基于电子式互感器的电能计量系统校准方法研究

李 刚，蒋鑫源，何道远，吴云浪

(1.国家电网重庆市电力公司营销服务中心，重庆 400015;2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211106)

0 引言

在电能测量实践中，电压变压器(voltage transformer,VT)和电流变压器(current transformer,CT)是工业和科研应用中常用的电力传感器[1]。这种传感器基于简单的工作原理，其坚固的结构保证了在时间和繁重工作条件下的高可靠性。作为被动设备，它不需要任何外部电源，并能保证输入和输出端子之间的高电流绝缘。尽管有时会在带宽上受到限制，但它的计量特性通常适用于大多数电力场合，如输入和输出范围以及测量误差、校准等[2-3]。

在电力系统中，传统高压电能计量系统主要包括三个部分：仪用变压器(包括电流互感器和电压互感器)、金属二次回路电缆和功率表(power meter,PM)[4]。在传统的高压电能计量系统体系中，高压互感器的输出为5 A或1 A(电流互感器)/100 V或120 V(电压互感器)。在PM内部，通过使用I/U和V/U转换器，将5 A/100 V信号转换成适合模拟/数字(analog/digital,A/D)转换的低电平值[3]。然后，将来自模数转换器(analog-to-digital converter,ADC)的数字信号发送到数字信号处理(digital signal processing,DSP)单元，使用特定的算法来计算电参数，如有功功率、无功功率和电能等[5]。在PM的实现过程中，需要考虑如下参数：采样率、模数转换器ADC的采样方式以及相位角的补偿等。常规高压电源的校准方法计量系统是通过对其组成部分分别进行标定，然后将几种误差源结合起来，得到系统的综合不确定度[6]。高压电子式互感器器(electronic instrument transformers,EITs)和数字接口功率计(digital power meter,DPM)是该系统的组成部分，EITs可以直接输出数字信号。在国际电工委员会IEC标准的附录中，有一种方法与上述传统方法使用了相同的原理，以获得基于电子式互感器的电能计量系统的集成不确定度[7]。

虽然如此，在DPM中，不再需要U/U、I/U转换器和其他模拟电路，DPM可以作为PM的纯数字部分。因此，传统的PM是电能计量系统的独立组成部分，其精度由自身决定。但DPM是不一样的。DPM的准确性不仅取决于DPM本身，还取决于EITs。来自EITs的采样数据，有功功率、无功功率和电能通常使用DPMs内的特定数字信号处理器进行计算[8-10]。当工作者评估该系统的性能时，需要考虑的以下四个问题。①电子式电流互感器(electronic current transformer,ECT)和电子式电压互感器(electronic voltage transforner,EVT)的采样数据同步，当采样状态同步而二者在不同相时有可能出现计量错误。②电子式互感器中模数转换器的实际采样速率，当电压/电流信号的总谐波失真较高时，ADC的采样率需要足够高才能满足电能计量系统的精度等级。③电子式互感器信号传输的延迟时间，根据IEC标准，最大额定延迟时间要求小于500 μs。实际上，不同的电子式互感器装置延迟时间可能不同。当延迟发生时，ECT和EVT在同一相位的变化相当大，可能会引起DPM明显的不确定性；④DPM不能根据电流的不同范围来补偿ECT内部信号调理电路的增益和相位角。因此，当一次电流远低于额定值时，电能计量系统的精度可能很差[11]。

在这种情况下，尽管ECT和EVT在单独校准时可能具有较高的精度水平，但系统的不确定度可能高于使用传统方法估计的综合不确定度，甚至超出所需的限制。另外，DPMs和EITs通常由不同的厂家设计，其采样率、延迟时间、同步/异步采样方式等相应的技术指标可能有很大的不同。对于这种类型的电能计量系统，应该把它的所有部件作为一个整体来进行校准。EIT技术已经发展了许多年，并在近些年得到了广泛的应用[12]。数字化输出的DPM和EITs在电力系统中的应用须考虑到这些问题，但现今公开发表的研究论文很少。本文提出的方法可以应对那些迫切需要解决的实际问题。

1 电能计量系统的工作原理

1.1 电子式互感器

电子式交流互感器包括电子式交流电压互感器和电子式交流电流互感器。电子式电流互感器的主要特点有：①集计量、测量、保护功能于一体；②磁芯磁导率高，产品精度高，整个工作区间内线性好；③基于低功率小线圈原理制成，输出信号为低电压小信号；④二次信号传输采用屏蔽电缆，减少干扰。

电子式电压互感器的主要特点有：①频响范围宽，测量范围大，线性度好，在系统故障状态下可使保护装置可靠动作；②电压二次输出端短路时不会产生过电流，也不会产生铁磁谐振，根除了电力系统运行中的重大故障隐患，保障了人员和设备的安全；③直接输出小电压信号，简化了系统结构、减少了误差源；④二次信号传输采用屏蔽电缆，减少了干扰。

