数字电能表（共5篇）
数字电能表 篇1
0 引言
随着数字化技术不断发展, 传统的变电站自动化系统已无法满足智能化电网发展的需要, 数字化变电站将是继综合自动化技术后电力系统变电站建设的又一次革新, 数字化变电站必将是变电站建设的趋势[1]。它以变电站一、二次设备为数字化对象, 以高速网络通信平台为基础, 通过对数字化信息进行标准化[2], 实现信息共享和互操作, 并以网络数据为基础, 实现测量监视、控制保护、信息管理等自动化功能[3]。
数字化变电站中的电能计量系统和传统的计量系统不同, 它采用电子式互感器替代了电磁式互感器, 将电压、电流实时采样功能前移到互感器中, 在一次侧将电压、电流信号进行了数字化, 然后通过光纤将数字化的电压、电流信息传输到合并单元, 合并单元按照IEC61850-9-1标准将电压、电流信息组合后输出数字信号帧到二次, 为了适应这样的变化, 就需要在新的技术条件的基础上设计一套符合数字变电站特点的数字化计量和检测系统[4,5]。
1 数字化变电站
随着智能电网技术突飞猛进地发展, 传统的变电站已经不能适应智能电网发展的需要, 未来智能变电站将广泛地采用数字化变电站, 例如, 根据国家电网公司的电网规划, 在十二五期间将在全国至少建设110 k V及以上的数字化变电站6 000余座。数字化变电站是指变电站的信息采集、传输处理、输出过程全部数字化, 基本特征为设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化等[6]。
数字化变电站建设的关键是实现能满足上述特征的通信网络和系统, 并开发出相应的智能设备。相对于传统变电站, 智能变电站的一次设备采用数字输出的电子式互感器等智能一次设备。一次设备和二次设备间用光纤传输数字编码信息的方式交换采样值、状态量、控制命令等信息, 取消了控制电缆等硬接线[7], 如图1所示。
智能变电站技术的推广, 引发了电能计量技术的变革, 需要采用新的数字方式进行计量, 数字计量方式由于采用光纤通道进行数字量的传输, 不存在二次压降以及模拟电能表的A/D采集误差, 大大减小了传统计量二次回路误差因素, 因此, 数字计量必将成为电能计量专业今后的发展方向[8]。
2 数字表电能计量系统
传统计量系统由电磁式互感器、电能表通过电缆直接连接构成, 如图2所示。
数字电能计量系统是由电子式互感器、合并单元通过光纤连接构成, 如图3所示。
与传统电能表不同, 数字电能表的电量以数字信号的形式通过光纤以太网接口输入, 在传输的过程中没有附加误差, 数字电能表对接收到的数字信号直接进行数学运算, 理论上也不会增加误差。假设电压、电流互感器为0.2级, 线缆传输误差0.1%, 传统电能表为0.2级, 可得传统电能计量系统准确度为0.7%, 数字电能计量系统的准确度[9]为0.4%。由以上分析可知, 与传统的电能计量系统相比较, 数字电能计量系统减小了测量误差, 提高了计量准确度。
数字电能表是由数字信号处理单元、中央处理器单元、通信单元、存储单元和显示单元等组成, 如图4所示。
数字电能表的工作原理:一次合并单元将采样数据组织为IEC61850格式的数据帧传输给数字信号处理单元, 数字信号处理单元对数据帧进行解析后得到计量采样值, 然后通过对采样值进行积分和滤波运算后取得电压、电流值, 通过对采样值进行乘积运算得到瞬时功率值, 然后对瞬时功率进行积分运算得到一段时间内的电能。最后数字信号处理单元将这些数据传给中央处理器单元, 中央处理器单元对数据进行处理后生成电压数据、电流数据、功率数据、电量数据等, 然后传递给显示单元、存储单元、通信单元。同时中央处理单元作为整个系统的核心, 负责处理通信、时钟、按键、时钟等单元传来的数据, 并对这些数据按照软件设定的逻辑进行响应, 生成事件信息、控制信息等, 并将这些信息传递给对应的单元。
数字电能表具有正向、反向有功电能量和四象限无功电能量计量功能, 并可设置组合有功和无功电能量, 具有分时计量功能, 支持至少尖、峰、平、谷四个费率。至少能存储上12个结算日的单向总电能和各费率电能数据, 掉电过结算时间上电后能补全12个结算日电量数据。能够进行定时冻结、瞬时冻结、日冻结、约定冻结和整点冻结, 能够记录掉电、编程记录、开表盖、拉合闸、电源异常等时间, 支持RS 485、红外、光纤、以太网等通信方式。
