李 剛，蔣鑫源，何道遠(yuǎn)，吳云浪

(1.國(guó)家電網(wǎng)重慶市電力公司營(yíng)銷服務(wù)中心，重慶 400015;2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引言

在電能測(cè)量實(shí)踐中，電壓變壓器(voltage transformer,VT)和電流變壓器(current transformer,CT)是工業(yè)和科研應(yīng)用中常用的電力傳感器[1]。這種傳感器基于簡(jiǎn)單的工作原理，其堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)保證了在時(shí)間和繁重工作條件下的高可靠性。作為被動(dòng)設(shè)備，它不需要任何外部電源，并能保證輸入和輸出端子之間的高電流絕緣。盡管有時(shí)會(huì)在帶寬上受到限制，但它的計(jì)量特性通常適用于大多數(shù)電力場(chǎng)合，如輸入和輸出范圍以及測(cè)量誤差、校準(zhǔn)等[2-3]。

在電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)高壓電能計(jì)量系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：儀用變壓器(包括電流互感器和電壓互感器)、金屬二次回路電纜和功率表(power meter,PM)[4]。在傳統(tǒng)的高壓電能計(jì)量系統(tǒng)體系中，高壓互感器的輸出為5 A或1 A(電流互感器)/100 V或120 V(電壓互感器)。在PM內(nèi)部，通過(guò)使用I/U和V/U轉(zhuǎn)換器，將5 A/100 V信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合模擬/數(shù)字(analog/digital,A/D)轉(zhuǎn)換的低電平值[3]。然后，將來(lái)自模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)的數(shù)字信號(hào)發(fā)送到數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processing,DSP)單元，使用特定的算法來(lái)計(jì)算電參數(shù)，如有功功率、無(wú)功功率和電能等[5]。在PM的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，需要考慮如下參數(shù)：采樣率、模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的采樣方式以及相位角的補(bǔ)償?shù)取３Ｒ?guī)高壓電源的校準(zhǔn)方法計(jì)量系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)其組成部分分別進(jìn)行標(biāo)定，然后將幾種誤差源結(jié)合起來(lái)，得到系統(tǒng)的綜合不確定度[6]。高壓電子式互感器器(electronic instrument transformers,EITs)和數(shù)字接口功率計(jì)(digital power meter,DPM)是該系統(tǒng)的組成部分，EITs可以直接輸出數(shù)字信號(hào)。在國(guó)際電工委員會(huì)IEC標(biāo)準(zhǔn)的附錄中，有一種方法與上述傳統(tǒng)方法使用了相同的原理，以獲得基于電子式互感器的電能計(jì)量系統(tǒng)的集成不確定度[7]。

雖然如此，在DPM中，不再需要U/U、I/U轉(zhuǎn)換器和其他模擬電路，DPM可以作為PM的純數(shù)字部分。因此，傳統(tǒng)的PM是電能計(jì)量系統(tǒng)的獨(dú)立組成部分，其精度由自身決定。但DPM是不一樣的。DPM的準(zhǔn)確性不僅取決于DPM本身，還取決于EITs。來(lái)自EITs的采樣數(shù)據(jù)，有功功率、無(wú)功功率和電能通常使用DPMs內(nèi)的特定數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行計(jì)算[8-10]。當(dāng)工作者評(píng)估該系統(tǒng)的性能時(shí)，需要考慮的以下四個(gè)問題。①電子式電流互感器(electronic current transformer,ECT)和電子式電壓互感器(electronic voltage transforner,EVT)的采樣數(shù)據(jù)同步，當(dāng)采樣狀態(tài)同步而二者在不同相時(shí)有可能出現(xiàn)計(jì)量錯(cuò)誤。②電子式互感器中模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)際采樣速率，當(dāng)電壓/電流信號(hào)的總諧波失真較高時(shí)，ADC的采樣率需要足夠高才能滿足電能計(jì)量系統(tǒng)的精度等級(jí)。③電子式互感器信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，最大額定延遲時(shí)間要求小于500 μs。實(shí)際上，不同的電子式互感器裝置延遲時(shí)間可能不同。當(dāng)延遲發(fā)生時(shí)，ECT和EVT在同一相位的變化相當(dāng)大，可能會(huì)引起DPM明顯的不確定性；④DPM不能根據(jù)電流的不同范圍來(lái)補(bǔ)償ECT內(nèi)部信號(hào)調(diào)理電路的增益和相位角。因此，當(dāng)一次電流遠(yuǎn)低于額定值時(shí)，電能計(jì)量系統(tǒng)的精度可能很差[11]。

