一種用于關口電能計量裝置遠程校驗的多路模擬采集器的研制

張鼎衢,楊路,宋強,孟慶亮,潘峰

(廣東電網有限責任公司計量中心， 廣州 510080)

0 引 言

關口電能計量裝置現場測試包括關口表運行誤差測試、電壓互感器(PT)二次壓降測試、互感器二次負載測試。人工現場測試時，需要在聯合接線盒、互感器就地端子箱處接入測試儀器，在高壓場地鋪設幾百米電纜，并在運行狀態下多次松(緊)螺絲、分(合)連片。傳統的工作模式工作量大、效率低，易引起失壓、分流等計量異常，并存在作業風險[1-2]。目前，國內大部分電力機構仍以人工現場校驗為主[3-4]，部分學者已經開展了電能表遠程校驗的研究[5-7]；也有電力科研機構開始了針對電能計量裝置遠程監測技術的研究，包括基于電能計量自動化主站數據的監測[2]、二次回路狀態監測[8-11]等技術研究。北京電力公司從電能計量裝置的管理現狀入手，提出一種提高電能計量裝置數據管理和應用水平的方法[12]；山東電科院針對計量回路分流竊電方式提出了一種全新的監測手段，利用異頻導納法測試電流回路異頻導納，根據測試導納值判斷回路是否存在分流竊電行為；云南電力試驗研究院根據當前建設的智能化變電站開發電能數據采集分析系統，實現對關口電能計量裝置的運行工況、準確度掌控以及電能計量數據的數字化、網絡化管控；西安工程大學提出了一種支持熱插拔的協議適配方案，用于解決電能計量裝置遠程校驗系統多種裝置接入的通信問題；廣州工業大學提出了將數據數據挖掘技術及人工智能技術應用于監測技術中，并提出了一些初步的應用思路[13]。程瑛穎等人提出了電能計量裝置狀態模糊綜合評估與檢驗策略，選取多個能夠反應電能計量裝置運行狀態的指標，建立樹形評估體系，結合層次分析法和模糊綜合評估法得到電能計量裝置運行狀態的綜合評估結果。以上研究均以局部性研究為主，未形成系統性的成果。且基于用電信息采集系統的狀態監測過渡依賴終端上送的數據，不能直接反映各計量裝置及二次回路的狀態，無法對故障進行準確定位，特別是告警閥值設置的范圍過大，只能監測到失壓、失流等電量差異大的計量故障，無法監控到電能表誤差超差、二次壓降超差等細微的計量差異，更無法對電能計量裝置的健康狀態、可靠性進行評估和預測。

研制一種用于關口電能計量裝置遠程校驗的多路模擬采集器，采用高精度穿心式CT、高精度A/D采集電路、CPU處理單元、載波通信單元及時鐘電路等部件，運用基于頻率自適應的移窗補償準同步算法進行電參數計算，能夠實現電能表端電參量的精確測量，能夠采集電能表功率脈沖、PT端及CT端監測數據，實現電能表、PT二次壓降及互感器二次負載的遠程校驗、在線監測等多種應用。

1 概述

多路模擬采集器為關口電能計量裝置遠程校驗裝置的核心功能模塊之一，采用高精度穿心式0.01級的高穩寬溫型CT、內置高精度A/D采集電路與CPU處理單元、通信單元、時鐘電路等部件，如圖1所示。

圖1 多路模擬采集器框架結構及應用模型

采集與測量精度優于0.05%RD(典型值達到0.02%RD)，時鐘對時精度不低于1 ms，同步精度不低于1 μs。主要功能包括：采用基于頻率自適應的移窗補償準同步的硬件核心算法，精準監測三相電壓、電流、功率；采用寬帶載波、LoRa技術，采集PT、CT監測單元數據，進行PT二次壓降、互感器二次負載測試與監控；通過采集電能表電能脈沖，進行電能表校驗；通過輸入回路智能切換以及脈沖輸出，進行自校；通過以太網光纖與本地控制單元通信，并通過網絡或4G方式實現主站遠程校驗與在線監測。

