一種新型數(shù)字直流電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

姚棟方，吳 瀛，譚炳源，宋燕軍，吳麗蓉

(1.中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 510660；2.太原市優(yōu)特奧科電子科技有限公司，山西 太原 030006)

目前，柔性直流輸電技術(shù)已在舟山工程、南澳工程投入運(yùn)行，烏東德特高壓多端直流示范工程正在建設(shè)。柔性直流輸電作為新型的電能變化輸送模式，現(xiàn)階段其研究與應(yīng)用多集中在系統(tǒng)建設(shè)、可靠性以及運(yùn)行維護(hù)等方面，而針對(duì)特高壓柔性直流輸電的電能量計(jì)量領(lǐng)域研究仍處于起步階段[1-2]。當(dāng)前直流輸電工程的損耗計(jì)量方式仍通過采集傳統(tǒng)電能表的電壓信息、電流信息并進(jìn)行計(jì)算而得出綜合損耗，難以精確測(cè)量出直流電網(wǎng)在不同運(yùn)行方式下的整流、輸電等各部分的損耗，也就無法掌握直流輸電系統(tǒng)整流、輸電能量轉(zhuǎn)換效率，更無法開展柔性直流輸電系統(tǒng)節(jié)能降損的相關(guān)研究。傳統(tǒng)的電能表難以滿足當(dāng)前數(shù)字化變電站電能計(jì)量裝置在數(shù)字信息通信、數(shù)據(jù)共享以及設(shè)備互操作等方面的工程應(yīng)用需要，給應(yīng)用于變電站的數(shù)字式電能表及其檢定工作提出了更高的要求[3-6]。隨著直流輸電技術(shù)的全面推廣，電能計(jì)量系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化已勢(shì)在必行，數(shù)字式直流電能表及其檢定裝置必將得到全面應(yīng)用[7-8]。

本文提出了一種新型數(shù)字直流電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的研制方法，對(duì)電能表校驗(yàn)儀的基本原理以及硬件、軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹，利用該校驗(yàn)儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)字直流電能表的誤差校驗(yàn)以及性能測(cè)試。

1 安裝式數(shù)字直流電能表

不同于傳統(tǒng)的直流電能表，安裝式數(shù)字直流電能表以數(shù)字信號(hào)方式通過光纖以太網(wǎng)接口作為輸入，在信號(hào)傳輸過程中基本無誤差，對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)直接采用數(shù)學(xué)運(yùn)算，在理論上也沒有產(chǎn)生誤差。安裝式數(shù)字直流電能表具有電能計(jì)量、需量測(cè)量、實(shí)時(shí)顯示、時(shí)鐘、測(cè)量及監(jiān)測(cè)、事件記錄等功能。支持IEC 60044-8 中定義的FT3 采樣值傳輸協(xié)議描述的MMS 服務(wù)等，可靈活適應(yīng)SV、MMS、GOOSE 等協(xié)議的多種組網(wǎng)方式，不需要中間協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備。

數(shù)字化電能表的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，其主要由光纖通信模塊、嵌入式CPU、輸出存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘單元和電源模塊組成，其中光纖通信模塊的輸入為格式要求符合FT3 幀格式的電能表電壓、電流信號(hào)，接收到的電壓電流采樣值報(bào)文被解析之后所得到的信息數(shù)據(jù)被傳送至嵌入式CPU，之后在CPU內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并對(duì)電能量進(jìn)行累計(jì)管理，最后測(cè)量結(jié)果將會(huì)輸出和存儲(chǔ)在顯示輸出單元、電能脈沖輸出單元以及存儲(chǔ)單元；時(shí)鐘單元的功能是提供時(shí)鐘給CPU 單元；交直流電源模塊的功能是提供電源給所有子單元系統(tǒng)；輸出存儲(chǔ)模塊采用成熟的FRAM 鐵電存儲(chǔ)器，保證電能量數(shù)據(jù)易于讀取且滿足高頻次存儲(chǔ)要求。

