一種新型數(shù)字直流電能表現(xiàn)場校驗儀的設計與應用*

姚棟方，吳 瀛，譚炳源，宋燕軍，吳麗蓉

(1.中國南方電網(wǎng)有限責任公司超高壓輸電公司檢修試驗中心，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，柔性直流輸電技術已在舟山工程、南澳工程投入運行，烏東德特高壓多端直流示范工程正在建設。柔性直流輸電作為新型的電能變化輸送模式，現(xiàn)階段其研究與應用多集中在系統(tǒng)建設、可靠性以及運行維護等方面，而針對特高壓柔性直流輸電的電能量計量領域研究仍處于起步階段[1-2]。當前直流輸電工程的損耗計量方式仍通過采集傳統(tǒng)電能表的電壓信息、電流信息并進行計算而得出綜合損耗，難以精確測量出直流電網(wǎng)在不同運行方式下的整流、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)能降損的相關研究。傳統(tǒng)的電能表難以滿足當前數(shù)字化變電站電能計量裝置在數(shù)字信息通信、數(shù)據(jù)共享以及設備互操作等方面的工程應用需要，給應用于變電站的數(shù)字式電能表及其檢定工作提出了更高的要求[3-6]。隨著直流輸電技術的全面推廣，電能計量系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化已勢在必行，數(shù)字式直流電能表及其檢定裝置必將得到全面應用[7-8]。

本文提出了一種新型數(shù)字直流電能表現(xiàn)場校驗儀的研制方法，對電能表校驗儀的基本原理以及硬件、軟件設計進行了介紹，利用該校驗儀能夠實現(xiàn)對數(shù)字直流電能表的誤差校驗以及性能測試。

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)字信號方式通過光纖以太網(wǎng)接口作為輸入，在信號傳輸過程中基本無誤差，對接收到的數(shù)字信號直接采用數(shù)學運算，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量、需量測量、實時顯示、時鐘、測量及監(jiān)測、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 服務等，可靈活適應SV、MMS、GOOSE 等協(xié)議的多種組網(wǎng)方式，不需要中間協(xié)議轉換設備。

數(shù)字化電能表的基本結構框圖如圖1 所示，其主要由光纖通信模塊、嵌入式CPU、輸出存儲模塊、時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，接收到的電壓電流采樣值報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內部進行數(shù)據(jù)處理并對電能量進行累計管理，最后測量結果將會輸出和存儲在顯示輸出單元、電能脈沖輸出單元以及存儲單元；時鐘單元的功能是提供時鐘給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)；輸出存儲模塊采用成熟的FRAM 鐵電存儲器，保證電能量數(shù)據(jù)易于讀取且滿足高頻次存儲要求。

圖1 數(shù)字化電能表基本結構圖

數(shù)字化電能表的基本原理如下:外部采集到的數(shù)據(jù)被轉化至IEC61850 格式的數(shù)據(jù)幀傳送到嵌入式CPU，嵌入式CPU 對該數(shù)據(jù)幀進行解析從而獲取計量采樣值，通過對采樣值進行數(shù)學運算而得到一段時間內的電能。最后嵌入式CPU 將這些電能信號進行處理后得到對應的電壓、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，負責對按鍵、時鐘單元以及通訊模塊的數(shù)據(jù)處理，并對該類外設所設置的邏輯進行響應而生成對應的事件。

由于數(shù)字化電能表采用的是基于IEC61850 的通信協(xié)議，其內部不含有電壓、電流比例變換模塊，也沒有模數(shù)轉換單元，因此直接在電能表前端裝置中將模擬信號轉換為數(shù)字信號，電能表所接收的信號則都是數(shù)字量信號，在傳輸過程中不會產(chǎn)生誤差。然而，電能表存在字長有限的內部處理器，在信號運算的過程中會產(chǎn)生一定的截斷誤差。另外，采樣值傳輸丟幀以及電網(wǎng)諧波的影響都會造成計量裝置的誤差。因此有必要對安裝式數(shù)字直流電能表的誤差進行校驗，而傳統(tǒng)的直流電能表校驗方法已不適應，因此需對安裝式數(shù)字直流電能表現(xiàn)場校驗儀進行設計。