2 外觀結構

多路模擬采集器具有聯合接線盒的外觀結構(尺寸200 mm×75 mm×95 mm)，充分考慮了安裝空間、現場可操作性和電氣可靠性。同時，設計有剩余孔位隔板、連片位置擋板、封印安裝孔等防竊電措施，防止在使用中出現竊電現象，如圖2所示。

圖2 多路模擬采集器外觀圖

現場安裝時，可直接替換原有接線盒使用，施工簡單，降低了應用難度。

3 硬件與軟件設計

多路模擬采集器采用BF609核心板進行設計，如圖3所示。

BF609用來完成交流采樣與計算、PT、CT監測單元及電能數據的抄讀、時鐘同步、在線校驗及其它測試任務等。硬件計算采用點積和、改進準同步的算法，可以保證整個裝置的精度達到0.05級要求。同時，利用BF609的高性能定時器的特性，最高可以實現高達30 ns的時鐘同步性能。

對于電壓的采集采用電阻分壓方式(輸入阻抗100 kΩ)，電流的采集采用穿心式0.01級零磁通電流互感器，并使用零負載方式的I/V變換電路，再通過高精度低噪聲運放ADA4522-2作為信號緩沖與放大。該設計可以保證不接入電流回路，所帶入的負載約為0.09 VA(按照三相四線接線、額定電壓57.7 V計算)，對計量回路的影響可以忽略不計。

在模數轉換環節，為實現高速高精度采集，選用8通道的18位高精度同步采樣模數轉換器(AD7608)。使用固定采樣率12.8 kHz，采樣周期78 μs，即對50 Hz工頻信號每周波采集256點，使用BF609的Sport口雙線方式讀取8通道全部數據，僅需要7.2 μs(按10 MHz、4通道72個時鐘信號計算)，綜合其它因素，每個采樣點的最大讀取時間不到10 μs, 文中采用8倍過采樣方式，此時的轉換時間約40 μs，SNR約98 dB，有效地提高數據采集的精度與穩定性。

對于電能表的在線檢驗，采用了標準表法：通過比對自身功率與電能表功率(通過采集電能表電脈沖)，實現電能表誤差測試。該模塊設計兩套有功、無功脈沖輸入口，通過光耦隔離后，用I/O口來進行采集，可同時對兩塊電能表進行在線校驗。

為實現自校，設計有功、無功脈沖輸出口，并進行光耦隔離，以保證系統的可靠性。同時，每個采集通道均設計信號繼電器，可實現多路模擬采集器測量或自校回路智能切換。

同步時鐘電路采用寬帶載波的方式，利用E2E或P2P的方式進行，同步信號輸入口使用IO+定時器的方式。同時，預留一個GPS/北斗授時模塊，保證時鐘同步的可靠性。

供電電源采用外置電源設計(220 V AC/DC轉12 V DC)，其額定輸出功率10 W，滿足多路模擬采集器理論計算的最大功耗7.25 W的要求。

如圖4所示，多路模擬采集器的軟件在基于ADI提供的CCES開發環境下進行開發，自帶UCOS實時操作系統，為了達到更高的交流采集性能，采用雙核心方式。其中，核心CORE1采集AD7608的數據并完成相關計算，并通過共享數據存儲的方式，將這些數據傳給核心CORE0。

圖4 多路模擬采集器主控程序框架圖

其中，主控程序采用BF609的核心CORE0完成協議轉發、數據存儲與分析等功能。AD7608采集部分程序設計部分在核心CORE1上運行，完成所有電參數采集與計算后，將相關的計算結果存儲到BF609的數據共享區，并通知核心CORE0進行讀取。程序的計算部分綜合采用了改進型準同步算法、點積和算法、FFT等多種算法，針對可能存在頻率波動或波形畸變的實際信號，可達到0.001 Hz的測量精度，為電壓、電流及功率的準確計算提供了保障。同時，軟件設計還包括交采出廠精度校準流程、交采精度在線自校驗流程、電能表校驗流程、PT二次壓降校驗流程、通信協議設計、數據結構設計、通信接口設計與定義等多個內容。

