适用于复杂工况的高性能标准数字化电能表*

唐登平，李俊，郑欣，夏天，向鑫，李红斌

(1.国网湖北电力公司计量中心，武汉 430018； 2.华中科技大学，武汉 430074)

0 引 言

近年来，数字化电能表以其稳定度高、误差小的优点在现代化智能变电站的建设中得到广泛的应用[1-3]。数字电能表从合并单元接收IEC 61850协议采样数据进行电能计量，与自带模数转换器采样模块、接收二次侧模拟信号的传统电能表在结构上有本质性区别[4]，这使得基于传统标准电能表的现场在线校验方法已不再适用，有必要研制标准数字化电能表进行数字化电能表现场在线校验。

对0.2级数字化电能表进行现场校验，需要在不断电的情况下在较短的时间内实现高精度校验，这需要标准数字化电能表实现0.05级电能计量精度同时输出10 kHz以上的高频电能脉冲[5]。但是，标准数字电能表前端采样系统常用的4 kHz采样频率、250 μs数据传输间隔、逐次比较型采样原理[6]，限制了标准电能脉冲的有效输出频率、采样值数据处理和电能计算的时间以及电能算法的电能计量精度，从而影响现场校验准确度的提升。

文中研制了一种能够用于数字化电能表现场在线校验系统的高性能标准数字化电能表。通过高精度分频脉冲技术实现，以实时DSP系统为核心，研制的标准数字化电能表的电能计量准确度高、实时性好、可靠性强，能够保证数字化电能表现场校验的准确、快速、可靠进行。

1 原理

基于标准数字化电能表的数字化电能表现场在线校验原理图如图1所示。标准数字化电能表需要接收现场合并单元发送的IEC 61850协议数据，进行精确电能计算，同时输出高频次标准电能脉冲[7]。

图1 数字化电能表在线校验原理图

作为一种应用于现场校验的标准电能计量装置，标准数字化电能表需要具备比普通数字化电能表更高的性能：需要有更高的复杂负荷电能计量准确度和现场可靠性；输出的标准电能脉冲需要能够准确响应现场动态负荷的实时变化和较高的校验精度；设计时需要综合考虑准确度、校验可操作性、校验人力时间成本之间的合理性。但是，现场在线校验中，数字化电能表的实际运行环境给标准数字化电能表的性能提升提出了挑战，主要体现在如下几个方面：

(1)采样频率限制。

在电能计量过程中，数字化电能表以采样时间间隔对电能进行累计，电能表输出的固定脉冲数表示的电能与实际的电能之间的主要误差为脉冲计数溢出误差，其值为采样间隔瞬时累计三相电能量与计量的总电能量之间的比值，为:

(1)

式中P为三相电能功率；Δt为采样间隔时间；t为电能计量总时间；从式(1)可以看出，溢出误差大小与采样频率有关，采样频率越小，则采样间隔时间Δt越长，电能计量的溢出误差越大。

与此同时，当使用标准电能脉冲进行电能表校验时，校验系统最大电能累计误差为一个电能脉冲所表示的电能，当输出的电能脉冲频率越高，系统校验精度将会越高，达到固定校验精度所需的校验时间也将越短。

数字化电能计量系统的前端采样系统通常采用4 kHz，标准化电能表接收采样数据输出电能脉冲的溢出误差受到采样频率限制，使用其进行校验时校验的精度和时间均受到限制，提升标准化电能表输出的电能脉冲频率无法再提升校验精度，即标准化电能表输出的电能脉冲有效频率也被限制在4 kHz，难以达到0.05级以上的标准电能表额定功率下脉冲输出频率不小于10 kHz的国家标准要求。

(2)处理时间和算法限制。

不同于传统电能表集成采样系统，数字化电能表得到采样值数据需要通过IEC 61850通信协议，因此标准数字化电能表既需要在250 μs时间内快速完成对网口数据的接收、对协议的解析和对电能的计算，又需要保证电能计量的准确性和高频脉冲输出的实时性。

