智能變電站數字化計量裝置誤差穩定性測試系統研究

任偉，張振鐸，梁潘，曾翔君

(1.國網陜西省電力公司電力科學研究院，西安710199；2.西安交通大學 電氣工程學院，西安710049)

0 引 言

數字化計量裝置在智能數字化變電站中扮演著重要角色，一般由電子式電壓互感器、電子式電流互感器、合并單元、光口交換機、數字化電能表和時鐘同步系統構成。數字化計量裝置與傳統計量裝置相比，在原理和性能上具有一定的優勢，但工程應用時間短，數字化計量裝置在智能變電站掛網運行過程中暴露出誤差穩定性較差的問題。目前國內缺乏數字化計量裝置誤差穩定性方面的研究[1-3]，對誤差穩定性較差問題產生的原因缺乏定量分析和測試方法，著重對與數字化計量相關各環節進行仿真分析和實驗測試驗證，提出了切實可行的數字化計量誤差穩定性測試方法。

1 數字化計量系統誤差穩定性影響量理論分析

數字化計量回路典型結構圖如圖1所示，從圖中可以看出影響整個數字化計量回路電能量誤差的環節有互感器信號傳感采樣環節、合并單元數據插值打包環節、網絡交換機數據傳輸環節和電能表數據計算環節等四個環節。其中電子式互感器采樣環節的采樣延時會影響合并單元對于數據采樣值的時間標定，進而影響計量值的角差比差；合并單元數據插值打包環節的采用異步插值算法時，不同插值算法會影響計量值的比差；網絡交換機數據傳輸環節的丟幀誤碼會影響電量的計算精度；電能表數據計算環節采用濾波算法的優劣，對粗大誤差修正和丟包補償的處理會產生影響[4-9]。

圖1 智能變電站數字化計量回路典型結構圖

主要研究異步合并單元。異步合并單元的工作特性如圖2所示。假設電子式互感器利用本地采樣時鐘(名義頻率為4 kHz，即圖2中tsa2-tsa1≈250 μs)來對傳感器輸出的模擬信號進行采樣、量化以及數字信號處理，并通過以太網總線和IEC 61850協議將得到的輸出序列un和in(n=1,2…)發送給合并單元。以圖中第一個采樣值為例，電子式互感器的輸出數字量u1、i1分別在ta1及tb1到達合并單元，并通過合并單元的插值運算轉換為同一時刻tc1的輸出數字量u1′、i1′。這樣，采樣時刻tsa1、tsb1可由以下公式求出：

式中tsa1、tsa2和tsa3為電子式電壓互感器的采樣時刻；tsb1、tsb2和tsb3為電子式電流互感器的采樣時刻；Tdu和Tdi為電子式電壓和電流互感器的采樣、量化以及數字信號處理所花費的總時間；Δtu1、Δtu2、Δtu3，Δti1、Δti2、Δti3為電壓電流數據從電子式互感器發出到合并單元接收到的這個過程中產生的通信延時。其它tsa2、tsa3和tsb2、tsb3的表達式可同理得到。

圖2 異步合并單元的工作特性

特別地，在數字化變電站中，當IEC 61850電壓電流包數據在網絡中傳輸時，由于網絡阻塞等原因會造成通信延時，該通信延時具有隨機性，會對整個數字化計量會產生較大影響。對于電壓和電流信號，如果延時誤差Δtd=Δtu-Δti=0(電壓、電流互感器的通信延時分別為Δtu，Δti)，意味著通信延時引起的對電壓和電流波形的滯后相移是相同的，它們不存在相位差，因此最終功率的計算不受影響。但是，如果Δtd≠0，那么電壓電流波形之間會產生相位差，進而產生平均功率的誤差，即：

Δp=-2UIsin(θ+πfΔtd)sin(πfΔtd)

(2)

(3)

2 智能變電站數字化計量裝置誤差穩定性測試系統設計

為了對影響數字化計量裝置誤差穩定性的各環節誤差進行全面測試，設計并搭建了數字化和模擬化計量裝置并存、標準和被試計量裝置并存的智能變電站數字化電能計量裝置誤差穩定性的測試系統。主要裝置由以下幾個部分構成：三相電壓電流模擬功率源(幅值、相位可調)、三相電子式電壓電流互感器(由具有丟包、誤碼、延時等參數可調功能的模擬量采集器替代)、合并單元(通信延時、通道號可配置)、GPS標準時鐘源、光口交換機、0.05級高精度三相虛擬標準數字電能表[4-5]、0.2S級數字電能表、0.02級PRS400.3三相傳統標準電能表、0.05級高精度三相電子式互感器虛擬校驗儀等電能計量比對系統。其連接示意圖如圖3所示，實際裝置圖如圖4所示。

