一种用于关口电能计量装置远程校验的多路模拟采集器的研制

张鼎衢,杨路,宋强,孟庆亮,潘峰

(广东电网有限责任公司计量中心， 广州 510080)

0 引 言

关口电能计量装置现场测试包括关口表运行误差测试、电压互感器(PT)二次压降测试、互感器二次负载测试。人工现场测试时，需要在联合接线盒、互感器就地端子箱处接入测试仪器，在高压场地铺设几百米电缆，并在运行状态下多次松(紧)螺丝、分(合)连片。传统的工作模式工作量大、效率低，易引起失压、分流等计量异常，并存在作业风险[1-2]。目前，国内大部分电力机构仍以人工现场校验为主[3-4]，部分学者已经开展了电能表远程校验的研究[5-7]；也有电力科研机构开始了针对电能计量装置远程监测技术的研究，包括基于电能计量自动化主站数据的监测[2]、二次回路状态监测[8-11]等技术研究。北京电力公司从电能计量装置的管理现状入手，提出一种提高电能计量装置数据管理和应用水平的方法[12]；山东电科院针对计量回路分流窃电方式提出了一种全新的监测手段，利用异频导纳法测试电流回路异频导纳，根据测试导纳值判断回路是否存在分流窃电行为；云南电力试验研究院根据当前建设的智能化变电站开发电能数据采集分析系统，实现对关口电能计量装置的运行工况、准确度掌控以及电能计量数据的数字化、网络化管控；西安工程大学提出了一种支持热插拔的协议适配方案，用于解决电能计量装置远程校验系统多种装置接入的通信问题；广州工业大学提出了将数据数据挖掘技术及人工智能技术应用于监测技术中，并提出了一些初步的应用思路[13]。程瑛颖等人提出了电能计量装置状态模糊综合评估与检验策略，选取多个能够反应电能计量装置运行状态的指标，建立树形评估体系，结合层次分析法和模糊综合评估法得到电能计量装置运行状态的综合评估结果。以上研究均以局部性研究为主，未形成系统性的成果。且基于用电信息采集系统的状态监测过渡依赖终端上送的数据，不能直接反映各计量装置及二次回路的状态，无法对故障进行准确定位，特别是告警阀值设置的范围过大，只能监测到失压、失流等电量差异大的计量故障，无法监控到电能表误差超差、二次压降超差等细微的计量差异，更无法对电能计量装置的健康状态、可靠性进行评估和预测。

研制一种用于关口电能计量装置远程校验的多路模拟采集器，采用高精度穿心式CT、高精度A/D采集电路、CPU处理单元、载波通信单元及时钟电路等部件，运用基于频率自适应的移窗补偿准同步算法进行电参数计算，能够实现电能表端电参量的精确测量，能够采集电能表功率脉冲、PT端及CT端监测数据，实现电能表、PT二次压降及互感器二次负载的远程校验、在线监测等多种应用。

1 概述

多路模拟采集器为关口电能计量装置远程校验装置的核心功能模块之一，采用高精度穿心式0.01级的高稳宽温型CT、内置高精度A/D采集电路与CPU处理单元、通信单元、时钟电路等部件，如图1所示。

图1 多路模拟采集器框架结构及应用模型

采集与测量精度优于0.05%RD(典型值达到0.02%RD)，时钟对时精度不低于1 ms，同步精度不低于1 μs。主要功能包括：采用基于频率自适应的移窗补偿准同步的硬件核心算法，精准监测三相电压、电流、功率；采用宽带载波、LoRa技术，采集PT、CT监测单元数据，进行PT二次压降、互感器二次负载测试与监控；通过采集电能表电能脉冲，进行电能表校验；通过输入回路智能切换以及脉冲输出，进行自校；通过以太网光纤与本地控制单元通信，并通过网络或4G方式实现主站远程校验与在线监测。

2 外观结构

多路模拟采集器具有联合接线盒的外观结构(尺寸200 mm×75 mm×95 mm)，充分考虑了安装空间、现场可操作性和电气可靠性。同时，设计有剩余孔位隔板、连片位置挡板、封印安装孔等防窃电措施，防止在使用中出现窃电现象，如图2所示。

图2 多路模拟采集器外观图

现场安装时，可直接替换原有接线盒使用，施工简单，降低了应用难度。

3 硬件与软件设计

多路模拟采集器采用BF609核心板进行设计，如图3所示。

BF609用来完成交流采样与计算、PT、CT监测单元及电能数据的抄读、时钟同步、在线校验及其它测试任务等。硬件计算采用点积和、改进准同步的算法，可以保证整个装置的精度达到0.05级要求。同时，利用BF609的高性能定时器的特性，最高可以实现高达30 ns的时钟同步性能。

对于电压的采集采用电阻分压方式(输入阻抗100 kΩ)，电流的采集采用穿心式0.01级零磁通电流互感器，并使用零负载方式的I/V变换电路，再通过高精度低噪声运放ADA4522-2作为信号缓冲与放大。该设计可以保证不接入电流回路，所带入的负载约为0.09 VA(按照三相四线接线、额定电压57.7 V计算)，对计量回路的影响可以忽略不计。

