一种新的数字电能表校验仪设计的策略

　0 引 言
　　随着数字化技术不断发展，传统的变电站自动化系统已无法满足智能化电网发展的需要，数字化变电站将是继综合自动化技术后电力系统变电站建设的又一次革新，数字化变电站必将是变电站建设的趋势[1]。它以变电站一、二次设备为数字化对象，以高速网络通信平台为基础，通过对数字化信息进行标准化[2]，实现信息共享和互操作，并以网络数据为基础，实现测量监视、控制保护、信息管理等自动化功能[3]。
　　数字化变电站中的电能计量系统和传统的计量系统不同，它采用电子式互感器替代了电磁式互感器，将电压、电流实时采样功能前移到互感器中，在一次侧将电压、电流信号进行了数字化，然后通过光纤将数字化的电压、电流信息传输到合并单元，合并单元按照IEC61850?9?1标准将电压、电流信息组合后输出数字信号帧到二次，为了适应这样的变化，就需要在新的技术条件的基础上设计一套符合数字变电站特点的数字化计量和检测系统[4?5]。
　　1 数字化变电站
　　随着智能电网技术突飞猛进地发展，传统的变电站已经不能适应智能电网发展的需要，未来智能变电站将广泛地采用数字化变电站，例如，根据国家电网公司的电网规划，在十二五期间将在全国至少建设110 kV及以上的数字化变电站6 000余座。数字化变电站是指变电站的信息采集、传输处理、输出过程全部数字化，基本特征为设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化等[6]。
　　数字化变电站建设的关键是实现能满足上述特征的通信网络和系统，并开发出相应的智能设备。相对于传统变电站，智能变电站的一次设备采用数字输出的电子式互感器等智能一次设备。一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码信息的方式交换采样值、状态量、控制命令等信息，取消了控制电缆等硬接线[7]，如图1所示。
　　图1 传统变电站和数字变电站
　　智能变电站技术的推广，引发了电能计量技术的变革， 需要采用新的数字方式进行计量，数字计量方式由于采用光纤通道进行数字量的传输，不存在二次压降以及模拟电能表的A/D采集误差，大大减小了传统计量二次回路误差因素，因此，数字计量必将成为电能计量专业今后的发展方向[8]。
　　2 数字表电能计量系统
　　传统计量系统由电磁式互感器、电能表通过电缆直接连接构成，如图2所示。
　　图2 传统电能表计量系统
　　数字电能计量系统是由电子式互感器、合并单元通过光纤连接构成，如图3所示。
　　图3 数字电能表计量系统
　　与传统电能表不同，数字电能表的电量以数字信号的形式通过光纤以太网接口输入，在传输的过程中没有附加误差，数字电能表对接收到的数字信号直接进行数学运算，理论上也不会增加误差。假设电压、电流互感器为0.2级，线缆传输误差 0.1%，传统电能表为0.2级，可得传统电能计量系统准确度为0.7%，数字电能计量系统的准确度[9]为 0.4%。由以上分析可知，与传统的电能计量系统相比较，数字电能计量系统减小了测量误差，提高了计量准确度。
　　数字电能表是由数字信号处理单元、中央处理器单元、通信单元、存储单元和显示单元等组成，如图4所示。
　　数字电能表的工作原理：一次合并单元将采样数据组织为IEC61850格式的数据帧传输给数字信号处理单元，数字信号处理单元对数据帧进行解析后得到计量采样值，然后通过对采样值进行积分和滤波运算后取得电压、电流值，通过对采样值进行乘积运算得到瞬时功率值，然后对瞬时功率进行积分运算得到一段时间内的电能。最后数字信号处理单元将这些数据传给中央处理器单元，中央处理器单元对数据进行处理后生成电压数据、电流数据、功率数据、电量数据等，然后传递给显示单元、存储单元、通信单元。同时中央处理单元作为整个系统的核心，负责处理通信、时钟、按键、时钟等单元传来的数据，并对这些数据按照软件设定的逻辑进行响应，生成事件信息、控制信息等，并将这些信息传递给对应的单元。
　　图4 数字电能表结构