数字电能表处理的信号为IEC61850格式的数字信号, 在传输过程中不会出现误差, 但由于电能表内部处理器字长有限, 在进行数值运算时会产生截断误差, 另一方面电能计算算法是对连续域内的信号进行离散化处理后近似计算, 会造成一定偏差, 同时电网信号频率波动、谐波及非同步采样的影响也会导致计量装置误差[10]。因此, 必须对数字电能表进行误差校验, 但是由于数字电能表与传统电能表工作方式的不同, 导致传统电能表校验台无法对数字电能表进行校验工作, 因此必须要重新设计新的电能计量校验装置。
3 数字电能表计量校验系统
本文采用ARM+DSP架构, 以高精度的A/D采样芯片设计了一种数字电能表计量校验装置, 它采用过采样技术提高了采样精度, 并通过滤波器抑制了采样信号的噪声。同时对电源和采样输入采用光耦和压敏电阻隔离措施, 能够适应测试现场的复杂干扰环境。
该校验仪具备以下主要特点:
(1) 接口丰富, 具有光纤以太网接口、RJ45接口、USB接口和RS 232接口等, 能够满足不同设备的连接需要。
(2) 能够在多种负荷模式下进行检验。
(3) 能够在量传模式下, 采用传统电能基准 (如COM3000) 进行精度校准和量值溯源。
(4) 能够模拟通信延时、数据帧丢失等故障, 以此来检查数字电能表的通信容错能力。
(5) 具有很强的可扩展性, 能够通过软件升级来满足未来数字电能表升级的需要。
(6) 采用了便携性设计, 方便在现场进行校验工作。
该数字电能表校验仪的工作原理如图5所示, 电脑通过一个RS 232口连接标准功率源用于自动输出不同的检定点功率, 通过另一个RS 232口连接数字电能表校验仪用于设置校验仪的参数并读取误差数据。数字电能表校验仪通过光纤或以太网口向数字电能表输出不同检定点的IEC61850格式的采样数据帧, 数字电能表对采样数据计算后产生的脉冲输出通过线缆回传给数字电能表校验仪, 校验仪比较后将误差数据通过RS 232传给电脑。
同时该校验仪在量传模式下能够通过更高精度的标准电能表 (如COM3000) 来检验它的精度是否符合要求, 如图6所示。
电脑通过RS 232口控制标准功率源自动输出不同的检定点功率, 标准功率源通过线缆分别连接数字电能表校验仪和COM3000, 并将COM3000的脉冲输入连接到校验仪的脉冲输出, 这样就可以在不同的检定点测试出数字电能表校验仪的精度是否达到设计要求。
4 结语
本文系统地阐述了数字化变电站的基本构造和运行方式, 说明了数字电能表工作方式和原理, 并对其对应的数字电能计量检测系统和溯源原理进行了论述, 在此基础上设计了一种新的数字电能表校验仪, 经测试该校验仪的准确度达到了0.05级, 抗干扰性能好, 能够适应现场复杂的测试环境, 并且具有很好的便携性, 能够满足常用数字电能表校验的需要。
摘要：由于传统的电能表与数字电能表的工作方式不同, 所以传统电能表校验台无法对数字电能表进行校验。因此, 设计了一种新的数字电能表计量校验装置。介绍了数字电能计量系统和数字电能表校验仪的工作原理。该校验仪的准确度达到了0.05级, 抗干扰性能好, 能够适应现场复杂的测试环境, 并且具有很好的便携性, 能够满足常用数字电能表校验的需要。
关键词：数字化变电站,数字电能表,数字电能表校验仪,IEC61850标准
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数字电能表 篇2
摘要：数字电能计量系统在数字化变电站中得到较为良好的应用，电子式互感器及电能表工作原理及接口方式的现代化发展，对数字电能表的校验工作提出了更为严格的要求，。本文就数字电能计量系统现场检定技术进行探索和研究，以提高数字电能计量系统的可靠性和准确性，仅供相关人员参考。
关键词：数字电能计量系统；电子式互感器；数字电能表；现场检定
数字化变电站在互感器输出信号以及电能表的校验方面都与传统变电站之间存在着明显的差异性，电子式互感器因其自身运行特点而得到相关人员的广泛关注，它能够一次性完成电流电压的数字化，最大程度上减少了数字信号传输中所产生的误差，弥补了传统电磁式互感器的不足，促进了数字化变电站的发展。在这种情况下，传统的校验设备无法满足数字电能计量系统的实际需求，因而加强数字电能计量系统现场检定技术的研究具有重要性和必要性。
