0 引言

    在智能變電站中,，數(shù)字化計(jì)量裝置及其采樣值傳輸體系取代了傳統(tǒng)的計(jì)量裝置及其回路實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量功能,，電子式互感器及合并單元的應(yīng)用將一次電壓、一次電流就地實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,，通過(guò)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約在過(guò)程層和間隔層設(shè)備中實(shí)現(xiàn)采樣值的傳輸^[1-2],。與傳統(tǒng)電能計(jì)量裝置不同，數(shù)字電能表接收的是離散的采樣值,，電壓電流采樣時(shí)間的同步性將關(guān)乎功率因數(shù)的準(zhǔn)確性,，進(jìn)而影響到電能計(jì)量的準(zhǔn)確性，尤其是在智能變電站采用內(nèi)橋接線,、3/2接線,、母線PT級(jí)聯(lián)等設(shè)計(jì)時(shí)，位于多個(gè)間隔的電子式互感器的電壓、電流采樣值通常經(jīng)過(guò)合并單元級(jí)聯(lián)或組網(wǎng)傳輸至數(shù)字化電能表^[3],，此時(shí)跨間隔的采樣值同步是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,，而且跨間隔采樣值同步中絕對(duì)延時(shí)時(shí)間的補(bǔ)償結(jié)果將直接影響電能計(jì)量的準(zhǔn)確度。

    目前的智能變電站系統(tǒng)中,，采樣值的同步主要依靠合并單元來(lái)完成,，合并單元通過(guò)接收外部同步和額定延時(shí)的方式對(duì)采樣值進(jìn)行同步插值，并將插值后的數(shù)據(jù)用IEC61850-9-2協(xié)議發(fā)送給數(shù)字化電能表^[4-6],，數(shù)字化電能表根據(jù)IEC61850-9-2報(bào)文里的采樣值進(jìn)行電能計(jì)量^[7],。這種方式存在一定不足：首先，合并單元依靠外部同步信號(hào)來(lái)進(jìn)行采樣值的同步^[8],，這樣同步時(shí)鐘源的可靠性和穩(wěn)定性直接影響了電能計(jì)量的準(zhǔn)確度,；其次，在3/2接線的智能變電站中,，存在合并單元的級(jí)聯(lián)情況,，如圖1所示。由于數(shù)字化電能表不能接收來(lái)自多個(gè)合并單元的數(shù)據(jù),，因此需要增加一級(jí)合并單元用于整合來(lái)自不同合并單元的采樣值報(bào)文,，這樣就增加了設(shè)備的數(shù)量和系統(tǒng)的復(fù)雜度，影響了電能計(jì)量的準(zhǔn)確度,。

    本文設(shè)計(jì)了一種適用于3/2接線的數(shù)字電能校準(zhǔn)裝置,，可以同時(shí)接收來(lái)自母線PT及其合并單元、各間隔CT及其合并單元組成的采樣值傳輸系統(tǒng)中的IEC61850-9-2數(shù)字報(bào)文,，采用多個(gè)光纖端口同時(shí)接收來(lái)自母線PT及其合并單元,、各間隔CT及其合并單元組成的采樣值傳輸系統(tǒng)中的IEC61850-9-2報(bào)文，運(yùn)用數(shù)字報(bào)文攜帶的信息和傅里葉變換補(bǔ)償方法解決同步性引起的功角偏差,。

1 裝置設(shè)計(jì)

    智能變電站3/2接線的數(shù)字電能校準(zhǔn)裝置主要包括光纖網(wǎng)口模塊(3個(gè)),、脈沖驅(qū)動(dòng)模塊、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA),、微控制器(MCU),、人機(jī)交互模塊。裝置總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

