數(shù)字化電能表檢測項目及方法研究

徐宏偉, 孟展，張秋雁 ，張俊瑋 ，叢中笑 ，丁超

(1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴陽 550000；2.華中科技大學(xué)，武漢430074)

0 引 言

數(shù)字化電能表接收合并單元或者電子式互感器輸出的采樣值報文直接計算電能，理論上不會產(chǎn)生任何誤差[1]，但是隨著我國數(shù)字化變電站的大量建設(shè)，數(shù)字化電能表在運行過程中計量準確性的問題逐漸暴露出來，現(xiàn)有數(shù)字化電能表檢測方法及檢測技術(shù)是在電子式電能表檢測規(guī)程的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，所以導(dǎo)致即便數(shù)字化電能表通過了國家標準檢測，在現(xiàn)場運行過程中仍發(fā)現(xiàn)數(shù)字化電能表存在誤差超差、長期計量失準的問題，這表明現(xiàn)有的數(shù)字化電能表檢測項目仍不完善。

目前，數(shù)字化電能表相關(guān)的技術(shù)標準有國家標準GB/T 27215.303-2013《交流電測量設(shè)備特殊要求 第3部分：數(shù)字化電能表》、國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準Q/GDW 11018-2013《數(shù)字化電能表特殊要求》、中國電力企業(yè)聯(lián)合會團體標準T/CEC 116-2016《數(shù)字化電能表技術(shù)規(guī)范》、數(shù)字化電能表的測試規(guī)范主要是2013年國家電網(wǎng)公司頒布的企業(yè)標準Q/GDW 11111-2013《數(shù)字化電能表校準規(guī)范》[2]，該規(guī)范是在傳統(tǒng)電子式電能表檢定規(guī)程的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。其中并沒有針對數(shù)字化電能表電能計量算法適應(yīng)性的檢測項目。

針對這一問題，以現(xiàn)場實負荷數(shù)據(jù)分析為依據(jù)提出了一些新的檢測項目，研究了相應(yīng)的檢測方法和檢測技術(shù)。為驗證所提出的檢測項目的有效性，研制了0.01級標準數(shù)字化電能表，通過與三臺其他數(shù)字化電能表在現(xiàn)場進行的長期計量對比測試，證明了所提出的數(shù)字化電能表檢測項目能夠有效保證數(shù)字化電能表現(xiàn)場計量的準確性。

1 現(xiàn)場實負荷數(shù)據(jù)分析

為了找出數(shù)字化電能表現(xiàn)場計量失準的關(guān)鍵影響量，在貴州某110 kV數(shù)字化變電站建立了綜合監(jiān)測系統(tǒng)，可持續(xù)記錄現(xiàn)場實負荷數(shù)據(jù)并進行分析。同時，以傳統(tǒng)電子式電能表作為標準電能，監(jiān)測多個數(shù)字化電能表的計量誤差?，F(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場綜合監(jiān)測平臺

現(xiàn)場綜合監(jiān)測系統(tǒng)從2015年4月開始至今仍在運行，任取其中一天的三相電壓、電流數(shù)據(jù)如圖2所示。被監(jiān)測線路的額定電壓為110 kV，額定電流為600 A。

圖2 2015年8月12日監(jiān)測數(shù)據(jù)

從圖2中可以看出，現(xiàn)場實際電壓、電流數(shù)據(jù)在不停波動，且與理想工況差別明顯。任取圖2中五段數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)各段數(shù)據(jù)均存在噪聲、諧波頻率偏差，任取其中一段數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3中三相電壓平均信噪比為42.18 dB，三相電流平均信噪比為33.62 dB；三相電壓平均總諧波畸變?yōu)?.77%，三相電流平均總諧波畸變?yōu)?.25%。雖然電流總諧波畸變較大，但是各次諧波均符合國家電能質(zhì)量標準；三相平均頻率為50.08 Hz。

圖3 10分鐘監(jiān)測數(shù)據(jù)

2 新增試驗項目

從前文的分析可以知道，數(shù)字化變電站現(xiàn)場波形中包含噪聲、諧波、頻率偏移等誤差影響量，為了全面評估現(xiàn)場復(fù)雜工況下數(shù)字化電能表的性能，新增電能計量算法適應(yīng)性檢測項目。