1 数字电能计量系统现场检定技术概述
1.1电子式互感器现场检定技術的实际情况
通常情况下，直接测量法是电子式互感器现场检定的常用方法，在实际应用过程中，将被测电子式互感器与传统标准互感器进行直接测量和对比分析，从而明确电子式互感器在实际误差。从实际情况来看，这种现场校验方式满足数字化变电站电子式互感器的实际工况，具有一定的合理性和有效性。但是所采取的直接测量法具有一定的特殊性，在实际测量检定过程中对电子式互感器的精准度有着严格的要求，在进行现场校验之前，应当对电子式互感器的整体精准度进行合理的明确和控制。
1.2数字电能表检定技术的实际情况
在数字化变电站中采用的数字化电能表与传统的三相多功能电能表的工作原理完全不同，数字电能表所接收的信号是光纤以太网传送的数字化电流、电压信号，而不是传统的57.7 V/100 V的电压信号，或者是5 A/1 A的电流信号。不存在电流互感器、电压互感器及A/D转换等单元。数字化电能表获取数字化的电流电压瞬时值后，采用数字信号处理算法直接计算得到电功率和电能等电能计量数据。
理论上说数字电能表自身没有A/D环节，只是进行一下数学运算，是没有误差的。但实际可能产生的误差有两部分，一是由算法引起的误差，这种误差与信号的频率波动、波形以及非同步采样有关；另外是浮点数运算时有效位误差，为计算机系统固有误差，可以说是截断误差。
某研究院研制了数字电能表校验装置及其溯源体系，如图1所示，整个校验系统包含标准功率源、校准装置和工控机三部分。校验装置的关键部分是模拟合并单元，将模拟信号采集后，按照IEC61850-9-1协议组成以太网帧，通过光纤网络或者双绞线网络发送给被检电能表。这种方法很好的解决了数字电能表的溯源问题。
图1 数字电能表校验图及量值溯源图
2 数字电能计量系统整体检定技术
从整体情况来看，数字电能计量系统中数字电能表的检定问题始终困扰着业内人士，那么加强数字电能计量系统的整体检定技术的研究和探索具有重要意义。
2.1数字电能计量系统整体检定技术的原理分析
根据图2 可知，数字电能计量系统由被测电子式互感器、电子式电压互感器、合并单元以及数字电能表组合而成。电子式电流互感器实现了对一次电流信号的有效转化，以光纤为传送方式，将其传送到合并单元。从实际情况来看，合并单元能够将数字化的电流电压信号进行标准处理后发送给数字电能表。数字电能表能够通过数字帧直接提取电流电压相关的数据，在此基础上进行标准化的计算，可得出精准可靠地电能信息，从而进行电能脉冲信号的发送。
图2 数字计量系统整体校验图
与此同时，传统的标准电能计量系统在实际运行过程中，传统标准电能表校验仪直接进行二次信号的数字采样，并进行精准的计算后得出标准电能值。将此结果与数字电能表的电能脉冲进行对比分析，即可得出数字电能系统的电能计量误差。数字化电能计量系统整体检定技术的实际应用情况显示，该技术能够真实的反映出数字电能计量系统的误差，并且该校验方式的实际应用原理结构简单且清晰，满足数字化变电站的实际需要，与此同时该测试方法在一定程度上节约了测试相关投资，可以使用常规设备进行操作测试，无需开发新设备，因而具有良好的适用性。
2.2数字电能计量系统整体检定方法的测试结果
本文中我们采用数字电能计量系统整体检定技术对某市数字化变电站中的电能计量系统进行现场检定，现进行简要分析和讨论。该数字化变电站采用标准规格的电子式光学电流互感器，额定电流满足国家相关标准。数字电能表为同一公司生产的三相数字式多功能电能表。采用传统电磁式电压互感器为被测电压互感器。将标准电流互感器的级别进行明确，对额定工作电流进行明确，并对标准电压互感器和标准电能表校验仪的准确度级别进行明确。表1为功率测量结果，通过对表1 的观察和分析可知，额定功率下系统功率误差存在合理性，与理论上的系统误差相一致。
表1 功率测量结果
3 功率测量误差A类不确定度评定
由于试品校准点较多，此处评定只选择了两个有代表性的校准点进行：30%额定电流处（常用负荷），100%额定电流处两点。对30%额定电流和100%额定电流两点功率误差进行6次重复测量，数据见表2。
数字电能表 篇3