4 算法分析

交流采樣是對被測信號的瞬時值進行采樣，然后對采樣值進行計算獲取被測量的信息，然而，實際運行負荷復雜多變，電壓、電流隨時間的變化具有波動性，存在一定的頻率偏移。為實現高準確度測量，理論上應使用同步采樣方式，然而在工程實際中，尤其是在非正弦波形情況下，由于硬件鎖相環電路的跟蹤誤差或采樣頻率軟件自動鎖定誤差的存在，總存在著同步誤差，很難達到理想采樣，即非同步是絕對的，同步是相對的。另一方面，為保證數據的實時性，整個計算過程需要在極短的時間內完成。因此，在實際數值計算過程中，需采用合理的算法來提高計算精度和減少計算時長[14-15]。選用了點積和算法和準同步算法作為電參數的主要計算方法。其中，點積和算法主要用于電壓、電流、功率等的計算，準同步算法主要用于頻率的計算。同時，對準同步算法進行了改進，創新的采用了頻率自適應和移窗補償的方法，既能保證頻率測量的精度，又可以提高運算速度。

4.1 點積和算法

點積和算法是電參數計算中最常用、簡單的計算方法，可以直接利用ADC(模數轉換)的采樣值進行簡單的乘加運算即可獲得計算值，具體如下：

參考GB/T 20840.8-2007《電子式電流互感器》中的暫態電壓電流模型，若取τ=1/2πf，離散后τ=N/2π，則N點離散化后公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中U、I為電壓、電流的有效值；k取整數。將采樣點數據代入式(1)～ 式(3)，可計算電壓、電流和功率，根據式(4)可計算一定時間的電能:

W=Pt

(4)

點積和計算步驟較為簡單，在硬件計算中可以快速實現。因此，在理想的基波信號下，選擇點積和算法既能保證計算精度又能保證計量速度。然而，實際被測信號非正弦信號，并具有波動性，可以增加采樣點數(N)和計算周波數(n)來保證計算精度，但增加了計算時長，且無法消除非同步采樣引起的誤差。為此，在點積和算法的基礎上選用了準同步算法，并對算法進行了改進。

4.2 準同步算法

令采樣頻率偏差為Δ/2π，x0是起始點對應的角度值，則周期信號f(x)在一個周期內的平均值為：

(5)

設Fn(x)為f(x)迭代n次后的函數，則：

(6)

對于周期函數，必有：

(7)

假設f(x)為角度偏差為Δ的余弦信號f(x)=cos(x)，則：

(8)

(9)

對于非同步采樣時，由于Δ一般很小，所以 sin(Δ)≈Δ，相對誤差為：

(10)

相對誤差最大值為：

(11)

按照準同步遞推計算，每增加一次遞推，則相對誤差縮小了約Δ/(2π+Δ)倍，多次遞推后，非同步誤差逐步消除[16]。

4.3 頻率自適應算法

運行采樣數值進行點積和、準同步遞推計算時，需要準確測量信號的頻率，從而獲得準確的采樣點數[17-18]。信號的頻率可以通過零比較法測量，設兩個過零點之間一個周期的采樣點為：y1，y2，…，yn，其過零點之間的采樣點數為n。

根據圖5可知：第一個從零到正過零時間差tΔ1=T1-TZ1，第二個從負到零的時間差tΔ2=TZ2-TZ，一個周期非同步時間差tΔ=tΔ1+tΔ2。令t=x/ω，則：

圖5 過零比較法測量信號頻率原理圖

Δ1=2π×tΔ1/(tΔ1+nTs)

(12)

Δn=2π×tΔ/(tΔ+nTs)

(13)

根據準同步算法，設f(x)=cos(x)，則：

(14)

設：

(15)

對于使用頻率自適應的準同步算法的n次遞推公式可改寫為：

(16)

(17)

則：

(18)

由于：

(19)

