数字化电能表在数字化变电站中的应用

冯小丽 ，李 盼，李旭东，王军凯，刘 东

（1.西仪集团有限责任公司 陕西 西安 710082；2.西安科技大学 电气与控制工程学院，陕西 西安 710054；3.河南省登封市电业局 河南 登封 452470）

随着我国电力市场的建立和完善，电厂、电网内部的运营机制和管理模式正在发生着深刻的变化，能源价格的不断上涨，利益各方都对电能计量管理给予了高度重视，对电度表计量的准确性提出了更高的要求。电子式互感器的应用，是数字化变电站的主要技术特征之一，它使电压、电流等电气量的采集实现了数字化，为完成常规变电站由装置冗余向信息冗余的转变以及信息集成化应用提供了基础。它与传统的电磁式互感器相比，具有如下优点：1）绝缘结构简单，造价低；2）不含铁心，消除了CT饱和、铁磁谐振等问题；3）抗电磁干扰性能好，低压侧无开路高压的危险；4）动态范围大，测量精度高；5）频率响应范围宽，可达到1 MHz；6）没有因充油而导致易燃、易爆等危险；7）体积小，重量轻；8）提供采样值数字量输出。电子式互感器作为数字化电能表的基本组成部分，数字化电能表的应用，它使电压、电流等电气量的采集实现了数字化，为变电站电能管理系统开启了全数字时代。

1 数字化电能表原理

数字式电能表的电量输入采用数字接口，遵循IEC61850标准，在物理层上采用高速光纤以太网，可以和电子式互感器实现真正意义上的无缝连接。底层操作系统大多采用嵌入式实时操作系统（RTOS），利用其良好的可靠性和卓越的实时性以及可裁剪性，可以方便实现电能表的各种功能。

2 数字化电能表的关键技术

为了实现电能计量，需要通过数据采集将各种信息读出，以便实现对各种电能信息的管理和分析。电能表读取电流、电压采样值之后，采用基于傅立叶变换的算法（FFT）进行有功、无功电能计算。

2.1 数据同步采集

合并单元是对来自电子式互感器的电流和/或电压采样值数据进行时间相关组合的物理单元。合并单元接入了多个电子式互感器分散采样并用数字输出的信号，因此它需要完成电子式互感器同步采样的功能。电子式互感器同步采样是指在不同的采样地点同时开始采样，使不同互感器采样点的采样结果在时间上具有同步性。采样同步的方法主要有2种：1）全球定位系统（GPS）秒脉冲信号同步采样；2）角度调整的插值法。上述2种方法可结合使用，以达到较高的精度和可靠性。合并单元为变电站过程层数据的共享和集成应用提供了解决方案，是数字化变电站的重要组成部分之一。电子式互感器、合并单元和二次保护控制设备之间的连接关系如图1所示。

图1 电子式互感器、合并单元和二次保护控制设备的连接Fig.1 Connections among electric transformer,merging unit and protection&bay controller

电子式互感器与合并单元之间的采样值数字信号传输依赖于传感器特性，采用专用光纤通信链路，没有统一的公用通信标准，是以各厂家约定的私有通信协议来进行的。如西安同维的无源磁光玻璃型电子式电流互感器（ECT）与国电南瑞的合并单元装置（MU）之间采用以下数据通信方式：

物理链路：采用1对2根850μm多模光纤，物理接头方式为FC接头，其中1根由MU至ECT，发送同步采样脉冲，另1根由ECT至MU，发送ECT数据。

物理层：采用异步数据流（不采用Manchester码），遵从UART方式进行通信，采用典型的11位（1个起始位、8位数据、1个奇偶校验位和1个停止位，起始位为0，停止位为1）。空位是二进制1，两帧之间应传输填充空位Bit。

链路层帧格式：起始符（2字节）+数据（4字节）+状态（1字节）+帧校验（1字节），合计8字节。帧校验采用简单CRC奇校验和。

2.2 离散信号处理

在实际信号分析过程中，没法得到离散信号，都是通过采样的方式得到一系列的离散值。因此，为了能够进行数字计算就会用到有限离散傅立叶变换。DFT是连续傅立叶变换的离散形式。模拟信号的连续时间傅立叶变换可以表示为：

x（t）经抽样后变为x（nT），T为抽样周期。 离散信号x（nT）的傅立叶变换可以表示为：

2.3 FFT算法

直接用离散傅立叶变换（DFT）进行谐波分析计算，需要进行N2次复数乘法运算，而且还要作N（N-1）算数加法运算。因此，对于大的N值，运算工作量将是相当大的，电力系统谐波分析大多是用FFT算法。快速傅立叶变换（FFT）算法[6]将长序列的DFT分解为短序列的DFT。N点的DFT先分解为2个N/2点的DFT，每个N/2点的DFT又可分解为2个N/4的DFT，等等。最小变换的点数即所谓的“基数”。因此，基数为2的FFT算法的最小变换（或称碟形）是2点的DFT。

