數(shù)字化電能表的計量與接收研究

數(shù)字化電能表的計量與接收研究

0電子電能表應(yīng)用隨著數(shù)字能源裝置的普及，數(shù)字能表用于測量數(shù)字消息的電能表廣泛應(yīng)用于數(shù)字能源裝置。在數(shù)字化變電站中,針對不同的光纖通訊方式,數(shù)字化電能表有單光口和多光口數(shù)字化電能表之分。目前,單光口數(shù)字化電能表的計量性能得到了深入研究1多光源數(shù)字電能表的工作原理1.1數(shù)字化電能表采樣原理在數(shù)字化變電站中,電子式互感器采用同步采樣的原理,每周波80點(diǎn)或每周波256點(diǎn)對電壓、電流進(jìn)行采樣,合并單元將采樣值進(jìn)行協(xié)議打包后發(fā)送給數(shù)字化電能表由于電子式互感器采樣原理采用S-H原理,與電子式電能表AD采樣芯片采用Σ-Δ原理不同,它僅有一階代數(shù)精度。大部分?jǐn)?shù)字化電能表通過對采樣值進(jìn)行點(diǎn)積和來計算電能,有功功率計算公式如下:1.2smv報文解析一般情況下,在一般的110kV或220kV智能變電站中,數(shù)字化電能表輸入合并單元僅為1路,如圖2所示。電子式互感器采集一次側(cè)三相電壓信號、三相電流信號(或模擬量輸入合并單元采集傳統(tǒng)電壓、電流互感器二次側(cè)信號),合并單元輸出報文中包含三相電壓波形數(shù)據(jù)、三相電流波形數(shù)據(jù)。數(shù)字化電能表只需要接收對應(yīng)合并單元輸出的SMV報文即可解析出電壓電流波形數(shù)據(jù),其電壓、電流波形為同步采樣數(shù)據(jù)。數(shù)字化電能表不需考慮合并單元是否同步,也可以準(zhǔn)確進(jìn)行數(shù)字化電能量計量單光口數(shù)字化電能表的輸入除單合并單元點(diǎn)對點(diǎn)輸入,又有單光口多合并單元報文組網(wǎng)輸入方式,其工作原理為:多輸入合并單元先將報文組網(wǎng),再將SMV報文組合到同一網(wǎng)絡(luò)端口發(fā)送到數(shù)字化電能表,即數(shù)字化電能表的光口輸入報文為多個合并單元的報文組合。其電能表接線圖如圖3所示。對于組網(wǎng)輸入數(shù)字化電能表,若前端合并單元為同步信號合并單元,即合并單元工作基于同步信號采樣,不同合并單元的報文也是同步的。雖然報文接收數(shù)字化電能表時刻不同,報文中對應(yīng)計數(shù)的電流、電壓波形數(shù)據(jù)是同步采樣,數(shù)字化電能表只需解析出對應(yīng)的數(shù)據(jù),即可進(jìn)行電能量計算。對于非同步合并單元,也就是固定延時合并單元,數(shù)字化電能表接收SMV報文,首先需要將不同合并單元的SMV報文數(shù)據(jù)進(jìn)行分類,分別解析出電壓波形數(shù)據(jù)、電流波形數(shù)據(jù),然后對電壓波形數(shù)據(jù)、電流波形數(shù)據(jù)進(jìn)行同步插值計算,將電壓波形、電流波形插值到同一參考時間后,才能進(jìn)行電能計量運(yùn)算2數(shù)字化合并單元及其同步穩(wěn)定性分析三光口數(shù)字電能表為點(diǎn)對點(diǎn)輸入方式,在500kV智能變電站中,由于采用3/2接線,存在電流合并單元和電壓合并單元多路輸入數(shù)字化電能表的情況,如圖5所示。傳統(tǒng)變電站設(shè)計布局,一般電壓互感器位于母線側(cè),而每條出線或進(jìn)線回路則有電流互感器。當(dāng)就地采用數(shù)字化合并單元時,電壓互感器側(cè)連接電壓輸入型模擬量輸入合并單元,出線或進(jìn)線電流互感器側(cè)連接電流輸入型模擬量輸入合并單元。電壓數(shù)據(jù)源和電流數(shù)據(jù)源位于不同類型模擬量輸入合并單元,數(shù)字化電能表需要接收電流合并單元和電壓合并單元分別解析出電流、電壓波形數(shù)據(jù),進(jìn)行數(shù)字電能計量。3網(wǎng)絡(luò)時標(biāo)誤差分析對于數(shù)字化電能表,一般其采樣數(shù)據(jù)來自同一個合并單元,其電壓和電流采樣數(shù)據(jù)本身就是同步的,都處于同一個IEC61850數(shù)據(jù)包中,無需做任何處理,即電壓、電流不會因?yàn)橥叫盘柖斐蓴?shù)字化電能表的準(zhǔn)確性問題,在智能變電站也有數(shù)字化電能表的電壓和電流采樣數(shù)據(jù)來自不同的合并單元的情況,只要是智能變電站是基于同步時鐘采樣的,其電壓和電流采樣數(shù)據(jù)還是同步的。還有一種特殊情況是電壓采樣數(shù)據(jù)由電壓合并單元點(diǎn)對點(diǎn)方式傳輸過來,電流采樣數(shù)據(jù)由電流合并單元點(diǎn)對點(diǎn)方式傳輸過來。對于這種特殊的情況,則存在電壓和電流非同步采樣的誤差。