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数字化电能表校准技术研究及应用

发表时间：2020/7/20 来源：《电力设备》2020年第8期作者：田奎杨智超姚远白冰崔赫

[导读] 摘要：随着数字化电能表应用领域愈加广泛，对智能变电系统的研究和规范显得愈发重要。

        （国网辽宁省电力有限公司营销服务中心辽宁省沈阳市 100168）
        摘要：随着数字化电能表应用领域愈加广泛，对智能变电系统的研究和规范显得愈发重要。数字化电能表以其优越的功能得到了越来越多智能变电系统设计者的青睐，然而在精准性方面需要做好更多的工作。鉴于此，本文主要分析探讨了数字化电能表校准技术研究及应用情况，以供参阅。
        关键词：数字化电能表；校准技术；应用
        引言
        随着基于DL／T860规约建设的智能变电站的不断完善和发展，新一代电子式互感器+数字信号接入合并单元及电磁式互感器+模拟信号接人合并单元的系统架构逐渐取代传统模拟计量方式。数字化电能表在这种环境下应运而生，相对于模拟电能表而言，它不包括模拟采样部分，其计量误差主要取决于接收采样值报文能力和电参量计量等因素，计量准确度较之模拟电能表有很大程度提升。为了保证电能计量的准确性和可靠性以及适应智能变电站整站实施的要求，有必要在新技术条件的基础上建立一套符合智能变电站特点的电能计量系统和检测系统。国内一些厂商及研究机构对数字化电能表检验方法进行了大量研究，研究产品主要包括现场数字化电能表校验仪和实验室数字化电能表校验仪，现场校验仪可实现数字化电能表在现场合并单元网络报文状态下计量准确度检验。实验室校验仪研究方法主要包括基于数字化功率源和标准数字化电能表法、基于模拟功率源和模拟标准电能表法等，可测试项目包括基本误差、标准偏差估计、频率影响量、相位影响量、谐波影响量、起动、潜动、走字试验等；在模拟合并单元现场环境检验技术研究上，威胜集团数字化电能表检验装置率先提出了多合并单元计量技术，可模拟最大三合单元现场检验环境，支持最大50通道采样数据和GMRP组网等技术，并可实现多光纤接入口数字化电能表检验。但总体来说，目前行业内对于数字化电能表检验还尚未形成统一的标准。
        1数字化电能表概述
        国内一些厂商及研究机构对数字化电能表校验方法进行了大量的研究，研究产品主要包括现场数字化电能表校验仪和实验室数字化电能表校验仪，现场校验仪可实现数字化电能表在现场合并单元网络报文状态下计量准确度校验。数字化电能表本质为一个纯数字信号处理设备、IT设备。对于数字化电能表校验方法研究，目前行业内主要有：①采用标准数字功率源法；②采用数字化功率源和标准数字化电能表法；③采用模拟功率源和标准模拟电能表法。数字化电能计量表可以使用标注三相交流电压、电流的电能计量表，检定电源、传统的电能脉冲数据分析、同时兼容IEC61850数字通信规约数字流、输出接口标准电能计量表。本智能表目前采用了表源分离的结构，新型的模数式标准电能表采用了直接模-数转换方案。具体地，由微处理器控制多通道模拟-数字信号处理装置，对电压和电流幅值、相位、波形等信息采样，根据芯片植入算法就算出相关电气参数，电压值、电流值、功率值、电能值。
        2计量误差分析
        通过互感器传输信号后，电能表在接受信号时极易产生误差。虽然数字化电能表从根本上说是纯数字量计算，误差几乎为零，但在实际中却还是出现了不少误差的状况，具体概括为以下几个方面：（1）高吞吐率下采样数据帧接收效率。在电能表接受采样值数据帧时，导致数据帧接受效率低的主要原因是网络环境的异常或流量口的不连续造成的。此时，如果将丢失的数据帧作为零来处理，就会产生后期的计量差，因为每个周波的采样点数与极端的采样周期数有关。（2）电能计算量法的误差。数字化电能表在计量系统中的工作方式是逐级累加。在接收的信号不断累加后，原本的产生的细小误差也会随之增加，最后将造成结构的失准。另外电能表使用的计算公式在不同阶次上也会造成一定程度上的误差，如：直接点积分、复化辛普森等计算方法。（3）电能脉冲输出与实际电能累加存在差异。脉冲信号输出的频率与用电设备的运转情况有关，电能表在使用的过程中会受到电压变化的影响，并不能完全达到额定值。

