鄭磊,曾妍,楊劍,張長(zhǎng)驍,王春暉,譚業(yè)奎
(1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,濟(jì)南250002;2.華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,武漢430074;3.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院,重慶401123)
隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展,智能變電站將成為未來(lái)變電站建設(shè)的趨勢(shì)。智能變電站以IEC 61850通信協(xié)議為基礎(chǔ),可實(shí)現(xiàn)變電站的信息共享、智能設(shè)備間的互操作以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與計(jì)量保護(hù)等功能。在智能變電站中,傳統(tǒng)的電能計(jì)量體系已不再適用,取而代之的是數(shù)字電能計(jì)量系統(tǒng)[1-3]。
數(shù)字化電能表是應(yīng)用于數(shù)字電能計(jì)量系統(tǒng)的終端結(jié)算裝置,相較于傳統(tǒng)電子式電能表,具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸損耗小、測(cè)量準(zhǔn)確度更高的優(yōu)點(diǎn)[4-6]。作為一種計(jì)量器具,必須對(duì)數(shù)字化電能表的準(zhǔn)確度進(jìn)行校驗(yàn)。
由于數(shù)字化電能表的結(jié)構(gòu)及工作原理與傳統(tǒng)電能表有較大區(qū)別,以往的校表方式不再使用。雖然已有許多企業(yè)和高校對(duì)數(shù)字化電能表的校驗(yàn)進(jìn)行了研究,但大多還是參照傳統(tǒng)電子式電能表的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)[7-10]。關(guān)于數(shù)字化電能表的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)剛出臺(tái)不久,其在準(zhǔn)確度校驗(yàn)方面提出了相應(yīng)的試驗(yàn)要求,并給出了幾種建議的試驗(yàn)方法[11-13]。但這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的校驗(yàn)項(xiàng)目不能完全反映出數(shù)字化電能表的特點(diǎn),而所建議的試驗(yàn)方法仍處于實(shí)踐驗(yàn)證階段,在實(shí)際應(yīng)用中還存在諸多問(wèn)題,目前還沒(méi)有一套比較完整的數(shù)字化電能表準(zhǔn)確度校驗(yàn)方案。
文章根據(jù)最新的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)了數(shù)字化電能表準(zhǔn)確度校驗(yàn)的方案。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的校驗(yàn)項(xiàng)目上進(jìn)行補(bǔ)充,對(duì)已有的試驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn),并研制了相應(yīng)的校驗(yàn)裝置,能夠根據(jù)數(shù)字化電能表的特點(diǎn),系統(tǒng)、全面地對(duì)其準(zhǔn)確度進(jìn)行校驗(yàn)。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定數(shù)字化電能表準(zhǔn)確度校驗(yàn)的項(xiàng)目主要包括:基本誤差試驗(yàn)、其他影響量試驗(yàn)、采樣值數(shù)據(jù)丟失試驗(yàn)、起動(dòng)潛動(dòng)試驗(yàn)、儀表常數(shù)試驗(yàn)以及日計(jì)時(shí)誤差試驗(yàn)等。
其中,基本誤差試驗(yàn)、其他影響量試驗(yàn)、采樣值數(shù)據(jù)丟失試驗(yàn)只是試驗(yàn)時(shí)施加的數(shù)字量電壓電流波形不同,但均需對(duì)被校電能表計(jì)量電能的誤差大小進(jìn)行測(cè)量,可歸為同一類(lèi)校驗(yàn)方法:誤差測(cè)試方法。
其他試驗(yàn)是對(duì)電能脈沖或計(jì)時(shí)秒脈沖進(jìn)行測(cè)定,并不需要測(cè)量被校表的誤差。由于在實(shí)際應(yīng)用中更關(guān)注被校電能表計(jì)量電能的誤差,所以文章暫只對(duì)誤差測(cè)試類(lèi)試驗(yàn)進(jìn)行研究。