2.4 谐波功率的算法

1）单相有功功率的计算方法 电路中所称的有功功率，一般是指平均有功功率，其定义为：

由该定义式，同样可以导出有功功率的两种不同算法。直接把公式（3）离散化，用离散求和的方法代替积分运算，可得：

双通道模拟开关选择同一相同一时刻规格化的电压、电流信号分别送两路A/D转化为同一时刻的电压、电流瞬时数字量，进行相乘累加。

2）三相有功功率测量方法 双通道模拟开关依序将A、B、C相电压、电流信号分别送两路A/D转化为同一时刻的电压、电流瞬时数字量，进行相乘累加。由于各相信号的采样转化的时间间隔大概有10 μs，所以采样时间差引起的相位差可以忽略不计。

据三相功率公式：

3 误差分析

电气的准确度是衡量测量特性的主要指标。电子式电气测量系统的测量误差主要分为系统误差和随机误差，他们存在于系统的各个环节中。随机误差指服从大多数统计分布规律的误差，产生原因为许多影响量的总和，一般用统计规律来描述。电能表的测量误差主要来自两个方面，硬件电路本身产生的误差和软件误差（即算法误差）。硬件误差主要是传感器、放大电路、AD转换电路、DSP电路产生的误差；程序算法的误差主要是FFT转换和采集所产生的误差。对于一个由多个环节串联而成的系统，它的相对误差a为各个环节相对误差之和。

系统的总相对误差应为式（6）所示。

其中：a1为传感器相对误差；a2为放大器相对误差；a3为AD转换器相对误差；a4为DSP数据处理相对误差。

对于谐波测量[7]，为了保证谐波测量精度，使测量的电压和电流信号不失真，对PT和CT要求也高，要求具有较高的频率特性。本次设计采用的是专门用来采样的传感器，其精度等级为0.02级，AD转换器是16为的AD转换器，能分辨出满刻度的0.002，运算放大器的放大倍数为10万倍以上，滤波电路产生的误差可以忽略不计。综合上述误差，所以硬件电路的主要误差来源于互感器和AD电路。因此，硬件总误差a应该为

软件算法误差，主要是在微处理器完成各种测量算法，计算所要的电气量时产生的，这部分误差主要取决于CPU的字长，选用的算法以及采用的频率能否跟踪电力系统频率的微小变化等因素。本次设计采用的CPU字长为32位，在加上严格的算法和自适应调整采样间隔，已将这部分的误差大幅度减小，忽略不计。

FFT算法误差：对基本电参量的测量，采用矩形积分算法，采样点数为128点，由矩形积分算法的误差公式

计算出其截断误差为

综合硬件误差和软件误差，这种数字化电能表对基本电参数的测量精度可达到

在实验过程中，做了单相测试，经过多次测试，其结果基本稳定。表1是测试情况。

从表1的前4行的功率测量值可以看出，最大相对误差为0.012%，说明该仪表具有较好的线性；接下来测量感性、容性输入对仪表对称度的影响。由表1的5-8行的功率测量值来看，最大相对误差为0.026 7%，说明该仪表的对称性满足要求；最后改变输入频率，以确定仪表的测量带宽。当输入频率由100 Hz增大到2 000 Hz，测量结果的最大相对误差为0.04%，说明该仪表在2 k频率范围内都能准确测量。

4 结 论

随着网络技术的快速进步，传输速率可达千兆乃至更高的网络。数字化电能表采用IEC61850-9-2协议，可对采样值数据采集的内容进行灵活配置，增强了应用的灵活性。克服了目前没有统一的公用通信标准，方便了采样值的数据共享，给信息集成化应用打下了坚实的基础。在硬件和软件算法上做了大量的改进，实验结果表明，误差小，信息集成度高。减少了合并单元的使用，降低了成本，为数字化电能表在数字化变电站中的应用进行了有益的探索。

表1 B相测试结果Tab.1 The test results of B phase

[1]高翔，张沛超.数字化变电站的主要特征和关键技术[J].电网技术，2006，30（23）：67-71.

GAO Xiang，ZHANG Pei-chao.Mainfeaturesandkey technologies of digital substation[J].Power System Technology，2006，30（23）：67-71.

[2]IEC.IEC 61850：Communication Networks and Systems in Substations[S].2004.

[3]黄国方，周斌，奚后玮，等.数字化变电站保护及测控装置的研制[J].电网技术，2006，30（S2）：490-494.

HUANG Guo-fang，ZHOU Bin，XI Hou-wei，et al.Development of protection and measurement-control devices in digital substation[J].Power System Technology，2006，30（S2）：490-494.

[4]沈健，黄晓峰，高贵旺，等.数字化变电站的关键技术[J].江苏电机工程，2007，26（S1）：1-4.

SHEN Jian，HUANG Xiao-feng，GAO Gui-wang，et al.The key technologies of substation digitization[J].Jiangsu Electrical Engineering，2007，26（S1）：1-4.

[5]赵尔玩.数字信号处理实用教程[M].北京:人民邮电出版社，1999.

[6]林盾，蓝磊.基于谐波分析理论的FFT电能计量模型的改进[J].继电器，2004，10（20）：27-30.

LIN Dun，LAN Lei.Based on the theory of the harmonic analysis model of electric power measure FFT improvment[J].Relay，2004，10（20）：27-30.

[7]金寿星.基于DSP的电力系统谐波测量装置的研制[D].辽宁：大连理工大学，2005.