    3個(gè)光纖網(wǎng)口模塊用于接收來(lái)自CT1合并單元,、CT2合并單元、PT合并單元輸出的基于IEC61850-9-2LE協(xié)議的光數(shù)字信號(hào),，并將光數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電數(shù)字信號(hào),；模塊內(nèi)部PHY芯片將電數(shù)字信號(hào)處理后通過(guò)MII接口傳至FPGA；脈沖驅(qū)動(dòng)模塊用于接收數(shù)字式電能表發(fā)出的低頻脈沖信號(hào),，并將其轉(zhuǎn)化成TTL脈沖信號(hào)傳至FPGA,；FPGA用于接收來(lái)自3個(gè)光纖網(wǎng)口模塊的電數(shù)字信號(hào),，對(duì)其進(jìn)行報(bào)文解析、數(shù)據(jù)緩存,，將解析出的相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)FSMC總線上傳至MCU,；并接收MCU的指令產(chǎn)生對(duì)應(yīng)頻率的高頻脈沖信號(hào)，輸出高頻脈沖的同時(shí)將高頻脈沖送到內(nèi)部的誤差計(jì)算單元,，誤差計(jì)算單元根據(jù)高頻脈沖和脈沖驅(qū)動(dòng)模塊傳來(lái)的低頻脈沖進(jìn)行誤差分析,；內(nèi)部串口驅(qū)動(dòng)控制器用于與人機(jī)交互模塊的串口通信。MCU模塊用于接收FPGA上傳的數(shù)字報(bào)文信息和數(shù)據(jù),，并將處理好的數(shù)據(jù)和結(jié)果下傳回FPGA,。

2 電能校準(zhǔn)方法

    智能變電站3/2接線的數(shù)字電能校準(zhǔn)裝置在電能校準(zhǔn)時(shí)的接線圖如圖3所示。

    在計(jì)量3/2接線的電能時(shí),，CT1合并單元輸出的IEC61850-9-2報(bào)文接到裝置的光纖網(wǎng)口1上,，CT2合并單元輸出的IEC61850-9-2報(bào)文接到本裝置的光纖網(wǎng)口2上，PT合并單元輸出的IEC61850-9-2報(bào)文接到本裝置的光纖網(wǎng)口3上,。在裝置上分別設(shè)定好對(duì)應(yīng)網(wǎng)口的IEC61850-9-2基本參數(shù),，包括MAC地址,、APPID,、通道總數(shù)、通道映射,、SVID,、采樣率等，這些設(shè)定參數(shù)應(yīng)與相連接的合并單元信息保持一致,；被測(cè)數(shù)字電能表輸出的低頻脈沖接入本裝置的脈沖驅(qū)動(dòng)模塊,，用于被測(cè)電能表的誤差校準(zhǔn)。

    由于從接收到的報(bào)文中解析出的是離散的采樣值報(bào)文序列,，故采用電壓,、電流采樣點(diǎn)相乘積分的形式來(lái)計(jì)算電能量，計(jì)算公式為：

其中,，C為數(shù)字電能表脈沖常數(shù),，單位為imp/kWh；U₀為額定電壓值,，單位為V,；I₀為額定電流值，單位為A,。

    本裝置額定電壓擋位劃分為400 V,、200 V、100 V,、50 V 4擋,；電流擋位劃分為100 A,、20 A、10 A,、2 A,、1 A、0.2 A,、0.1 A 7擋,；對(duì)應(yīng)具體的脈沖常數(shù)表如表1所示。

    本裝置最終輸出的高頻脈沖頻率F可表示為：

3 技術(shù)難點(diǎn)

    智能變電站3/2接線數(shù)字電能校準(zhǔn)裝置關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)是系統(tǒng)中同步性的某些因素會(huì)造成IEC61850-9-2數(shù)字報(bào)文中的采樣值數(shù)據(jù)之間的角度偏差,，當(dāng)電壓和電流的采樣值不同步時(shí)會(huì)直接在功率角上產(chǎn)生一個(gè)偏移角度,，該偏差在不同功率角的情況對(duì)電能計(jì)量精度的影響不同^[9]。

