趙 林，高 帥，張 爍，徐占河

(國(guó)網(wǎng)冀北營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)中心，北京 100045)

0 引言

計(jì)量裝置遠(yuǎn)程校驗(yàn)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已有較長(zhǎng)的研究歷史，在國(guó)內(nèi)也有部分變電站開(kāi)展了試點(diǎn)，并取得了一定的成果。但目前的實(shí)現(xiàn)方式主要是在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量裝置，通過(guò)電流，電壓回路切換的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)多個(gè)電能表的誤差校驗(yàn)，并將校驗(yàn)結(jié)果傳回遠(yuǎn)程主站。但該實(shí)現(xiàn)方法存在著標(biāo)準(zhǔn)裝置受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響大、切換回路復(fù)雜、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)有限等問(wèn)題，由此限制了其進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。因此，目前絕大多數(shù)地方仍然采用人工現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的方式，造成工作量大、效率低、安全隱患等問(wèn)題日益突出?；诖?，對(duì)遠(yuǎn)程校驗(yàn)技術(shù)的需求一直存在。

隨著用電信息采集系統(tǒng)等計(jì)量信息化系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，計(jì)量裝置在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)也得到發(fā)展，在電能表狀態(tài)監(jiān)測(cè)、計(jì)量異常甄別、用電異常告警等方面發(fā)揮了重要作用。但目前計(jì)量信息化系統(tǒng)與計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)工作的結(jié)合還不夠緊密，在變電站關(guān)口計(jì)量裝置方面的應(yīng)用還較少。

隨著電能計(jì)量技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化信號(hào)處理、高速通信、大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)得以應(yīng)用，為傳統(tǒng)的計(jì)量裝置現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)工作提供了技術(shù)革新的條件，使得遠(yuǎn)程校驗(yàn)和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)日趨可行[1]。

因此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種變電站關(guān)口電能表遠(yuǎn)程校驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括安裝在現(xiàn)場(chǎng)的在線(xiàn)校驗(yàn)信號(hào)錄波采集前置裝置和后臺(tái)關(guān)口電能計(jì)量裝置在線(xiàn)自動(dòng)化校驗(yàn)管理系統(tǒng)，通過(guò)高速率、高精度的波形數(shù)據(jù)及脈沖同步采集，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能表的遠(yuǎn)程校驗(yàn)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變電站關(guān)口電能表遠(yuǎn)程校驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變電站關(guān)口電能表遠(yuǎn)程校驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of remote calibration system for substationgateway electric energy meter

該系統(tǒng)的主要原理是在關(guān)口電能表線(xiàn)路接入一臺(tái)在線(xiàn)校驗(yàn)信號(hào)錄波采集前置裝置。該裝置收到校驗(yàn)命令后，監(jiān)測(cè)關(guān)口表脈沖信號(hào)；從脈沖下降沿開(kāi)始錄波(對(duì)于數(shù)字式電能表轉(zhuǎn)發(fā)合并單元數(shù)據(jù)包)，共記錄N個(gè)脈沖周期波形；通過(guò)綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)(光纖、以太網(wǎng)、4G等)，將波形數(shù)據(jù)和脈沖電量傳輸?shù)胶笈_(tái)關(guān)口電能計(jì)量裝置在線(xiàn)校驗(yàn)管理系統(tǒng)。后臺(tái)系統(tǒng)采用先進(jìn)電能計(jì)算方法，根據(jù)上傳的電壓與電流波形數(shù)據(jù)計(jì)算出電能，并與關(guān)口電能表脈沖電量進(jìn)行比對(duì)，從而完成電能表的遠(yuǎn)程校驗(yàn)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

本設(shè)計(jì)方案是用校驗(yàn)采集終端采集現(xiàn)場(chǎng)待校電能表的電壓、電流波形信號(hào)，并傳輸?shù)胶笈_(tái)計(jì)量遠(yuǎn)程校驗(yàn)主站，由主站計(jì)算電能并與電能表的脈沖電量進(jìn)行比對(duì)。因此，校驗(yàn)采集終端的采集精度、信號(hào)采集與電能表脈沖同步精度以及電能的計(jì)算方法都會(huì)對(duì)誤差校驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響[2]。校驗(yàn)采集終端的硬件設(shè)計(jì)是否滿(mǎn)足以上要求、數(shù)據(jù)采集精度是否達(dá)標(biāo)、海量數(shù)據(jù)的處理是否正確等，都是本設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵因素。

2 校驗(yàn)采集終端設(shè)計(jì)

