數(shù)字化電能表動(dòng)態(tài)誤差特性測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)*

袁瑞銘，姜振宇，鐘侃，田海亭，魯觀娜，王琳

（1.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京100045；2.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京100045；3.北京化工大學(xué)，北京100029）

0 引 言

目前智能電網(wǎng)建設(shè)中，增量的智能變電站建設(shè)都采用IEC 61850協(xié)議實(shí)現(xiàn)電壓、電流的信號(hào)傳輸。由于傳統(tǒng)模擬量輸入的電能表無(wú)法應(yīng)用于智能變電站體系，因此采用光纖以太網(wǎng)與SMV采樣值報(bào)文輸入的數(shù)字化電能表被大量應(yīng)用。數(shù)字化電能表不僅在輸入信號(hào)方式上與傳統(tǒng)電能表不同，在處理器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電能計(jì)算方法、數(shù)字信號(hào)處理方式等都存在差異，而且其計(jì)量性能還受限于智能變電站整體采樣速率、前端合并單元等影響［1］。由于受限于智能變電站低采樣率，以及SMV報(bào)文解碼速度等因數(shù)，數(shù)字化電能表計(jì)量誤差受動(dòng)態(tài)負(fù)荷的影響將更加明顯。

隨著電網(wǎng)工業(yè)動(dòng)態(tài)負(fù)載應(yīng)用量增加，用電負(fù)載電流逐漸呈現(xiàn)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，甚至短時(shí)沖擊波動(dòng)的情況。從文獻(xiàn)［2］的研究可以看出，在動(dòng)態(tài)波動(dòng)的負(fù)載電流下，不同廠家電能表走字精度測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)較大差異。因此，如何在實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)傳統(tǒng)電能表動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)量精度成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)［3］提出了電能表動(dòng)態(tài)特性評(píng)價(jià)方法；文獻(xiàn)［4］提出了針對(duì)動(dòng)態(tài)沖擊性負(fù)荷的計(jì)量方法與檢測(cè)手段，但其檢測(cè)模型溯源仍然存在問(wèn)題；文獻(xiàn)［5-7］則提出了可溯源的電能表動(dòng)態(tài)誤差特性實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c方法。然而，目前電能表實(shí)驗(yàn)室動(dòng)態(tài)誤差檢定研究都主要針對(duì)傳統(tǒng)模擬量輸入電能表，對(duì)于智能變電站應(yīng)用的數(shù)字化電能表，現(xiàn)有的研究主要針對(duì)穩(wěn)態(tài)負(fù)荷環(huán)境下的計(jì)量檢測(cè)［8-9］，動(dòng)態(tài)誤差試驗(yàn)方面仍然缺乏有效的手段。因此，本文基于OOK模型，提出數(shù)字化電能表動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試裝置設(shè)計(jì)方法，解決智能變電站數(shù)字化電能表動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)量精度實(shí)驗(yàn)室檢定問(wèn)題。

1 基于IEC 61850的數(shù)字化計(jì)量體系

智能變電站數(shù)字化計(jì)量體系如圖1所示，一次側(cè)采用電子式互感器（ECT與EVT）直接將一次電壓與電流模擬量轉(zhuǎn)換為電壓與電流數(shù)字信號(hào)，然后，經(jīng)過(guò)合并單元將數(shù)字信號(hào)組包為符合IEC 61850-9協(xié)議的SMV采樣值報(bào)文，通過(guò)光纖以太網(wǎng)傳輸?shù)介g隔層數(shù)字化電能表中。數(shù)字化電能表解析報(bào)文，恢復(fù)實(shí)際電壓與電流采樣數(shù)字信號(hào)，在此基礎(chǔ)上完成電能計(jì)算［10］。

圖1 智能變電站計(jì)量體系Fig.1 Metering system of smart substation

從圖1可看出，數(shù)字化電能表直接通過(guò)光纖以太網(wǎng)接口接收電子式互感器的采樣報(bào)文數(shù)據(jù)，因此數(shù)字化電能表與常規(guī)電能表有較大的區(qū)別，其沒(méi)有模擬量采樣部分，同時(shí)受限于整個(gè)智能變電站采樣率的影響，其接收的SMV報(bào)文采樣率要遠(yuǎn)低于常規(guī)電能表AD電路的采樣率。在動(dòng)態(tài)負(fù)荷下，數(shù)字化電能表低采樣率將會(huì)對(duì)其計(jì)量精度造成影響，因此，研究針對(duì)數(shù)字化電能表動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)量性能的測(cè)試方法與裝置，對(duì)改善智能變電站動(dòng)態(tài)負(fù)荷計(jì)量性能具有重要意義。