在這種情況下，盡管ECT和EVT在單獨(dú)校準(zhǔn)時(shí)可能具有較高的精度水平，但系統(tǒng)的不確定度可能高于使用傳統(tǒng)方法估計(jì)的綜合不確定度，甚至超出所需的限制。另外，DPMs和EITs通常由不同的廠家設(shè)計(jì)，其采樣率、延遲時(shí)間、同步/異步采樣方式等相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)可能有很大的不同。對(duì)于這種類型的電能計(jì)量系統(tǒng)，應(yīng)該把它的所有部件作為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)。EIT技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了許多年，并在近些年得到了廣泛的應(yīng)用[12]。數(shù)字化輸出的DPM和EITs在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用須考慮到這些問題，但現(xiàn)今公開發(fā)表的研究論文很少。本文提出的方法可以應(yīng)對(duì)那些迫切需要解決的實(shí)際問題。

1 電能計(jì)量系統(tǒng)的工作原理

1.1 電子式互感器

電子式交流互感器包括電子式交流電壓互感器和電子式交流電流互感器。電子式電流互感器的主要特點(diǎn)有：①集計(jì)量、測(cè)量、保護(hù)功能于一體；②磁芯磁導(dǎo)率高，產(chǎn)品精度高，整個(gè)工作區(qū)間內(nèi)線性好；③基于低功率小線圈原理制成，輸出信號(hào)為低電壓小信號(hào)；④二次信號(hào)傳輸采用屏蔽電纜，減少干擾。

電子式電壓互感器的主要特點(diǎn)有：①頻響范圍寬，測(cè)量范圍大，線性度好，在系統(tǒng)故障狀態(tài)下可使保護(hù)裝置可靠動(dòng)作；②電壓二次輸出端短路時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電流，也不會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振，根除了電力系統(tǒng)運(yùn)行中的重大故障隱患，保障了人員和設(shè)備的安全；③直接輸出小電壓信號(hào)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減少了誤差源；④二次信號(hào)傳輸采用屏蔽電纜，減少了干擾。

電子式互感器與傳統(tǒng)的電磁互感器相比，具有更多優(yōu)點(diǎn)。其在通信、安全、校準(zhǔn)糾錯(cuò)以及智能化程度等方面改進(jìn)很大[13]。電子式互感器的通用原理如圖1所示。

圖1 電子式互感器的通用原理框圖

1.2 高壓電能計(jì)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

三相帶EITs的高壓電能計(jì)量系統(tǒng)輸電線路間隔由三相電子式電流互感器、三相電子式電壓互感器、一個(gè)合并單元(MU)和一個(gè)DPM構(gòu)成。高壓電能計(jì)量系統(tǒng)原理如圖2所示。通常情況下，使用兩根光纖將電子式互感器連接到控制室的合并單元。針對(duì)電子式互感器，采用雙通道模式：一個(gè)通道用來(lái)接收采樣命令；另一個(gè)通道用來(lái)發(fā)送采樣數(shù)據(jù)。所有電子式互感器的同步采樣都可以通過(guò)命令通道同時(shí)向它們發(fā)送相同的采樣命令。

圖2 高壓電能計(jì)量系統(tǒng)原理框圖

圖2中，三相電流和電壓互感器的輸出是數(shù)字光脈沖信號(hào)，通過(guò)光纖傳輸?shù)胶喜卧?。電子式互感器的所有輸出使用特定的?shù)據(jù)幀格式，在合并單元中組合，并傳輸?shù)綌?shù)字接口功率計(jì)。合并單元主要有兩個(gè)功能：一是根據(jù)IEC 61850 LE和 IEC 60044-8，將電子式互感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)輸出；二是同步電子式互感器的采樣過(guò)程，合并單元可以接收外部觸發(fā)信號(hào)來(lái)啟動(dòng)電子式互感器的采樣過(guò)程。在接收到來(lái)自合并單元的串行輸出之后，DPM首先對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，然后根據(jù)同相電壓和電流采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行功率和能量計(jì)算。

1.3 電子式互感器的校準(zhǔn)

使用數(shù)字化電子式互感器輸出校準(zhǔn)時(shí)采用的是參考儀用變壓器(reference instrument transformer，RIT)。圖3為電子式互感器校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖。

