数字化电能表动态误差特性测试装置的设计*

袁瑞铭，姜振宇，钟侃，田海亭，鲁观娜，王琳

（1.国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京100045；2.华北电力科学研究院有限责任公司，北京100045；3.北京化工大学，北京100029）

0 引 言

目前智能电网建设中，增量的智能变电站建设都采用IEC 61850协议实现电压、电流的信号传输。由于传统模拟量输入的电能表无法应用于智能变电站体系，因此采用光纤以太网与SMV采样值报文输入的数字化电能表被大量应用。数字化电能表不仅在输入信号方式上与传统电能表不同，在处理器结构设计、电能计算方法、数字信号处理方式等都存在差异，而且其计量性能还受限于智能变电站整体采样速率、前端合并单元等影响［1］。由于受限于智能变电站低采样率，以及SMV报文解码速度等因数，数字化电能表计量误差受动态负荷的影响将更加明显。

随着电网工业动态负载应用量增加，用电负载电流逐渐呈现随时间动态变化，甚至短时冲击波动的情况。从文献［2］的研究可以看出，在动态波动的负载电流下，不同厂家电能表走字精度测试结果出现较大差异。因此，如何在实验室评价传统电能表动态负荷计量精度成为研究热点。文献［3］提出了电能表动态特性评价方法；文献［4］提出了针对动态冲击性负荷的计量方法与检测手段，但其检测模型溯源仍然存在问题；文献［5-7］则提出了可溯源的电能表动态误差特性实验模型与方法。然而，目前电能表实验室动态误差检定研究都主要针对传统模拟量输入电能表，对于智能变电站应用的数字化电能表，现有的研究主要针对稳态负荷环境下的计量检测［8-9］，动态误差试验方面仍然缺乏有效的手段。因此，本文基于OOK模型，提出数字化电能表动态误差测试装置设计方法，解决智能变电站数字化电能表动态负荷计量精度实验室检定问题。

1 基于IEC 61850的数字化计量体系

智能变电站数字化计量体系如图1所示，一次侧采用电子式互感器（ECT与EVT）直接将一次电压与电流模拟量转换为电压与电流数字信号，然后，经过合并单元将数字信号组包为符合IEC 61850-9协议的SMV采样值报文，通过光纤以太网传输到间隔层数字化电能表中。数字化电能表解析报文，恢复实际电压与电流采样数字信号，在此基础上完成电能计算［10］。

图1 智能变电站计量体系Fig.1 Metering system of smart substation

从图1可看出，数字化电能表直接通过光纤以太网接口接收电子式互感器的采样报文数据，因此数字化电能表与常规电能表有较大的区别，其没有模拟量采样部分，同时受限于整个智能变电站采样率的影响，其接收的SMV报文采样率要远低于常规电能表AD电路的采样率。在动态负荷下，数字化电能表低采样率将会对其计量精度造成影响，因此，研究针对数字化电能表动态负荷计量性能的测试方法与装置，对改善智能变电站动态负荷计量性能具有重要意义。

2 OOK动态信号测试模型

OOK是一种通过矩形包络信号来调制正弦信号模型，其原理是通过二进制序列对稳态电流信号进行二进制通断键控 OOK（On-Off-Key）［7］，OOK动态测试电压信号模型 us（ti）、电流信号模型 id（ti）和功率信号模型 pd（ti）如下：

式中 ti=iT/n，（i=0，1，…n）；T为信号周期；ωc=2πfc，fc=1/T；φk为第 k个周期的相位。

OOK模型可以实现整数周期的波形通断，在用于动态负荷试验时，仅控制电流波形的输出和截止，并不改变波形形状，具有可溯源、测试信号频谱信息广等特点，因此常用于模拟量输入的常规电能表动态负荷测试。针对光纤以太网数字量输入的数字化电能表，该模型仍然适用，但需要设计OOK信号的SMV组包过程以及配合虚拟数字化标准电能表来实现整个测试过程。

3 数字化电能表动态误差特性测试装置

3.1 装置总体技术方案

鉴于OOK模型具有可溯源、频段覆盖广以及便于数字化实现等特点，基于OOK离散模型式（1）～式（3）来设计数字化电能表动态误差特性测试装置。为支持算法实现，本文测试装置采用ARM9核心CPU+DSP数字信号处理器的双核架构，总体架构图如图2所示。

ARM9核心CPU负责整个装置工作任务的管理，负责液晶的显示控制，与操作用户的输入接口，以及向DSP数字信号处理器发送工作指令。DSP数字信号处理器采用一片高速32位定点DSP芯片设计，通过其高速数字信号处理的特点，根据非线性负荷数学模型，生成对应的IEC 61850光纤以太网电压与电流采样数字信号（SMV），并通过光纤以太网控制器输出动态变化的SMV信号。同时，该方案通过一片FPGA，生成高速脉冲，该FPGA可以根据DSP采用指定模型所计算的理论功率，来生成高速比对脉冲，同时可以接受外部数字化电能表的脉冲信号，并在FPGA中进行精度比对，最终输出测试结果。

图2 测试装置总体方案Fig.2 Overall scheme of measuring equipment

3.2 数字化电能表OOK测试方法实现流程

3.2.1 OOK信号输出

测试信号的输出与控制主要在DSP中实现。由于SMV采样值报文必须按照严格的时间间隔通过光纤以太网输出，因此，DSP中SMV采样值报文输出过程必须在定时器中断函数中实现，若每一次定时器中断都调用一遍式（1）～式（3）产生OOK波形信号，会严重占用系统资源。为提高效率，本文采用异步方式来实现OOK信号波形产生与SMV报文组包输出。具体流程如图3。

