数字化电能表的计量与接收研究

数字化电能表的计量与接收研究

0电子电能表应用随着数字能源装置的普及，数字能表用于测量数字消息的电能表广泛应用于数字能源装置。在数字化变电站中,针对不同的光纤通讯方式,数字化电能表有单光口和多光口数字化电能表之分。目前,单光口数字化电能表的计量性能得到了深入研究1多光源数字电能表的工作原理1.1数字化电能表采样原理在数字化变电站中,电子式互感器采用同步采样的原理,每周波80点或每周波256点对电压、电流进行采样,合并单元将采样值进行协议打包后发送给数字化电能表由于电子式互感器采样原理采用S-H原理,与电子式电能表AD采样芯片采用Σ-Δ原理不同,它仅有一阶代数精度。大部分数字化电能表通过对采样值进行点积和来计算电能,有功功率计算公式如下:1.2smv报文解析一般情况下,在一般的110kV或220kV智能变电站中,数字化电能表输入合并单元仅为1路,如图2所示。电子式互感器采集一次侧三相电压信号、三相电流信号(或模拟量输入合并单元采集传统电压、电流互感器二次侧信号),合并单元输出报文中包含三相电压波形数据、三相电流波形数据。数字化电能表只需要接收对应合并单元输出的SMV报文即可解析出电压电流波形数据,其电压、电流波形为同步采样数据。数字化电能表不需考虑合并单元是否同步,也可以准确进行数字化电能量计量单光口数字化电能表的输入除单合并单元点对点输入,又有单光口多合并单元报文组网输入方式,其工作原理为:多输入合并单元先将报文组网,再将SMV报文组合到同一网络端口发送到数字化电能表,即数字化电能表的光口输入报文为多个合并单元的报文组合。其电能表接线图如图3所示。对于组网输入数字化电能表,若前端合并单元为同步信号合并单元,即合并单元工作基于同步信号采样,不同合并单元的报文也是同步的。虽然报文接收数字化电能表时刻不同,报文中对应计数的电流、电压波形数据是同步采样,数字化电能表只需解析出对应的数据,即可进行电能量计算。对于非同步合并单元,也就是固定延时合并单元,数字化电能表接收SMV报文,首先需要将不同合并单元的SMV报文数据进行分类,分别解析出电压波形数据、电流波形数据,然后对电压波形数据、电流波形数据进行同步插值计算,将电压波形、电流波形插值到同一参考时间后,才能进行电能计量运算2数字化合并单元及其同步稳定性分析三光口数字电能表为点对点输入方式,在500kV智能变电站中,由于采用3/2接线,存在电流合并单元和电压合并单元多路输入数字化电能表的情况,如图5所示。传统变电站设计布局,一般电压互感器位于母线侧,而每条出线或进线回路则有电流互感器。当就地采用数字化合并单元时,电压互感器侧连接电压输入型模拟量输入合并单元,出线或进线电流互感器侧连接电流输入型模拟量输入合并单元。电压数据源和电流数据源位于不同类型模拟量输入合并单元,数字化电能表需要接收电流合并单元和电压合并单元分别解析出电流、电压波形数据,进行数字电能计量。3网络时标误差分析对于数字化电能表,一般其采样数据来自同一个合并单元,其电压和电流采样数据本身就是同步的,都处于同一个IEC61850数据包中,无需做任何处理,即电压、电流不会因为同步信号而造成数字化电能表的准确性问题,在智能变电站也有数字化电能表的电压和电流采样数据来自不同的合并单元的情况,只要是智能变电站是基于同步时钟采样的,其电压和电流采样数据还是同步的。还有一种特殊情况是电压采样数据由电压合并单元点对点方式传输过来,电流采样数据由电流合并单元点对点方式传输过来。对于这种特殊的情况,则存在电压和电流非同步采样的误差。该误差也就是多合并单元非同步造成的误差,它由网络时标记录的准确度和插值算法的准确度决定,因此会对数字化电能表准确性产生一定的影响,下面就网络时标误差进行分析。网络时标假如存在系统误差则会影响有功功率误差,假如网络时标仅只是存在随机误差,经过采样统计后误差会相互抵消。为了简化分析,设电压合并单元的传输额定延时为0μs,同时电流合并单元的传输额定延时也为0μs,并且采样是等间隔的,每周波的采样点数为N,电网频率f=50Hz,电压通道和电流通道的网络时标系统误差为△T。加上网络时标误差后的有功功率:其中φ为没有网络时标误差时的功率因数角。由于△T很小,所以可以得到:相对误差为:由上述公式可以得到,当网络时标系统误差△T一定时,电网中功率因数角φ越小,网络时标造成的系统误差越小,当φ很小的时候,可以忽略其对有功功率的影响,即可以忽略多合并单元时同步信号对数字化电能表的准确度的影响。对于三相电路一般电网的功率因数cosφ≥0.85,即φ≤31.8变电站中采用的同步时钟为GPS输出的秒脉冲,合并单元接收到GPS秒脉冲后倍频,产生数据采集脉冲,根据《IEC61850-9变电站通信网络和系统》中规定,对于计量应用情况下,电流、电压同步采样的精度为1μs,即要求多合并单元条件下同步时钟误差应该在1μs内,假设网络时标记录误差为1μs,则:当cos(φ)=1时:当cos(φ)=0.85时:由上面的分析可以看出,此误差相对变电站普遍采用的0.2S级数字化电能表可以忽略,即在不考虑合并单元本身时钟延时误差的条件下,多合并单元的应用,其同步时钟的误差不会对数字化电能表的准确性造成影响,但是在合并单元本身时钟延时存在误差的条件下,合并单元内部都有自身的插值算法,即合并单元内部延时使得采样值存在一定的延时误差时,可以通过插值算法将延时误差降低,在这里就不再讨论因合并单元内部存在延时采用插值算法带来的误差。另外,合并单元因为自身内部的各种滤波电路的存在,一定会对角差、比差造成一定的影响,如果两个不同的合并单元同时接入到同一个数字化电能表,会对数字化电能表的准确度造在很大的影响,但是各合并单元在入网检测时必须利用标准校验仪对其进行校验,并修正内部误差,因此也可以忽略其对数字化电能表的影响。4光口电能表设置为适用于三光口数字化电能表的检测,研制了多功能标准数字功率源,其内部的MU仿真模块,可模拟现场三个合并单元IEC61850报文输出,报文发出同步精度为1μs。对威胜集团生产的三光口数字化电能表进行测试时,三个光口配置分别为:电压MU输出MAC地址为:01:0C:CD:04:00:01,通道号为030405;电流MU1输出MAC地址为:01:0C:CD:04:00:02,通道号为000102,电流MU2输出MAC地址为:01:0C:CD:04:00:03,通道号为060708;电压、电流1、电流2的SvID分别设置为Wasion@DM01、Wasion@DM02、Wasion@DM03,一次参比电流设置为220kV,电流为600A;二次参比电压为100V,电流为5A。实验显示,电能表可以正确计算功率源三个光口发出的电压电流采样值,研制的多功能标准数字功率源可以满足三光口数字化电能表检测要求。三光口电能表检测试验图如图6所示。5数字化电能表检测