圖3 電子式互感器校準(zhǔn)系統(tǒng)原理框圖

被校準(zhǔn)的 ECT通過(guò)傳感器測(cè)得一次側(cè)電流。一次側(cè)轉(zhuǎn)換器通過(guò)光纖將一次側(cè)電流傳輸至二次側(cè)轉(zhuǎn)換器。二次輸出信號(hào)輸入到采樣系統(tǒng)2(DSS2)。利用標(biāo)準(zhǔn)互感器，校準(zhǔn)系統(tǒng)得到二次電流信號(hào)，通過(guò)電流/電壓(I/U)轉(zhuǎn)換單元得到二次電壓信號(hào)并輸入到采樣系統(tǒng)1(DSS1)和 采樣系統(tǒng)2中。采樣系統(tǒng)2將被?；ジ衅鞯妮敵鲂盘?hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作差，并在同步時(shí)鐘脈沖信號(hào)下將該差值信號(hào)與采樣系統(tǒng)1的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸入到工控機(jī)中，由計(jì)算軟件完成比值誤差和相位誤差的分析和計(jì)算[14]。

1.4 DPM的校準(zhǔn)

DPM只接收數(shù)字信號(hào)，因此其校準(zhǔn)過(guò)程可以使用基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)的數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。FPGA是一種由用戶配置的集成電路，其配置通常使用硬件描述語(yǔ)言(hardware description language,HDL)指定。圖4為基于FPGA的DPM校準(zhǔn)器原理框圖。

在圖4中，只讀存儲(chǔ)器(read only memory,ROM)存儲(chǔ)某一時(shí)刻或某一時(shí)間段電壓和電流的采集數(shù)據(jù)。ROM電壓用于采集電壓數(shù)據(jù)，ROM電流用于采集電流數(shù)據(jù)。在生成電壓和電流采樣數(shù)據(jù)時(shí)，地址發(fā)生器用于循環(huán)解決特定采樣點(diǎn)的問題，可以修改電壓和電流信號(hào)之間的相位角。數(shù)據(jù)幀生成單元的作用是將電壓和電流采樣數(shù)據(jù)編碼為DPM可以接收的格式[15]。

圖4 基于FPGA的DPM校準(zhǔn)器原理框圖

1.5 電子式互感器高壓電能計(jì)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)

理想的電子式互感器電能計(jì)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法是用高壓標(biāo)準(zhǔn)電源同時(shí)向ECT和EVT施加高壓和電流信號(hào)。但是商用標(biāo)準(zhǔn)電源的輸出電壓不超過(guò)1 kV，遠(yuǎn)低于電力系統(tǒng)中幾百千伏的電壓水平。實(shí)際上，有功功率和無(wú)功功率都可以通過(guò)電流值和電壓值相乘計(jì)算。如果知道電壓或電流一個(gè)固定值和它們之間的相角，那么就可以計(jì)算有功功率和無(wú)功功率。因此，可以在EITs的校準(zhǔn)過(guò)程中對(duì)高壓電能計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。電能計(jì)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法原理如圖5所示。

圖5 電能計(jì)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法原理圖

圖5中，RIT是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)式的參考儀用變壓器(包括ECT和EVT)，為校準(zhǔn)系統(tǒng)提供參考信號(hào)。I/U轉(zhuǎn)換器由一個(gè)小電流互感器和分流器組合而成，把5 A的輸入電流轉(zhuǎn)換成一個(gè)低電平模擬電壓信號(hào)(5 V)。U/U轉(zhuǎn)換器是一個(gè)電壓比100 V/5 V的小型電壓互感器。RIT的輸出(RCT為5 A，RVT為100 V)通過(guò)I/U或U/U轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為低電平模擬電壓信號(hào)，使用萬(wàn)用表對(duì)其進(jìn)行測(cè)量。然后，萬(wàn)用表的采樣數(shù)據(jù)發(fā)送到基于LabVIEW的PM。該P(yáng)M是參考計(jì)量系統(tǒng)的一部分，用于提供校準(zhǔn)過(guò)程中使用的標(biāo)準(zhǔn)電氣參數(shù)。而DPM是計(jì)量系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中的一個(gè)重要組件，DPM的兩個(gè)輸入信號(hào)由參考儀用變壓器(RIT)和FPGA單元提供，與圖4所示的DPM校準(zhǔn)器原理相同。