    表2為不同功率角下,，功率角產(chǎn)生1°偏差時(shí)對(duì)功率因數(shù)和電能計(jì)量誤差的影響,。

    從表2可以看出，在固定偏差下,，功率角越大（小于90°）時(shí),，引入的功率因素偏差越大，從而造成的電能計(jì)量的偏差越大,。因此,，解決角度偏差問(wèn)題是確保3/2接線數(shù)字電能計(jì)量準(zhǔn)確的關(guān)鍵。而造成角度偏差的主要因素有：(1)報(bào)文傳輸時(shí)可能的抖動(dòng)和延遲使得不同合并單元采樣值數(shù)據(jù)到達(dá)裝置的時(shí)間不同,，造成數(shù)據(jù)的錯(cuò)位,，從而產(chǎn)生角度偏差；(2)不同合并單元的額定延時(shí)不同,，造成報(bào)文采樣值的初始相位不同,，從而造成角度偏差。

4 解決方案

4.1 傳輸過(guò)程造成的報(bào)文延遲和錯(cuò)序問(wèn)題

    當(dāng)前合并單元的采樣率大多為4 000,，即每秒輸出4 000個(gè)IEC61850-9-2報(bào)文,，合并單元會(huì)根據(jù)同步信號(hào)對(duì)這4 000個(gè)報(bào)文從0～3 999進(jìn)行編號(hào)，同步信號(hào)到達(dá)時(shí)刻輸出的報(bào)文為0報(bào)文,；在同一個(gè)智能變電站中,，不同合并單元接收的是同一個(gè)同步時(shí)鐘的同步信號(hào)，智能變電站3/2接線數(shù)字電能校準(zhǔn)裝置通過(guò)判斷不同合并單元輸出的IEC61850-9-2報(bào)文中攜帶的報(bào)文編號(hào)就可以判斷報(bào)文是否為同一時(shí)刻采樣的值,，從而解決報(bào)文延遲,、錯(cuò)序等因素造成的采樣值不同步現(xiàn)象^[10]。

4.2 不同合并單元的額定延時(shí)不同造成角度偏差

    由于合并單元在生產(chǎn)和調(diào)試中存在一定的差異性,，不同合并單元在模擬采樣,、模數(shù)轉(zhuǎn)化、數(shù)字報(bào)文組幀過(guò)程中消耗的時(shí)間不同,，合并單元會(huì)把這部分時(shí)間以額定延時(shí)的方式標(biāo)注在IEC61850-9-2報(bào)文中,。針對(duì)采樣延時(shí)不同的問(wèn)題,，本文提出了兩種解決方式。

4.2.1 采用線性插值方式

    通過(guò)對(duì)樣本進(jìn)行插值來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣信號(hào)的重建,，即對(duì)離散的采樣序列進(jìn)行插值處理,，得到連續(xù)的信號(hào)。線性插值是將兩個(gè)連續(xù)采樣點(diǎn)之間進(jìn)行線性化處理,，這樣兩個(gè)采樣點(diǎn)之間的任意時(shí)刻的采樣值可用線性函數(shù)計(jì)算出來(lái),。

    采用這種方式對(duì)連續(xù)兩個(gè)采樣點(diǎn)之間進(jìn)行線性化處理，可得到連續(xù)的信號(hào),，對(duì)信號(hào)進(jìn)行重新采樣實(shí)現(xiàn)采樣序列的同步,，從而消除采樣延時(shí)不同造成的角度偏差，如圖4所示,，其中W1,、W2為兩個(gè)不同延時(shí)的采樣報(bào)文。

    由于線性插值是一種近似還原的方法,，存在一定的精度偏差,，采樣頻率越高，還原的精度越高,。而目前合并單元的采樣頻率為4 kS/s,，即一個(gè)周期80點(diǎn)采樣值，用線性插值方式引入的誤差較大,，不能滿足裝置作為標(biāo)準(zhǔn)電能計(jì)量的要求,。

4.2.2 采用傅里葉變換進(jìn)行角度補(bǔ)償

    對(duì)于一段樣本數(shù)量有限的采樣序列,，可采用離散傅里葉變換還原出該序列的初相角和有效值,。離散傅里葉變換（DFT）數(shù)學(xué)模型如下：