同时，相比于传统电能表，数字化电能表达到高精度的电能计量对电能算法的要求更高。为取得高准确度的电能计量精度，传统电能表往往集成Σ-Δ采样原理的高频率采样设备，相当于电能计算之前先对采样序列进行高阶插值积分，使用点积和算法就能获得很高的电能计量精度[8-9]。数字化电能表的前端采样设备通常采用逐次比较型原理，使用点积和算法只有一阶代数精度，对现场复杂负荷的电能计量精度难以保证；使用快速傅里叶变换等复杂电能算法需要对较长时间的采样数据列进行处理[10]，计算量大的同时，电能计算、电能脉冲输出和数据采集之间存在延时，电能计量的实时性较低。

根据上述特点，文章研制了标准数字化电能表。该标准数字化电能表由光电转换模块、数据包接收解码模块、DSP三相电能计量模块、定时分频脉冲输出模块和电能存储显示模块组成，如图2所示。

图2 标准数字化电能表结构框图

该装置中，光电转换模块完成IEC 61850协议采样值数据从光纤信号到电信号的高精度解码转换；数据接收解码模块对采样值数据包进行解析，提取有效的采样值数据进行高精度实时电能计算；定时分频模块通过高精度分频技术实现高频次脉冲输出；电能存储显示模块对历史电能进行累计，并定时刷新显示。该数字化电能表具有如下特点：

(1)高精度分频脉冲输出技术。对采样值数据进行插值细化重采样，再将电能脉冲分频输出，提高了标准数字化电能表输出脉冲的有效频率，校验时，校验的精度得到提高，校验时间缩短；

(2)基于高性能DSP实时处理。以快速的处理能力和高速的响应速度保证高频次脉冲输出在采样间隔内的准确、实时、可靠进行；

(3)插值重采样点积和电能计算。为高精度分频脉冲输出技术提供重采样的基础，同时，提升复杂负荷的电能计量准确度，抑制电网负荷中的随机噪声成分。

2 实现

高精度分频脉冲输出技术是标准数字化电能表的核心，通过高性能实时DSP系统和插值重采样点积和电能计量算法为高精度分频脉冲输出技术提供硬件和算法上的支撑，同时用插值重采样点积和算法保证复杂负荷的电能计量精度。

2.1 高精度分频脉冲输出技术

为实现高精度分频脉冲输出，对采样值数据进行了三次细化，参与计算的采样值间隔Δt时间变为原采样间隔的四分之一，从公式(1)可知，误差缩小为原来的四分之一，从而额定工况最大有效脉冲输出频率提高到前端采样系统采样频率的四倍，即16 kHz，在达到0.05级标准电能表脉冲输出频率和保证裕度的同时，节省运算时间，保证电能计量的准确性和实时性。高精度分频脉冲输出技术的工作原理如图3所示。

实现过程为：当电能表接收到一个IEC 61850协议数据包后，DSP一方面控制CPU进行数据包解析和电能计算，以四分之一采样时间间隔对瞬时的重采样后的采样电能值进行计算并累加，当电能累加量超过设定的阈值后，将对应脉冲的标志位置为有效，并将累加量减去一个脉冲当量的电能值；另一方面，DSP在接收数据包的同时产生中断触发定时分频功能，每定时四分之一个采样时间间隔后，校验相应的标志位，当标志位有效则触发一个电能脉冲输出后继续定时，直至将一个完整的采样周期四等分。精准分频技术将采样数据与采样间隔均匀四等分，保证电能脉冲输出的准确性、实时性。

图3 高精度分频脉冲输出

2.2 电能计量算法

文章充分兼顾现场电能计量的准确性与实时性需求，提出了插值重采样点积和的算法。算法原理如下：

首先对采样值序列三阶插值细化，以电压采样序列为例：对于任意连续的采样值序列中的采样点i，利用与之相邻的三个连续采样点i-3,i-2,i-1，使用式(2)进行在i和i+1之间进行三次等间隔插值，得到四个新的采样点，然后利用式(3)的点积和算法对新的采样序列进行电能计算。

(2)