随着大规模集成电路和电力电子技术的发展,在电能计量领域,三相数字电能表发展迅猛,且以其自身的优势,逐渐取代了传统的机械式电能表。随着用户用电负荷的增加,供电质量的要求也越来越高,供电部门需要了解电网质量和用户的各种用电参数,如电压、电流、功率、频率等,这样数字电能表的应用范围越来越大。高精度的电能计量芯片是数字电能表的核心部分,ADE7758就是美国ADI公司推出的三相高精度多功能电能计量芯片,在电力系统测量控制领域可以满足电能计量高精度、高可靠性和低成本等要求。
1 ADE7758介绍
1.1 ADE7758综述
ADE7758是美国ADI公司推出的三相高精度多功能电能计量芯片。内部集成了6路2阶Σ-ΔA/D转换器、数字积分器、参考电压基准及温度传感器等电路。其中电压通道为16bitΣ-Δ型ADC,动态范围为20∶1;电流通道为24bit Σ-Δ型ADC,动态范围为500∶1。能计量有功电能、无功电能、视在电能,能测量电压有效值、电流有效值,电压周期和频率等,能对波形采样。在1000∶1的动态范围内线性误差小于0.1%。带有一个SPI兼容的串行通讯接口,通过此通讯接口完成对芯片的设置、电量数据的传输和校准。具有两路脉冲输出,一路为有功电能脉冲,另一路为无功/视在复用脉冲输出。单5V供电,低功耗,适用于三相三线制和三相四线制的具有50Hz或60Hz标准频率的电网[1,2]。
1.2 ADE7758模拟输入
ADE7758有6路模拟量输入,分成电流和电压两个通道。电流通道包含三对差分电压输入,电压通道具有三路单端电压输入,电压变化的最大范围为±0.5V。电流通道和电压通道各有一个可编程增益放大器(PGA),放大增益为1,2或4,增益的大小由用户编程来决定,这样对应的输入电压可以设置为±0.5V,±0.25V,±0.125V。除了PGA功能外,电流通道还有用于A/D转换满刻度量程的选择。
1.3 ADE7758参数测量、电能计量
有效值测量:电压、电流有效值是分别对电压、电流的采样数据求均方根获得。能够同时计算6通道的有效值,结果存在指定的寄存器中。
周期和频率测量:通过过零检测技术计算线电压周期、频率,结果存储在线周期寄存器FREQ中。
有功电能计量:输入到ADE7758的模拟电流信号经可编程增益放大器PGA1放大,模数转换器转换成相应的数字信号,再经高通滤波器滤掉直流分量并数字积分后,与经可编程增益放大器PGA2放大、模数转换器转换、相位校正的电压信号相乘,产生瞬时有功功率;此信号经低通滤波得到平均有功功率,平均功率不直接提供给用户,而是作为计量有功电能的中间量,在有功电能累加寄存器中进行有符号的累加得到分相有功电能,供用户读取。三相有功电能相加后,经过数字频率转换器DFC,产生与总有功电能有关的脉冲信号从APCF输出。如要求总有功电能,用户可以利用算术方法对三相有功电能求和或对有功功率脉冲输出APCF计数。ADE7758提供电网周期有功电能累加模式,因而可以消除有功功率中的波纹对有功电能计量的影响。
无功电能计量:先对电流采样信号增益放大、模数转换、高通滤波后作90°相移(如启动数字积分器,作-90°相移),再与增益放大、模数转换、相位校正后的电压信号相乘,产生瞬时无功功率;再经低通滤波得到平均无功功率,也不直接提供给用户。无功电能计量和功率脉冲生成与有功类似,只提供分相无功电能,存储在无功电能累加寄存器中,该寄存器可设为读后清零,提供电网周期无功电能累加模式。若要求总无功电能,可参考总有功电能计量方法。
视在电能计量:根据求得的电压有效值和电流有效值相乘得到视在功率,视在功率不能直接读出。视在电量计量和功率脉冲生成与有功计量部分类似。VARCF输出无功功率脉冲还是视在功率脉冲可由用户编程设置。
1.4 ADE7758功能操作和数据读取
ADE7758内的各种判断、处理和运算,结果都储存在寄存器中。ADE7758的各种设定、操作和数据读取,都是通过读写这些内部的寄存器来实现的。每个寄存器在读写时,首先要执行一个写通信寄存器的操作,然后开始传输数据。所有数据传输都与时钟SCLK同步,SCLK上升沿到来时,数据从DOUT读出,SCLK下降沿到来时,数据从DIN写入。无论数据写入还是输出,高位在前,低位在后。
2 ADE7758引脚配置和功能描述
ADE7758有24个引脚,SOIC-W封装。引脚名称和功能依次为:
