一种基于实际工况的数字化电能表校验方法及其误差分析

寇英刚, 范 洁， 杨世海，陈 刚， 胡 琛， 穆小星， 徐敏锐

(1. 国网江苏省电力公司, 江苏 南京 210024；2. 国家电网公司电能计量重点实验室(国网江苏省电力公司电力科学研究院)，江苏 南京 211103；3. 华中科技大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074)

一种基于实际工况的数字化电能表校验方法及其误差分析

寇英刚1, 范 洁1， 杨世海2，陈 刚2， 胡 琛3， 穆小星2， 徐敏锐2

(1. 国网江苏省电力公司, 江苏 南京 210024；2. 国家电网公司电能计量重点实验室(国网江苏省电力公司电力科学研究院)，江苏 南京 211103；3. 华中科技大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074)

数字化电能表在实际工况下受到频率波动、谐波、输入噪声等因素影响，常出现误差超差的现象。为了研究现场实际工况下数字化电能表的计量性能，提出了一种基于实际工况的校验方法，研制了工况复现装置，推出了Blackman离散傅里叶变换(DFT)+自适应线性(Adaline)神经网络算法，实现了标准电能的计算，并将该数字化电能表校验方法和瓦秒法进行了比较分析。误差分析结果表明基于实际工况的数字化电能表校验方法和瓦秒法均能用于校验数字化电能表，但是前者的测试结果波动更小，更加稳定,且能够为现场复杂工况下电能表性能评估提供参考。

数字化电能表；实际工况；校验；傅里叶变换；自适应线性神经网络

0 引言

智能变电站利用电磁式互感及模拟量输入合并单元或电子式互感器作为信号传感单元， IEC 61850标准作为通信协议，数字化电能表作为计量单元，实现了基于IEC 61850协议的数字计量系统[1-3]。数字化电能表作为数字电能计量系统的重要组成部分，可应用于数字化变电站的贸易结算，因此研究其计量性能具有重要意义。

理论上，数字化电能表的准确性和可靠性较高。但实际上，通过实验室检定的数字化电能表在现场运行时多次出现误差超差现象，且数字化电能表的溯源方案暂无定论，因此其还不具备贸易结算方面的应用条件[4-6]。由于数字化电能表是工作在频率波动、谐波、输入噪声等复杂工况下的高精度仪器，实验室的模拟环境不能完全还原复杂的现场工况，因此实验室测试得到的不超差数字化电能表，在现场工况下的准确度还有待考核，有必要对数字化电能表在现场工况下的误差状态进行评估。

目前广泛采用的数字化电能表校验方法均为虚负荷校验法，包括标准数字表法、标准数字源法、标准模拟表法和瓦秒法[7-13]。标准表法将标准数字表和被校数字表的电能误差进行比较；标准源法利用输出协议数据和高频标准电能脉冲对数字化电能表进行校验；标准模拟表法利用信号调理单元、协议转换单元和标准模拟表，计算数字化表误差；瓦秒法采用计算被校数字化电能表输出电能脉冲数并测量时间的原理，计算被校表误差。然而，上述数字化电能表校验方案尚未建立现场实际工况和被校数字化电能表误差之间的联系，数字化电能表在现场实际工况下的误差特性研究还存在空白。

文中提出了一种基于实际工况的数字化电能表校验方法，研制了工况复现装置，并提出了Blackman离散傅里叶变换(DFT)+自适应线性(Adaline)神经网络算法，实现了标准电能的计算。

1 校验方法的原理

校验方法的基本原理如图1所示。

图1 基于实际工况的校验方案原理Fig.1 Calibration scheme for digital watt-hour meter using real load

工况读取模块接收合并单元输出的数据，存储为自定义格式数据包；工况复现模块将自定义格式数据包转换为标准格式数据包，向被校表发包，同时记录当前已发送数据包的数量；被校表接收标准格式数据包后输出电能脉冲，集成于校验仪的标准表，同时计算标准电能数据，两路数据进行比较，得到被校表的误差。校验仪一方面接收实际工况读取模块的数据文件，另一方面利用反馈的数据包值截取数据文件进行电能计算。

电能脉冲计算原理如图2所示。在T0时刻收到第一个脉冲，记录当前发包数量N0；在T1时刻收到第二个脉冲，记录当前发包装置N1；在Ti时刻收到第i+1个脉冲，记录当前发包装置Ni。利用数据文件中N0～Ni的原始数据进行计算，实现对数据文件的精确截取，标准通道和被校表用同一组数据进行电能计算，得出二者计算电能的误差，测试时间设为5 min，数字化电能表的相对误差为：

(1)