2.1 終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)高精度高速率的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)錄波采集以及大數(shù)據(jù)處理與傳輸功能，本校驗(yàn)采集終端計(jì)劃采用數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor,DSP)加ARM9的雙核架構(gòu)。

信號(hào)錄波采集裝置原理如圖2所示。

圖2 信號(hào)錄波采集裝置原理圖Fig.2 Schematic diagram of signal recording acquisition device

由圖2可知：首先，電壓互感器并入現(xiàn)場(chǎng)電壓接線(xiàn)端子，而電流互感器串入現(xiàn)場(chǎng)電流接線(xiàn)端子；然后，模擬信號(hào)通過(guò)專(zhuān)用高精度模擬/數(shù)字(analog to digital,A/D)芯片轉(zhuǎn)換，將采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)SPORT口傳輸?shù)紻SP中；同時(shí)，DSP負(fù)責(zé)接收電能表的脈沖信號(hào)；最后，將數(shù)據(jù)通過(guò)串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)傳輸?shù)紸RM9核心CPU中。核心CPU負(fù)責(zé)整個(gè)裝置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、溫濕度采集、顯示與傳輸功能。大數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)打包整理后，通過(guò)通信單元傳輸?shù)缴戏街髡局小?/p>

本方案中，DSP采用亞德諾半導(dǎo)體公司(Analog Devices,Inc.,ADI)的BF51系列32位高速定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片。該芯片處理頻率達(dá)到400 MHz，可快速完成A/D所采樣的定點(diǎn)數(shù)據(jù)處理。同時(shí)，外擴(kuò)16 MB以上的高速動(dòng)態(tài)RAM，可緩存較長(zhǎng)時(shí)間的波形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)波形數(shù)據(jù)的精確采集與處理。

2.2 高速率、高精度采集方案

為確保后臺(tái)主站所得到的波形數(shù)據(jù)能夠達(dá)到用于比對(duì)電能表的水平，該裝置必須采用高速、高精度的采樣方案。提高采樣精度主要從互感器、精密電阻和A/D采樣芯片多方面入手[3]。

①采集終端電壓與電流互感器。

本裝置中，電壓與電流的采樣都通過(guò)互感器實(shí)現(xiàn)。該互感器將變電站互感器二次電壓與電流轉(zhuǎn)換為弱電壓信號(hào)，并通過(guò)精密電阻轉(zhuǎn)換輸入到A/D采樣通道。變電站電壓一般都比較穩(wěn)定，不會(huì)存在寬范圍波動(dòng)。因此，電壓互感器的選型相對(duì)比較簡(jiǎn)單，只要在變電站二次電壓附近達(dá)到穩(wěn)定的角差與比差即可。

變電站電流受負(fù)荷側(cè)影響，往往存在較大幅度的波動(dòng)。因此，電流互感器必須有足夠?qū)挼膭?dòng)態(tài)范圍，并且在全量程范圍內(nèi)保證良好的角差與比差。另一方面，現(xiàn)場(chǎng)電流往往帶有較為明顯的諧波。而互感器本身對(duì)于諧波就存在衰減，尤其是高次諧波。為確保計(jì)量的準(zhǔn)確性，裝置的電流互感器也必須對(duì)諧波的幅值和相位有較小的衰減，從而使所采集的波形能夠盡量涵蓋現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的所有頻段，以便主站進(jìn)行精確的計(jì)算、分析[4]。

為此，本裝置選用高線(xiàn)性度的零磁通電流互感器。零磁通互感器在25倍的額定電流范圍內(nèi)都可以保持良好的計(jì)量性能，同時(shí)對(duì)諧波幅值的衰減很小。在額定負(fù)載前后變化10 Ω情況下，對(duì)高次諧波相位有不超過(guò)0.2°左右的影響，整體上可以確保信號(hào)有足夠的帶寬輸入。因此，本文采用零磁通互感器的技術(shù)路線(xiàn)設(shè)計(jì)前端采樣環(huán)節(jié)。

②高精密、高穩(wěn)定電阻。

電壓、電流信號(hào)經(jīng)互感器轉(zhuǎn)換后接負(fù)載電阻，將互感器電流信號(hào)裝換為電壓信號(hào)。因此，采樣電阻的穩(wěn)定性、溫度系數(shù)、年變化率等參數(shù)直接影響采樣精度的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