圖1 數(shù)字化電能表基本結(jié)構(gòu)圖

數(shù)字化電能表的基本原理如下:外部采集到的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)化至IEC61850 格式的數(shù)據(jù)幀傳送到嵌入式CPU，嵌入式CPU 對(duì)該數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析從而獲取計(jì)量采樣值，通過對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算而得到一段時(shí)間內(nèi)的電能。最后嵌入式CPU 將這些電能信號(hào)進(jìn)行處理后得到對(duì)應(yīng)的電壓、電流、功率以及電量數(shù)據(jù)，然后將該類信息傳輸給通訊模塊、存儲(chǔ)模塊和液晶顯示模塊。除此之外，嵌入式CPU 是電能表的核心，負(fù)責(zé)對(duì)按鍵、時(shí)鐘單元以及通訊模塊的數(shù)據(jù)處理，并對(duì)該類外設(shè)所設(shè)置的邏輯進(jìn)行響應(yīng)而生成對(duì)應(yīng)的事件。

由于數(shù)字化電能表采用的是基于IEC61850 的通信協(xié)議，其內(nèi)部不含有電壓、電流比例變換模塊，也沒有模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，因此直接在電能表前端裝置中將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，電能表所接收的信號(hào)則都是數(shù)字量信號(hào)，在傳輸過程中不會(huì)產(chǎn)生誤差。然而，電能表存在字長(zhǎng)有限的內(nèi)部處理器，在信號(hào)運(yùn)算的過程中會(huì)產(chǎn)生一定的截?cái)嗾`差。另外，采樣值傳輸丟幀以及電網(wǎng)諧波的影響都會(huì)造成計(jì)量裝置的誤差。因此有必要對(duì)安裝式數(shù)字直流電能表的誤差進(jìn)行校驗(yàn)，而傳統(tǒng)的直流電能表校驗(yàn)方法已不適應(yīng)，因此需對(duì)安裝式數(shù)字直流電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 電能表校驗(yàn)儀設(shè)計(jì)

2.1 校驗(yàn)儀基本原理

安裝式數(shù)字直流電能表采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)源以及數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表于一體的設(shè)計(jì)形式，為需要檢測(cè)的電能表提供采樣報(bào)文，該報(bào)文均是基于IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，被檢測(cè)電能表的脈沖和標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行對(duì)比校驗(yàn)，對(duì)被檢測(cè)電能表的精度進(jìn)行計(jì)算。因此電能表校驗(yàn)儀設(shè)計(jì)具備的功能包括:①輸出的數(shù)據(jù)幀均采用IEC61850 協(xié)議；②檢測(cè)安裝式數(shù)字直流電能表的精度；③支持安裝式數(shù)字直流電能表的功能校驗(yàn)；④支持安裝式數(shù)字直流電能表的協(xié)議一致性測(cè)試。因此，電能表校驗(yàn)儀的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 電能表校驗(yàn)儀基本結(jié)構(gòu)框圖

不同于傳統(tǒng)的模擬信號(hào)源，數(shù)字信號(hào)源通過PC機(jī)傳輸過來的功率、電壓、電流等參量的基本信息來計(jì)算出理論值，并給予IEC61850 協(xié)議生成參量數(shù)據(jù)幀，并利用數(shù)據(jù)幀傳輸模塊將其輸出至被測(cè)電能表和標(biāo)準(zhǔn)電能表當(dāng)中。整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試過程中的信號(hào)源都是一個(gè)可控量，使得被測(cè)電能表和標(biāo)準(zhǔn)電能表具有統(tǒng)一的信號(hào)。被測(cè)電能表接收到數(shù)據(jù)發(fā)送模塊傳送過來的參量數(shù)據(jù)幀之后，電能表內(nèi)部計(jì)算模塊通過計(jì)算而得到被測(cè)量值，然后被測(cè)量值通過脈沖采集模塊與標(biāo)準(zhǔn)電能表的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比和分析，從而得到較為準(zhǔn)確的測(cè)量誤差。