相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)給出了四種建議的誤差測(cè)試方法:標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表法、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源法、標(biāo)準(zhǔn)模擬電能表法以及瓦秒法。其中瓦秒法采用計(jì)固定電能脈沖數(shù)并對(duì)時(shí)間進(jìn)行高精度測(cè)量的的原理,能在較短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量被校表電能功率。但瓦秒法中以數(shù)字功率源的設(shè)定值作為參照,測(cè)試結(jié)果受數(shù)字源準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性影響較大,而目前還未有數(shù)字源相關(guān)的檢定標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái),其準(zhǔn)確度難以定級(jí)。
文章對(duì)瓦秒法進(jìn)行改進(jìn),采用了瓦秒法與標(biāo)準(zhǔn)電能表法相結(jié)合的誤差測(cè)試方法,其原理如圖1所示。數(shù)字功率源發(fā)出的數(shù)據(jù)一路返回給上位機(jī)內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)表,另一路傳輸給被校電能表,分別計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)與被校電能。在上位機(jī)程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與誤差計(jì)算,并對(duì)數(shù)字功率源、脈沖采集等裝置進(jìn)行控制與通信。
圖1 誤差測(cè)試方法原理Fig.1 Principle of error test method
從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源→被校數(shù)字電能表→脈沖采集計(jì)時(shí)裝置→上位機(jī),為被校通道流程,采用瓦秒法計(jì)算被校表功率。設(shè)每次計(jì)被校表輸出電能脈沖數(shù)目為N,測(cè)量所需時(shí)間為t(單位為h)。得到被校電能表在這段時(shí)間內(nèi)的功率值為:
式中PL單位為MW;CL為被校表脈沖常數(shù);K為系數(shù):當(dāng)被校電能表為一次電能模式時(shí),K=1;當(dāng)被校電能表為二次電能模式時(shí),K=KIKU/103,其中 KI、KU分別為被校電能表的虛擬電流變比、虛擬電壓變比。
從標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源→內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)電能表,為標(biāo)準(zhǔn)通道流程。標(biāo)準(zhǔn)電能表每秒計(jì)算一次電能功率,直至被校表輸出脈沖數(shù)達(dá)到m,取這段時(shí)間內(nèi)計(jì)算的所有功率的平均值Pav作為參照,得到被校電能表誤差表達(dá)式:
文中所用的標(biāo)準(zhǔn)電能表不同于輸出電能脈沖的電能表,而是指在上位機(jī)程序中嵌入?yún)f(xié)議解析函數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)電能算法。其輸入為協(xié)議數(shù)據(jù),輸出為標(biāo)準(zhǔn)電能功率。
在常用的標(biāo)準(zhǔn)電能表校驗(yàn)方法中,采用被校電能表輸出的低頻電能脈沖控制標(biāo)準(zhǔn)電能表高頻脈沖計(jì)數(shù)來(lái)測(cè)量誤差。而標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表輸出的脈沖頻率受采樣率大小的限制,使得這種校驗(yàn)方法的準(zhǔn)確度與校驗(yàn)實(shí)時(shí)性不能得到良好的統(tǒng)一。文中設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)表避免了通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)量電能,而是在上位機(jī)中直接處理協(xié)議數(shù)據(jù),準(zhǔn)確度高,實(shí)時(shí)性強(qiáng)。
采用瓦秒法與標(biāo)準(zhǔn)表法相結(jié)合的誤差測(cè)試方法具有如下優(yōu)點(diǎn):
(1)使用瓦秒法測(cè)量被校表功率,測(cè)量準(zhǔn)確度高,校驗(yàn)時(shí)間短;
(2)標(biāo)準(zhǔn)電能表與被校電能表均使用數(shù)字源發(fā)出的數(shù)據(jù)計(jì)算,最終誤差結(jié)果受數(shù)字源準(zhǔn)確度的影響較小,更為穩(wěn)定可靠;
(3)使用的標(biāo)準(zhǔn)電能表算法配置靈活,能在高速下實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜運(yùn)算;
(4)若對(duì)上位機(jī)中算法進(jìn)行改進(jìn),將計(jì)算參數(shù)與數(shù)字源設(shè)定值進(jìn)行比對(duì),還能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字功率源的準(zhǔn)確性驗(yàn)證。