DPM將結(jié)果發(fā)送到計(jì)算機(jī)端，PM和DPM結(jié)果之間的差異是在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)中計(jì)算的。因此，這兩者計(jì)量結(jié)果之間的差異可以在計(jì)算機(jī)上獲得。在圖5中，F(xiàn)PGA內(nèi)部包括同步鎖相環(huán)和延時(shí)控制單元，用一個(gè)相位測(cè)量單元通過(guò)RIT和I/U或U/U轉(zhuǎn)換器測(cè)量高壓或電流的相位信息。FPGA內(nèi)部的ROM采集的電壓和電流信號(hào)可以同步到RIT中。同時(shí)，鎖相環(huán)和延遲控制單元可以同步萬(wàn)用表和MU的采樣過(guò)程。

校準(zhǔn)流程的方法主要包括以下兩個(gè)步驟。

①電壓通道測(cè)試。在FPGA的ROM表中，將MU中當(dāng)前信道的采樣數(shù)據(jù)固定為0x2D41H，由EIT提供電壓信道，EIT的額定數(shù)字輸出為0x2D41H rms，如圖5所示。MU從EVT中獲取電壓采樣數(shù)據(jù)，從FPGA內(nèi)部的ROM中獲取電流采樣數(shù)據(jù)。電壓采樣數(shù)據(jù)和固定電流采樣數(shù)據(jù)都可以通過(guò)MU發(fā)送到DPM。然后通過(guò)以太網(wǎng)接口將DPM的測(cè)量結(jié)果發(fā)送到計(jì)算機(jī)端，RVT和EVT的高壓輸入通過(guò)高壓發(fā)生器完成。RVT提供參考信號(hào)，使用ROM的電流采樣數(shù)據(jù)和萬(wàn)用表測(cè)量的電壓數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算參考電參數(shù)，例如電壓、相位和功率。通過(guò)改變額定電壓的80%～120%的高壓范圍，比較兩種電能計(jì)量結(jié)果，即得到電能計(jì)量系統(tǒng)隨電壓信號(hào)變化的綜合測(cè)量不確定度。

②電流通道測(cè)試。MU中：電壓通道的采樣數(shù)據(jù)固定為0x2D41H；電流通道采樣數(shù)據(jù)來(lái)自ECT，它連接到電流發(fā)生器(1～2 000 A)；電流和電壓采樣數(shù)據(jù)均可通過(guò)MU發(fā)送到DPM。DPM的測(cè)量結(jié)果通過(guò)以太網(wǎng)接口發(fā)送到計(jì)算機(jī)端。RCT的輸出作為參考信號(hào)，通過(guò)萬(wàn)用表的數(shù)值獲取。之后利用固定電壓采樣數(shù)據(jù)和RCT的電流采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算出均方根電流、相位和功率等參考電參數(shù)。通過(guò)改變額定電流的1%～120%的范圍，比較兩種電能計(jì)量結(jié)果，得到電能計(jì)量系統(tǒng)隨電流信號(hào)變化的綜合測(cè)量不確定度。

2 性能評(píng)估

2.1 校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度預(yù)算

在圖5中，3458A萬(wàn)用表、相位測(cè)量單元、FPGA單元和基于LabVIEW的PM單元一起構(gòu)成了基準(zhǔn)PM模塊。使用Fluke 6100A電能功率標(biāo)準(zhǔn)源，用于替換圖5中的RIT和I/U或U/U單元。Fluke 6100A的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，由3458A采樣模擬基于LabVIEW的PM的電壓或電流信號(hào)，另一個(gè)電流或電壓信號(hào)由FPGA內(nèi)部的ROM表中獲得。測(cè)量流程步驟與上節(jié)中提到的校準(zhǔn)過(guò)程相同。測(cè)試結(jié)果表明，電壓、電流和有功功率測(cè)量的不確定度遠(yuǎn)小于10-8數(shù)量級(jí)，電壓、電流測(cè)量的相位誤差小于50 μrad。

