數字電能表的校驗方法研究

袁 輝，堯冬梅，張朝軍

（中國測試技術研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

隨著智能電網技術的高速發展，基于IEC 61850標準[1]建立的數字化變電站將成為變電站建設的趨勢。它的信息采集、傳輸處理和輸出過程將全部實現數字化，基本特征為設備智能化、通信網絡化、模型和通信協議統一化、運行管理自動化等。數字變電站技術的推廣，引發了電能計量技術的變革。數字計量方式由于采用光纖通道進行數字量的傳輸，有效地消除了二次壓降和模擬電能表的模擬/數字（A/D）轉換誤差，提高了電能計量的準確度和穩定度；因此，數字計量將成為電能計量專業的發展方向。

國家計量法規定，用于貿易結算的關口電能計量裝置必須接受強制檢定。在傳統的電子式電能計量系統中，電磁式互感器輸出模擬電壓、電流信號，通過二次電纜傳送給電能表，電能表將模擬量轉化為數字脈沖量，再經計數器累積計數計算出某段時間t內的電能，這樣傳統的電子式電能計量系統就會帶來較大的測量不確定度[2]。而在數字計量系統中，電子式互感器輸出數字電壓、電流信號，通過光纖傳輸到合并單元，合并單元按照IEC 61850-9標準將電壓電流信息組合成規范格式的數據幀，數字電能表接收此數據幀，直接進行數學計算得出電能。由此可知，電子式互感器和數字電能表的工作原理和輸入輸出形式發生了本質改變，傳統的校驗設備和技術已無法對其進行校驗；因此，研究電子式互感器和數字電能表的檢驗方法已成為業界的熱點課題[3-6]。

目前，對電子式互感器的檢驗通常采用基于絕對值比較的誤差校驗方法，即采用傳統標準電流電壓互感器作為標準器，標準互感器的二次輸出經過模數轉換，與合并單元發出的數字信號進行比較，得到電子式互感器的比值誤差和相位誤差。然而，對數字電能表的檢測方法仍處于探討中；因此，本文將討論數字電能表的校驗方法及其量值溯源問題。

1 數字化變電站電能計量系統

數字化變電站電能計量系統方框圖如圖1所示。它由電子式電流互感器（ECT）、電子式電壓互感器（EVT）、GPS同步時鐘、合并單元、數字電能表組成。數字化變電站內母線的高電壓、大電流經電子式互感器變換成符合IEC 60044標準要求的小信號，通過光纖輸送給合并單元。合并單元依據GPS同步時鐘信號的節拍，將同一時間節點的各項電壓電流信號進行數字化處理，按照IEC 61850標準的要求，對各項數據打包、傳輸。數字電能表接收來自合并單元的數字信號，采用數字信號處理算法直接計算得到電功率和電能等電能計量數據。

圖1 數字化變電站電能計量系統方框圖

傳統計量系統由電磁式模擬互感器、電能表通過電纜連接構成。假設電壓、電流互感器、電能表均為0.2級，加上線纜傳輸誤差0.1%，最終計量系統準確度為0.7%。數字電能計量系統采用輸出數字信號的電子式互感器，具有校驗信息的數字化電流、電壓信號在傳輸處理的過程中沒有附加誤差，解決了傳統變電站強電場對模擬信號及模擬信號之間相互干擾的問題，數字電能表將接收的數字信號進行數學計算，理論上也不會增加誤差；因此，數字式電能計量系統的準確度由電子式電壓、電流互感器決定。假設數字式電壓、電流互感器均為0.2級，最終電能計量系統的準確度為0.4%。由以上分析可知，與傳統的電能計量系統相比較，數字電能計量系統減小了測量誤差，提高了計量準確度。

2 數字電能表

數字電能表是應用于數字變電站計量電能的新型儀表，它采用數字信號處理器與中央微處理器相結合的構架，將數字信號處理器的高速數據吞吐能力與中央微處理器復雜的管理能力完美結合。其中，由合并單元生成符合IEC 61850-9協議要求的數據信息，通過協議處理芯片獲取，并傳送至數字信號處理單元完成對電壓、電流、功率等電參量的測量，電能累計以及電能的計算等任務，再與中央微處理器進行數據交換，由中央微處理器最終完成表計的顯示、數據統計、儲存、人機交互、數據交換等復雜的管理功能。數字電能表原理框圖如圖2所示。

圖2 數字電能表原理框圖

數字電能表可以實現分時計量電能，可計量多個費率（尖、峰、平、谷）的正反向有功電能、四象限無功電能及感性、容性無功電能，能實時測量總功率及三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因素及頻率，并顯示功率方向；根據需要計算出三相三線制時各線對虛擬中點的電參量值、正反向最大需量的有功電能和四象限最大需量的無功電能，并記錄最大需量出現的時間；統計當月總電能及4種費率分時的電能，并存儲最近12個月的相應歷史數據。還可以實現負荷曲線記錄，能記錄掉電、斷相、失壓、無負荷、失流等基本事件以及其他事件；具有無源脈沖輸出和無源測試脈沖輸出，并提供USB接口，可通過該接口使用PC編程軟件對電表進行編程；有獨立的RS485接口和接觸式或調制型光學通信接口。

