電網(wǎng)實(shí)負(fù)荷工況下模擬量輸入式合并單元校驗(yàn)儀的研制

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司揚(yáng)州供電公司 成國鋒

鑒于目前變電站二次回路的電子式互感器技術(shù)尚不成熟，國內(nèi)傳統(tǒng)變電站的數(shù)字化改造及智能變電站的建設(shè)仍主要采用電磁式互感器+模擬量合并單元方式。模擬量輸入式合并單元是數(shù)字化電能計(jì)量體系的核心設(shè)備，其計(jì)量性能不僅影響數(shù)字化電能計(jì)量的準(zhǔn)確度，更是電能計(jì)量系統(tǒng)安全運(yùn)行的前提。現(xiàn)有的合并單元檢測規(guī)范對實(shí)負(fù)荷的檢測標(biāo)準(zhǔn)缺乏相關(guān)的定義,同時(shí)市場上大多數(shù)廠家研制的合并單元校驗(yàn)設(shè)備均不提供實(shí)負(fù)荷輸出功能，導(dǎo)致合并單元的性能檢測存在不全面的問題。

本文研制了一種實(shí)負(fù)荷工況下的模擬量輸入式合并單元校驗(yàn)儀，校驗(yàn)儀通過增加實(shí)負(fù)荷輸出功能實(shí)現(xiàn)了互感器二次側(cè)任意波形的模擬，解決了傳統(tǒng)合并單元校驗(yàn)儀無法提供實(shí)負(fù)荷檢驗(yàn)的問題，并采用頻率自適應(yīng)的DFT 特征提取算法消除了實(shí)負(fù)荷信號輸入時(shí)諧波、頻率抖動(dòng)引入的誤差，保證了校驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 校驗(yàn)原理

實(shí)負(fù)荷工況下模擬量輸入式合并單元校驗(yàn)儀主要由三相程控功率源、同步時(shí)鐘、標(biāo)準(zhǔn)A/D 通道、DFT 算法模塊及誤差計(jì)算模塊幾部分組成，其具體的校驗(yàn)原理如圖1所示。其中三相程控功率源作為信號源，向被測合并單元和標(biāo)準(zhǔn)A/D 通道提供電壓、電流信號，同步時(shí)鐘發(fā)生同步觸發(fā)信號控制各模塊同步采樣，采樣后的數(shù)據(jù)輸入DFT 算法模塊中進(jìn)行基波特征參量的提取，最后在誤差計(jì)算模塊完成標(biāo)準(zhǔn)值與合并單元的誤差比對及計(jì)算。

圖1 實(shí)負(fù)荷下模擬量輸入式合并單元校驗(yàn)儀的測試原理圖

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

通過對實(shí)負(fù)荷下模擬量輸入式合并單元校驗(yàn)儀測試原理進(jìn)行分析，為實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)儀的實(shí)負(fù)荷功能，首先需支持實(shí)負(fù)荷信號的輸入，三相程控功率源作為信號源需提供實(shí)負(fù)荷的輸入及輸出功能，即滿足實(shí)負(fù)荷復(fù)現(xiàn)功能。同時(shí)考慮到實(shí)負(fù)荷信號中存在多種諧波及寬帶隨機(jī)噪聲的疊加，將影響基波信號的準(zhǔn)確測量，因此需設(shè)計(jì)一種DFT 算法，提升噪聲背景下基波參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確度。

2.1 具有實(shí)負(fù)荷復(fù)現(xiàn)功能的三相程控功率源設(shè)計(jì)

2.1.1 硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)暫態(tài)性能測試或互感器二次側(cè)波形數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)正常輸入，為三相程控功率源增加了數(shù)字輸入接口，接口采用DA9000A 網(wǎng)絡(luò)芯片作為網(wǎng)口傳輸，信號通過DA 芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，再通過功率放大模塊進(jìn)行放大輸出生成信號源。具有實(shí)負(fù)荷復(fù)現(xiàn)功能的三相程控功率源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 具有實(shí)負(fù)荷復(fù)現(xiàn)功能的三相程控功率源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