(1)APCF:
有功功率校正频率逻辑输出,主要用于校准和操作。
(2)DGND:ADE7758中数字电路参考地。
通过一点跟整个系统的模拟地端(AGND)相连。
(3)DVDD:数字电源。
为ADE7758数字电路提供电压,维持在5V±5%。与DGND之间采用一个10μF的电容和一个100nF的瓷片电容并联进行去耦。
(4)AVDD:模拟电源。
为ADE7758模拟电路提供电压,维持在5V±5%。该引脚应该采用适当方法去耦,典型的方法是与AGND之间用一个10μF的电容和一个100nF的瓷片电容并联去耦。
(5)～(10)IAP,IAN;IBP,IBN;ICP,ICN:电流通道模拟输入。
这些输入是全差动电压输入,根据内部可编程增益放大器(PGA)的增益不同,最大可为±0.5V,±0.25V,±0.125V。这些输入端能承受±6V的过电压而不会造成永久损坏,并具有静电释放保护电路。
(11)AGND:模拟电路参考地。
所有的模拟电路应该连接到系统的标准模拟地或者干扰最小的接地参考点。为了减小ADE7758的地端噪声,模拟地和数字地只用一个点来连接。
(12)REFIN/OUT:片上基准电压。
标称值为2.5V±8%,温度系数为30ppm/℃。也可以连接外部参考电压。该引脚与AGND之间用一个1μF的瓷片电容去耦。
(13)～(16)VN,VCP,CBP,VAP:电压通道模拟输入。
这些输入是相对于VN端的单端电压输入,根据PGA的增益不同,最大可为±0.5V,±0.25V,±0.125V。这些输入端均能承受±6V的过电压而不会造成永久损坏,并具有静电释放保护电路。
(17)VARCF:
无功功率校正频率逻辑输出,通过设置WAVMODE寄存器的VACF位来选择输出无功功率还是视在功率,主要用于校准和操作。
(18)IRQ:中断请求输出。
低电平有效的开漏极输出,可屏蔽的中断包括:有功能量寄存器半满、视在能量寄存器半满、波形采样速率达到26kSPS。
(19)CLKIN:数字信号处理和模数转换的主时钟。
规定为10MHz,可以用一个外部时钟信号引入,也可以在CLKIN和CLKOUT之间并联一个晶振,此时应根据晶振的参数选择所需要的负载电容值,即接一个几十PF的瓷片电容到振荡门。
(20)CLKOUT:
当使用外部时钟或在CLKIN和CLKOUT之间连接一个晶振时,该引脚能驱动一个CMOS负载。
(21)CS:
片选信号,低电平有效。
(22)DIN:串行数据输入。
在串行口时钟SCLK的下降沿输入数据。
(23)SCLK:串行时钟信号输入端。
所有串行数据被该时钟同步。该引脚具有施密特触发输入,以适应速度较慢的边沿变化。
(24)DOUT:串行数据输出端。
在SCLK信号的上升沿数据输出,无数据时呈高阻状态。
3 ADE7758在三相数字电能表中的应用
3.1 基于ADE7758的三相数字电能表
基于ADE7758的三相数字电能表电路主要由电源电路、计量电路、数据存储电路、通信电路、LCD显示电路、LED指示电路、键盘输入电路、实时时钟电路、看门狗电路、脉冲输出电路、CPU控制电路组成。功能框图如图1所示。
电路中CPU采用MOTOROLA公司的MC68HC908LJ12芯片,这是一款适用于电表设计的单片机,内含12kBFlash存储器并可在线编程。同时还具有一个带有红外功能的串行通信接口SCI,一个高速SPI,8个键盘输入中断,内含LCD驱动模块,因而节省了外挂液晶驱动芯片[3]。
电能计量电路中计量芯片采用ADE7758,通过SPI接口与CPU连接。
数据存储采用64kB的非易失性铁电存储器FM25640,该器件具有100亿次的读写次数,擦写性能完全可以满足实时更新的要求,掉电数据可保持10年。支持SPI工作方式中的方式0和3,总线速度最大可达到5MHz。通过SPI接口与单片机相连[4]。由于FM25640和ADE7758同时连接于单片机的SPI口,两个器件的有效是通过单片机上不同片选来控制。
看门狗电路采用美国Xicor公司的X25045,自行监测电能表的运行情况,使得电能表在程序跑飞,CPU出现异常时能重新开始工作,增强了抗干扰能力。
实时时钟采用美国DALLAS公司的DS1302,精确指示当前时间,具有后备电池,掉电不丢失时间。