2.1 輸入噪聲試驗

數(shù)字化電能表前端設(shè)備中的A/D采樣模塊不可避免的會在信號中疊加噪聲。由于整個數(shù)據(jù)傳輸鏈路中未設(shè)計濾波器對噪聲信號進行過濾。并且數(shù)字化電能表普遍采用點積和算法作為電能計量算法，該算法會將疊加在采樣值中的噪聲信號當(dāng)作電能量進行計算，影響數(shù)字化電能表計量的準確性。A/D芯片并非理想器件，它的理想轉(zhuǎn)換曲線與實際轉(zhuǎn)換曲線之間存在一定的偏差[3-5]。SINAD、THD與輸出SNR之間存在以下關(guān)系[5]:

SNR=-10lg(10-SINAD/10-10-THD/10)

(1)

(2)

式中VS、Vn分別為滿量程輸入信號及噪聲信號的有效值；VDNL、VΔt、Vhn分別為DNL誤差、孔徑抖動誤差、熱噪聲產(chǎn)生的噪聲電壓；N為A/D器件的量化位數(shù)。

目前，電子式互感器及合并單元普遍采用的A/D芯片精度為16位，文中進行噪聲研究時，選取具有代表性的某型號電子式互感器采用的A/D芯片AD7685為例進行分析。參考AD7685芯片資料，在額定輸入條件下，SINAD=93.6 dB，THD=-110 dB，因此可以計算出AD7685芯片的SNR≈93.6 dB[6]。以上分析是在A/D芯片滿量程輸出的基礎(chǔ)上進行的。GB/T 20840.8-2007《電子式電流互感器》國家標準對1%額定負荷點處的測量誤差也進行了規(guī)定[7]，且電子式互感器A/D模塊輸出的SNR隨著輸入信號的降低而變小，因此，有必要對輸入為1%額定負荷點處的A/D芯片輸出SNR進行分析。

SNR=10lg(Vs_1%/Vn)2=

6.02N-40(dB)

(3)

式中k可由A/D芯片滿量程輸出時的信噪比計算出來，有k≈0.53。因此，電子式電流互感器在1%額定負載時，內(nèi)部A/D模塊輸出的信噪比為SNR≈53.6 dB。由于分析時選取的是相對理想情況下A/D芯片輸出的信噪比，實際情況下信噪比會更低。

在負荷為1%額定電流時取信噪比為40 dB，利用文中信噪比計算公式，計算出2%額定電流處信噪比為46 dB，同理，計算得到5%額定電流處的信噪比為54 dB，10%額定電流處的信噪比為60 dB。在負荷較大時，信噪比將進一步提高，數(shù)字化電能表在信噪比越高的條件下，計量誤差越小，因此，當(dāng)信噪比大于60 dB時，將不再進行試驗。要求在試驗條件下數(shù)字化電能表的計量誤差不超過準確度等級的誤差限值，試驗條件和試驗判據(jù)如表1所示，試驗電壓為額定電壓，試驗方法為疊加隨機白噪聲。

2.2 非同步試驗

目前電能計量系統(tǒng)中的同步方式均存在一定的非同步泄露[8]，因此有必要進行非同步試驗，即頻率偏差試驗。根據(jù)文獻[9]的仿真結(jié)果，功率因數(shù)越低，誤差越大；頻率偏差越大，非同步采樣誤差越大。因此僅選擇國家標準中允許的最大頻率偏差點±0.5 Hz進行試驗，且因為負荷大小不會影響數(shù)字化電能表的計量準確性，所以本試驗僅在電能表額定負荷下進行。試驗條件及試驗判據(jù)如表2所示。