圖3 數字化計量裝置誤差穩定性測試系統結構示意圖

圖4 數字化計量裝置誤差穩定性測試系統實物圖

3 數字化計量系統誤差穩定性影響量仿真分析和實驗驗證

通過在數字化計量裝置誤差穩定性測試系統中應用數字化計量裝置整體與各單元誤差同步測量，及各影響參數可調的誤差穩定性測試方法，對數字化計量裝置誤差穩定性的各個影響環節對誤差穩定性的影響進行了仿真分析和實驗驗證。

3.1 電子式互感器采樣延時對誤差穩定性影響研究

在圖3的測試系統中調整仿真電子式互感器內部參數，對采樣值進行延時發送，即在電子式互感器數據采集結束后，延時N微秒再發送采集的實時數據。此次試驗只對仿真電流互感器的A相電流采樣值進行延時處理，采樣值延時對誤差影響實驗結果見表1，表1中的角差和比差均為A相電流采樣值延時后的誤差。根據上述實驗數據，繪制出下列整體誤差、電子式互感器比差角差、以及數字電能表誤差隨延時時間變化的誤差曲線如圖5～圖8所示。

表1 采樣值延時對誤差影響實驗結果

圖5 整體誤差隨延時時間變化的誤差曲線

從實驗結果可以看出延時對電子式互感器比差影響不大，即對波形的幅值影響不大；但會影響電子式互感器的角差，即采樣值延時改變了波形相位，從而改變了功率因數，導致有功功率降低，電能計量誤差增大。數字化計量系統實際運行中，當網絡發生堵塞或者裝置硬件故障的情況下，網絡中數據包傳輸的延時率較大時，可能將導致較大的電能計量相對誤差，進而影響計量系統誤差穩定性。

圖6 電子式互感器比差隨延時時間變化的誤差曲線

圖7 電子式互感器角差隨延時時間變化的誤差曲線

圖8 數字電能表誤差隨延時時間變化的誤差曲線

3.2 合并單元插值算法對誤差穩定性影響研究

合并單元幾種常用的高精度插值算法包括：線性插值、拉格朗日插值、牛頓插值及三次樣條插值[10-15]。此外，插值法可分為內插法和外插法。文中對理想正弦電壓電流波形(即頻率50 Hz，電壓有效值1 V，電流有效值1 A)進行插值處理，可通過對算法處理前后的有功功率計算評估不同插值算法精度對電能計量的影響。結果如表2、表3所示。

表2 采用內插法時各種插值算法在不同功率因數時的精度

從表2中可以得出，對于理想正弦電流電壓波形，功率因數θ在不同插值算法下不會對電能誤差產生影響。而且，拉格朗日、牛頓插值計算結果完全一致，說明二者的原理是相同的。線性插值的精度能到千分之一，而其它高階算法的精度都能達到萬分之一以上，由此可見，插值算法精度對電能計量會產生影響。由表3可知，內插法的算法精度比外插法精度高出了一個數量級。然而，對拉格朗日、牛頓插值算法而言，二階插值的精度高于三階插值精度，但二者結果相近。這表明高階次的插值算法并不能保證高精度的插值結果，因為高階數不僅增加了計算量，且會增大算法誤差。三次樣條插值精度雖然很高，但計算量也很大，因此，綜合比較而言，二階牛頓內插值算法是最優的選擇。

表3 功率因數角θ=0°時不同插值算法的算法誤差

通過改變圖4系統中電子式互感器內部參數，測試合并單元插值算法對采樣值數據中隨機粗大數據的剔除能力。利用與實驗條件相似的仿真環境對典型故障量粗大數據和電能計量誤差關系進行仿真研究。并將實驗結果做對照，對二者進行比較分析，結果如圖9所示。

圖9 數字化電能表誤差隨粗大數據數量變化的誤差曲線

從圖9(a)可得出，在線性插值仿真條件下建立的粗大數據模型是符合實驗中粗大數據真實產生情況的，因為二者的電能計量誤差結果很相近。由于仿真中的電能計量誤差是由插值算法引起的，而實驗得到的電能計量誤差卻是由整個數字化計量系統產生的。所以，當典型故障量粗大數據存在于數字化計量系統中時，整個系統的誤差主要來自插值算法。從圖9(b)中可看出，當采用二階拉格朗日插值時，仿真得到的電能計量誤差的最大值略微增加，從而使整個電能計量誤差的變動范圍更大。從采樣值產生的粗大數據對電能計量誤差的影響實驗中，無論采取哪種插值算法，只要產生粗大數據，都會給整個數字化電能計量系統帶來較大的誤差。