2 OOK動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試模型

OOK是一種通過(guò)矩形包絡(luò)信號(hào)來(lái)調(diào)制正弦信號(hào)模型，其原理是通過(guò)二進(jìn)制序列對(duì)穩(wěn)態(tài)電流信號(hào)進(jìn)行二進(jìn)制通斷鍵控 OOK（On-Off-Key）［7］，OOK動(dòng)態(tài)測(cè)試電壓信號(hào)模型 us（ti）、電流信號(hào)模型 id（ti）和功率信號(hào)模型 pd（ti）如下：

式中 ti=iT/n，（i=0，1，…n）；T為信號(hào)周期；ωc=2πfc，fc=1/T；φk為第 k個(gè)周期的相位。

OOK模型可以實(shí)現(xiàn)整數(shù)周期的波形通斷，在用于動(dòng)態(tài)負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，僅控制電流波形的輸出和截止，并不改變波形形狀，具有可溯源、測(cè)試信號(hào)頻譜信息廣等特點(diǎn)，因此常用于模擬量輸入的常規(guī)電能表動(dòng)態(tài)負(fù)荷測(cè)試。針對(duì)光纖以太網(wǎng)數(shù)字量輸入的數(shù)字化電能表，該模型仍然適用，但需要設(shè)計(jì)OOK信號(hào)的SMV組包過(guò)程以及配合虛擬數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)電能表來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試過(guò)程。

3 數(shù)字化電能表動(dòng)態(tài)誤差特性測(cè)試裝置

3.1 裝置總體技術(shù)方案

鑒于OOK模型具有可溯源、頻段覆蓋廣以及便于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，基于OOK離散模型式（1）～式（3）來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)字化電能表動(dòng)態(tài)誤差特性測(cè)試裝置。為支持算法實(shí)現(xiàn)，本文測(cè)試裝置采用ARM9核心CPU+DSP數(shù)字信號(hào)處理器的雙核架構(gòu)，總體架構(gòu)圖如圖2所示。

ARM9核心CPU負(fù)責(zé)整個(gè)裝置工作任務(wù)的管理，負(fù)責(zé)液晶的顯示控制，與操作用戶(hù)的輸入接口，以及向DSP數(shù)字信號(hào)處理器發(fā)送工作指令。DSP數(shù)字信號(hào)處理器采用一片高速32位定點(diǎn)DSP芯片設(shè)計(jì)，通過(guò)其高速數(shù)字信號(hào)處理的特點(diǎn)，根據(jù)非線性負(fù)荷數(shù)學(xué)模型，生成對(duì)應(yīng)的IEC 61850光纖以太網(wǎng)電壓與電流采樣數(shù)字信號(hào)（SMV），并通過(guò)光纖以太網(wǎng)控制器輸出動(dòng)態(tài)變化的SMV信號(hào)。同時(shí)，該方案通過(guò)一片F(xiàn)PGA，生成高速脈沖，該FPGA可以根據(jù)DSP采用指定模型所計(jì)算的理論功率，來(lái)生成高速比對(duì)脈沖，同時(shí)可以接受外部數(shù)字化電能表的脈沖信號(hào)，并在FPGA中進(jìn)行精度比對(duì)，最終輸出測(cè)試結(jié)果。

圖2 測(cè)試裝置總體方案Fig.2 Overall scheme of measuring equipment

3.2 數(shù)字化電能表OOK測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)流程

3.2.1 OOK信號(hào)輸出

測(cè)試信號(hào)的輸出與控制主要在DSP中實(shí)現(xiàn)。由于SMV采樣值報(bào)文必須按照嚴(yán)格的時(shí)間間隔通過(guò)光纖以太網(wǎng)輸出，因此，DSP中SMV采樣值報(bào)文輸出過(guò)程必須在定時(shí)器中斷函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，若每一次定時(shí)器中斷都調(diào)用一遍式（1）～式（3）產(chǎn)生OOK波形信號(hào)，會(huì)嚴(yán)重占用系統(tǒng)資源。為提高效率，本文采用異步方式來(lái)實(shí)現(xiàn)OOK信號(hào)波形產(chǎn)生與SMV報(bào)文組包輸出。具體流程如圖3。

具體步驟如下：

（1）在主循環(huán)函數(shù)中，調(diào)用式（1）～式（3）生成 k個(gè)周期OOK測(cè)試電壓與電流采樣值數(shù)據(jù)。k值的選取須與所選型號(hào)DSP計(jì)算速度相結(jié)合，具體為DSP計(jì)算生成k個(gè)周期OOK信號(hào)數(shù)據(jù)的時(shí)間Ts要小于k個(gè)信號(hào)周期時(shí)間的一半，即：Ts≤（T·k）/2；

