機(PC機)。首先由光纖收發(fā)器(TP-LINK TR-932D)將合并單元光口發(fā)出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號；其次與PC機的以太網(wǎng)口進行通信；最后PC機進行IEC 61850-9-2 LE協(xié)議數(shù)據(jù)幀的抓包、解析和提取工作，以自定義格式文件形式存儲。為保證抓包不丟包和數(shù)據(jù)解析的完整性，工況讀取模塊軟件基于WinPcap和C語言開發(fā)。模塊工作流程為：初始化網(wǎng)卡并進行配置，建立合并單元和工況讀取模塊之間的通信；基于pcap_next_ex函數(shù)接收報文，讀取報文中的Ethertype字段，判斷報文類型；當(dāng)報文類型為88BA時，讀取報文中應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)內(nèi)容，并對其中的計量用通道進行識別；最后將計量用通道的數(shù)據(jù)保存為自定義格式數(shù)據(jù)。

圖3 工況讀取模塊Fig.3 Real load reading module

2.2 工況復(fù)現(xiàn)模塊

工況復(fù)現(xiàn)模塊如圖4所示。自定義格式數(shù)據(jù)在該模塊中添加目的地址、源地址、采樣值標識ID(SVID)等IEC 61850-9-2 LE協(xié)議相關(guān)參數(shù)，轉(zhuǎn)換為標準格式后等間隔發(fā)包(4 kHz)。

圖4 工況復(fù)現(xiàn)模塊Fig.4 Real load reconstruction module

該模塊設(shè)計基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)板和PC機。FPGA板為Altera Cyclone Ⅱ EP4CE15F17C8N系列。FPGA板外部擴展一個電可編程只讀存儲器(EPROM)，F(xiàn)PGA板和PC機之間通過一個串口和一個100 M網(wǎng)口連接，實現(xiàn)雙向通信。在PC機組幀完畢后，百兆網(wǎng)口發(fā)送符合IEC 61850-9-2 LE協(xié)議的數(shù)據(jù)包，串口用于FPGA向PC機反饋存儲狀態(tài)和發(fā)包數(shù)量。當(dāng)EPROM儲存數(shù)據(jù)包不足時，F(xiàn)PGA向PC機反饋儲存不足，PC機停止發(fā)送IEC 61850-9-1/2協(xié)議數(shù)據(jù)包進行儲存，否則繼續(xù)數(shù)據(jù)包的發(fā)送。

2.3 校驗儀

校驗儀如圖5所示。由PC機完成被校數(shù)字電能表電能和標準數(shù)字電能之間的計算與比較工作。工況讀取模塊、復(fù)現(xiàn)模塊、校驗儀共用一臺PC機。 PC機的CPU為Intel core i5-4460，存儲容量為500 GB。PC機除了工況讀取模塊和工況復(fù)現(xiàn)模塊的接口外，還擴展脈沖采集板，獲取被校數(shù)字化電能表的電能脈沖，并計算被校通道電能。當(dāng)合并單元數(shù)據(jù)速率為8 Mbit/s時，數(shù)據(jù)存儲時間可達138 d。

圖5 校驗儀Fig. 5 Calibration instrument

3 標準數(shù)字電能計量算法

為實現(xiàn)標準電能的計算，文中提出Blackman DFT+ Adaline神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。 Blackman DFT算法應(yīng)用較廣[14]，因此文中主要對Adaline神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行分析。

在實際工況下電網(wǎng)中含有各次諧波，電網(wǎng)波形可以表示為周期信號：

(2)

式中:Ak為信號幅值;k為諧波次數(shù);m為最高諧波次數(shù);f0為電網(wǎng)基波頻率;φk為初相位。將式(2)離散化后得到表達式(3)：

(3)

式中：n在0～(N-1)間取值，N為采樣點數(shù)；d0為直流分量；ak=Aksinφk；bk=Akcosφk；ω0=2πf0。只要得到ak和bk的值，就可以求出各次諧波的幅值和相角。

Adaline神經(jīng)元結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。其中x1n～xkn為Adaline神經(jīng)元在n時刻的輸入信號，取其向量形式為Xin=[x0n,x1n,…,xkn]T，對應(yīng)同一時刻每一個輸入信號都有一個相應(yīng)的權(quán)值，取其向量形式為Win=[w0n,w1n,…,wkn]T。Adaline神經(jīng)元的輸出為：

(4)

圖6 Adaline神經(jīng)元結(jié)構(gòu)原理Fig.6 Adaline neuron structure

Wi(n+1)=Win+ηenXin

(5)

式中：η稱為步長，也稱學(xué)習(xí)速率，0<η<1。

在進行諧波分析時取基波頻率f0為已知，即基波角頻率ω0=2πf0已知。初始值取：

(6)

校驗儀采集數(shù)字電能表輸出的脈沖時間間隔為t，采用時間-數(shù)字轉(zhuǎn)換(TDC)技術(shù)，將時間t與數(shù)字功率源輸出數(shù)據(jù)頻率f作乘積，取整得到時間間隔t內(nèi)數(shù)字功率源輸出的點數(shù)N，將抓包程序解出的數(shù)據(jù)截取N個數(shù)據(jù)點，對N個數(shù)據(jù)點利用文中算法解析出數(shù)據(jù)波形中基波、諧波、頻率數(shù)據(jù)及N點的功率。

將文中算法與常規(guī)DFT算法和插值4階卷積窗DFT算法[15-17]進行比較，計算數(shù)字電能計量的誤差計算。電壓/電流有效值均取1，功率因素為1.0，基波頻率為50 Hz，對輸入噪聲、頻率偏差、諧波等因素進行誤差仿真，仿真次數(shù)為10，表1為仿真結(jié)果的平均值。