　　数字电能表具有正向、反向有功电能量和四象限无功电能量计量功能，并可设置组合有功和无功电能量，具有分时计量功能，支持至少尖、峰、平、谷四个费率。至少能存储上12个结算日的单向总电能和各费率电能数据，掉电过结算时间上电后能补全12个结算日电量数据。能够进行定时冻结、瞬时冻结、日冻结、约定冻结和整点冻结，能够记录掉电、编程记录、开表盖、拉合闸、电源异常等时间，支持RS 485、红外、光纤、以太网等通信方式。
　　数字电能表处理的信号为IEC61850格式的数字信号，在传输过程中不会出现误差，但由于电能表内部处理器字长有限，在进行数值运算时会产生截断误差，另一方面电能计算算法是对连续域内的信号进行离散化处理后近似计算，会造成一定偏差，同时电网信号频率波动、谐波及非同步采样的影响也会导致计量装置误差[10]。因此，必须对数字电能表进行误差校验，但是由于数字电能表与传统电能表工作方式的不同，导致传统电能表校验台无法对数字电能表进行校验工作，因此必须要重新设计新的电能计量校验装置。
　　3 数字电能表计量校验系统
　　本文采用ARM+DSP架构，以高精度的A/D采样芯片设计了一种数字电能表计量校验装置，它采用过采样技术提高了采样精度，并通过滤波器抑制了采样信号的噪声。同时对电源和采样输入采用光耦和压敏电阻隔离措施，能够适应测试现场的复杂干扰环境。
　　该校验仪具备以下主要特点：
　　（1） 接口丰富，具有光纤以太网接口、RJ45接口、USB接口和RS 232接口等，能够满足不同设备的连接需要。
　　（2） 能够在多种负荷模式下进行检验。
　　（3） 能够在量传模式下，采用传统电能基准（如COM3000）进行精度校准和量值溯源。
　　（4） 能够模拟通信延时、数据帧丢失等故障，以此来检查数字电能表的通信容错能力。
　　（5） 具有很强的可扩展性，能够通过软件升级来满足未来数字电能表升级的需要。
　　（6） 采用了便携性设计，方便在现场进行校验工作。
　　该数字电能表校验仪的工作原理如图5所示，电脑通过一个RS 232口连接标准功率源用于自动输出不同的检定点功率，通过另一个RS 232口连接数字电能表校验仪用于设置校验仪的参数并读取误差数据。数字电能表校验仪通过光纤或以太网口向数 字电能表输出不同检定点的IEC61850格式的采样数据帧，数字电能表对采样数据计算后产生的脉冲输出通过线缆回传给数字电能表校验仪，校验仪比较后将误差数据通过RS 232传给电脑。
　　图5 数字电能表校验仪连接方式
　　同时该校验仪在量传模式下能够通过更高精度的标准电能表（如COM3000）来检验它的精度是否符合要求，如图6所示。
　　图6 数字电能表校验仪校准
　　电脑通过RS 232口控制标准功率源自动输出不同的检定点功率，标准功率源通过线缆分别连接数字电能表校验仪和COM3000，并将COM3000的脉冲输入连接到校验仪的脉冲输出，这样就可以在不同的检定点测试出数字电能表校验仪的精度是否达到设计要求。
　　4 结 语
　　本文系统地阐述了数字化变电站的基本构造和运行方式，说明了数字电能表工作方式和原理，并对其对应的数字电能计量检测系统和溯源原理进行了论述，在此基础上设计了一种新的数字电能表校验仪，经测试该校验仪的准确度达到了0.05级，抗干扰性能好，能够适应现场复杂的测试环境，并且具有很好的便携性，能够满足常用数字电能表校验的需要。
　　参考文献
　　[1] 艾兵，江波.数字电能表计量及其电能表检测技术[J].四川电力技术，2011，34（2）：10?13.
　　[2] 宋清时.变电站的智能化与数字化技术及其发展分析[J].科技与企业，2012（20）：109?110.
　　[3] 马伟，张晓春.数字化变电站的建设与研究[J].价值工程，2010（13）：162?163.
　　[4] 李前，张述汉，陆以彪，等.数字电能计量系统现场检定技术研究[J].电测与仪表，2010，47（10）：25?29.
　　[5] 陈应林，黄德祥.数字式电能计量系统及检定装置设计[J].电力自动化设备，2009（4）：114?117.
　　[6] 林剑.变电站自动化系统的发展与智能化的趋势[J].科技传播，2010（24）：98?100.
　　[7] 杨静然，白小会.数字化变电站技术发展与应用[J].供用电，2010（1）：1?6.
　　[8] 张宏科.智能电能计量系统初探[J].北京电力高等专科科学学校学报，2011（9）：123?125.