电子式互感器与传统的电磁互感器相比，具有更多优点。其在通信、安全、校准纠错以及智能化程度等方面改进很大[13]。电子式互感器的通用原理如图1所示。

图1 电子式互感器的通用原理框图

1.2 高压电能计量系统的结构

三相带EITs的高压电能计量系统输电线路间隔由三相电子式电流互感器、三相电子式电压互感器、一个合并单元(MU)和一个DPM构成。高压电能计量系统原理如图2所示。通常情况下，使用两根光纤将电子式互感器连接到控制室的合并单元。针对电子式互感器，采用双通道模式：一个通道用来接收采样命令；另一个通道用来发送采样数据。所有电子式互感器的同步采样都可以通过命令通道同时向它们发送相同的采样命令。

图2 高压电能计量系统原理框图

图2中，三相电流和电压互感器的输出是数字光脉冲信号，通过光纤传输到合并单元。电子式互感器的所有输出使用特定的数据帧格式，在合并单元中组合，并传输到数字接口功率计。合并单元主要有两个功能：一是根据IEC 61850 LE和 IEC 60044-8，将电子式互感器的输出信号转换成标准输出；二是同步电子式互感器的采样过程，合并单元可以接收外部触发信号来启动电子式互感器的采样过程。在接收到来自合并单元的串行输出之后，DPM首先对采样数据进行解码，然后根据同相电压和电流采样数据进行功率和能量计算。

1.3 电子式互感器的校准

使用数字化电子式互感器输出校准时采用的是参考仪用变压器(reference instrument transformer，RIT)。图3为电子式互感器校准系统原理框图。

图3 电子式互感器校准系统原理框图

被校准的 ECT通过传感器测得一次侧电流。一次侧转换器通过光纤将一次侧电流传输至二次侧转换器。二次输出信号输入到采样系统2(DSS2)。利用标准互感器，校准系统得到二次电流信号，通过电流/电压(I/U)转换单元得到二次电压信号并输入到采样系统1(DSS1)和 采样系统2中。采样系统2将被校互感器的输出信号与标准信号作差，并在同步时钟脉冲信号下将该差值信号与采样系统1的标准信号输入到工控机中，由计算软件完成比值误差和相位误差的分析和计算[14]。

1.4 DPM的校准

DPM只接收数字信号，因此其校准过程可以使用基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的数字系统实现。FPGA是一种由用户配置的集成电路，其配置通常使用硬件描述语言(hardware description language,HDL)指定。图4为基于FPGA的DPM校准器原理框图。

在图4中，只读存储器(read only memory,ROM)存储某一时刻或某一时间段电压和电流的采集数据。ROM电压用于采集电压数据，ROM电流用于采集电流数据。在生成电压和电流采样数据时，地址发生器用于循环解决特定采样点的问题，可以修改电压和电流信号之间的相位角。数据帧生成单元的作用是将电压和电流采样数据编码为DPM可以接收的格式[15]。

图4 基于FPGA的DPM校准器原理框图

1.5 电子式互感器高压电能计量系统的校准

理想的电子式互感器电能计量系统的校准方法是用高压标准电源同时向ECT和EVT施加高压和电流信号。但是商用标准电源的输出电压不超过1 kV，远低于电力系统中几百千伏的电压水平。实际上，有功功率和无功功率都可以通过电流值和电压值相乘计算。如果知道电压或电流一个固定值和它们之间的相角，那么就可以计算有功功率和无功功率。因此，可以在EITs的校准过程中对高压电能计量系统进行校准。电能计量系统校准方法原理如图5所示。

图5 电能计量系统校准方法原理图

图5中，RIT是一个标准式的参考仪用变压器(包括ECT和EVT)，为校准系统提供参考信号。I/U转换器由一个小电流互感器和分流器组合而成，把5 A的输入电流转换成一个低电平模拟电压信号(5 V)。U/U转换器是一个电压比100 V/5 V的小型电压互感器。RIT的输出(RCT为5 A，RVT为100 V)通过I/U或U/U转换器转换为低电平模拟电压信号，使用万用表对其进行测量。然后，万用表的采样数据发送到基于LabVIEW的PM。该PM是参考计量系统的一部分，用于提供校准过程中使用的标准电气参数。而DPM是计量系统测试过程中的一个重要组件，DPM的两个输入信号由参考仪用变压器(RIT)和FPGA单元提供，与图4所示的DPM校准器原理相同。

DPM将结果发送到计算机端，PM和DPM结果之间的差异是在同一台计算机中计算的。因此，这两者计量结果之间的差异可以在计算机上获得。在图5中，FPGA内部包括同步锁相环和延时控制单元，用一个相位测量单元通过RIT和I/U或U/U转换器测量高压或电流的相位信息。FPGA内部的ROM采集的电压和电流信号可以同步到RIT中。同时，锁相环和延迟控制单元可以同步万用表和MU的采样过程。