在模数转换环节，为实现高速高精度采集，选用8通道的18位高精度同步采样模数转换器(AD7608)。使用固定采样率12.8 kHz，采样周期78 μs，即对50 Hz工频信号每周波采集256点，使用BF609的Sport口双线方式读取8通道全部数据，仅需要7.2 μs(按10 MHz、4通道72个时钟信号计算)，综合其它因素，每个采样点的最大读取时间不到10 μs, 文中采用8倍过采样方式，此时的转换时间约40 μs，SNR约98 dB，有效地提高数据采集的精度与稳定性。

对于电能表的在线检验，采用了标准表法：通过比对自身功率与电能表功率(通过采集电能表电脉冲)，实现电能表误差测试。该模块设计两套有功、无功脉冲输入口，通过光耦隔离后，用I/O口来进行采集，可同时对两块电能表进行在线校验。

为实现自校，设计有功、无功脉冲输出口，并进行光耦隔离，以保证系统的可靠性。同时，每个采集通道均设计信号继电器，可实现多路模拟采集器测量或自校回路智能切换。

同步时钟电路采用宽带载波的方式，利用E2E或P2P的方式进行，同步信号输入口使用IO+定时器的方式。同时，预留一个GPS/北斗授时模块，保证时钟同步的可靠性。

供电电源采用外置电源设计(220 V AC/DC转12 V DC)，其额定输出功率10 W，满足多路模拟采集器理论计算的最大功耗7.25 W的要求。

如图4所示，多路模拟采集器的软件在基于ADI提供的CCES开发环境下进行开发，自带UCOS实时操作系统，为了达到更高的交流采集性能，采用双核心方式。其中，核心CORE1采集AD7608的数据并完成相关计算，并通过共享数据存储的方式，将这些数据传给核心CORE0。

图4 多路模拟采集器主控程序框架图

其中，主控程序采用BF609的核心CORE0完成协议转发、数据存储与分析等功能。AD7608采集部分程序设计部分在核心CORE1上运行，完成所有电参数采集与计算后，将相关的计算结果存储到BF609的数据共享区，并通知核心CORE0进行读取。程序的计算部分综合采用了改进型准同步算法、点积和算法、FFT等多种算法，针对可能存在频率波动或波形畸变的实际信号，可达到0.001 Hz的测量精度，为电压、电流及功率的准确计算提供了保障。同时，软件设计还包括交采出厂精度校准流程、交采精度在线自校验流程、电能表校验流程、PT二次压降校验流程、通信协议设计、数据结构设计、通信接口设计与定义等多个内容。

4 算法分析

交流采样是对被测信号的瞬时值进行采样，然后对采样值进行计算获取被测量的信息，然而，实际运行负荷复杂多变，电压、电流随时间的变化具有波动性，存在一定的频率偏移。为实现高准确度测量，理论上应使用同步采样方式，然而在工程实际中，尤其是在非正弦波形情况下，由于硬件锁相环电路的跟踪误差或采样频率软件自动锁定误差的存在，总存在着同步误差，很难达到理想采样，即非同步是绝对的，同步是相对的。另一方面，为保证数据的实时性，整个计算过程需要在极短的时间内完成。因此，在实际数值计算过程中，需采用合理的算法来提高计算精度和减少计算时长[14-15]。选用了点积和算法和准同步算法作为电参数的主要计算方法。其中，点积和算法主要用于电压、电流、功率等的计算，准同步算法主要用于频率的计算。同时，对准同步算法进行了改进，创新的采用了频率自适应和移窗补偿的方法，既能保证频率测量的精度，又可以提高运算速度。

4.1 点积和算法

点积和算法是电参数计算中最常用、简单的计算方法，可以直接利用ADC(模数转换)的采样值进行简单的乘加运算即可获得计算值，具体如下：

参考GB/T 20840.8-2007《电子式电流互感器》中的暂态电压电流模型，若取τ=1/2πf，离散后τ=N/2π，则N点离散化后公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中U、I为电压、电流的有效值；k取整数。将采样点数据代入式(1)～ 式(3)，可计算电压、电流和功率，根据式(4)可计算一定时间的电能:

W=Pt

(4)

点积和计算步骤较为简单，在硬件计算中可以快速实现。因此，在理想的基波信号下，选择点积和算法既能保证计算精度又能保证计量速度。然而，实际被测信号非正弦信号，并具有波动性，可以增加采样点数(N)和计算周波数(n)来保证计算精度，但增加了计算时长，且无法消除非同步采样引起的误差。为此，在点积和算法的基础上选用了准同步算法，并对算法进行了改进。

4.2 准同步算法

令采样频率偏差为Δ/2π，x0是起始点对应的角度值，则周期信号f(x)在一个周期内的平均值为：

(5)

设Fn(x)为f(x)迭代n次后的函数，则：

(6)

对于周期函数，必有：

(7)

假设f(x)为角度偏差为Δ的余弦信号f(x)=cos(x)，则：

(8)