表1 輸入噪聲試驗百分數(shù)誤差限值

表2 非同步采樣試驗百分數(shù)誤差限值

2.3 諧波負荷試驗

電網(wǎng)中的非線性負荷會向電網(wǎng)中注入大量諧波導(dǎo)致波形畸變[10]，因此需要設(shè)立諧波負荷試驗驗證數(shù)字化電能表能否在諧波條件下準確計量。試驗條件及試驗判據(jù)如表3所示。參照GB/T 17215.322-2008國家標準中“8.2影響量引起的誤差極限中諧波影響量規(guī)定的準確度測試條件”[11]，測試時僅針對5次諧波下的誤差進行測試，基波電壓為額定電壓，基波電流I1=0.5Imax(Imax為數(shù)字化電能表允許輸入的最大電流)；5次諧波電壓U5=10%Un，5次諧波電流I5=40%In。若電網(wǎng)基波頻率偏移量為Δf，則第k次諧波的頻率偏移量為k·Δf，因此有必要考核數(shù)字化電能表在頻率偏移條件下的諧波計量性能，參考非同步采樣試驗，基波頻率偏移量設(shè)為±0.5 Hz。

表3 諧波負荷試驗百分數(shù)誤差限值

3 實驗室檢測與工程應(yīng)用

研制了0.01級數(shù)字化電能表，該電能表一次額定電壓為110 kV，一次額定電流為600 A，二次額定電壓為57.7 V，二次額定電流為5 A。為提升該表的現(xiàn)場適應(yīng)能力，采用了“基于全相位數(shù)據(jù)處理的數(shù)字電能算法”，與傳統(tǒng)點積和算法相比，該算法能夠?qū)⒎峭讲蓸愚D(zhuǎn)換為近似同步采樣，不需要對采樣值進行加窗，也不需要增加插值算法校正頻譜，算法實現(xiàn)簡單，誤差更小，當(dāng)電網(wǎng)波形不為50 Hz標準正弦波時，該算法的計量準確性更高。

在實驗室對該電能表和國內(nèi)三個主流廠家的0.2S級數(shù)字化電能表進行測試，測試項目為所提出的數(shù)字化電能表檢測新增試驗項目，試驗條件參照第3節(jié)中各表中數(shù)據(jù)，測試過的數(shù)字化電能表被應(yīng)用于貴州省某110 kV智能變電站中進行實時及長期計量誤差監(jiān)測，對所提出的數(shù)字化電能檢測項目的應(yīng)用價值進行了驗證。

3.1 實驗室檢測

所有試驗結(jié)果中，1#、2#、3#數(shù)字化電能表分別為國內(nèi)三個主流廠家的產(chǎn)品，4#數(shù)字化電能表為所研制的0.01級數(shù)字化電能表。試驗結(jié)構(gòu)圖見圖4，以標準數(shù)字功率源的設(shè)定值作為標準電能。數(shù)字化電能表在同一試驗條件下進行誤差測試時，多次測試結(jié)果會出現(xiàn)波動的原因是標準數(shù)字功率源輸出波形會自帶誤差。

圖4 實驗室檢測結(jié)構(gòu)圖

3.1.1 輸入噪聲試驗

輸入噪聲試驗的10次試驗結(jié)果平均值如表4所示。

從表4可知：(1)被測1#、2#、3#數(shù)字化電能表在負載為0.01In，功率因數(shù)為1.0，SNR=40 dB時，計量誤差較大，平均誤差最大值分別達到0.373%、0.394%、0.326%，誤差超出了0.2S級數(shù)字化電能表的準確度等級范圍；(2)所研制的數(shù)字化電能表在噪聲條件下誤差仍然很小，可以忽略不計。

3.1.2 非同步采樣試驗

表4 輸入噪聲試驗結(jié)果

取10次試驗結(jié)果的平均值，如表5所示。

表5 非同步采樣試驗結(jié)果

從表5試驗結(jié)果可知：(1)被測0.2S級數(shù)字化電能表在頻率為49.5 Hz時，1#、2#、3#數(shù)字化電能表的最大誤差分別為0.055%、0.083%、0.071%，在頻率為50.5 Hz時，最大誤差分別為-0.073%、-0.058%、-0.033%，雖然未超過0.2S級誤差上限，但是誤差較大，不可忽略；(2)所研制的數(shù)字化電能表在噪聲條件下誤差仍然很小，可以忽略不計。