式中：m0为标准数字化电能表算定的脉冲数；m为被校数字化电能表脉冲数。

图2 实际工况下电能脉冲计算原理Fig.2 Calculation principle of energy pulse under real load

2 校验方法的实现

2.1 工况读取模块

工况读取模块如图3所示，包括光纤收发器和计算机(PC机)。首先由光纤收发器(TP-LINK TR-932D)将合并单元光口发出的数据转化为电信号；其次与PC机的以太网口进行通信；最后PC机进行IEC 61850-9-2 LE协议数据帧的抓包、解析和提取工作，以自定义格式文件形式存储。为保证抓包不丢包和数据解析的完整性，工况读取模块软件基于WinPcap和C语言开发。模块工作流程为：初始化网卡并进行配置，建立合并单元和工况读取模块之间的通信；基于pcap_next_ex函数接收报文，读取报文中的Ethertype字段，判断报文类型；当报文类型为88BA时，读取报文中应用协议数据单元(APDU)内容，并对其中的计量用通道进行识别；最后将计量用通道的数据保存为自定义格式数据。

图3 工况读取模块Fig.3 Real load reading module

2.2 工况复现模块

工况复现模块如图4所示。自定义格式数据在该模块中添加目的地址、源地址、采样值标识ID(SVID)等IEC 61850-9-2 LE协议相关参数，转换为标准格式后等间隔发包(4 kHz)。

图4 工况复现模块Fig.4 Real load reconstruction module

该模块设计基于现场可编程门阵列(FPGA)板和PC机。FPGA板为Altera Cyclone Ⅱ EP4CE15F17C8N系列。FPGA板外部扩展一个电可编程只读存储器(EPROM)，FPGA板和PC机之间通过一个串口和一个100 M网口连接，实现双向通信。在PC机组帧完毕后，百兆网口发送符合IEC 61850-9-2 LE协议的数据包，串口用于FPGA向PC机反馈存储状态和发包数量。当EPROM储存数据包不足时，FPGA向PC机反馈储存不足，PC机停止发送IEC 61850-9-1/2协议数据包进行储存，否则继续数据包的发送。

2.3 校验仪

校验仪如图5所示。由PC机完成被校数字电能表电能和标准数字电能之间的计算与比较工作。工况读取模块、复现模块、校验仪共用一台PC机。 PC机的CPU为Intel core i5-4460，存储容量为500 GB。PC机除了工况读取模块和工况复现模块的接口外，还扩展脉冲采集板，获取被校数字化电能表的电能脉冲，并计算被校通道电能。当合并单元数据速率为8 Mbit/s时，数据存储时间可达138 d。

图5 校验仪Fig. 5 Calibration instrument

3 标准数字电能计量算法

为实现标准电能的计算，文中提出Blackman DFT+ Adaline神经网络算法。 Blackman DFT算法应用较广[14]，因此文中主要对Adaline神经网络进行分析。

在实际工况下电网中含有各次谐波，电网波形可以表示为周期信号：

(2)

式中:Ak为信号幅值;k为谐波次数;m为最高谐波次数;f0为电网基波频率;φk为初相位。将式(2)离散化后得到表达式(3)：

(3)

式中：n在0～(N-1)间取值，N为采样点数；d0为直流分量；ak=Aksinφk；bk=Akcosφk；ω0=2πf0。只要得到ak和bk的值，就可以求出各次谐波的幅值和相角。

Adaline神经元结构原理如图6所示。其中x1n～xkn为Adaline神经元在n时刻的输入信号，取其向量形式为Xin=[x0n,x1n,…,xkn]T，对应同一时刻每一个输入信号都有一个相应的权值，取其向量形式为Win=[w0n,w1n,…,wkn]T。Adaline神经元的输出为：

(4)

图6 Adaline神经元结构原理Fig.6 Adaline neuron structure

Wi(n+1)=Win+ηenXin

(5)

式中：η称为步长，也称学习速率，0<η<1。

在进行谐波分析时取基波频率f0为已知，即基波角频率ω0=2πf0已知。初始值取：

(6)

校验仪采集数字电能表输出的脉冲时间间隔为t，采用时间-数字转换(TDC)技术，将时间t与数字功率源输出数据频率f作乘积，取整得到时间间隔t内数字功率源输出的点数N，将抓包程序解出的数据截取N个数据点，对N个数据点利用文中算法解析出数据波形中基波、谐波、频率数据及N点的功率。

将文中算法与常规DFT算法和插值4阶卷积窗DFT算法[15-17]进行比较，计算数字电能计量的误差计算。电压/电流有效值均取1，功率因素为1.0，基波频率为50 Hz，对输入噪声、频率偏差、谐波等因素进行误差仿真，仿真次数为10，表1为仿真结果的平均值。