標(biāo)準(zhǔn)電能算法為內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)電能表的核心,在上位機(jī)中可根據(jù)需求靈活實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜高精度算法。在此僅介紹基于準(zhǔn)同步的數(shù)值積分算法。
準(zhǔn)同步算法可用于測(cè)量信號(hào)頻率、有效值、電能功率等參數(shù),尤其適用于非同步采樣條件下電參數(shù)的計(jì)算,其相較于加窗插值FFT等算法具有更高好的抗噪性能和更高的精度。雖然其計(jì)算量較大,但本文中算法在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn),可提高運(yùn)算速率并能對(duì)運(yùn)算流程進(jìn)行簡(jiǎn)化。
對(duì)周期信號(hào)某些參數(shù)的求取,可看做在某一區(qū)間內(nèi)先積分再取平均值的運(yùn)算。長(zhǎng)度為N的區(qū)間內(nèi),按某種數(shù)值積分公式定義為:
式中 ρi表示數(shù)值積分對(duì)應(yīng)系數(shù);p(xi)表示周期信號(hào)采樣值。如果考慮信號(hào)頻率發(fā)生偏移的非同步采樣時(shí),設(shè)信號(hào)周期為2π,在長(zhǎng)度為 n×(2π+Δ)、具有(N×n+1)個(gè)采樣點(diǎn)的區(qū)間[x0,x0+n×(2π+Δ)]內(nèi),第一次計(jì)算時(shí),在起始點(diǎn)分別為 xi(0≤i≤[N×(n-1)+1]),長(zhǎng)度為(2π+Δ)的區(qū)間內(nèi)依次按式(3)進(jìn)行積分運(yùn)算得到:F1,F(xiàn)1,…,F(xiàn)112N×(n-1)+1(下標(biāo)表示積分運(yùn)算的區(qū)間序列),然后對(duì)這[N×(n-1)+1]個(gè)數(shù)據(jù)再按式(3)進(jìn)行第二次迭代積分,得到F12,F(xiàn)22,…,F(xiàn)N×(n-2)+12,依此類(lèi)推,經(jīng)過(guò)n次迭代,最終得到唯一的F1n,迭代遞推式如下[14]:
可以證明,滿(mǎn)足一定的條件時(shí),有:
上位機(jī)中每次處理的數(shù)據(jù)數(shù)量一定,則準(zhǔn)同步迭代次數(shù)n一定。經(jīng)過(guò)迭代運(yùn)算過(guò)程,可將最終的結(jié)果Fn用各采樣值分別乘以加權(quán)系數(shù)再求和來(lái)表示:
式中p(k)表示瞬時(shí)功率值,由電壓電流采樣值相乘得到;Fn在此表示平均電能功率;系數(shù)a(k)可由迭代過(guò)程中的矩陣運(yùn)算得到。設(shè)在長(zhǎng)度為N、采樣點(diǎn)數(shù)為N+1的區(qū)間內(nèi),各數(shù)值積分算法的系數(shù)矩陣為A1×(N+1),則n次迭代后的加權(quán)系數(shù)矩陣計(jì)算方法為:
由式(6)計(jì)算出加權(quán)系數(shù)后,再按式(5)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)電能功率值。
對(duì)上述算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)取信號(hào)頻率在49 Hz~51 Hz之間變化,并添加2~13次諧波,其中,5次及以下諧波含量為基波的10%,5次以上諧波含量為5%。表1表示了迭代次數(shù)為3~10,基波功率因數(shù)分別為1、0.8、0.5時(shí),準(zhǔn)同步梯形算法計(jì)算電能功率的最大誤差(%)。
表1 準(zhǔn)同步梯形算法仿真結(jié)果(%)Tab.1 Simulation results of quasi-synchronous trapezoidal algorithm(%)
由上述仿真結(jié)果可知,3次迭代以上的準(zhǔn)同步梯形算法具有較高的精度,適用于校驗(yàn)0.2級(jí)或更高等級(jí)的數(shù)字化電能表。
數(shù)字功率源除了能配置標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各基本試驗(yàn)條件外,還能模擬標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定外的多種異常工況,包括采樣值概率丟幀、等間隔丟幀以及通信誤碼等。丟失概率能在0.001%~100%的范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)定,等間隔丟幀的間隔數(shù)可在1~1 000 000之間設(shè)置。數(shù)字功率源在硬件實(shí)現(xiàn)上采用FPGA內(nèi)嵌NIOS處理器的結(jié)構(gòu),完成將采樣值數(shù)據(jù)按IEC 61850-9-2協(xié)議組幀并控制數(shù)據(jù)包傳輸過(guò)程的功能。其原理如圖2所示。
圖2 數(shù)字功率源原理Fig.2 Principle of digital power source
NIOS產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與10 M網(wǎng)口采用雙RAM進(jìn)行乒乓操作控制采樣值數(shù)據(jù)的傳輸。時(shí)隙發(fā)送器每間隔250μs(對(duì)應(yīng)4 kHz采樣率)產(chǎn)生一個(gè)脈沖用于網(wǎng)口數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)序控制。
