變電站電測(cè)儀表測(cè)量誤差及處理方法

國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司長(zhǎng)春供電公司 王鵬飛 劉 暢

變電站隨著信息化程度不斷提升變得越來越智能，而變電站的主要作用是對(duì)輸電、配電一種智能銜接。因此需要完成電壓、電流的輸出和智能傳輸工作。在變電站中采用合并單元是將變電站與數(shù)字化結(jié)合的基礎(chǔ)。變電站中的計(jì)量工作采用數(shù)字化的計(jì)量方式，具有數(shù)據(jù)采集及時(shí)，數(shù)據(jù)擴(kuò)展方便等優(yōu)勢(shì)。在變電站中電測(cè)儀表是用來實(shí)施檢測(cè)時(shí)常用的儀器，但在測(cè)量的過程中會(huì)造成一定的誤差，最常見的誤差為測(cè)量系統(tǒng)誤差，這種誤差和大部分的客觀誤差一樣，是受設(shè)備和技術(shù)的約束而無法消除的誤差，只能通過技術(shù)的提升和測(cè)量設(shè)備的更新不斷的縮小，無法完全消除[1-2]。還有一種誤差是由于測(cè)量人員工作中沒有按照規(guī)范進(jìn)行操作，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，要求測(cè)量人員端正自己的工作態(tài)度，嚴(yán)格要求檢測(cè)的流程的準(zhǔn)確性。檢測(cè)儀表的誤差主要是檢測(cè)結(jié)果的精度問題，排除不可避免的客觀性誤差和人為操作誤差外，檢測(cè)儀表的誤差要提升檢測(cè)設(shè)備的可靠性，以及在一定的范圍內(nèi)提升測(cè)量的技術(shù)，減少誤差的產(chǎn)生。

在進(jìn)行變電站電測(cè)儀表測(cè)量誤差消除的過程當(dāng)中，需要對(duì)未工作的電測(cè)儀表進(jìn)行檢測(cè)和檢查。首先保證不是因?yàn)樵O(shè)備故障造成測(cè)量精度下降。有問題的設(shè)備進(jìn)行更換和維修。防止客觀誤差因設(shè)備故障擴(kuò)大。面對(duì)不同的變電站要選擇合適的電測(cè)儀表，降低因?yàn)檫m配性低造成的檢測(cè)誤差。

1 設(shè)計(jì)電測(cè)儀表測(cè)量數(shù)據(jù)采樣方法

隨著智能變電站概念的引入，電測(cè)儀表的測(cè)量方式也朝著現(xiàn)代化的方向不斷發(fā)展。電測(cè)儀表測(cè)量的誤差應(yīng)從采樣部分就開始設(shè)法降低。電測(cè)儀表的數(shù)據(jù)采樣可以采取FFT算法進(jìn)行采樣[3]，將測(cè)量數(shù)據(jù)的信號(hào)的長(zhǎng)度設(shè)置為N，則采樣信號(hào)的頻域?yàn)椋?/p>

上述公式中，F(xiàn)[j]為在頻率dft的時(shí)候的數(shù)據(jù)序列關(guān)系式，序列為f(n)，可從公式(1)中計(jì)算出連續(xù)性，將數(shù)據(jù)采樣方法應(yīng)用到實(shí)際的測(cè)量當(dāng)中，測(cè)量數(shù)據(jù)的采集的序列f(n)屬于無限序列，因此在數(shù)據(jù)的采樣過程中需要對(duì)該序列進(jìn)行截取，否則測(cè)量后的數(shù)據(jù)無法通過特定的軟件進(jìn)行統(tǒng)一化處理[4]。而結(jié)果的條件的計(jì)算過程為對(duì)該數(shù)據(jù)的線號(hào)進(jìn)行矩形加窗的過程。在采樣的過程中，相當(dāng)于為了減少誤差進(jìn)行時(shí)域的疊加計(jì)算。

2 設(shè)計(jì)變電站電測(cè)儀表測(cè)量誤差消除算法

變電站的電壓合并單元和電流合并單元都可以采取上述的采樣方式進(jìn)行采樣，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。而電測(cè)儀表測(cè)量的測(cè)量過程如圖1所示。

圖1 電測(cè)儀表測(cè)量的測(cè)量過程

對(duì)電站電測(cè)儀表測(cè)量的原理進(jìn)行分析，得到想要實(shí)現(xiàn)變電站的電測(cè)儀表測(cè)量的同步性，就得首先對(duì)電網(wǎng)中電壓測(cè)量的電壓和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行同步。然后經(jīng)過實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步的數(shù)據(jù)傳輸，信息的接收系統(tǒng)主要為WAMS，安裝在變電站的電網(wǎng)控制中心[5]，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站電測(cè)儀表轉(zhuǎn)型狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，并進(jìn)行區(qū)域間的控制和保護(hù)。理論上電測(cè)儀表測(cè)量后的數(shù)據(jù)處理是不會(huì)造成誤差的，但計(jì)算機(jī)在進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生固有的客觀誤差。不考慮客觀誤差的情況下，電能測(cè)量的計(jì)算公式為：