前面分析可知，在電能表前端裝置中將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，電能表所接收的信號(hào)則都是數(shù)字量信號(hào)，因此在傳輸過程中不會(huì)產(chǎn)生誤差。然而除數(shù)字信號(hào)傳輸誤差之外，可能存在的誤差還有光纖傳輸誤差和截?cái)嗾`差。其中光纖通信模塊在對(duì)電壓、電流數(shù)據(jù)幀接收和解析時(shí)，可能會(huì)發(fā)生誤碼、丟包等現(xiàn)象帶來的光纖傳輸誤差。而截?cái)嗾`差主要是由于大量電參量的計(jì)算可能會(huì)使得CPU 在計(jì)算過程中發(fā)生位數(shù)有限，因此在網(wǎng)絡(luò)條件良好的情況下，CPU 內(nèi)部電能測(cè)量算法對(duì)電能表的量測(cè)誤差起著決定性作用。

在實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算過程中也可能產(chǎn)生誤差，主要由兩個(gè)方面引起:一是與電網(wǎng)中諧波的影響以及非同步采樣等因素有關(guān)，接收的信號(hào)本身帶有的誤差，本文通過加窗插值FFT 計(jì)算解決這部分誤差[9-10]；另一個(gè)引起誤差的原因是當(dāng)通信系統(tǒng)受到嚴(yán)重干擾或者數(shù)據(jù)傳輸過程中校驗(yàn)出錯(cuò)時(shí)，都有可能造成數(shù)據(jù)丟幀，即采樣點(diǎn)丟失，數(shù)據(jù)丟幀對(duì)電能表計(jì)量的準(zhǔn)確性的影響相當(dāng)大，對(duì)于這部分的誤差，需要應(yīng)用軟件的計(jì)量算法做相應(yīng)的補(bǔ)償處理，本文采取為插值法，包括拉格朗日插值法、牛頓插值法等[11-12]。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

安裝式數(shù)字直流電能表校驗(yàn)儀同樣采用嵌入式CPU 作為主控系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的信號(hào)數(shù)據(jù)處理能力。校驗(yàn)儀硬件結(jié)構(gòu)基本框圖如圖3 所示。整個(gè)校驗(yàn)儀的硬件結(jié)構(gòu)分為四層:第一層為嵌入式CPU 主控單元，其主要是控制電能表電壓、電流報(bào)文信息以及校驗(yàn)信息的發(fā)送和接收，同時(shí)具備多個(gè)與外部通信、輔助模塊的接口；第二層為光纖通信模塊，其對(duì)符合FT3 幀格式的電能表采樣值報(bào)文進(jìn)行采集和解析，并將接收到的信息數(shù)據(jù)傳送到嵌入式CPU；第三層為I/O 擴(kuò)展的電能誤差計(jì)算，其主要功能是首先通過數(shù)字功率源獲取電能表的電壓、電流數(shù)字信號(hào)，并傳輸至數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)表，標(biāo)準(zhǔn)表采用高精度數(shù)字算法對(duì)各種電能量進(jìn)行計(jì)算，并獲取電能表輸出的有功、無功脈沖信號(hào)，以此來對(duì)電能表的精度進(jìn)行校驗(yàn)；第四層為I/O 擴(kuò)展的外部輔助功能模塊，包括電源模塊、液晶顯示及按鍵、時(shí)鐘單元、存儲(chǔ)單元等。

圖3 數(shù)字化電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀硬件結(jié)構(gòu)

嵌入式CPU 主控單元能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)SMV 報(bào)文發(fā)送進(jìn)行精確的控制，分別計(jì)算電壓、電流信號(hào)并依據(jù)IEC61850 相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包處理，使得校驗(yàn)儀完全滿足相位、幅值以及頻率等相關(guān)電氣信號(hào)的高精度要求。