3.3 數據傳輸丟幀誤碼對誤差穩定性影響研究

在圖3測試系統中改變仿真電子式互感器內部參數，對采樣值進行隨機丟包處理，丟包數量為每250個點中隨機丟包的個數。在圖3測試系統中改變仿真電子式互感器內部參數，對采樣值進行隨機誤碼處理，即將數據包中的CRC值置0，誤碼數量為每250個點中隨機誤碼的個數。測試功率點，根據實際運行情況，選用330 kV/100 V，600 A/1 A，功率因數為1.0，并且整體誤差和數字電能表誤差的校驗圈數均為8圈。采樣值丟包對誤差影響實驗結果見表4。采樣值誤碼對誤差影響實驗結果見表5。

表4 采樣值丟包對誤差影響實驗結果

表5 采樣值誤碼對誤差影響實驗結果

圖10～圖11為不同丟包和誤碼數量下的實時波形截圖。

圖10 丟包數量為20時的A相電流波形

圖11 誤碼數量為20時的A相電流波形

根據上述實驗數據，繪制出下列整體誤差、電子式互感器比差角差、以及數字電能表誤差隨丟包和誤碼數量變化的誤差曲線，如圖12～圖15所示。

從采樣值丟包和誤碼對電能計量誤差的影響實驗中可以發現，當采樣值丟包較少(誤碼率較小)時，由于合并單元內部插值算法的補償作用，實時波形畸變較小，對電能計量誤差影響較小；當采樣值丟包較多(誤碼率較大)時，由于插值算法起到的補償作用有限，實時波形畸變明顯，存在明顯的諧波分量，此時電能計量誤差穩定性影響較大，并且數字電能表的誤差也較大。

圖12 整體誤差隨丟包和誤碼數量變化的誤差曲線

圖13 電子互感器比差隨丟包和誤碼數量變化的誤差曲線

圖14 電子互感器角差隨丟包和誤碼數量變化的誤差曲線

3.4 數字電能表電能濾波算法對誤差穩定性影響研究

數字化電能表中濾波器的設計是至關重要的，它與數字化電能表的計量誤差和動態響應性能密切相關，但二者又存在著相互矛盾的關系。若濾除掉現實工況中瞬時功率的波動分量將不能反映真實的電能累計情況，從而引入誤差，因為瞬時功率波動不是由計算帶來的。因此，選擇合適的低通濾波器是準確計量電能的關鍵。而且，對動態響應性能的要求使得低通濾波器的截止頻率不能過低。但是，若低通濾波器的截止頻率大于瞬時功率中某波動分量的頻率時，則該項不能被完全濾除的波動分量將累計到最終的電能計量結果中，造成最終的電能計量誤差。表6列出了采樣點數N=400，功率因數為0.5，對幅值均為單位1的理想電壓電流正弦信號進行仿真分析。仿真采用由不同窗函數生成的FIR濾波器計算平均功率，研究其對誤差的影響以及進行濾波器的性能比較。

圖15 數字電能表誤差隨丟包和誤碼數量變化的誤差曲線

表6 不同濾波器的性能比較

從表6可知，兩種使用卷積窗的濾波器的性能要比單純使用各自對應基本窗的濾波器性能優越，而使用Blackman卷積窗的低通濾波器和使用Hamming卷積窗的低通濾波器相比，雖然在30 Hz處的衰減明顯要小，但是其阻帶衰減大，相對誤差小。綜合考慮多種因素后，推薦數字化電能表采用使用Blackman卷積窗的高精度電能計量算法來提升數字化電能計量誤差穩定性。

4 結束語

針對智能變電站數字化計量裝置誤差穩定性問題，設計并搭建了數字化計量裝置穩定性測試系統，對數字化所帶來的誤差穩定性影響因素進行理論分析和實驗驗證，通過整體誤差和單獨誤差測試同時對比測試，確定了采樣值丟包、誤碼、延時、電能表算法等誤差影響量與電子式互感器和數字化電能表單獨誤差之間對應關系，繪制了單獨誤差影響量曲線。通過應用自主研制數字化計量校驗設備開展誤差穩定性測試，為進一步研究制約數字化計量體系發展的量值溯源方法提供了誤差理論分析方法和基礎試驗數據。