3 數字電能表校驗技術

通過以上分析可知數字電能表與傳統電能表的工作原理完全不同。數字電能表所接收的信號是數字化的電壓電流信號，而不是傳統的57.7V/100V電壓信號或者5A/1A的電流信號，內部沒有電壓傳感器和電流傳感器以及A/D轉換單元。數字電能表將獲取的數字化電壓電流瞬時值進行數學計算得到電功率和電能。理論上，數字電能表只是將接收到的電壓電流數字信息進行簡單的乘加運算，是不會產生誤差的。然而實際上，由于通信誤碼率、算法誤差、截斷誤差等因素的影響，數字電能表仍然存在誤差。那么對數字電能表的誤差檢驗就很有必要了。由于數字電能表的誤差檢驗與傳統電能表的誤差檢驗有本質的區別，傳統的校驗技術已經不能滿足數字電能表的校驗要求；因此，需要重新研究數字電能表的檢測技術。

3.1 基于標準數字功率源的數字電能表校驗技術研究

目前，國內一些電力研究院已經研制出了數字電能表的檢測裝置[7]，測試方案如圖3所示。標準數字功率源按照設定的電壓、電流、功率因素等參數產生符合IEC 61850-9標準格式的數據幀，通過交換機和光電轉換器將數據傳送到被檢數字電能表，同時輸出標準脈沖。數字電能表根據接收到的數幀實時累積電能，并按照電能表的脈沖常數輸出相應的低頻脈沖。誤差計算器比較標準脈沖和電能表輸出的脈沖，從而計算出被檢數字電能表的誤差。

圖3 基于標準數字功率源的數字電能表校驗方案

這種校驗方法能夠很好地校驗數字電能表由通信誤碼率和算法引起的誤差。根據國家溯源政策[8]規定，量值溯源是通過一條具有規定不確定度的不間斷的比較鏈，使測量結果能夠與法定的標準聯系起來。然而該方案中的標準數字功率源生成的電流、電壓值是理論上計算出來的，不能參與量值溯源。因此，要解決量值溯源問題還有待研究。此外，標準數字功率源輸出的功率數據完全穩定，而現場的功率是一直處于變化狀態的，所以標準數字功率源無法完全模擬現場的情況，這就有可能造成在實驗室檢測合格的電能表在現場檢測不合格。傳統的模擬功率源輸出的功率也是有波動的，所以說在模擬現場情況的方面，數字功率源不如模擬功率源。通過以上分析比較，提出基于標準模擬功率源的數字電能表檢驗方案。

3.2 基于標準模擬功率源的數字電能表校驗技術研究

基于模擬標準功率源的數字電能表的校驗方案如圖4所示。圖中虛框為校驗裝置，包括標準功率源、模擬合并單元和標準數字電能表。標準功率源輸出傳統的模擬電壓、電流信號，經過模擬合并單元中的A/D轉換器轉化成數字信號。模擬合并單元按照IEC 61850-9-1/2協議，將數字化的各路電壓、電流信號進行打包，傳輸給標準數字電能表。標準數字電能表從數據幀中直接提取各相電壓電流信號，進行計算得到電能，同時發出電能脈沖信號。校驗裝置向下校驗低等級的數字電能表時，將被校數字電能表與標準數字電能表并聯起來，模擬合并單元將標準數據同時發送給標準表和被校表，標準表和被校表接收、解析含有電流電壓功率因素等信息的數據幀，計算并實時累計電能，同時輸出電能脈沖。誤差計算器比較標準表和被校表的脈沖數得到被校表的電能誤差。

圖4 基于標準模擬功率源的數字電能表校驗方案

這種校驗方法采用模擬功率源，能準確模擬現場情況，符合數字電能表的實際工況。該校驗系統可由上位機軟件控制，可以進行基本誤差、走字、啟動、潛動、失壓、斷相、協議符合性和隨機丟幀等檢測，從而全面校驗被檢數字電能表的電能準確度及功能。

圖5 數字電能表校驗裝置溯源方案

3.3 數字電能表校驗裝置溯源

數字電能表校驗裝置向上溯源時，方案如圖5所示。標準功率源輸出兩路模擬電壓、電流信號，一路輸出給更高等級的傳統模擬標準電能表，對該模擬信號進行測量；另一路經過模擬合并單元采集并生成符合IEC 61850標準的數據幀，傳送給校驗裝置的標準數字電能表。比較傳統模擬標準電能表的實測電能值和校驗裝置中數字電能表的計算電能值，就得到了校驗裝置的整體誤差。這樣校驗裝置就能通過傳統的模擬電能表，最終溯源到國家電能基準。

4 結束語

本文概括介紹了數字化變電站的數字計量系統，采用電子式互感器、合并單元和數字電能表等高新技術產品，有效地提高了電能計量準確度。重點對數字電能表的工作方式和原理進行了闡述，由于其原理和接口與傳統電能表發生了根本變化，傳統的校驗技術已不適應于數字電能表的校驗；因此，提出了一種基于模擬標準功率源的數字電能表校驗方案，該方案能向下校驗低等級的數字電能表，也能向上溯源到更高等級模擬電能表。

[1]IEC61850 Communication networks and systems in substations[S].

[2]張朝軍，堯冬梅，智新國，等.電能表檢驗裝置的誤差測量與不確定度評定[J].中國測試技術，2006，32（3）：16-19.

[3]錢政，李童杰，張翔.電子式互感器校驗方法的設計與實現[J].北京航天航空大學學報，2006，32（11）：1316-1323.

[4]劉水，黃洋界，李斌.數字化電能計量檢測技術方案研究[J].電測與儀表，2011，48（544）：66-71.

[5]高佳.淺談數字化電能表的應用[J].計量與測試技術，2011，38（12）：31-32.

[6]林國營，周尚禮，孫衛明，等.數字化變電站電能計量裝置檢驗技術[J].電力系統及其自動化學報，2011，23（3）：145-148.

[7]姚力，李少騰，陸春光.數字化電能表檢測裝置設計[J].電測與儀表，2010，47（536A）：28-32.

[8]CNAL/AR10：2002量值溯源政策[S].