3.1.3 諧波負荷試驗

取10次試驗結(jié)果平均值，如表6所示。

從表6試驗結(jié)果可以看出：(1)被測0.2S級數(shù)字化電能表在頻率為49.5 Hz時，1#、2#、3#數(shù)字化電能表在諧波負荷條件下的誤差平均值最大分別為0.038%、0.107%、0.073%，在頻率為50.5 Hz時，最大誤差分別為-0.084%、-0.062%、-0.059%，雖然未超過0.2 S級誤差上限，但是誤差較大，不可忽略；(2)所研制的數(shù)字化電能表在頻率偏差為±0.5 Hz條件下，諧波負荷誤差均在數(shù)量級水平，誤差很小，可以忽略不計。

表6 諧波負荷試驗結(jié)果

3.2 工程應(yīng)用

將經(jīng)過以上試驗的數(shù)字化電能表應(yīng)用于貴州省某110 kV智能變電站的綜合監(jiān)測系統(tǒng)，對數(shù)字化電能表進行實時和長期誤差監(jiān)測。實時監(jiān)測能實現(xiàn)每秒誤差監(jiān)測，長期監(jiān)測能對24小時的電能量進行監(jiān)測，對以日為單位的任何時間段內(nèi)數(shù)字化電能表的長期誤差進行分析。

數(shù)字化電能表誤差監(jiān)測結(jié)果如表7所示，其中中電壓總諧波畸變率、電流總諧波畸變率、電壓信噪比、電流信噪比、頻率均指的是三相的平均值。

從誤差監(jiān)測結(jié)果中可以看到：(1)通過國家標準檢測的三個廠家0.2S級數(shù)字化電能表實時誤差出現(xiàn)超差的現(xiàn)象；(2)所研究的數(shù)字化電能表在現(xiàn)場負荷中含有噪聲、諧波、頻率偏差條件下與電子式電能表的比對誤差較小，能準確的進行電能計量。

取2015年8月12號～8月16號的監(jiān)測數(shù)據(jù)，以日為單位，數(shù)字化電能表計量誤差如表8所示。

表7 現(xiàn)場短期誤差監(jiān)測結(jié)果

表8 8月12日～16日24小時誤差

從表8可以看出：三個廠家數(shù)字化電能表在8月12號～16號的24小時誤差出現(xiàn)了不同程度的誤差超差現(xiàn)象；所研究的數(shù)字化電能表與電子誤差的比對誤差較小，計量準確性高。

三個廠家數(shù)字化電能表及本文研究的數(shù)字化電能表8月份的整體電能計量誤差如表9所示。

表9 8月份整體誤差

從表9可以看出：三個廠家數(shù)字化電能表8月份整體誤差均出現(xiàn)了誤差超差現(xiàn)象；所研究的數(shù)字化電能表與電子式電能表8月份的整體比對誤差為-0.113%，誤差較小，能準確的進行電能量的計量。

從工程應(yīng)用中監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出：通過國家標準檢測，而未通過所提出的檢測項目測試的三個0.2S級數(shù)字化電能表，在現(xiàn)場復(fù)雜工況條件下，實時誤差及長期誤差均出現(xiàn)不同程度的超差現(xiàn)象；通過所提出的檢測項目檢測后，現(xiàn)場復(fù)雜工況條件下適應(yīng)性強，具有較高的準確度。因此，有必要對數(shù)字化電能表入網(wǎng)運行前按照所提出的檢測項目進行測試。

4 結(jié)束語

(1)如果僅實施標準中規(guī)定的數(shù)字化電能表檢測項目，不足以檢測復(fù)雜運行環(huán)境對數(shù)字化電能表的影響；

(2)增加了數(shù)字化電能表輸入噪聲、非同步以及諧波負荷試驗，可以模擬現(xiàn)場復(fù)雜運行環(huán)境，試驗結(jié)果表明僅有所研制的0.01級數(shù)字化電能表能夠通過新增檢測項目。但是這幾個試驗項目還需要進一步論證和規(guī)范，形成對應(yīng)標準；

(3)現(xiàn)場實時誤差監(jiān)測和長期誤差監(jiān)測結(jié)果表明，未通過新增檢測項目的數(shù)字化電能表均出現(xiàn)了短時超差或者長期計量失準的問題。這證明了該試驗項目的必要性；

(4)數(shù)字化電能表只是起到計算器的功能，但是不同廠家的數(shù)字化電能表由于算法不同，復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性不同。應(yīng)該進一步研究和優(yōu)化計量算法，減小噪聲等影響量帶來的附加誤差。