表1 算法误差仿真结果Table 1 Simulation results of algorithm error

可知：(1) 输入噪声误差仿真时，在基波上叠加了高斯白噪声，信噪比为30 dB，误差为随机性误差，仿真结果中最大误差为10-4数量级，误差几乎为零，可以忽略；(2) 频率偏差误差仿真时，频率值取50.5 Hz，频率偏差为0.5 Hz，误差为10-7数量级，误差较小，可以忽略；(3) 谐波误差仿真时，取2～11次谐波共同叠加至基波中，按照电能质量公用电网谐波国家标准中的规定对谐波允许值进行取值，取偶次谐波为基波的0.8%，奇次谐波为基波的1.6%，电压总谐波畸变率为：

(7)

式中：h表示基波以上的各次谐波次数，电流以相同方法进行取值，仿真误差为10-7数量级。

由结果可见：常规DFT算法在频率偏差、谐波情况下误差较大；插值DFT算法和文中算法的计算结果比较接近，但是信号叠加噪声工况下的误差较大；文中提出的数字电能计量算法在各种复杂实际工况下，均能准确的进行电能计量。

4 校验方法的验证

为验证文中校验方法的可行性，采用瓦秒法和文中方法对同一块0.2 s级的数字电能表进行校验。电能计算均采用点积和算法，取连续测试的10个脉冲作为测试结果，均值计算结果如表2所示。

表2 测试结果Table 2 The experimental results %

采用瓦秒法测试数字化电能表的误差和采用基于实际工况的校验方法测试误差的均值基本相同。但是瓦秒法不确定度较大，而基于实际工况的校验方法测试精度高，误差波动小。试验表明了该校验方法检定数字化电能表的有效性和可行性。

5 结语

文中分析了数字化电能表校验方案，研究了基于实际工况的数字化电能表校验方法，研制了工况复现装置，提出了Blackman DFT+Adaline神经网络算法计算标准电能，并和瓦秒法进行了比较。研究和试验结果表明：(1) 基于实际工况的校验方法可用于重建现场工况，评估复杂环境下数字化电能表的计量性能；(2) 与瓦秒法测试结果相比，该校验方案测试结果的波动较小，稳定性较高。

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寇英刚

寇英刚(1974—)，男，天津人，硕士，高级工程师，从事电能计量管理工作(E-mail：Yinggang_kou@qq.com)；

范 洁(1977—)，女，江苏南通人，硕士，教授级高级工程师，从事电能计量检测与管理工作(E-mail：fanjie125@163.com)；

杨世海(1976—)，男，江苏徐州人，硕士，教授级高级工程师，从事电子式互感器、数字化电能计量研究工作(E-mail：ysh.young@163.com)；

陈 刚(1984—)，男，湖北黄梅人，硕士，高级工程师，从事电子式互感器、数字化电能计量研究工作(E-mail：cg09_jseprc@sina.com)；

胡 琛(1986—)，男，江西南昌人，博士研究生，研究方向为电子式互感器状态评估、数字化电能计量系统仿真平台研发(E-mail: huchena@126.com)；

穆小星(1963—)，男，江苏南京人，硕士，教授级高级工程师，从事电气自动化测试与研发工作(E-mail：m139129@163.com)；

徐敏锐(1976—)，男，江苏淮安人，硕士，教授级高级工程师，从事互感器现场检测、数字化电能计量研究工作(E-mail：xuminrui18@163.com)。

(编辑方 晶)

ACalibrationMethodandErrorAnalysisofDigitalEnergyMeterBasedonActualWorkingCondition

KOU Yinggang1, FAN Jie1, YANG Shihai2,CHEN Gang2,,HU Chen3,MU Xiaoxin2，XU Mingrui2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210024,China; 2. State Grid Key Laboratory ofEnergy Metering(State Power Research Jiangsu Electric Power Company Institute), Nanjing 211103,China;3. SEEE of Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074, China)

Digital energy meters often appear error phenomenon in the actual working conditions such as frequency fluctuations, harmonics, input noise and other factors. In order to study the measurement performance of the digital energy meter under the actual working conditions, a calibration method based on the actual working condition is presented. A condition recovery device is developed. A Blackman discrete Fourier transform (DFT) + adaptive linear (Adaline) neural network algorithm is proposed. The calculation of standard electrical energy is achieved. The digital energy meter calibration method and the wattage-second method are compared and analyzed. The results of error analysis show that the digital energy meter calibration method based on the actual working conditions and the wattage-second method can be used to verify the digital energy meter. But the test results of the former are smaller and more stable, and can provide reference for the performance evaluation of the energy meter under complex conditions.

digital watt-hour meter; actual working condition; calibration; DFT; Adaline neural network

TM933

A

2096-3203(2017)06-0053-05

2017-06-27；

2017-07-26

国家重点研发计划资助项目(2016YFB0901104);国家电网公司科技项目(5210EF17001M)