具有實(shí)負(fù)荷復(fù)現(xiàn)功能的三相程控功率源由DM9000A 初始化接收模塊、串口參數(shù)配置模塊、數(shù)據(jù)操作及SDRAM 操作模塊、乒乓操作模塊、實(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)DA 輸出模塊及功率放大模塊等組成。在功率源上電后，DA9000A 初始化接收模塊及SDRAM 操作模塊將自動(dòng)完成對相應(yīng)芯片的初始化配置，串口參數(shù)配置模塊用于接收實(shí)負(fù)荷發(fā)送命令并傳輸給數(shù)據(jù)操作模塊，數(shù)據(jù)操作模塊在接收到命令后通過DA9000A 初始化接收模塊向上位機(jī)發(fā)送請求數(shù)據(jù)幀，上位機(jī)在接收到請求數(shù)據(jù)幀后將向功率源傳輸基于IEC-61850-9-2的實(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)，實(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)操作及SDRAM 操作模塊完成電壓、電流通道數(shù)據(jù)的解包及存儲。該過程中為防止數(shù)據(jù)丟失，在SDRAM 操作模塊中設(shè)定相應(yīng)的判定機(jī)制，通過對SDRAM 發(fā)送地址、接收地址、報(bào)文長度的判定來控制數(shù)據(jù)操作模塊請求幀的發(fā)送與停止操作。SDRAM 存儲的數(shù)據(jù)采用乒乓操作的方式輸出到實(shí)負(fù)荷轉(zhuǎn)DA 輸出模塊，DA 輸出模塊完成數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換，并通過功率放大模塊完成電壓、電流信號的輸出。

2.2.2 算法優(yōu)化

傳統(tǒng)的三相程控功率源含有固定波表[1]，通過采用人工設(shè)定不同比例系數(shù)改變尋址步長的方式實(shí)現(xiàn)功率源幅值的自由控制。為減少人工因素的干擾，保證實(shí)負(fù)荷輸出的自動(dòng)性及有效性，進(jìn)行了實(shí)負(fù)荷自適配比例轉(zhuǎn)換算法設(shè)計(jì)：上位機(jī)向三相程控功率源輸入額定工況下的波形數(shù)據(jù)，功率源的主控板對1s 內(nèi)的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存選出最大的數(shù)據(jù)點(diǎn)G(k0)，其中k0為對應(yīng)的采樣序列點(diǎn)，然后選取k0附近的3個(gè)序列點(diǎn)k1、k2、k3，采樣序列點(diǎn)滿足k1＜k0＜k2＜k3，將4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)帶入拉格朗日3階插值算法中計(jì)算數(shù)據(jù)的極值：

插值點(diǎn)附近的值：

通過求導(dǎo)的方式計(jì)算極值：

將式（2）求解的極大值點(diǎn)帶入式（1）中求得波形數(shù)據(jù)中最大值點(diǎn)ymax，基于互感器二次側(cè)輸出的電壓（57.7V）、電流（5A）的有效值，通過kv=ymaxV/57.74、ki=ymaxI/5即可計(jì)算出比例系數(shù)k。具有實(shí)負(fù)荷復(fù)現(xiàn)功能的三相程控功率源基于計(jì)算的比例系數(shù)k 值即可完成對波表的動(dòng)態(tài)更新，從而實(shí)現(xiàn)對輸入的實(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)按比例系數(shù)進(jìn)行自行調(diào)整，該算法的設(shè)計(jì)有效避免了人為因素的干擾，保證了實(shí)負(fù)荷輸出的自動(dòng)性及有效性。

2.2 頻率自適應(yīng)的DFT 算法

針對現(xiàn)有算法在譜間干擾、寬帶噪聲存在時(shí)計(jì)算精度不足的問題，本節(jié)提出了基于頻率自適應(yīng)的DFT 算法。該算法基于窗函數(shù)、頻率分辨率、插值算法實(shí)現(xiàn)了頻譜分辨率自適應(yīng)以抑制諧波對基波計(jì)算的頻譜干擾，提升了噪聲背景下基波特征參量估計(jì)的準(zhǔn)確性。頻率自適應(yīng)的DFT 算法過程為：實(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)輸入（M 個(gè)采樣點(diǎn)）-基于N 點(diǎn)加窗的FFT 變換-計(jì)算自適應(yīng)頻譜分辨率f 及計(jì)算點(diǎn)數(shù)Ni-基于Ni 點(diǎn)加窗DFT 變化-加插值方法求解基波特征參量-完成計(jì)算。根據(jù)流程，具體的算法步驟如下：