(3)

式中Δt′插值后新序列采样点间的间隔时间，取值为原采样间隔时间Δt的四分之一；N′为插值后新序列采样点个数。

对采样值序列三阶插值细化这一过程相当于将原有采样序列重采样，重采样的频率是原有采样频率的四倍，根据插值的原理，重采样的时刻和时钟定时分频的时间恰好能一一对应，为分频脉冲输出技术的高精度实现提供基础。同时插值细化使得动态变化的负荷的采样能力提升，而且插值过程实际上是对一段采样间隔内的数据加权求和，信号中的随机噪声成分大多呈高斯分布，在求和的过程中相互削弱，随机误差得到抑制。

对上述算法进行仿真，首先通过不同频率的正弦函数模拟基波和谐波、通过随机数生成函数模拟时域上相互独立的随机噪声，再使用叠加方法将上述函数叠加生成电压电流信号函数，然后用4 kHz频率将函数在时域上离散化，再将离散的数据点作为算法的输入，将电能算法计算出的电能值与输入函数所代表的理论电能值比较。

谐波仿真分别在基波电压、电流的基础上依次叠加5%基波含量的2～13次谐波和直流分量，取10次电能仿真计算误差的最大值，结果如表1所示。

间谐波仿真，在基波电流的基础上依次叠加5%基波含量的0.25倍～4.75倍基波频率的谐波，计算总电能的计量误差，结果如表2所示。

频率影响量仿真在50±1 Hz内调整输入电压、电流函数的频率，取10次电能仿真计算误差的最大值，结果如表3所示。

噪声仿真在工频信号分别叠加30 dB～50 dB高斯噪声，取50次独立试验的最大误差，仿真结果如表4所示。

表1 算法谐波仿真

表2 算法间谐波仿真

表3 算法频率影响仿真

表4 算法噪声仿真

2.3 高性能实时DSP系统

高精度分频脉冲输出和电能算法都对标准数字表的处理能力和可靠性提出了更高的要求。文章基于32位高性能浮点DSP系统实现标准数字化电能表。装置的硬件系统如图4所示。

图4 基于DSP的标准数字化电能表硬件结构

其中DSP系统为标准数字化电能表的核心，采用硬件一体化设计，由DSP统一协调IEC 61850协议数据接收、数据解析、实时电能计算、高精度高频电能脉冲输出等功能，避免多进行芯片级联带来的系统可靠性降低。主系统采用6层板工业设计，发热量小、温度范围宽、抗电磁干扰能力强，并通过电源滤波器和线性稳压直流电源保证供电的稳定性。

(1)接收、解析数据包。

IEC 61850协议数据通过10 M/100 M以太网控制器连接到DSP系统，地址匹配系统会过滤无效数据包，并将有效数据高速收入到EMAC缓存区并产生中断，DSP的CPU在纳秒内响应中断，读取数据并解析，同时触发定时器定时。数据包接收时，直接通过高速底层通信协议进行，避免了常用的通信协议层与层之间频繁数据交换带来的误码和时延，再依托高性能数字信号处理能力，实时DSP系统能够在30 μs内完成数据包的准确接收和解析。

(2)数据运算。

DSP的CPU通过智能算法，判定IEC 61850协议数据包的标志信息，对重复数据包进行舍弃，对丢失数据包进行线性插值补偿；使用集成的硬件乘法器对采样值数据进行高速计算。数字信号处理采用456 MHz工作主频，具有高速的数字信号处理能力，能在5 μs内完成一个采样点的电能计量；数据采用32位高精度浮点计算，数字信号运算精度高，截断误差小。

(3)脉冲输出。

计时触发的准时性、脉冲输出时刻的精确性是高精度分频脉冲输出技术的关键。文章通过分配多优先级别的DSP中断系统，实现优先级：数据接收中断>定时触发中断>定时器中断>脉冲输出中断，并将中断响应时间和定时误差控制在纳秒级。