計(jì)算機(jī)采用通信接口的方式和校驗(yàn)儀進(jìn)行連接，并控制嵌入式CPU 所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)以及對(duì)應(yīng)的控制數(shù)據(jù)流，從而對(duì)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算且依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)當(dāng)前測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包。其中主控制器采用時(shí)速為10/100 Mbp 的高速以太網(wǎng)口，能夠完成和上位機(jī)的連接，并采用數(shù)據(jù)總線的方式，通過數(shù)據(jù)處理單元來完成數(shù)據(jù)的交換。光纖通信模塊可對(duì)安裝式數(shù)字直流電能表進(jìn)行連接，并采用光交換機(jī)與嵌入式CPU 進(jìn)行連接，每組接口都能夠輸出基于IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的且具備電壓、電流信息的光纖信號(hào)。為了保證電能脈沖輸出，校驗(yàn)儀控制器采用先進(jìn)的DAC 回路來設(shè)計(jì)高精度的小信號(hào)模擬量輸出通道。另外，每一路的外部端子和系統(tǒng)之間都安裝光電隔離設(shè)備來提高校驗(yàn)電路的抗干擾性，從而能夠很好地實(shí)現(xiàn)電能表的測(cè)試。

2.2.1 主控制器模塊設(shè)計(jì)

綜合考慮數(shù)字直流電能表校驗(yàn)儀的功能要求，本文選用C8051F064 作為嵌入式CPU，該控制器具有執(zhí)行效率高、功耗低等優(yōu)勢(shì)，其主要特點(diǎn)如表1所示。

表1 C8051F064 芯片特征表

2.2.2 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)電壓值轉(zhuǎn)換，為各子模塊提供穩(wěn)定的直流電壓值，文中選用LM708 穩(wěn)壓芯片，其能夠輸出穩(wěn)定的直流電壓，穩(wěn)壓電路的硬件電路如圖4 所示。

圖4 穩(wěn)壓電源模塊

2.2.3 信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)

直流電能表校驗(yàn)儀的采集信號(hào)同步主要有電壓、電流信號(hào)的同步，以及標(biāo)準(zhǔn)直流電能表脈沖采樣信號(hào)和被檢測(cè)直流電能表的輸出脈沖采樣同步。則校驗(yàn)儀的信號(hào)采集模塊主要包括標(biāo)準(zhǔn)電能表、被測(cè)電能表的脈沖采集信號(hào)，其中標(biāo)準(zhǔn)電能表被檢測(cè)的是標(biāo)準(zhǔn)高頻脈沖信號(hào)，而被測(cè)電能表檢測(cè)的是低頻脈沖信號(hào)，控制單元脈沖采集電路如圖5 所示。

圖5 脈沖信號(hào)采集電路

2.2.4 通訊電路設(shè)計(jì)

直流電能表的校驗(yàn)儀采用RS485 的通訊方式，選用的芯片型號(hào)為MAX485，能夠完成一對(duì)多的通訊。嵌入式CPU 與脈沖采集單元之間采用光電耦合器與通訊芯片MAX485 之間實(shí)現(xiàn)電平適配。RS485 通訊接口電路如圖6 所示。

圖6 RS485 通訊接口電路

2.3 軟件設(shè)計(jì)