    設(shè)有限長(zhǎng)序列x(n)，n=0,，1,，2，…,，N-1,，它的離散傅里葉變換DFT定義為：

    利用離散傅里葉變換得到來(lái)自不同合并單元的采樣序列初相角，再根據(jù)合并單元的額定延時(shí)信息,，對(duì)計(jì)算得到的初相角進(jìn)行相位補(bǔ)償,，從而解決角度偏差造成的電能計(jì)量問(wèn)題。

    采用離散傅里葉變換還原的精度較高,，而存在的缺點(diǎn)是實(shí)時(shí)性不高,，需要先采集一部分樣本用于運(yùn)算，得到初相角進(jìn)行補(bǔ)償,。在電能計(jì)量校驗(yàn)中,，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求并不高,，可以先進(jìn)行樣本采集、運(yùn)算以及角度偏差補(bǔ)償之后,，再開始電能的校驗(yàn),。因此本裝置采用方案二來(lái)解決角度偏差的問(wèn)題。

5 結(jié)果與分析

    采用帶有雙路輸出功能的數(shù)字功率源輸出兩路基于IEC61850-9-2協(xié)議的數(shù)字報(bào)文到本裝置,，其中一路報(bào)文攜帶額定110 kV電壓信號(hào),，另一路攜帶額定1 000 A電流信號(hào)；固定電壓初相為0,，通過(guò)改變電流的初相位來(lái)改變功率角,，并引入1°的功率角偏差，試驗(yàn)電流角度分別選取0°,、30°,、45°、60° 4個(gè)測(cè)試點(diǎn),；本裝置接收帶有1°偏差的兩路報(bào)文,，解析出報(bào)文中對(duì)應(yīng)的電壓、電流信號(hào),，分別采用線性插值補(bǔ)償和離散傅里葉補(bǔ)償兩種方式來(lái)對(duì)有固定1°偏差的數(shù)字源進(jìn)行電能的計(jì)量,，補(bǔ)償結(jié)果如表3所示。

    分析表3的數(shù)據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),，線性插值補(bǔ)償方式得到的電能計(jì)量值與無(wú)補(bǔ)償?shù)那闆r相比,，總體而言與理論值偏差較小，但在電流初相為0°的測(cè)試點(diǎn)結(jié)果卻不如無(wú)補(bǔ)償?shù)那闆r,，與DFT補(bǔ)償結(jié)果相比,，偏差較大；采用DFT補(bǔ)償方式得到的電能計(jì)量值與無(wú)補(bǔ)償,、線性插值補(bǔ)償相比,，均與理論值偏差較小，且偏差均在十萬(wàn)分之一以內(nèi),，滿足數(shù)字化電能計(jì)量的要求,。

    因此，采用離散傅里葉方式具有較好的補(bǔ)償效果,，可以滿足電能計(jì)量準(zhǔn)確度的需求,。

6 結(jié)束語(yǔ)

    智能變電站3/2接線的數(shù)字電能校準(zhǔn)裝置與常規(guī)數(shù)字電能校驗(yàn)儀相比，具備多個(gè)光纖端口同時(shí)接收來(lái)自不同合并單元的數(shù)字報(bào)文,，在裝置內(nèi)部實(shí)現(xiàn)采樣值的同步處理,；靈活運(yùn)用數(shù)字報(bào)文攜帶的信息，解決報(bào)文延遲和錯(cuò)序的問(wèn)題,；采用傅里葉變換補(bǔ)償方法,，解決采樣值報(bào)文角度偏移問(wèn)題,，能夠?qū)崿F(xiàn)3/2接線方式下電能的準(zhǔn)確計(jì)量，滿足對(duì)被測(cè)數(shù)字電能表的準(zhǔn)確校準(zhǔn)要求,。

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作者信息:

肖  濤

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，浙江 杭州310014