(9)

对于非同步采样时，由于Δ一般很小，所以 sin(Δ)≈Δ，相对误差为：

(10)

相对误差最大值为：

(11)

按照准同步递推计算，每增加一次递推，则相对误差缩小了约Δ/(2π+Δ)倍，多次递推后，非同步误差逐步消除[16]。

4.3 频率自适应算法

运行采样数值进行点积和、准同步递推计算时，需要准确测量信号的频率，从而获得准确的采样点数[17-18]。信号的频率可以通过零比较法测量，设两个过零点之间一个周期的采样点为：y1，y2，…，yn，其过零点之间的采样点数为n。

根据图5可知：第一个从零到正过零时间差tΔ1=T1-TZ1，第二个从负到零的时间差tΔ2=TZ2-TZ，一个周期非同步时间差tΔ=tΔ1+tΔ2。令t=x/ω，则：

图5 过零比较法测量信号频率原理图

Δ1=2π×tΔ1/(tΔ1+nTs)

(12)

Δn=2π×tΔ/(tΔ+nTs)

(13)

根据准同步算法，设f(x)=cos(x)，则：

(14)

设：

(15)

对于使用频率自适应的准同步算法的n次递推公式可改写为：

(16)

(17)

则：

(18)

由于：

(19)

γn的最大值为1/n。所以，Fn的递归速度主要与采样点数有关和信号频率的关系比较小，且递归一次的衰减值约为每周波采样点数倒数的n次幂。因此，频率的影响被有效降低。

4.4 移窗补偿算法

按照准同步递推公式可知：

(20)

(21)

设：

(22)

则：

(23)

5 测试与验证

5.1 算法测试

为验证上述算法，选择12 800固定采样率和10个周波的采样点，分别用点积和方式和5阶改进准同步方式对50 Hz、 55 Hz信号进行计算，测试时长1 h，如图6～图9所示，得出如下结论：在50 Hz信号时，两种方法的计算结果均很好，测量误差波动均在 0.002%以内。当信号为55 Hz时，选用点积和方式计算的最大测量误差波动增大到 0.005%，并具有非同步采样导致的周期性误差波动。选用5阶改进准同步测量的精度较高，测量误差波动仅为0.002%。将采样点数增加至25个周波时，选用点积和方式计算的最大测量误差可达到0.0026%。

图6 50 Hz信号8周波点积和测量误差

图7 55 Hz信号8周波点积和测量误差

图8 55 Hz信号5阶准同测量误差

图9 55 Hz信号25周波点积和测量误差

因此，在采样点数有限、计算时间相同的情况下，改进准同步算法的计算精度相比点积和算法提高了2.5倍，若达到同样的计算精度，点积和算法需要更多的采样点数，花费约2.5倍的计算时长。可见，改进准同步算法可有效地克服由于非同步采样而导致的计算误差，可达到较好的测量精度，有效地提高了计算速度，大大提高了算法的适用性，可在电参数测量中得到更广泛的应用[19-20]。

5.2 装置稳定性测试

为验证装置的稳定性，对装置在室温下进行长时间稳定性测试，如图10、图11所示，经测试长时间下，装置的频率、电压等都具有较好的稳定度。

图10 53.3 Hz信号48小时电压测量误差

图11 53.3 Hz信号48小时频率测量误差

5.3 装置检测结果

为验证多路模拟采集器在绝缘性能、环境试验、计量性能是否满足要求，委托了华南国家计量测试中心广东省计量科学研究院对多路模拟采集器进行相关检测，并出具了检测报告。

装置运行测试，检测项目：(1)振动试验；(2)高低温试验；(3)绝缘电阻试验；(4)绝缘强度试验；(5)冲击电压试验；(6)静电放电抗扰度；(7)射频连续波辐射骚扰抗扰度；(8)电快速瞬变脉冲群抗扰度；(9)浪涌(冲击)抗扰度；(10)工频磁场抗扰度。经测试，被测装置在以上检测项目的实测结果均满足相应要求，检测合格(检测报告编号：XNZ2019348)。

装置误差测试，检测项目：(1)直观和通电检查；(2)交流电压；(3)交流电流；(4)频率；(5)交流功率；(6)功率因数；(7)有功电能误差；(8)无功电能误差。经测试，被测装置在以上检测项目的相对误差满足0.05级准确度要求，检测合格(检测证书编号：DBN201912544)。

6 结束语

文中详细介绍了多路模拟采集器的结构、软硬件设计、功能设计、算法分析等内容。该装置可直接替换原有接线盒使用，能够实现电能表端电参量的精确测量，能够采集电能表功率脉冲、PT端及CT端监测数据，实现电能表、PT二次压降及互感器二次负载的远程校验、在线监测等多种应用。该装置为关口电能计量装置的安全、准确及可靠运行提供了一套解决方案，对推进关口电能计量装置状态巡检、保证作业人员安全、提高关口运行管理水平等方面有着重要的促进作用，确保了关口计量的准确性和电力贸易双方的公平公正。