該誤差也就是多合并單元非同步造成的誤差,它由網(wǎng)絡(luò)時標(biāo)記錄的準(zhǔn)確度和插值算法的準(zhǔn)確度決定,因此會對數(shù)字化電能表準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定的影響,下面就網(wǎng)絡(luò)時標(biāo)誤差進(jìn)行分析。網(wǎng)絡(luò)時標(biāo)假如存在系統(tǒng)誤差則會影響有功功率誤差,假如網(wǎng)絡(luò)時標(biāo)僅只是存在隨機(jī)誤差,經(jīng)過采樣統(tǒng)計后誤差會相互抵消。為了簡化分析,設(shè)電壓合并單元的傳輸額定延時為0μs,同時電流合并單元的傳輸額定延時也為0μs,并且采樣是等間隔的,每周波的采樣點(diǎn)數(shù)為N,電網(wǎng)頻率f=50Hz,電壓通道和電流通道的網(wǎng)絡(luò)時標(biāo)系統(tǒng)誤差為△T。加上網(wǎng)絡(luò)時標(biāo)誤差后的有功功率:其中φ為沒有網(wǎng)絡(luò)時標(biāo)誤差時的功率因數(shù)角。由于△T很小,所以可以得到:相對誤差為:由上述公式可以得到,當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時標(biāo)系統(tǒng)誤差△T一定時,電網(wǎng)中功率因數(shù)角φ越小,網(wǎng)絡(luò)時標(biāo)造成的系統(tǒng)誤差越小,當(dāng)φ很小的時候,可以忽略其對有功功率的影響,即可以忽略多合并單元時同步信號對數(shù)字化電能表的準(zhǔn)確度的影響。對于三相電路一般電網(wǎng)的功率因數(shù)cosφ≥0.85,即φ≤31.8變電站中采用的同步時鐘為GPS輸出的秒脈沖,合并單元接收到GPS秒脈沖后倍頻,產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集脈沖,根據(jù)《IEC61850-9變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》中規(guī)定,對于計量應(yīng)用情況下,電流、電壓同步采樣的精度為1μs,即要求多合并單元條件下同步時鐘誤差應(yīng)該在1μs內(nèi),假設(shè)網(wǎng)絡(luò)時標(biāo)記錄誤差為1μs,則:當(dāng)cos(φ)=1時:當(dāng)cos(φ)=0.85時:由上面的分析可以看出,此誤差相對變電站普遍采用的0.2S級數(shù)字化電能表可以忽略,即在不考慮合并單元本身時鐘延時誤差的條件下,多合并單元的應(yīng)用,其同步時鐘的誤差不會對數(shù)字化電能表的準(zhǔn)確性造成影響,但是在合并單元本身時鐘延時存在誤差的條件下,合并單元內(nèi)部都有自身的插值算法,即合并單元內(nèi)部延時使得采樣值存在一定的延時誤差時,可以通過插值算法將延時誤差降低,在這里就不再討論因合并單元內(nèi)部存在延時采用插值算法帶來的誤差。另外,合并單元因?yàn)樽陨韮?nèi)部的各種濾波電路的存在,一定會對角差、比差造成一定的影響,如果兩個不同的合并單元同時接入到同一個數(shù)字化電能表,會對數(shù)字化電能表的準(zhǔn)確度造在很大的影響,但是各合并單元在入網(wǎng)檢測時必須利用標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)儀對其進(jìn)行校驗(yàn),并修正內(nèi)部誤差,因此也可以忽略其對數(shù)字化電能表的影響。4光口電能表設(shè)置為適用于三光口數(shù)字化電能表的檢測,研制了多功能標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源,其內(nèi)部的MU仿真模塊,可模擬現(xiàn)場三個合并單元IEC61850報文輸出,報文發(fā)出同步精度為1μs。對威勝集團(tuán)生產(chǎn)的三光口數(shù)字化電能表進(jìn)行測試時,三個光口配置分別為:電壓MU輸出MAC地址為:01:0C:CD:04:00:01,通道號為030405;電流MU1輸出MAC地址為:01:0C:CD:04:00:02,通道號為000102,電流MU2輸出MAC地址為:01:0C:CD:04:00:03,通道號為060708;電壓、電流1、電流2的SvID分別設(shè)置為Wasion@DM01、Wasion@DM02、Wasion@DM03,一次參比電流設(shè)置為220kV,電流為600A;二次參比電壓為100V,電流為5A。實(shí)驗(yàn)顯示,電能表可以正確計算功率源三個光口發(fā)出的電壓電流采樣值,研制的多功能標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源可以滿足三光口數(shù)字化電能表檢測要求。三光口電能表檢測試驗(yàn)圖如圖6所示。5數(shù)字化電能表檢測