對(duì)于等間隔丟幀與誤碼,可用計(jì)數(shù)器先計(jì)指定的正常運(yùn)行次數(shù),然后發(fā)送一幀異常數(shù)據(jù)包,如此重復(fù)。數(shù)據(jù)幀概率丟失時(shí),可根據(jù)設(shè)定的丟幀概率用一定的算法計(jì)算判斷每一數(shù)據(jù)幀是否丟失,當(dāng)數(shù)據(jù)量較大時(shí)應(yīng)符合相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。
脈沖采集計(jì)時(shí)裝置中,高精度恒溫晶振輸出的脈沖經(jīng)FPGA分頻后作為高頻計(jì)時(shí)脈沖。經(jīng)分頻后的計(jì)時(shí)脈沖頻率為6 MHz,對(duì)時(shí)間計(jì)量偏差不超過(guò)0.2μs。由數(shù)字化電能表輸出的低頻電能脈沖控制高頻計(jì)時(shí)脈沖計(jì)數(shù),進(jìn)一步得到測(cè)量時(shí)間。其原理如圖3所示。
圖3 脈沖采集計(jì)時(shí)裝置原理Fig.3 Principle of pulse acquisition and time measurement device
測(cè)量時(shí)間表達(dá)式為:
式中T表示當(dāng)被校表輸出電能脈沖數(shù)達(dá)到m時(shí)所計(jì)高頻脈沖的數(shù)目。
上位機(jī)具備多個(gè)串口、網(wǎng)口用于通信與控制。上位機(jī)程序按設(shè)定參數(shù)生成相應(yīng)的采樣值波形數(shù)組,再將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)字功率源。校驗(yàn)裝置樣機(jī)如圖4所示。
圖4 數(shù)字化電能表準(zhǔn)確度校驗(yàn)裝置Fig.4 Calibration device for accuracy of digital electric energy meter
將校驗(yàn)裝置中的數(shù)字功率源及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化電能表送中國(guó)計(jì)量科學(xué)院研究院檢定。
數(shù)字功率源檢定方案原理如圖5所示。被校數(shù)字功率源輸出9-2協(xié)議數(shù)據(jù)給數(shù)字化電能表校驗(yàn)裝置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn)裝置)計(jì)算被校電能;脈沖發(fā)生器模擬標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖,在標(biāo)準(zhǔn)裝置中對(duì)脈沖計(jì)數(shù)并計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)電能,得出被校數(shù)字功率源誤差。
圖5 數(shù)字功率源檢定原理Fig.5 Digital power source verification principle
標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要特性與技術(shù)指標(biāo)如下:
(1)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn):IEC 61850(-9-1、-9-2、-9-2LE)
(2)有功功率測(cè)量準(zhǔn)確度(數(shù)字量):0.01%RG(0.01In-2In)PF≥0.5
(3)無(wú)功功率測(cè)量準(zhǔn)確度(數(shù)字量):0.05%RG(0.01In-2In)PF≥0.5
脈沖發(fā)生器為81133A脈沖/碼型發(fā)生器。其輸出脈沖頻率范圍為:15 MHz~3.35 GHz。
標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表檢定試驗(yàn)原理如圖6所示。
圖6 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表檢定原理Fig.6 Standard digital meter verification principle
標(biāo)準(zhǔn)裝置輸出9-2協(xié)議數(shù)據(jù)給被校裝置中的數(shù)字表計(jì)算實(shí)時(shí)電能功率,并與標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)定的理論值作比較得到誤差。
檢定試驗(yàn)包括基本誤差與頻率影響量試驗(yàn)?;菊`差試驗(yàn)時(shí),電壓為220 kV,電流在10 A~2 kA間變化,分別對(duì)應(yīng)功率因數(shù)為1,0.5L,0.5C。頻率影響量試驗(yàn)時(shí),電壓為220 kV,電流為1 kA,功率因數(shù)為1,信號(hào)頻率分別為 49 Hz、50 Hz、51 Hz。經(jīng)檢定,本文所設(shè)計(jì)校驗(yàn)裝置的數(shù)字功率源與數(shù)字化電能表的準(zhǔn)確度均滿(mǎn)足0.05級(jí),不確定為0.01%。