本裝置選用塑封精密金屬膜電阻作為采樣回路的負(fù)載電阻，溫度系數(shù)為5×10-6/℃，年老化率為25×10-6/年。

③A/D采樣芯片。

變電站現(xiàn)場(chǎng)電壓信號(hào)往往比較穩(wěn)定，而電流信號(hào)受負(fù)荷影響，容易出現(xiàn)較大的波動(dòng)。因此，A/D采樣芯片必須具備足夠的有效位數(shù)，使得小電流和大電流的采樣值具有相同的位數(shù)誤差[5]。若A/D采樣芯片的有效位數(shù)不夠，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)電流在小電流到大電流快速切換時(shí)，A/D芯片只能保證小電流或大電流中一種情況的精度位數(shù)，否則就必須靠切換增益來(lái)確保精度。這樣上傳的波形數(shù)據(jù)還必須附上增益切換的時(shí)間點(diǎn)與切換的增益值，給后臺(tái)主站的計(jì)算帶來(lái)較大的麻煩。

因此，本裝置采用24位Σ-Δ型芯片實(shí)現(xiàn)。該芯片可實(shí)現(xiàn)320點(diǎn)每周波的高速采樣，從而實(shí)現(xiàn)最高8 kHz的頻帶輸入，采樣值的有效位數(shù)可達(dá)20位以上，足夠確保整個(gè)電流量程范圍內(nèi)的數(shù)字信號(hào)精度。

3 數(shù)據(jù)的同步采集

3.1 電能表脈沖與數(shù)據(jù)的同步采集

本系統(tǒng)總體思路是：現(xiàn)場(chǎng)采集電能表的脈沖數(shù)據(jù)和錄波采集電壓電流信號(hào)，并上傳至計(jì)量遠(yuǎn)程校驗(yàn)主站；主站通過(guò)波形數(shù)據(jù)計(jì)算電量，并與電能表脈沖的電量進(jìn)行比對(duì)，達(dá)到校驗(yàn)電能表的目的。若采集的波形數(shù)據(jù)與脈沖電量不同步，則會(huì)存在非同步誤差，可直接導(dǎo)致系統(tǒng)得出的校驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)很大的誤差[6]。

為解決這個(gè)問(wèn)題，本系統(tǒng)采用脈沖觸發(fā)的方式來(lái)同步波形采樣。同步采集流程如圖3所示。

主裙樓（或車(chē)庫(kù)）一體的結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用CFG樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)主樓的承載力計(jì)算還是按式（1）進(jìn)行，并作深度修正，而裙房（或車(chē)庫(kù)）的荷載可以按超載考慮，并折算成基礎(chǔ)埋深，若主樓基礎(chǔ)兩側(cè)的超載不相等時(shí)取小值。據(jù)此，要求設(shè)計(jì)人員在提供荷載時(shí)不僅要提供主樓荷載還要提供裙房（或車(chē)庫(kù)）的基底壓力，否則承載力的計(jì)算是不準(zhǔn)確的。

由圖3可知：當(dāng)接收到校驗(yàn)指令，DSP開(kāi)始檢測(cè)電能表的脈沖；當(dāng)收到第一個(gè)脈沖時(shí)，DSP就會(huì)置標(biāo)記位碼。每次A/D轉(zhuǎn)換完成時(shí)，都會(huì)查詢(xún)?cè)摌?biāo)記位。若檢測(cè)到該標(biāo)記位的位置，表示已經(jīng)收到第一個(gè)脈沖。此時(shí)，DSP會(huì)將A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存入內(nèi)存，直到達(dá)到該校驗(yàn)周期設(shè)定的最大脈沖數(shù)。若沒(méi)有收到第一個(gè)脈沖，則DSP會(huì)將該數(shù)據(jù)丟棄，不進(jìn)行內(nèi)存存入操作。

圖3 同步采集流程圖Fig.3 Flowchart of synchronous acquisition

這種方法通過(guò)電能表脈沖來(lái)觸發(fā)波形存儲(chǔ)操作，實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的同步：當(dāng)裝置采集到電能表的第一個(gè)脈沖時(shí)，實(shí)時(shí)開(kāi)啟錄波通道；當(dāng)裝置采集到電能表最后一個(gè)脈沖時(shí)，實(shí)時(shí)關(guān)閉錄波通道。

3.2 同步誤差分析

電能表脈沖與數(shù)據(jù)采集的同步誤差分析如圖4所示。

圖4 同步誤差分析圖Fig.4 Diagram of synchronization error analysis

由圖4可知：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到電能表第一個(gè)脈沖后，采樣裝置從t1時(shí)刻開(kāi)始采樣，到tn時(shí)刻結(jié)束。