2 電能表校驗儀設計

2.1 校驗儀基本原理

安裝式數(shù)字直流電能表采用標準數(shù)字信號源以及數(shù)字標準表于一體的設計形式，為需要檢測的電能表提供采樣報文，該報文均是基于IEC61850 標準協(xié)議，被檢測電能表的脈沖和標準表進行對比校驗，對被檢測電能表的精度進行計算。因此電能表校驗儀設計具備的功能包括: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；④支持安裝式數(shù)字直流電能表的協(xié)議一致性測試。因此，電能表校驗儀的基本結構框圖如圖2 所示。

圖2 電能表校驗儀基本結構框圖

不同于傳統(tǒng)的模擬信號源，數(shù)字信號源通過PC機傳輸過來的功率、電壓、電流等參量的基本信息來計算出理論值，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電能表和標準電能表當中。整個試驗測試過程中的信號源都是一個可控量，使得被測電能表和標準電能表具有統(tǒng)一的信號。被測電能表接收到數(shù)據(jù)發(fā)送模塊傳送過來的參量數(shù)據(jù)幀之后，電能表內部計算模塊通過計算而得到被測量值，然后被測量值通過脈沖采集模塊與標準電能表的數(shù)據(jù)進行對比和分析，從而得到較為準確的測量誤差。

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

在實際的數(shù)據(jù)傳輸和計算過程中也可能產(chǎn)生誤差，主要由兩個方面引起:一是與電網(wǎng)中諧波的影響以及非同步采樣等因素有關，接收的信號本身帶有的誤差，本文通過加窗插值FFT 計算解決這部分誤差[9-10]；另一個引起誤差的原因是當通信系統(tǒng)受到嚴重干擾或者數(shù)據(jù)傳輸過程中校驗出錯時，都有可能造成數(shù)據(jù)丟幀，即采樣點丟失，數(shù)據(jù)丟幀對電能表計量的準確性的影響相當大，對于這部分的誤差，需要應用軟件的計量算法做相應的補償處理，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 硬件設計

安裝式數(shù)字直流電能表校驗儀同樣采用嵌入式CPU 作為主控系統(tǒng)，具有強大的信號數(shù)據(jù)處理能力。校驗儀硬件結構基本框圖如圖3 所示。整個校驗儀的硬件結構分為四層:第一層為嵌入式CPU 主控單元，其主要是控制電能表電壓、電流報文信息以及校驗信息的發(fā)送和接收，同時具備多個與外部通信、輔助模塊的接口；第二層為光纖通信模塊，其對符合FT3 幀格式的電能表采樣值報文進行采集和解析，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 擴展的電能誤差計算，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，并傳輸至數(shù)字化標準表，標準表采用高精度數(shù)字算法對各種電能量進行計算，并獲取電能表輸出的有功、無功脈沖信號，以此來對電能表的精度進行校驗；第四層為I/O 擴展的外部輔助功能模塊，包括電源模塊、液晶顯示及按鍵、時鐘單元、存儲單元等。

圖3 數(shù)字化電能表現(xiàn)場校驗儀硬件結構

嵌入式CPU 主控單元能夠實現(xiàn)對SMV 報文發(fā)送進行精確的控制，分別計算電壓、電流信號并依據(jù)IEC61850 相關協(xié)議進行打包處理，使得校驗儀完全滿足相位、幅值以及頻率等相關電氣信號的高精度要求。

計算機采用通信接口的方式和校驗儀進行連接，并控制嵌入式CPU 所產(chǎn)生的實時波形數(shù)據(jù)以及對應的控制數(shù)據(jù)流，從而對數(shù)值進行計算且依據(jù)標準對當前測試的數(shù)據(jù)進行打包。其中主控制器采用時速為10/100 Mbp 的高速以太網(wǎng)口，能夠完成和上位機的連接，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。光纖通信模塊可對安裝式數(shù)字直流電能表進行連接，并采用光交換機與嵌入式CPU 進行連接，每組接口都能夠輸出基于IEC61850 標準的且具備電壓、電流信息的光纖信號。為了保證電能脈沖輸出，校驗儀控制器采用先進的DAC 回路來設計高精度的小信號模擬量輸出通道。另外，每一路的外部端子和系統(tǒng)之間都安裝光電隔離設備來提高校驗電路的抗干擾性，從而能夠很好地實現(xiàn)電能表的測試。

2.2.1 主控制器模塊設計

綜合考慮數(shù)字直流電能表校驗儀的功能要求，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，其主要特點如表1所示。