利用所研究的校驗(yàn)裝置對(duì)某0.2s級(jí)數(shù)字化電能表的準(zhǔn)確度進(jìn)行校驗(yàn),試驗(yàn)包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各準(zhǔn)確度校驗(yàn)項(xiàng)目以及附加的諧波試驗(yàn)項(xiàng)目與采樣值等間隔丟失試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),參照標(biāo)準(zhǔn)要求,各校驗(yàn)項(xiàng)目均包含在不同電流大小與功率因數(shù)條件下的試驗(yàn),每種工況條件至少測(cè)試5組取平均值。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的準(zhǔn)確度校驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。誤差改變量表示影響量條件下與參比條件下的誤差差值。最大標(biāo)準(zhǔn)差表示各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的最大值。
表2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)果Tab.2 Results of experimental tests required by standards
諧波影響量試驗(yàn)中,標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)5次諧波作要求,現(xiàn)添加2~12次諧波進(jìn)行試驗(yàn),其中2~5次諧波含量為基波電壓電流的10%,6~12次諧波含量為基波的5%?;妷簽轭~定Un,基波電流為50%Imax。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,其中增加了一組以數(shù)字功率源的設(shè)定功率值(理論真值)為參照的誤差結(jié)果。
表3 附加諧波試驗(yàn)結(jié)果(%)Tab.3 Additional harmonic test results
在采樣值丟失試驗(yàn)中,國(guó)標(biāo)只對(duì)0.01%概率丟幀作出要求,增加了每間隔10 000幀丟失一幀的等間隔丟幀試驗(yàn),便于對(duì)短時(shí)間內(nèi)采樣值丟失以及采樣值規(guī)律丟失的情況進(jìn)行測(cè)試。部分試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
表4 附加等間隔丟幀試驗(yàn)(%)Tab.4 Additional equal-interval frame-dropped test
由測(cè)試結(jié)果可以看出,在基本試驗(yàn)及附加試驗(yàn)中,被測(cè)數(shù)字化電能表計(jì)量電能的誤差均不超過(guò)0.02%,頻率影響量試驗(yàn)中,誤差改變量不超過(guò)0.002%,其他試驗(yàn)中,誤差改變量不超過(guò)0.001%,均符合0.2s級(jí)數(shù)字化電能表準(zhǔn)確度要求,說(shuō)明被校電能表測(cè)試合格。
根據(jù)數(shù)字化電能表的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究了其準(zhǔn)確度校驗(yàn)方案。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)所建議的誤差測(cè)試進(jìn)行了改進(jìn),提出了瓦秒法與標(biāo)準(zhǔn)電能表法相結(jié)合的試驗(yàn)方法。使用瓦秒法測(cè)量被校電能表功率,測(cè)量準(zhǔn)確度高,校驗(yàn)時(shí)間短。而標(biāo)準(zhǔn)表電能采用了上位機(jī)內(nèi)嵌高精度電能算法的結(jié)構(gòu),相較于一般電能表,其在標(biāo)準(zhǔn)電能的計(jì)算上可靈活配置多種復(fù)雜算法,運(yùn)算速率高,且測(cè)試結(jié)果受數(shù)字功率源準(zhǔn)確性的影響較小,穩(wěn)定性與可靠性強(qiáng)。
在標(biāo)準(zhǔn)電能算法實(shí)現(xiàn)中,采用了基于準(zhǔn)同步的數(shù)值積分算法。給出了準(zhǔn)同步系數(shù)的計(jì)算式,使計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化,提高試驗(yàn)效率。
對(duì)校驗(yàn)裝置樣機(jī)的原理進(jìn)行了介紹。裝置中的數(shù)字功率源及標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院檢定,均具有0.05準(zhǔn)確度等級(jí)。所研究的校驗(yàn)裝置既可完成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的準(zhǔn)確度校驗(yàn)項(xiàng)目,并能根據(jù)數(shù)字化電能表的特點(diǎn)靈活配置多種工況更全面的對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)。