3 试验结果与分析

(1)误差测试项目及方法[11-13]。

基本误差试验：在额定电压下，分别在功率因数1/0.5 L/0.8 C下进行电流波动为0.1In～1.2In的误差试验。

电压影响量试验：在额定电流下、功率因数为1条件下，进行电压波动为0.9Un～1.1Un的误差试验。

频率影响量实验：功率因数为1条件下，做频率波动为49 Hz～51 Hz误差影响试验。

逆相序试验：在功率因数为1条件下，改变三相电压电流相序，测试误差。

电压不平衡试验：在额定电流，功率因数为1条件下，分别进行单相失压和双相失压下的误差试验。

5次谐波试验，在基波电压为Un、电流为0.5Imax的基础上分别叠加0.1倍基波电压和0.4倍基波电流的5次谐波，进行误差试验。

间谐波试验：在额定电压下，通过特定波形电流产生基波与间谐波相叠加的效果，即输入波形为两周期In与两周期0.5In交替循环的电流[12]，进行间谐波误差试验。

(2)测试1

借助某0.01级不确定度的数字标准源和标准脉冲计数、计时装置，使用瓦秒法[11]对该标准数字化电能表进行误差测试。测试系统框图如图5所示，脉冲计数装置计量被校标准表输出的固定脉冲数目，标准计时装置测量收到这些脉冲数所用的时间，误差计算模块可以根据脉冲数和计时时间计算被校表输出的功率，再与数字标准源的标准功率比较得出误差。每组校验项目的各测试点分别测试10次，取电能计量误差的平均值和标准差，测试结果如表5所示。

序号测试项目平均误差/%误差标准差1基本误差试验0.002 74.5×10-52电压影响量试验0.009 22.2×10-53频率影响量试验-0.000 61.0×10-64逆相序试验-0.000 51.0×10-65电压不平衡试验 0.001 92.3×10-565次谐波试验0.000 97.3×10-57间谐波试验0.0254.3×10-5

(3)测试2

使用该标准数字化电能表和标准脉冲计数装置，对某0.2级数字化电能表进行误差测试结果校验，与同一时间使用某一经过国家标准检定的0.05级数字化电能表校验系统的校验结果进行比对，试验框图如图6所示，标准数字功率源生成IEC 61850协议数据供被校数字化电能表、数字电能表校验装置、标准数字化电能表使用，误差计算模块通过比较被校数字化电能表输出的低频脉冲和标准数字化电能表输出的高频脉冲得出校验误差，再与同步控制状态下的数字化电能表校验系统的校验结果比较。每个测试项目的各测试点分别测试10次，分别求两种校验在各测试项目下测试结果的平均值。测试结果如表6所示。

由测试结果可以看出，文章研制的标准数字化电能表，在标准要求的各数字化电能表校验项目中，电能计量误差均不超过0.03%；使用该标准数字化电能表对0.2级电能表进行校验，与相同测试条件下0.05级数字化电能能表校验系统的校验结果高度一致，校验结果间差值不超过0.01%。

图6 数字化电能表校验结果比较试验框图

序号测试项目标准电能表校验误差σ1(%)校验系统校验误差σ2(%)σ1-σ2(%)1基本误差试验0.015 10.016 4-0.001 32电压影响量试验0.016 20.016 00.000 23频率影响量试验0.016 70.016 5 0.000 24逆相序试验0.012 6 0.016 5 -0.003 95电压不平衡试验0.017 60.016 40.001 265次谐波试验0.015 10.016 9 -0.001 8

4 结束语

(1)分析了数字化电能计量特点对标准数字化电能研制提出的高性能要求，并基于高性能DSP实时系统研制了高频次脉冲输出频率的标准数字化电能表；

(2)测试结果表明：该装置的电能计量误差不超过0.03%。使用该装置对数字化电能表进行校验，与某0.05级的数字化电能表校验系统的校验结果间差值不超过0.01%；

(3)研制的装置可应用于数字化电能表现场在线校验，对数字化电能表在现场实负荷下的计量性能监测和运行状态评估具有重要意义。在今后的研究中，将进一步验证该装置在现场条件下的运行特性。