RS232接口与PC机连接,实现程序的写入和调试;红外发射、接收接口和RS485接口,分别配合红外抄表器和RS485远程方式实现抄表,以及用户参数的设定。LED指示灯指示电能表的工作状态和脉冲输出等信息。大屏幕中文LCD用来显示实时时间和数据信息,诸如相电压、相电流、各相及总的有功电能、无功电能、视在电能、功率因数等。按键主要用来调节不同的显示界面和设置不同的显示方式。
3.2 模拟输入回路设计
3.2.1 三相电压采样电路
本设计相电压额定值为AC220V,采用电阻网络方式来分压,根据ADE7758数据手册,模拟信号的最大输入电平为0.5V,选择在输入幅度约1/2量程左右可保证实时的计量精度和大于120%Ua时的计量精度。采样电路如图2所示,输入为220V时,UAP=180mV。
3.2.2 三相电流采样电路
电网中三相电流经过变比为1.5A/5mA的精密电流互感器,先将电流信号转换为二次侧小电流信号,而后通过差分电路形式,输入到ADE7758的电流输入端,采样电路如图3所示。本设计额定电流为1.5A,最大电流6A,基本可以满足至少6倍额定电流
的范围。为了保证测量精度,采样电阻R1、R2采用精度为±1%、温度系数±100ppm/℃的5Ω精密电阻,输入电阻R3、R4为1kΩ,滤波电容C1、C2为33nF,这样,输入电流为6A时,输入差分电压为200mV。
3.3 ADE7758与CPU的连接电路
ADE7758和MC68HC908LJ12督带有SPI串口,所以二者之间的连接非常简单,只要将ADE7758的管脚DIN、DOUT、SCLK、CS、IRQ分别与MC68HC908LJ12的管脚MOSI、MISO、SPSCK、PAT4、IRQ相连即可。当ADE7758的IRQ变低时,向MC68HC908LJ12发出中断申请,MC68HC908LJ12通过SPI总线对ADE7758的中断状态寄存器进行读操作,查询中断类型,如是正常ADE7758转换结束中断,读出ADE7758中的电压、电流等数值,否则做出其它相应的处理。由于SPI总线是一种高速同步串行总线,两个芯片之间的数据传输速率较高,因而两芯片必须靠近,只能布置在同一块电路板上,且数据线和时钟线最好用地线隔开,以免线间串扰。
4 结束语
在介绍三相高精度多功能电能计量芯片ADE7758的基础上,又将其应用到三相数字电能表中,这不仅简化了数字电能表的设计难度,而且做到了全电子化,有利于提高性能,降低成本和实现多种形式的抄表与通信,使电能计量精度更高,可以说是数字电能表现在和将来的发展方向。
摘要：介绍了一种三相高精度多功能电能计量芯片ADE7758,对其引脚配置和功能做了详细的描述。给出了ADE7758+MC68HC908LJ12的三相数字电能表电路的总体设计,着重介绍了ADE7758的模拟输入电路和ADE7758与MCU之间接口电路的设计。应用ADE7758构建的数字电能表具有结构简单、精度高、抄表和通信方式多样化等特点。
关键词：ADE7758,数字电能表,电能计量,电力系统
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数字电能表 篇4
智能变电站是坚强智能电网的重要组成部分,2012年,国网公司在总结智能变电站经验的基础上,又提出了以“集成化智能设备与一体化业务系统”为主要特征的新一代智能变电站建设目标,以进一步推进智能变电站集成优化设计,提升智能变电站高级功能应用水平等[1,2,3,4]。
数字化电能表属于智能变电站间隔层计量设备,是可接收合并单元已量化的电压、电流采样值(Sampled Value,SV)报文完成电能累积的新型电能计量设备,数字化电能表在智能变电站中已经有较多的应用[5,6]。目前主要的应用方式是接收合并单元传输的IEC61850-9-2LE采样值报文,完成电能累积、功率测量等多种功能,和站控层电能量采集设备的上行通信物理上采用RS485接口,遵循DL/T 645—2007多功能电能表通信协议。存在的主要问题包括对SV异常工况处理能力不强,安全性不够,上行通信无以太网接口,无IEC 61850建模功能等,不支持IEC 61850-8-1协议,互操作性不够等。新一代智能变电站针对这一现状对数字化电能表提出了性能提升需求,明确了数字化电能表不仅可接收合并单元传输的SV报文,还需对采样数据输入通信中断等采样值异常事件进行有效处理,和站控层的电能量终端等设备直接采用IEC 61850-8-1协议通信,电能表IEC61850建模符合相应的规范等,数字化电能表和新一代智能变电站的关系如图1所示[6,7]。