因此，采樣波形與電能表脈沖之間的同步誤差ε最大為一個(gè)完整的采樣間隔，即t1-t0。

同時(shí)，考慮到電能表脈沖延遲系數(shù)λ，可以得到同步誤差：

ε=t1-t0+λ

(1)

式中:λ為電能表脈沖延遲系數(shù)。

4 數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和處理

4.1 數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸

①采樣精度。

為保證采樣精度本方案裝置采用高速、高精度的24位A/D采樣，按照每周波320點(diǎn)進(jìn)行采樣。每個(gè)采樣點(diǎn)4個(gè)字節(jié)、6個(gè)通道(3個(gè)電壓、3個(gè)電流)同步采樣計(jì)算，1 s的數(shù)據(jù)量可達(dá)到384 KB，約4 Mbit；1 min波形數(shù)據(jù)可達(dá)到240 Mbit[8]。

②采樣頻率。

校驗(yàn)采集裝置可定時(shí)啟動(dòng)，或在收到校驗(yàn)命令后開(kāi)始監(jiān)測(cè)電能表脈沖信號(hào)、啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集任務(wù)。采集裝置可根據(jù)實(shí)際負(fù)荷情況自動(dòng)判斷是否適合校驗(yàn)，并給出相應(yīng)的結(jié)果。采樣持續(xù)時(shí)間可設(shè)定，默認(rèn)一般為3 min。

③數(shù)據(jù)傳輸。

電網(wǎng)常用的通信方式有光纖通信、電力線(xiàn)載波、有線(xiàn)電纜、無(wú)線(xiàn)擴(kuò)頻、微波通信、借助公眾通信網(wǎng)(如GPRS、4G)等多種。

為應(yīng)對(duì)4 Mbit/s的數(shù)據(jù)量傳輸，本系統(tǒng)在變電站安裝場(chǎng)合設(shè)備計(jì)劃采用10 Mbit/s或100 Mbit/s以上速率的以太網(wǎng)或者光纖信道傳輸、在專(zhuān)變用戶(hù)、低壓用戶(hù)等沒(méi)有有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡胤讲捎?G信號(hào)傳輸，以滿(mǎn)足校驗(yàn)采集終端的數(shù)據(jù)傳輸要求[9-10]。

波形數(shù)據(jù)可以通過(guò)實(shí)時(shí)規(guī)約的方式上傳主站，也可以通過(guò)文件的形式上傳?？紤]到錄波的數(shù)據(jù)量，若采用實(shí)時(shí)規(guī)約的方式，必須采用支持長(zhǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)約文本，同時(shí)也要支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)傳，實(shí)現(xiàn)過(guò)程較為復(fù)雜。因此，本系統(tǒng)采用文件形式存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)并上傳主站。

通過(guò)這種文件方式，主站系統(tǒng)不需要實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)裝置的波形數(shù)據(jù)，只需要下達(dá)校驗(yàn)命令后定時(shí)讀取裝置存取的波形文件即可。這減少了大數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖枞约安豢煽啃?，確保了計(jì)量校驗(yàn)系統(tǒng)的可靠性與準(zhǔn)確性。

4.2 數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算

為實(shí)現(xiàn)錄波數(shù)據(jù)高精度電量計(jì)算并與電能表脈沖電量進(jìn)行比對(duì)分析，計(jì)算過(guò)程中的算法選取將直接決定計(jì)算準(zhǔn)確度。

交流采樣技術(shù)是利用變送器將交流電壓、電流轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的交流小信號(hào)，然后由A/D轉(zhuǎn)換模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化并采樣。由于在電網(wǎng)中存在著諧波、頻率變化及各種干擾，一般采用兩點(diǎn)采樣值算法、均方根算法、全周波傅氏算法等進(jìn)行交流采樣[11]。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于變電站關(guān)口電能表遠(yuǎn)程校驗(yàn)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用高精度、高速率的現(xiàn)場(chǎng)錄波采集終端，采用脈沖觸發(fā)的方式采集現(xiàn)場(chǎng)電能表的電壓、電流波形，并將波形數(shù)據(jù)和脈沖電量傳輸?shù)胶笈_(tái)進(jìn)行誤差的遠(yuǎn)程校驗(yàn)。該系統(tǒng)促進(jìn)了計(jì)量現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的智能化、信息化和實(shí)時(shí)化，提高了現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的工作效率、準(zhǔn)確率和精益化管理水平，確保了關(guān)口電能表的可控、在控，為電力營(yíng)銷(xiāo)現(xiàn)代化提供了堅(jiān)強(qiáng)支撐。