具体步骤如下：

（1）在主循环函数中，调用式（1）～式（3）生成 k个周期OOK测试电压与电流采样值数据。k值的选取须与所选型号DSP计算速度相结合，具体为DSP计算生成k个周期OOK信号数据的时间Ts要小于k个信号周期时间的一半，即：Ts≤（T·k）/2；

（2）将采样数据存于数组A。若数组A存满，则数组A进入信号发送状态；同时将采样数据存储位置切换为数组B；

（3）定时器按T/n的间隔生成中断，中断程序中读取处于发送状态的数组A采样值序列，并进行IEC 61850 SMV组包，调用以太网DMA，通过装置光纤接口发送SMV组包数据，传输至被测数字化电能表；

图3 OOK数字化实现流程Fig.3 Flow chart of the realization of OOK digitalization

（4）在 k值满足 Ts≤（T·k）/2下，数组 A中所存储的OOK波形通过中断程序发送完毕时，主循环已将新生成的信号存满于数组B，在下一次定时器中，将发送数组切换为数组B，采样数据存储数组切换为数组A。

3.2.2 动态误差计算

在测试中，被测数字化电能表接收到SMV组包数据后，向装置FPGA模块返回有功电能脉冲。DSP在调用OOK模型输出通断波形信号时，同时依据电压电流设定的有效值Um、Im及相位φk，输出标准化正弦信号，输入到装置DSP中内置数字化标准电能表中。数字化标准电能表计算出标准有功电能，并调用FPGA模块，生成高频标准化脉冲。

由于OOK模型中，通的周波数量和断开的周波数量是确定的，若被测数字化电能表在OOK信号下有功电能计量完全准确，则内置数字化标准电能表返回的有功脉冲数量，与被测数字化电能表返回的有功脉冲数量，其比例与OOK波形通断比应该是相同的。因此，两个有功脉冲比例与OOK通断比的相对误差，即可视为数字化电能表在OOK信号下的有功电能计量误差。FPGA将被试数字化电能表的有功电能脉冲数N，与标准脉冲数M，按如下公式，进行误差计算。

式中Cb、Cm分别为数字化标准表脉冲常数和数字化电能表的脉冲常数；E为输出误差；R为一轮测试周期中，通的信号占总信号长度的比例。FPGA通过公式（4）计算出误差后，将结果返回至DSP中，完成了数字化电能表动态负荷测试过程。

4 装置测试流程与试验结果

4.1 测试流程

图4 装置测试流程Fig.4 Test process of the device

装置的测试流程如图4所示，在用户操作界面下发测试指令后，主CPU单元将接受的指令类型，下发到DSP中。装置DSP依据图3所示流程，准备对应参数的OOK信号序列，记录当前所设置的OOK信号通断周期数量比例。同时输出标准正弦信号给内置数字化标准电能表，后者产生高频标准化有功电能脉冲给FPGA单元。

DSP生成OOK信号序列后，定时器依据设定的采样率进行中断，在中断函数中将OOK信号，经过SMV组包传输至被测数字化电能表，同时FPGA单元进入脉冲比对模式。数字化电能表的有功电能脉冲经过脉冲接收IO口返回至FPGA单元中，依据式（4）完成误差计算，并将动态误差结果经由DSP及主CPU单元返回至用户界面中。至此，完成一次完整的测试操作。

4.2 试验结果

4.2.1 测试信号输出

为验证本文提出的数字化电能表动态误差特性测试装置有效性，将本装置光纤以太网接口与国内某厂家数字化电能表连接，进行OOK模型下的动态负荷试验。装置输出波形如图5所示。

图5 输出波形Fig.5 Output waveform

图5为通过数字化录波软件记录的装置输出波形，从图中可以看出，装置输出符合OOK模型的通断信号波形，该信号波形被正确转换为IEC 61850-9协议的SMV报文，通过光纤以太网输入到数字化电能表，测试数字化电能表的动态计量误差。

4.2.2 数字化电能表动态误差试验

装置输出图5所示OOK动态电流信号，电压信号采用标准正弦波形，电压有效值设定为57.7 V，电流有效值设定为1.5 A，功率因数为1.0。测试数字化电能表在标准正弦的稳态电流下的误差以及在OOK动态电流信号下的误差。返回的三相有功电能计量误差数据如表1所示。

表1 数字化电能表动态误差测试实验Tab.1 Dynamic metering experiment of digital energy meter

从表1可看出，在常规稳态电流下，数字化电能表计量误差小于千分之一，符合0.2 S级表内控误差要求。但在加入不同组合的OOK信号后，计量误差发生明显波动，在通断波形周期间隔较长时，信号波动不大，总体误差还在0.5%以内。但随着通断波形周期间隔缩短，数字化电能表出现比较严重的超差，在波形通断比较快速的设置点，计量误差超差最严重。

由于数字化电能表没有模拟量采样部分，采样值信号都通过光纤以太网传输，这说明其采样部分不会像传统电能表引入误差，但数字化电能表受限于较慢的采样速率（目前智能变电站普遍4 kHz的采样率），在OOK信号通断间隔较短时，其采样率的限制及针对稳态负荷设计的数字计量算法，都会对其动态负荷下的计量精度造成影响。这样说明，稳态负荷下检定的数字化电能表应用于动态负荷中，其计量误差无法保证。

因此，通过所提出的装置，可有效反映数字化电能表在OOK信号下误差变动，从而评价数字化电能表在动态负荷下的计量性能变化。解决稳态负荷下数字化电能表检定存在的缺陷，为数字化电能表实验室性能评价提供了新的手段。

5 结束语

文章研究开发了智能变电站数字化电能表的动态误差特性测试装置，针对智能变电站计量特点，基于OOK模型，设计装置总体技术方案与软硬件具体实现方案，并基于该方案生成了OOK数字化动态测试信号、实现了IEC 61850-9协议的SMV组包以及动态误差测试。