校准流程的方法主要包括以下两个步骤。

①电压通道测试。在FPGA的ROM表中，将MU中当前信道的采样数据固定为0x2D41H，由EIT提供电压信道，EIT的额定数字输出为0x2D41H rms，如图5所示。MU从EVT中获取电压采样数据，从FPGA内部的ROM中获取电流采样数据。电压采样数据和固定电流采样数据都可以通过MU发送到DPM。然后通过以太网接口将DPM的测量结果发送到计算机端，RVT和EVT的高压输入通过高压发生器完成。RVT提供参考信号，使用ROM的电流采样数据和万用表测量的电压数据来计算参考电参数，例如电压、相位和功率。通过改变额定电压的80%～120%的高压范围，比较两种电能计量结果，即得到电能计量系统随电压信号变化的综合测量不确定度。

②电流通道测试。MU中：电压通道的采样数据固定为0x2D41H；电流通道采样数据来自ECT，它连接到电流发生器(1～2 000 A)；电流和电压采样数据均可通过MU发送到DPM。DPM的测量结果通过以太网接口发送到计算机端。RCT的输出作为参考信号，通过万用表的数值获取。之后利用固定电压采样数据和RCT的电流采样数据，计算出均方根电流、相位和功率等参考电参数。通过改变额定电流的1%～120%的范围，比较两种电能计量结果，得到电能计量系统随电流信号变化的综合测量不确定度。

2 性能评估

2.1 校准系统的不确定度预算

在图5中，3458A万用表、相位测量单元、FPGA单元和基于LabVIEW的PM单元一起构成了基准PM模块。使用Fluke 6100A电能功率标准源，用于替换图5中的RIT和I/U或U/U单元。Fluke 6100A的标准电压信号，由3458A采样模拟基于LabVIEW的PM的电压或电流信号，另一个电流或电压信号由FPGA内部的ROM表中获得。测量流程步骤与上节中提到的校准过程相同。测试结果表明，电压、电流和有功功率测量的不确定度远小于10-8数量级，电压、电流测量的相位误差小于50 μrad。

锁相延迟控制单元和MU构成FPGA的核心部位，内部设计为时序逻辑电路。因此，幅值的不确定度为零，相位误差仅由信号延时引起。在Quartus II软件环境下，用Verilog HDL语言实现FPGA内部的时序逻辑电路，也可以从Quartus II的仿真结果中得到这些单元的延迟时间。结果表明，由锁相延迟控制单元引起的信号延迟时间约为38 ns，由MU引起的信号延迟时间约为57 ns(FPGA内部的时钟频率为200 MHz)。锁相延迟控制单元的总时延约为95 ns，在线路频率50 Hz时的相位误差约为30 μrad。图5中的RCT/RVT是电感式仪用变压器，相位误差为80 μrad，相对不确定度为10×100-6。Fluke万用表的测量不确定度约为10×100-6。校准系统总的不确定度如表1所示。

表1 校准系统总的不确定度表

从表1可以得出结论：该校准系统的量级为10×200-6。因此，它可以用来校准功率计量不确定度大于0.2%的系统。此外，在0.2级互感器和0.2级电能表的常规电能计量系统中，其综合不确定度估计为0.7%。因此，上述校准系统估计的不确定度比要求高出三倍以上。

2.2 试验案例分析

为了验证本文所提出方法的性能，在35 kV电压等级，对带有EITs的电能计量系统进行了测试。电子式互感器ADC的采样速率设置为12.8 kHz，由MU控制。使用常规方法估计系统的不确定度γ：

γ=γECT+γEVT+γDPM

(1)

式中：γECT为ECT的相对不确定度；γEVT为EVT的相对不确定度；γDPM为DPM的相对不确定度。

当使用图2所示的测试设置电路在额定电压(3/35 kV)和额定电流(200 A)条件下进行5次测试，所选ECT和EVT满足IEC 0.2 s级精度限制。使用如图3所示的基于FPGA的DPM校准器，得到被测DPM的不确定度为0.05%。根据式(1)，带有EITs的单相电能计量系统的估计综合不确定度γ为0.45%。

采用本文提出的校准方法，对电压通道进行测试，不确定度为0.46%；而对电流通道测试，不确定度为0.58%。在对EITs的详细测试结果进行分析后，发现ECT的额定延迟时间为200 μs，EVT的额定延迟时间为20 μs。因此，当该电能计量系统在电力系统中投入使用时，其实际不确定度(0.58%)比用传统方法估计的综合不确定度(0.45%)要低。在异步采样条件下同时进行同相ECT和EVT测试，最终电能计量结果的总不确定度可达1.5%。该结果远大于传统方法估计的积分不确定度(0.45%)。

3 结论

本文提出了一种基于EITs的计量系统及校准方法。该方法具有一定的新颖性及使用价值。本文描述了其开发和性能评估，对计量系统的各部位进行了校准，包括误差的来源、电子式互感器高压电能计量系统的校准、电子式互感器的校准、DPM的校准等；对电能计量系统的不确定度进行了评估，并给出了试验案例分析。相比较于传统计量方法，本文所提出的计量校准方法在精确度上有了非常大的提高。研究结果显示，该高压电能计量系统校准方法对EITs校准电能计量系统的发展有一定的促进作用。