公式(2)中，θ未變電站的電壓和電流之間的實(shí)際測(cè)量值和標(biāo)準(zhǔn)差值。I為變站點(diǎn)的電流，電能誤差的計(jì)算公式為：

公式(3)中的A1為變電站電測(cè)儀表測(cè)量的實(shí)際數(shù)值，A2為變電站的測(cè)量數(shù)值，根據(jù)之前對(duì)誤差的分析，該計(jì)算結(jié)果中是不包括客觀不可避免誤差的，而測(cè)量合并單元的電能時(shí)，不僅要單獨(dú)進(jìn)行電流和電壓的誤差計(jì)算，還應(yīng)將電流電壓的相角差的誤差計(jì)算在內(nèi)，將公式(2)與公式(3)進(jìn)行結(jié)合可以得到變電站電測(cè)儀表測(cè)量誤差：

變電站電測(cè)儀表測(cè)量的智能化程度越高，對(duì)合并單元配合傳統(tǒng)互感器的要求越高，因此變電站電測(cè)儀表在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣的時(shí)候，計(jì)算工作的重點(diǎn)在于合并單元的電壓，數(shù)字化后的電能消耗考慮了很多的約束條件，電能計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)算也不再是簡(jiǎn)單的電流匹配計(jì)算，而是要基于合并單元采樣的電壓、電流數(shù)據(jù)進(jìn)行適配分析，分析結(jié)果如表1所示。

表1 合并單元的角差數(shù)據(jù)

然后再進(jìn)行同步性處理，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的組幀光纖傳輸。最后再進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的分析。通過對(duì)變電站電測(cè)儀表測(cè)量特征的分析，以及對(duì)數(shù)字化電能表工作原理的研究。將誤差修正的算法進(jìn)行優(yōu)化，首先要對(duì)計(jì)算誤差、合并單元相位誤差和計(jì)算機(jī)計(jì)算形成原因進(jìn)行了解。然后才能實(shí)現(xiàn)誤差的處理。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的方法的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)。采用本文設(shè)計(jì)的誤差出路方法與傳統(tǒng)的電磁誤差處理方法、系統(tǒng)誤差處理方法進(jìn)行比較，比較消除誤差的效果。

3.1 儀表計(jì)量誤差校正方案設(shè)計(jì)

為得到真實(shí)可靠的儀表計(jì)量誤差數(shù)據(jù)和校正方法的應(yīng)用效果，在進(jìn)行下述實(shí)驗(yàn)之前需要搭建一個(gè)誤差校正實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境結(jié)構(gòu)可分為兩大部分，第一部分主要由實(shí)驗(yàn)室環(huán)境（自然）；第二部分主要由某計(jì)量檢測(cè)中心誤差校正環(huán)境（人為）構(gòu)成。在上述搭建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，需要將待校驗(yàn)的儀表和校驗(yàn)合格的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量表至于對(duì)同一標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行電力測(cè)量，然后需要將測(cè)得試驗(yàn)結(jié)果以脈沖信號(hào)的方式傳輸?shù)叫Ｕ到y(tǒng)。校正系統(tǒng)平臺(tái)的脈沖接收器會(huì)將儀表脈沖進(jìn)行輸出，然后將其脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電能，此過程采用實(shí)驗(yàn)臺(tái)的誤差計(jì)算器獲得待檢測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)儀表間的誤差，并將誤差結(jié)果進(jìn)行顯示。最后檢測(cè)人員可通過顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差校正，直到誤差校正可以滿足當(dāng)前規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前首先要對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的采樣，采集到的電測(cè)儀表測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫盘?hào)處理器的過程采用SPI傳輸方式。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方式如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)處理的流程如圖2所示，在進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和運(yùn)算的時(shí)候，首先要將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采樣值進(jìn)行擴(kuò)大，使其更符合實(shí)際的數(shù)值。為了不對(duì)計(jì)算精度產(chǎn)生影響，取樣時(shí)候的數(shù)據(jù)擴(kuò)大倍數(shù)為250～350倍，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議進(jìn)行指令的配置，配置結(jié)果如表2。

表2 網(wǎng)絡(luò)配置指令

變電站電測(cè)儀表進(jìn)行環(huán)境網(wǎng)絡(luò)設(shè)置之后，檢查設(shè)備是否有短路等現(xiàn)象的發(fā)生，如果發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備出現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換，并檢查電壓和接線問題。在實(shí)驗(yàn)電路正常的運(yùn)行的前提下，連接使用電路到PC端。顯示器中顯示仿真數(shù)據(jù)和參數(shù)。

3.3 無信號(hào)干擾環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)分析

基于上述提出的儀表計(jì)量誤差校正方法，在無信號(hào)電力系統(tǒng)輸出干擾條件下開展誤差校正試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)基本條件均以電力系統(tǒng)的額定條件為基礎(chǔ)，具體環(huán)境參數(shù)設(shè)置如下：