表1 算法誤差仿真結(jié)果Table 1 Simulation results of algorithm error

可知：(1) 輸入噪聲誤差仿真時，在基波上疊加了高斯白噪聲，信噪比為30 dB，誤差為隨機性誤差，仿真結(jié)果中最大誤差為10-4數(shù)量級，誤差幾乎為零，可以忽略；(2) 頻率偏差誤差仿真時，頻率值取50.5 Hz，頻率偏差為0.5 Hz，誤差為10-7數(shù)量級，誤差較小，可以忽略；(3) 諧波誤差仿真時，取2～11次諧波共同疊加至基波中，按照電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波國家標準中的規(guī)定對諧波允許值進行取值，取偶次諧波為基波的0.8%，奇次諧波為基波的1.6%，電壓總諧波畸變率為：

(7)

式中：h表示基波以上的各次諧波次數(shù)，電流以相同方法進行取值，仿真誤差為10-7數(shù)量級。

由結(jié)果可見：常規(guī)DFT算法在頻率偏差、諧波情況下誤差較大；插值DFT算法和文中算法的計算結(jié)果比較接近，但是信號疊加噪聲工況下的誤差較大；文中提出的數(shù)字電能計量算法在各種復(fù)雜實際工況下，均能準確的進行電能計量。

4 校驗方法的驗證

為驗證文中校驗方法的可行性，采用瓦秒法和文中方法對同一塊0.2 s級的數(shù)字電能表進行校驗。電能計算均采用點積和算法，取連續(xù)測試的10個脈沖作為測試結(jié)果，均值計算結(jié)果如表2所示。

表2 測試結(jié)果Table 2 The experimental results %

采用瓦秒法測試數(shù)字化電能表的誤差和采用基于實際工況的校驗方法測試誤差的均值基本相同。但是瓦秒法不確定度較大，而基于實際工況的校驗方法測試精度高，誤差波動小。試驗表明了該校驗方法檢定數(shù)字化電能表的有效性和可行性。

5 結(jié)語

文中分析了數(shù)字化電能表校驗方案，研究了基于實際工況的數(shù)字化電能表校驗方法，研制了工況復(fù)現(xiàn)裝置，提出了Blackman DFT+Adaline神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法計算標準電能，并和瓦秒法進行了比較。研究和試驗結(jié)果表明：(1) 基于實際工況的校驗方法可用于重建現(xiàn)場工況，評估復(fù)雜環(huán)境下數(shù)字化電能表的計量性能；(2) 與瓦秒法測試結(jié)果相比，該校驗方案測試結(jié)果的波動較小，穩(wěn)定性較高。

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寇英剛

寇英剛(1974—)，男，天津人，碩士，高級工程師，從事電能計量管理工作(E-mail：Yinggang_kou@qq.com)；

范 潔(1977—)，女，江蘇南通人，碩士，教授級高級工程師，從事電能計量檢測與管理工作(E-mail：fanjie125@163.com)；

楊世海(1976—)，男，江蘇徐州人，碩士，教授級高級工程師，從事電子式互感器、數(shù)字化電能計量研究工作(E-mail：ysh.young@163.com)；

陳 剛(1984—)，男，湖北黃梅人，碩士，高級工程師，從事電子式互感器、數(shù)字化電能計量研究工作(E-mail：cg09_jseprc@sina.com)；

胡 琛(1986—)，男，江西南昌人，博士研究生，研究方向為電子式互感器狀態(tài)評估、數(shù)字化電能計量系統(tǒng)仿真平臺研發(fā)(E-mail: huchena@126.com)；

穆小星(1963—)，男，江蘇南京人，碩士，教授級高級工程師，從事電氣自動化測試與研發(fā)工作(E-mail：m139129@163.com)；

徐敏銳(1976—)，男，江蘇淮安人，碩士，教授級高級工程師，從事互感器現(xiàn)場檢測、數(shù)字化電能計量研究工作(E-mail：xuminrui18@163.com)。

(編輯方 晶)

ACalibrationMethodandErrorAnalysisofDigitalEnergyMeterBasedonActualWorkingCondition

KOU Yinggang1, FAN Jie1, YANG Shihai2,CHEN Gang2,,HU Chen3,MU Xiaoxin2，XU Mingrui2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210024,China; 2. State Grid Key Laboratory ofEnergy Metering(State Power Research Jiangsu Electric Power Company Institute), Nanjing 211103,China;3. SEEE of Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China)

Digital energy meters often appear error phenomenon in the actual working conditions such as frequency fluctuations, harmonics, input noise and other factors. In order to study the measurement performance of the digital energy meter under the actual working conditions, a calibration method based on the actual working condition is presented. A condition recovery device is developed. A Blackman discrete Fourier transform (DFT) + adaptive linear (Adaline) neural network algorithm is proposed. The calculation of standard electrical energy is achieved. The digital energy meter calibration method and the wattage-second method are compared and analyzed. The results of error analysis show that the digital energy meter calibration method based on the actual working conditions and the wattage-second method can be used to verify the digital energy meter. But the test results of the former are smaller and more stable, and can provide reference for the performance evaluation of the energy meter under complex conditions.

digital watt-hour meter; actual working condition; calibration; DFT; Adaline neural network

TM933

A

2096-3203(2017)06-0053-05

2017-06-27；

2017-07-26

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFB0901104);國家電網(wǎng)公司科技項目(5210EF17001M)