鎖相延遲控制單元和MU構(gòu)成FPGA的核心部位，內(nèi)部設(shè)計(jì)為時(shí)序邏輯電路。因此，幅值的不確定度為零，相位誤差僅由信號(hào)延時(shí)引起。在Quartus II軟件環(huán)境下，用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)FPGA內(nèi)部的時(shí)序邏輯電路，也可以從Quartus II的仿真結(jié)果中得到這些單元的延遲時(shí)間。結(jié)果表明，由鎖相延遲控制單元引起的信號(hào)延遲時(shí)間約為38 ns，由MU引起的信號(hào)延遲時(shí)間約為57 ns(FPGA內(nèi)部的時(shí)鐘頻率為200 MHz)。鎖相延遲控制單元的總時(shí)延約為95 ns，在線路頻率50 Hz時(shí)的相位誤差約為30 μrad。圖5中的RCT/RVT是電感式儀用變壓器，相位誤差為80 μrad，相對(duì)不確定度為10×100-6。Fluke萬(wàn)用表的測(cè)量不確定度約為10×100-6。校準(zhǔn)系統(tǒng)總的不確定度如表1所示。

表1 校準(zhǔn)系統(tǒng)總的不確定度表

從表1可以得出結(jié)論：該校準(zhǔn)系統(tǒng)的量級(jí)為10×200-6。因此，它可以用來(lái)校準(zhǔn)功率計(jì)量不確定度大于0.2%的系統(tǒng)。此外，在0.2級(jí)互感器和0.2級(jí)電能表的常規(guī)電能計(jì)量系統(tǒng)中，其綜合不確定度估計(jì)為0.7%。因此，上述校準(zhǔn)系統(tǒng)估計(jì)的不確定度比要求高出三倍以上。

2.2 試驗(yàn)案例分析

為了驗(yàn)證本文所提出方法的性能，在35 kV電壓等級(jí)，對(duì)帶有EITs的電能計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。電子式互感器ADC的采樣速率設(shè)置為12.8 kHz，由MU控制。使用常規(guī)方法估計(jì)系統(tǒng)的不確定度γ：

γ=γECT+γEVT+γDPM

(1)

式中：γECT為ECT的相對(duì)不確定度；γEVT為EVT的相對(duì)不確定度；γDPM為DPM的相對(duì)不確定度。

當(dāng)使用圖2所示的測(cè)試設(shè)置電路在額定電壓(3/35 kV)和額定電流(200 A)條件下進(jìn)行5次測(cè)試，所選ECT和EVT滿足IEC 0.2 s級(jí)精度限制。使用如圖3所示的基于FPGA的DPM校準(zhǔn)器，得到被測(cè)DPM的不確定度為0.05%。根據(jù)式(1)，帶有EITs的單相電能計(jì)量系統(tǒng)的估計(jì)綜合不確定度γ為0.45%。

采用本文提出的校準(zhǔn)方法，對(duì)電壓通道進(jìn)行測(cè)試，不確定度為0.46%；而對(duì)電流通道測(cè)試，不確定度為0.58%。在對(duì)EITs的詳細(xì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)ECT的額定延遲時(shí)間為200 μs，EVT的額定延遲時(shí)間為20 μs。因此，當(dāng)該電能計(jì)量系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中投入使用時(shí)，其實(shí)際不確定度(0.58%)比用傳統(tǒng)方法估計(jì)的綜合不確定度(0.45%)要低。在異步采樣條件下同時(shí)進(jìn)行同相ECT和EVT測(cè)試，最終電能計(jì)量結(jié)果的總不確定度可達(dá)1.5%。該結(jié)果遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)方法估計(jì)的積分不確定度(0.45%)。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于EITs的計(jì)量系統(tǒng)及校準(zhǔn)方法。該方法具有一定的新穎性及使用價(jià)值。本文描述了其開發(fā)和性能評(píng)估，對(duì)計(jì)量系統(tǒng)的各部位進(jìn)行了校準(zhǔn)，包括誤差的來(lái)源、電子式互感器高壓電能計(jì)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)、電子式互感器的校準(zhǔn)、DPM的校準(zhǔn)等；對(duì)電能計(jì)量系統(tǒng)的不確定度進(jìn)行了評(píng)估，并給出了試驗(yàn)案例分析。相比較于傳統(tǒng)計(jì)量方法，本文所提出的計(jì)量校準(zhǔn)方法在精確度上有了非常大的提高。研究結(jié)果顯示，該高壓電能計(jì)量系統(tǒng)校準(zhǔn)方法對(duì)EITs校準(zhǔn)電能計(jì)量系統(tǒng)的發(fā)展有一定的促進(jìn)作用。