從輸入的M 個(gè)采樣值序列中選取前N 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行Nuttall 加窗處理，對處理后的信號進(jìn)行FFT 變換，并通過搜索信號幅度譜的峰值譜線完成基波粗糙頻率f 的估計(jì)。Nuttall 窗函數(shù)的時(shí)域表示為[2]；，式中，i 為窗函數(shù)的項(xiàng)數(shù)；n=1,2,…,N-1;bm應(yīng)滿足約束條件，。

基于信號的粗糙頻率f，計(jì)算滿足自適應(yīng)要求的計(jì)算點(diǎn)數(shù)Ni；由雙插值方法頻率分辨率的物理含義可知，為使頻率修正系數(shù)δ(2)→0,Ni 應(yīng)為（整數(shù)+1/2）個(gè)信號周期，Ni 計(jì)算方法為：。

對離散采樣序列前Ni 個(gè)采樣序列點(diǎn)進(jìn)行加窗雙插值DFT 算法，獲取頻率修正系數(shù)δ(2)，使用常用的雙插值方法的修正公式實(shí)現(xiàn)對信號基波頻率、幅值、相位的修正。

本算法通過頻率分辨率自適應(yīng)調(diào)整DFT 算法計(jì)算點(diǎn)數(shù)Ni，達(dá)到每次計(jì)算參數(shù)估計(jì)值的方差都落在其參數(shù)估計(jì)的方差下限（δ(2)→0），從而抑制了基波與諧波間的頻譜干擾，提升了算法計(jì)算的準(zhǔn)確度。

3 試驗(yàn)與驗(yàn)證

合并單元測試中最重要就是對其準(zhǔn)確度的測試[3]。為驗(yàn)證實(shí)負(fù)荷工況下模擬量輸入式合并單元校驗(yàn)儀的準(zhǔn)確度，從基本準(zhǔn)確度、實(shí)負(fù)荷工況下的準(zhǔn)確度這兩方面對合并單元校驗(yàn)儀進(jìn)行了相應(yīng)的測試。

3.1 基本精確度測試

將研制的實(shí)負(fù)荷工況下模擬量輸入式合并單元校驗(yàn)儀送至武漢高壓研究所檢驗(yàn)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示，結(jié)果來源于出具的校準(zhǔn)證書（證書編號：(計(jì))字第201860073)。

表1 合并單元校驗(yàn)儀電壓基本準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)

表2 合并單元校驗(yàn)儀電流基本準(zhǔn)確度數(shù)據(jù)

從表1和表2的數(shù)據(jù)可看出本文研制的實(shí)負(fù)荷工況下模擬量輸入式合并單元校驗(yàn)儀的準(zhǔn)確度較高，在電壓測量時(shí)最大比差為0.3×10-4，最大角差為-0.1’；在電流測量時(shí)最大比差為-0.14×10-3，最大角差為-1’，設(shè)備的準(zhǔn)確度整體達(dá)到了0.05級。

3.2 實(shí)負(fù)荷工況下的準(zhǔn)確度測試

從湖南衡陽某220kV 變電站的4個(gè)月（2021年3月14日～2021年7月14日）運(yùn)行數(shù)據(jù)中選取4月21日、6月9日、7月3日3天中各1小時(shí)互感器二次側(cè)數(shù)據(jù)作為源數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，通過選取不同頻率、電壓、電流范圍內(nèi)的源數(shù)據(jù)，保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性及完整性。采用國內(nèi)某廠合并單元作為比對設(shè)備，將實(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口導(dǎo)入三相程控功率源模塊進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表3、表4。可看出，實(shí)負(fù)荷工況下的比值差最大值為0.004%，相位差最大值為0.568’，滿足互感器檢定規(guī)程中關(guān)于0.05級比差、角差的誤差限值要求。

表3 實(shí)負(fù)荷工況下的三相電壓準(zhǔn)確度測試

表4 實(shí)負(fù)荷工況下的三相電流準(zhǔn)確度測試

通過上述基本準(zhǔn)確度和實(shí)負(fù)荷工況下的準(zhǔn)確度的試驗(yàn)結(jié)果可看出，本文研制的實(shí)負(fù)荷工況下的模擬量輸入式合并單元校驗(yàn)儀具有實(shí)負(fù)荷功能，可滿足對0.2級合并單元進(jìn)行校驗(yàn)的精度要求。合并單元測試是其工程化應(yīng)用必不可少的過程，是產(chǎn)品規(guī)范化的有效手段，具有綜合檢測能力校驗(yàn)儀的使用能夠極大地促進(jìn)數(shù)字化電能計(jì)量技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。