1 产品设计
1.1 产品需求
结合到国网公司物资采购标准《220 k V新一代智能变电站二次系统通用技术规范(范本)》,需求主要如下:
(1)应符合GB/T-17215.303—2013,Q/GDW 11111—2013规范要求,准确度等级符合有功0.2S级、无功2级。
(2)结构应符合Q/GDW 1356《智能电能表型式规范》关于三相智能电能表结构要求部分。
(3)具备两个SV专用接口,具备两个IEC61850-8-1描述的制造报文协议(Manufacturing Message Specification,MMS)抄表接口,至少一个RS485接口,电能表应配备一个供现场校验用以太网接口,现场校验用接口与MMS抄表接口可以共用。
(4)SV专用接口支持IEC61850-9-2LE,其中周波采样点数80,256/周波自适应,应用服务数据单元(Application Service Data Unit,ASDU)数目在[1≤ASDU≤8]范围自适应,应能记录SV异常事件总次数,最近10次SV异常事件发生、结束时刻以及开始及结束时刻电量数据。需记录的SV异常事件包括:采样数据输入通信中断、采样数据网络风暴事件、采样数据输入报文源地址无效事件、采样数据输入报文格式无效事件、采样数据输入序列不连续事件、采样数据输入报文数据无效事件、采样数据输入报文丢失事件、采样数据输入报文为检修状态事件、采样数据非同步事件等。
(5)电能表应具有符合规范的IEC 61850数据模型,能生成基于IEC61850的数据智能电子设备配置描述(Configuration IED Description,CID)文件,与站控层电能量采集设备等采用IEC61850-8-1描述的MMS协议进行信息交互,应在已有数据采集功能的基础上进行计量建模,同时对SV异常等工况进行逻辑节点建模,满足异常工况信息传输需求等。
1.2 硬件设计
当前部分数字化电能表主要的欠缺在于光纤或电以太网口接口数量不足,通信能力不强,不符合通用技术规范要求等[7,8]。
考虑到电能表需要较多的以太网接口以增强网络通信能力等,最终选用了新一代智能变电站中自动化装置常用的CPU,即Freescale公司的Power QuiccⅡ系列的MPC8247[8]。
MPC8247频率最高达400 MHz,运行功耗低(1 W at 400 MHz),采用双核结构:一个Power PC 603e核和一个单独的通信处理机模块(Communication Process Module,CPM)。内核(1.5V)和I/O(3.3V)分开供电,64位数据线和32位地址线的60x BUS支持64,32,16和8位的器件;其中Power PC 603e拥有16 K程序cache和16 K的数据cache,200 MHz主频时峰值速度达280 MIPS,32位乘法速度达66 MIPS,32位除法速度达8~66 MIPS,运算能力已远超过同主频的16 bit定点DSP,并且具有硬件浮点单元(Float Point Unit,FPU),可有效提升计量准确性。
芯片集成了丰富的外设,包括动态内存接口、片选子系统、DMA接口,快速串行通信控制器(Fast Communications Controller,FCC)、串行通信控制器(Serial Communication Controller,SCC)、SPI、串行管理控制器(Serial Management Controller,SMC)接口等,其中:FCC可以支持IEEE802.3/快速以太网协议,SCC可以支持IEEE802.3/以太网协议、HDLC和UART,SMC可以支持UART。所有串行通信口由一个32bit RISC-CPM管理,通过24KB的双口RAM与Power PC603e交换数据,占用Power PC603e资源极少。