額定電壓：U=220V

額定電流：I=3.0A（以A相為主）

最大電流：I=5.0A

工作頻率：f=100Hz

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度：23±3℃

實(shí)驗(yàn)環(huán)境相對(duì)濕度：50%～65%

預(yù)設(shè)脈沖常數(shù)：10000IMP/kWh

當(dāng)被測(cè)電力系統(tǒng)的輸出信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí)則證明測(cè)試環(huán)境可視為理想測(cè)試環(huán)境，在此環(huán)境中開展試驗(yàn)可得到更加精準(zhǔn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過電力測(cè)量?jī)x表的方式對(duì)此電力系統(tǒng)的輸出進(jìn)行計(jì)量，運(yùn)用本文方法對(duì)檢測(cè)設(shè)備計(jì)量過程中出現(xiàn)的誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)，并將校對(duì)后的數(shù)據(jù)輸出當(dāng)做本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果分析將完全參照《交流電測(cè)量設(shè)備特殊要求第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級(jí)和0.5S級(jí)）》的精度要求進(jìn)行分析，測(cè)得電能測(cè)量詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 電力測(cè)量?jī)x表電力檢測(cè)結(jié)果

將上表3中數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析可知，使用上述方法對(duì)電測(cè)儀表的計(jì)量誤差進(jìn)行校對(duì)后，其測(cè)得數(shù)據(jù)精度基本符合規(guī)定中對(duì)測(cè)量結(jié)果精度的要求。通過此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可證實(shí)上述方法具有可行性，即通過此方法能夠在一定程度上提高變電站電測(cè)儀器的計(jì)量精度。但該實(shí)驗(yàn)不能代表其可以完全應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，即實(shí)驗(yàn)處于無信號(hào)干擾下測(cè)得的數(shù)據(jù)無法完全貼合變電站的實(shí)際情況。因此，實(shí)驗(yàn)還需要進(jìn)行一次有信號(hào)干擾的試驗(yàn)分析。

3.4 信號(hào)干擾環(huán)境下實(shí)驗(yàn)分析

將基礎(chǔ)誤差校正法、標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境校正發(fā)、機(jī)器學(xué)習(xí)法以及本文方法共同置于有信號(hào)干擾的環(huán)境下進(jìn)行對(duì)比。在實(shí)際檢測(cè)過程中，會(huì)出現(xiàn)日常環(huán)境校正結(jié)果與計(jì)量檢測(cè)中心得出的校正結(jié)果存在一定差異的現(xiàn)象，為此可利用對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的方式確定不同誤差校正方法的精度。有信號(hào)干擾的實(shí)驗(yàn)各項(xiàng)條件與規(guī)定均與無信號(hào)干擾環(huán)境實(shí)驗(yàn)相同，但本次試驗(yàn)對(duì)電流信號(hào)疊加5次占比率為15%的干擾信號(hào)，本次實(shí)驗(yàn)以A相檢測(cè)校正結(jié)果作為分析數(shù)據(jù)。所得試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 信號(hào)干擾環(huán)境下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由上圖數(shù)據(jù)可知，有、無信號(hào)干擾條件下本文所提優(yōu)化方法皆具有較高的校正效果。同時(shí)，將上述校正結(jié)果與《交流電測(cè)量設(shè)備特殊要求第22部分：靜止式有功電能表（0.2S級(jí)和0.5S級(jí)）》的對(duì)變電站電檢精度要求進(jìn)行比對(duì)可知，經(jīng)校正后的結(jié)果完全符合精度要求，由此可證明該方法的誤差校正能力較高。對(duì)比其他兩種方法后可知，其實(shí)際校正結(jié)果與專業(yè)計(jì)量檢測(cè)得出的誤差校正結(jié)果相差較大，并且數(shù)據(jù)精度與上述標(biāo)準(zhǔn)差距較大。

3.5 測(cè)試結(jié)果

將測(cè)試電路的按照電壓進(jìn)行分類，利用變電站電測(cè)儀表對(duì)電路進(jìn)行測(cè)量，觀察三種誤差處理方法的處理效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，本文設(shè)計(jì)的方法為方法1，電磁誤差處理方法為方法2、系統(tǒng)誤差處理方法為方法3。

表4 測(cè)量相對(duì)誤差

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，展示了測(cè)量的有效值在5種電壓的變化下的誤差值結(jié)果。本文設(shè)計(jì)的方法的相對(duì)測(cè)量誤差在0.03以下，而傳統(tǒng)的兩種方式的誤差在0.05～0.08不等，相比之下本文設(shè)計(jì)的誤差處理方式的處理效果更好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)變電站電測(cè)儀表的四種誤差進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹和分析，并針對(duì)誤差產(chǎn)生的原因設(shè)計(jì)了變電站電測(cè)儀表測(cè)量誤差處理的有效方法。本文設(shè)計(jì)的方法可以幫助工作人員在電測(cè)儀表的實(shí)際測(cè)量當(dāng)中降低測(cè)量誤差，并根據(jù)合適的場(chǎng)景選擇合適檢測(cè)技術(shù)，增加了變電站檢測(cè)的科學(xué)性，為了測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的提升作出了貢獻(xiàn)。