（2）將采樣數(shù)據(jù)存于數(shù)組A。若數(shù)組A存滿(mǎn)，則數(shù)組A進(jìn)入信號(hào)發(fā)送狀態(tài)；同時(shí)將采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)位置切換為數(shù)組B；

（3）定時(shí)器按T/n的間隔生成中斷，中斷程序中讀取處于發(fā)送狀態(tài)的數(shù)組A采樣值序列，并進(jìn)行IEC 61850 SMV組包，調(diào)用以太網(wǎng)DMA，通過(guò)裝置光纖接口發(fā)送SMV組包數(shù)據(jù)，傳輸至被測(cè)數(shù)字化電能表；

圖3 OOK數(shù)字化實(shí)現(xiàn)流程Fig.3 Flow chart of the realization of OOK digitalization

（4）在 k值滿(mǎn)足 Ts≤（T·k）/2下，數(shù)組 A中所存儲(chǔ)的OOK波形通過(guò)中斷程序發(fā)送完畢時(shí)，主循環(huán)已將新生成的信號(hào)存滿(mǎn)于數(shù)組B，在下一次定時(shí)器中，將發(fā)送數(shù)組切換為數(shù)組B，采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)組切換為數(shù)組A。

3.2.2 動(dòng)態(tài)誤差計(jì)算

在測(cè)試中，被測(cè)數(shù)字化電能表接收到SMV組包數(shù)據(jù)后，向裝置FPGA模塊返回有功電能脈沖。DSP在調(diào)用OOK模型輸出通斷波形信號(hào)時(shí)，同時(shí)依據(jù)電壓電流設(shè)定的有效值Um、Im及相位φk，輸出標(biāo)準(zhǔn)化正弦信號(hào)，輸入到裝置DSP中內(nèi)置數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)電能表中。數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)電能表計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)有功電能，并調(diào)用FPGA模塊，生成高頻標(biāo)準(zhǔn)化脈沖。

由于OOK模型中，通的周波數(shù)量和斷開(kāi)的周波數(shù)量是確定的，若被測(cè)數(shù)字化電能表在OOK信號(hào)下有功電能計(jì)量完全準(zhǔn)確，則內(nèi)置數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)電能表返回的有功脈沖數(shù)量，與被測(cè)數(shù)字化電能表返回的有功脈沖數(shù)量，其比例與OOK波形通斷比應(yīng)該是相同的。因此，兩個(gè)有功脈沖比例與OOK通斷比的相對(duì)誤差，即可視為數(shù)字化電能表在OOK信號(hào)下的有功電能計(jì)量誤差。FPGA將被試數(shù)字化電能表的有功電能脈沖數(shù)N，與標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)M，按如下公式，進(jìn)行誤差計(jì)算。

式中Cb、Cm分別為數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)表脈沖常數(shù)和數(shù)字化電能表的脈沖常數(shù)；E為輸出誤差；R為一輪測(cè)試周期中，通的信號(hào)占總信號(hào)長(zhǎng)度的比例。FPGA通過(guò)公式（4）計(jì)算出誤差后，將結(jié)果返回至DSP中，完成了數(shù)字化電能表動(dòng)態(tài)負(fù)荷測(cè)試過(guò)程。

4 裝置測(cè)試流程與試驗(yàn)結(jié)果

4.1 測(cè)試流程

圖4 裝置測(cè)試流程Fig.4 Test process of the device

裝置的測(cè)試流程如圖4所示，在用戶(hù)操作界面下發(fā)測(cè)試指令后，主CPU單元將接受的指令類(lèi)型，下發(fā)到DSP中。裝置DSP依據(jù)圖3所示流程，準(zhǔn)備對(duì)應(yīng)參數(shù)的OOK信號(hào)序列，記錄當(dāng)前所設(shè)置的OOK信號(hào)通斷周期數(shù)量比例。同時(shí)輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)給內(nèi)置數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)電能表，后者產(chǎn)生高頻標(biāo)準(zhǔn)化有功電能脈沖給FPGA單元。

DSP生成OOK信號(hào)序列后，定時(shí)器依據(jù)設(shè)定的采樣率進(jìn)行中斷，在中斷函數(shù)中將OOK信號(hào)，經(jīng)過(guò)SMV組包傳輸至被測(cè)數(shù)字化電能表，同時(shí)FPGA單元進(jìn)入脈沖比對(duì)模式。數(shù)字化電能表的有功電能脈沖經(jīng)過(guò)脈沖接收IO口返回至FPGA單元中，依據(jù)式（4）完成誤差計(jì)算，并將動(dòng)態(tài)誤差結(jié)果經(jīng)由DSP及主CPU單元返回至用戶(hù)界面中。至此，完成一次完整的測(cè)試操作。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 測(cè)試信號(hào)輸出