γn的最大值為1/n。所以，Fn的遞歸速度主要與采樣點數有關和信號頻率的關系比較小，且遞歸一次的衰減值約為每周波采樣點數倒數的n次冪。因此，頻率的影響被有效降低。

4.4 移窗補償算法

按照準同步遞推公式可知：

(20)

(21)

設：

(22)

則：

(23)

5 測試與驗證

5.1 算法測試

為驗證上述算法，選擇12 800固定采樣率和10個周波的采樣點，分別用點積和方式和5階改進準同步方式對50 Hz、 55 Hz信號進行計算，測試時長1 h，如圖6～圖9所示，得出如下結論：在50 Hz信號時，兩種方法的計算結果均很好，測量誤差波動均在 0.002%以內。當信號為55 Hz時，選用點積和方式計算的最大測量誤差波動增大到 0.005%，并具有非同步采樣導致的周期性誤差波動。選用5階改進準同步測量的精度較高，測量誤差波動僅為0.002%。將采樣點數增加至25個周波時，選用點積和方式計算的最大測量誤差可達到0.0026%。

圖6 50 Hz信號8周波點積和測量誤差

圖7 55 Hz信號8周波點積和測量誤差

圖8 55 Hz信號5階準同測量誤差

圖9 55 Hz信號25周波點積和測量誤差

因此，在采樣點數有限、計算時間相同的情況下，改進準同步算法的計算精度相比點積和算法提高了2.5倍，若達到同樣的計算精度，點積和算法需要更多的采樣點數，花費約2.5倍的計算時長。可見，改進準同步算法可有效地克服由于非同步采樣而導致的計算誤差，可達到較好的測量精度，有效地提高了計算速度，大大提高了算法的適用性，可在電參數測量中得到更廣泛的應用[19-20]。

5.2 裝置穩定性測試

為驗證裝置的穩定性，對裝置在室溫下進行長時間穩定性測試，如圖10、圖11所示，經測試長時間下，裝置的頻率、電壓等都具有較好的穩定度。

圖10 53.3 Hz信號48小時電壓測量誤差

圖11 53.3 Hz信號48小時頻率測量誤差

5.3 裝置檢測結果

為驗證多路模擬采集器在絕緣性能、環境試驗、計量性能是否滿足要求，委托了華南國家計量測試中心廣東省計量科學研究院對多路模擬采集器進行相關檢測，并出具了檢測報告。

裝置運行測試，檢測項目：(1)振動試驗；(2)高低溫試驗；(3)絕緣電阻試驗；(4)絕緣強度試驗；(5)沖擊電壓試驗；(6)靜電放電抗擾度；(7)射頻連續波輻射騷擾抗擾度；(8)電快速瞬變脈沖群抗擾度；(9)浪涌(沖擊)抗擾度；(10)工頻磁場抗擾度。經測試，被測裝置在以上檢測項目的實測結果均滿足相應要求，檢測合格(檢測報告編號：XNZ2019348)。

裝置誤差測試，檢測項目：(1)直觀和通電檢查；(2)交流電壓；(3)交流電流；(4)頻率；(5)交流功率；(6)功率因數；(7)有功電能誤差；(8)無功電能誤差。經測試，被測裝置在以上檢測項目的相對誤差滿足0.05級準確度要求，檢測合格(檢測證書編號：DBN201912544)。

6 結束語

文中詳細介紹了多路模擬采集器的結構、軟硬件設計、功能設計、算法分析等內容。該裝置可直接替換原有接線盒使用，能夠實現電能表端電參量的精確測量，能夠采集電能表功率脈沖、PT端及CT端監測數據，實現電能表、PT二次壓降及互感器二次負載的遠程校驗、在線監測等多種應用。該裝置為關口電能計量裝置的安全、準確及可靠運行提供了一套解決方案，對推進關口電能計量裝置狀態巡檢、保證作業人員安全、提高關口運行管理水平等方面有著重要的促進作用，確保了關口計量的準確性和電力貿易雙方的公平公正。