表1 C8051F064 芯片特征表

2.2.2 電源模塊設計

電源模塊主要是為了實現(xiàn)電壓值轉換，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 信號采集電路設計

直流電能表校驗儀的采集信號同步主要有電壓、電流信號的同步，以及標準直流電能表脈沖采樣信號和被檢測直流電能表的輸出脈沖采樣同步。則校驗儀的信號采集模塊主要包括標準電能表、被測電能表的脈沖采集信號，其中標準電能表被檢測的是標準高頻脈沖信號，而被測電能表檢測的是低頻脈沖信號，控制單元脈沖采集電路如圖5 所示。

圖5 脈沖信號采集電路

2.2.4 通訊電路設計

直流電能表的校驗儀采用RS485 的通訊方式，選用的芯片型號為MAX485，能夠完成一對多的通訊。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 軟件設計

安裝式數(shù)字直流電能表采用模塊化進行設計，主要的測試項目包括:啟動測試、故障測試、聯(lián)通測試、諧波測試等。除此之外，還能夠對丟包、重發(fā)等多種突發(fā)狀況下的數(shù)字直流電能表進行計量測試。校驗儀的軟件模塊主要包括應用模塊和基礎模塊，其中應用模塊是校驗儀直接面向用戶的功能模塊，而每一個應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)工具實現(xiàn)操作界面的設計。而基礎模塊相對于應用模塊而言是通用的，可以調用每一個應用模塊，基礎模塊中的通信管理模塊負責對應用模塊的命令進行接收，并通過嵌入式CPU 進行計算、信息處理，將運算后的結果發(fā)給應用模塊；而基礎模塊中的配置模塊能夠獲取SMV 和信號配置，并可從界面獲取用戶的其他信息需求。

另一方面，在軟件模塊的實時處理控制邏輯關鍵部分所采用的編程方式為匯編語言，而采用C 語言編寫其他部分的程序功能。主程序流程圖如圖7所示。檢驗儀初始化后，由嵌入式CPU 對模數(shù)轉換器進行控制，對電壓以及電流信號進行同步采樣，并依據(jù)控制命令對所采樣的信號值進行計算，而得到對應的電壓、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

誤差校驗程序如圖8 所示，在第一個電能脈沖輸入時刻對電能累積的初始值進行讀取，而在最后一個電能脈沖時刻對電能累積的最終取值進行讀取，從而對實測的電能值進行計算，進一步對電能計量的誤差進行計算并送至顯示，并重新預置脈沖數(shù)。

圖8 誤差校驗程序流程圖

3 性能測試

為了驗證數(shù)字直流電能表現(xiàn)場校驗儀的精度，在標準測試條件下，對數(shù)字直流電能表現(xiàn)場校驗儀的運行工況進行分析，文中所設計的數(shù)字直流電能表現(xiàn)場校驗儀如圖9 所示。根據(jù)《DLT 1507—2016數(shù)字化電能表校準規(guī)范》、《JJG 842—2017 電子式直流電能表檢定規(guī)程》、《DLT 1484—2015 直流電能表技術規(guī)范》進行樣機性能測試，主要對有功功率、電壓等電參量誤差在多種運行條件下進行了分析，并與傳統(tǒng)方法[5]進行了對比分析，測試結果如表2、表3 所示。

圖9 數(shù)字直流電能表現(xiàn)場校驗儀

表2 有功誤差測試結果

表3 電壓誤差測試結果

由測試結果可知，相較于傳統(tǒng)方法而言，文中所設計的安裝式數(shù)字直流電能表的測試準確度更高，也說明了電能表現(xiàn)場校驗儀能夠適用多種復雜測試環(huán)境，具有較高的誤差測量精度，能夠滿足安裝式數(shù)字直流電能表的校驗需求。

4 結論

針對直流輸電工程中數(shù)字通信、信息共享和設備互操作的需要，本文設計了一種安裝式數(shù)字直流電能表以及電能表現(xiàn)場校驗儀。闡述了安裝式數(shù)字直流電能表的基本原理，并對數(shù)字直流電能表現(xiàn)場校驗儀的基本原理以及硬件、軟件設計進行了詳細分析。該校驗儀具有操作靈活、實用性強等優(yōu)勢，測試表明安裝式數(shù)字直流電能表能夠適用多種復雜測試環(huán)境，具有較高的誤差測量精度，能夠滿足安裝式數(shù)字直流電能表的校驗需求。