為驗(yàn)證本文提出的數(shù)字化電能表動(dòng)態(tài)誤差特性測(cè)試裝置有效性，將本裝置光纖以太網(wǎng)接口與國(guó)內(nèi)某廠家數(shù)字化電能表連接，進(jìn)行OOK模型下的動(dòng)態(tài)負(fù)荷試驗(yàn)。裝置輸出波形如圖5所示。

圖5 輸出波形Fig.5 Output waveform

圖5為通過(guò)數(shù)字化錄波軟件記錄的裝置輸出波形，從圖中可以看出，裝置輸出符合OOK模型的通斷信號(hào)波形，該信號(hào)波形被正確轉(zhuǎn)換為IEC 61850-9協(xié)議的SMV報(bào)文，通過(guò)光纖以太網(wǎng)輸入到數(shù)字化電能表，測(cè)試數(shù)字化電能表的動(dòng)態(tài)計(jì)量誤差。

4.2.2 數(shù)字化電能表動(dòng)態(tài)誤差試驗(yàn)

裝置輸出圖5所示OOK動(dòng)態(tài)電流信號(hào)，電壓信號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)正弦波形，電壓有效值設(shè)定為57.7 V，電流有效值設(shè)定為1.5 A，功率因數(shù)為1.0。測(cè)試數(shù)字化電能表在標(biāo)準(zhǔn)正弦的穩(wěn)態(tài)電流下的誤差以及在OOK動(dòng)態(tài)電流信號(hào)下的誤差。返回的三相有功電能計(jì)量誤差數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 數(shù)字化電能表動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試實(shí)驗(yàn)Tab.1 Dynamic metering experiment of digital energy meter

從表1可看出，在常規(guī)穩(wěn)態(tài)電流下，數(shù)字化電能表計(jì)量誤差小于千分之一，符合0.2 S級(jí)表內(nèi)控誤差要求。但在加入不同組合的OOK信號(hào)后，計(jì)量誤差發(fā)生明顯波動(dòng)，在通斷波形周期間隔較長(zhǎng)時(shí)，信號(hào)波動(dòng)不大，總體誤差還在0.5%以?xún)?nèi)。但隨著通斷波形周期間隔縮短，數(shù)字化電能表出現(xiàn)比較嚴(yán)重的超差，在波形通斷比較快速的設(shè)置點(diǎn)，計(jì)量誤差超差最嚴(yán)重。

由于數(shù)字化電能表沒(méi)有模擬量采樣部分，采樣值信號(hào)都通過(guò)光纖以太網(wǎng)傳輸，這說(shuō)明其采樣部分不會(huì)像傳統(tǒng)電能表引入誤差，但數(shù)字化電能表受限于較慢的采樣速率（目前智能變電站普遍4 kHz的采樣率），在OOK信號(hào)通斷間隔較短時(shí)，其采樣率的限制及針對(duì)穩(wěn)態(tài)負(fù)荷設(shè)計(jì)的數(shù)字計(jì)量算法，都會(huì)對(duì)其動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的計(jì)量精度造成影響。這樣說(shuō)明，穩(wěn)態(tài)負(fù)荷下檢定的數(shù)字化電能表應(yīng)用于動(dòng)態(tài)負(fù)荷中，其計(jì)量誤差無(wú)法保證。

因此，通過(guò)所提出的裝置，可有效反映數(shù)字化電能表在OOK信號(hào)下誤差變動(dòng)，從而評(píng)價(jià)數(shù)字化電能表在動(dòng)態(tài)負(fù)荷下的計(jì)量性能變化。解決穩(wěn)態(tài)負(fù)荷下數(shù)字化電能表檢定存在的缺陷，為數(shù)字化電能表實(shí)驗(yàn)室性能評(píng)價(jià)提供了新的手段。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章研究開(kāi)發(fā)了智能變電站數(shù)字化電能表的動(dòng)態(tài)誤差特性測(cè)試裝置，針對(duì)智能變電站計(jì)量特點(diǎn)，基于OOK模型，設(shè)計(jì)裝置總體技術(shù)方案與軟硬件具體實(shí)現(xiàn)方案，并基于該方案生成了OOK數(shù)字化動(dòng)態(tài)測(cè)試信號(hào)、實(shí)現(xiàn)了IEC 61850-9協(xié)議的SMV組包以及動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試。