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而在实际的电能累加中，信号的传播速度很快，电能表显示的误差会随着时间的变换而增大。相关技术人员在计算时最容易将这部分影响因素忽略，减少对时间的计算。因此，在对误差产生原因进行分析时，可将不同的数值依次代入计算，找出时间误差的具体数值，这样才能体现数据的科学性和精确性。
        3数字化电能表检验方法
        对于数字化电能表检验方法研究，目前行业内主要有：(1)采用标准数字功率源法；(2)采用数字化功率源和标准数字化电能表法；(3)采用模拟功率源和标准模拟电能表法；方法1、2是通过数字频率直接合成技术模拟产生正弦波信号，可对输出正弦波幅值、相位、频率和通道数进行设置，输出采样信号遵DL／T860．9协议帧格式。方法3是通过高精度A／D转换设备采集模拟功率源电压电流信号，并遵循DL／T860．9协议帧格式打包生成数字信号。采用数字化功率源和标准数字化电能表法检验数字化电能表误差等级要求标准数字化电能表必须能量值传递，由于电能计量算法尚不具有标准体系，需要将标准数字化电能表通过模拟量传体系溯源至国家标准。模拟溯源装置同步采集模拟功率源输出三相电压电流信号，一路送人模拟标准电能表进行电参量计量；一路经六通道同步A／D转换后，按照DL／T860．9协议帧格式编码，再发送给被试数字化电能表或被试标准数字化电能表。误差处理器接收模拟标准电能表标准脉冲和被试数字化电能表输出脉冲。
        4数字化电能表检验装置实现方案
        4.1检验装置整体实现方案
        数字化电能表检验装置由数字化功率源、标准数字化电能表、光纤网络交换机、误差处理器，工控机组成。数字化功率源输出符合DL／T860．9协议帧格式数据报文通过光纤输出给光纤网络交换机，标准数字化电能表和数字化电能表分别接收光纤网络机发出的光纤信号，并对采样数据进行解析和计量。误差处理器分别接收来自标准数字化电能表的高频脉冲信号和来自数字化电能表的低频脉冲信号，根据高低频脉冲计数原理计算电能误差。
        4.2数字化功率源或标准数字化电能表实现方案
        以数字化电能表检验装置现场校验仪(WILD—MTE02)为例，该装置可通过设置模式使其工作在数字化功率源或标准数字化电能表状态。参数管理采用配置文件方式，配置方便。字符输入采用虚拟软键盘方式，人机交互直观方便。误差处理模块实时计算当前测试电能与标准电能误差百分比并将结果保存至共享数据区。电参量计量模块计算每周波电压、电流、功率、功率因素、相位等参量。在FPGA中实现SPORT接口驱动、液晶驱动、按键接口、脉冲接口、DDS模块、DSP接口协议。其中DDS(直接数字频率合成)模块可实时生成最大32通道高精度正弦信号，其频率分辨率可达0．0001Hz。
        结束语
        总而言之，在新形势背景下，做好数字化电能表校准方法的研究工作已成为智能电力系统良好运作的重要保障，如今，随着智能时代的到来，数据化电能表应用领域愈加广泛，在认识到电能表的功能强大的同时也看到其因为产生的偏差带来的精度的缺失，才能更好的研究技术，及时改进，以实现系统的高效运作。
        参考文献
        [1]杜斌.数字化电能表校准技术研究及测试技术探索[J].中小企业管理与科技(中旬刊).2018(08).
        [2]刘良地.数字化电能表校准技术的应用[J].电子技术与软件工程.2017(03).
        [3]刘惠颖,殷鑫,崔旭.数字化电能表校准技术研究及应用[J].科技与企业.2015(11).