安裝式數(shù)字直流電能表采用模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要的測(cè)試項(xiàng)目包括:啟動(dòng)測(cè)試、故障測(cè)試、聯(lián)通測(cè)試、諧波測(cè)試等。除此之外，還能夠?qū)G包、重發(fā)等多種突發(fā)狀況下的數(shù)字直流電能表進(jìn)行計(jì)量測(cè)試。校驗(yàn)儀的軟件模塊主要包括應(yīng)用模塊和基礎(chǔ)模塊，其中應(yīng)用模塊是校驗(yàn)儀直接面向用戶的功能模塊，而每一個(gè)應(yīng)用模塊都包含邏輯控制、數(shù)據(jù)管理以及用戶界面三大部分，文中采用delphi 可視化開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)操作界面的設(shè)計(jì)。而基礎(chǔ)模塊相對(duì)于應(yīng)用模塊而言是通用的，可以調(diào)用每一個(gè)應(yīng)用模塊，基礎(chǔ)模塊中的通信管理模塊負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)用模塊的命令進(jìn)行接收，并通過嵌入式CPU 進(jìn)行計(jì)算、信息處理，將運(yùn)算后的結(jié)果發(fā)給應(yīng)用模塊；而基礎(chǔ)模塊中的配置模塊能夠獲取SMV 和信號(hào)配置，并可從界面獲取用戶的其他信息需求。

另一方面，在軟件模塊的實(shí)時(shí)處理控制邏輯關(guān)鍵部分所采用的編程方式為匯編語(yǔ)言，而采用C 語(yǔ)言編寫其他部分的程序功能。主程序流程圖如圖7所示。檢驗(yàn)儀初始化后，由嵌入式CPU 對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行控制，對(duì)電壓以及電流信號(hào)進(jìn)行同步采樣，并依據(jù)控制命令對(duì)所采樣的信號(hào)值進(jìn)行計(jì)算，而得到對(duì)應(yīng)的電壓、電流、功率、電量等信息，并將該類信息送至液晶顯示器。

圖7 主程序流程圖

誤差校驗(yàn)程序如圖8 所示，在第一個(gè)電能脈沖輸入時(shí)刻對(duì)電能累積的初始值進(jìn)行讀取，而在最后一個(gè)電能脈沖時(shí)刻對(duì)電能累積的最終取值進(jìn)行讀取，從而對(duì)實(shí)測(cè)的電能值進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)一步對(duì)電能計(jì)量的誤差進(jìn)行計(jì)算并送至顯示，并重新預(yù)置脈沖數(shù)。

圖8 誤差校驗(yàn)程序流程圖

3 性能測(cè)試

為了驗(yàn)證數(shù)字直流電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的精度，在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，對(duì)數(shù)字直流電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的運(yùn)行工況進(jìn)行分析，文中所設(shè)計(jì)的數(shù)字直流電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀如圖9 所示。根據(jù)《DLT 1507—2016數(shù)字化電能表校準(zhǔn)規(guī)范》、《JJG 842—2017 電子式直流電能表檢定規(guī)程》、《DLT 1484—2015 直流電能表技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行樣機(jī)性能測(cè)試，主要對(duì)有功功率、電壓等電參量誤差在多種運(yùn)行條件下進(jìn)行了分析，并與傳統(tǒng)方法[5]進(jìn)行了對(duì)比分析，測(cè)試結(jié)果如表2、表3 所示。

圖9 數(shù)字直流電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀

表2 有功誤差測(cè)試結(jié)果

表3 電壓誤差測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試結(jié)果可知，相較于傳統(tǒng)方法而言，文中所設(shè)計(jì)的安裝式數(shù)字直流電能表的測(cè)試準(zhǔn)確度更高，也說明了電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀能夠適用多種復(fù)雜測(cè)試環(huán)境，具有較高的誤差測(cè)量精度，能夠滿足安裝式數(shù)字直流電能表的校驗(yàn)需求。

4 結(jié)論

針對(duì)直流輸電工程中數(shù)字通信、信息共享和設(shè)備互操作的需要，本文設(shè)計(jì)了一種安裝式數(shù)字直流電能表以及電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀。闡述了安裝式數(shù)字直流電能表的基本原理，并對(duì)數(shù)字直流電能表現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀的基本原理以及硬件、軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析。該校驗(yàn)儀具有操作靈活、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，測(cè)試表明安裝式數(shù)字直流電能表能夠適用多種復(fù)雜測(cè)試環(huán)境，具有較高的誤差測(cè)量精度，能夠滿足安裝式數(shù)字直流電能表的校驗(yàn)需求。