基于CPM模块的FCC,SCC,SMC等控制器,外围选用Intel公司LXT971以太网控制器、Agilent公司HFBR-5803T光纤收发器等相关以太网器件,数字化电能表可直接扩充出具有两路100 M光纤以太网,一路100 M电以太网,一路10 M/100 M自适应电以太网。
考虑到数字化电能表需要显示APPID,SVID等SV报文参数及异常事件等,为便于运行维护,直接选用240×128图形点阵液晶以提升人机界面的友好性。辅助电源采用双路冗余交直流通用电源设计,保留一路RS485抄表接口,以及两路有功、无功电能脉冲输出及多功能脉冲输出等,产品各模块组成如图2所示。
1.3 软件设计
相对于模拟量输入的电能表,数字化电能表不再直接对线路电流电压信号进行采样和AD转换,而变成接收合并单元发送的离散采样值,即IEC 61850-9-2LE报文。
数字化电能表采用梯形卷积算法累积全波电能,由于合并单元前端电子式互感器采用的为定频采样,采样间隔时间Δt固定,三相电流、电压瞬时值已经合并单元同步处理,所以可直接引用公式进行电能卷积。其中Δt为采样间隔时间,N为接收到的采样点数,E即为t时段的所有N个采样点所代表的总有功电能量。无功功率由于暂无须考虑谐波因素,所以采用基于FFT的直接公式法进行计量,具体算法上即为利用无功定义计算采用Hilbert移相器进行累积[8,9]。由于电能算法已经非常成熟,在此不再赘述。
1.3.1 SV异常处理
需要处理SV异常事件包括采样值通信中断、采样值报文地址无效等,对于软件编程来说,需要的是对较为笼统的这些事件进行具体量化的定义,因篇幅所限,仅以采样数据输入序列不连续事件为例进行介绍。
采样数据输入序列不连续即数字化电能表接收到的同一合并单元的SV报文中采样计数器值Smp Cnt不连续,即当数字化电能表在时间T时段内检测到采样报文中采样计数器值不连续,并且检测出的不连续报文帧数目累计达到设定值N个及其以上时,认为采样数据输入序列不连续事件发生[10]。
显然我们需要明确时间范围T和帧数目N的取值关系,结合到数字化电能表的精度要求,根据实际测试结果,提出帧数目N可按照公式(1)进行计算:
其中K为数字化电能表有功准确度,以0.2S级数字化电能表为例,其K值为0.002。FSmp Rate为SV报文中的电压、电流采样率,NASDU为每个SV报文帧中APDU包含的ASDU数目;如取SV为常用的每周波80点,ASDU数目为1,则FSmp Rate=4 000 Hz,NASDU=1,若T取值60秒,此时可计算出N的取值为480。
也就是说,数字化电能表在不进行插值补偿的情况下,每60秒丢帧数目大于480帧时,其有功准确度无法满足0.2S要求,此时可记录为采样值报文输入序列不连续事件;相应地,在每60秒丢帧数目小于480帧时,若前期已有可采样值报文输入序列不连续事件,此时可记录为相应的恢复事件。
1.3.2 IEC 61850数据建模
技术规范要求数字化电能表直接通过IEC61850-8-1描述的MMS服务和站控层电能量采集设备通信,由于IEC61850标准对电能计量、电参量测量、电能表事件等相关信息的建模描述较为简单,无法充分表述数字化电能表作为IED(智能电子装置)的信息,本文结合技术规范进行了建模扩充。
逻辑设备(LD)建模含电能计量逻辑设备(METR)、采样值输入逻辑设备(PISV)、GOOSE控制逻辑设备(PIGO)合计3个,逻辑节点(LN)建模含逻辑节点0(LLN0)、时区时段定值(MTST)、电能量计量逻辑节点(MMTR/MMTN)、电参量逻辑节点(MMXU)、电表事件(MTOVMTOCMSET)等,建模后的数字化电能表模型如图3所示。
2 产品测试
2.1 误差测试
采用虚负荷测试。SV设定为FSmp Rate=4 000 Hz,NASDU=1,Un=127 k V,In=1 000 A,功率因数cosφ分别为1.0,0.5 L,0.8 C,误差结果表明有功准确度为0.05级,优于技术规范要求的0.2S级。为验证SV异常处理能力,在功率因数cosφ为1.0的情况下每秒随机丢失帧为1、5、8、10点等,误差结果表明随丢帧数目,结果逐渐向负误差偏移,符合理论规律,也可相应报出采样值输入报文不连续事件。
2.2 IEC 61850建模一致性测试
先后进行了文件和版本控制、配置文件、特定通信服务映射SCSM、数据模型MICS、应用关联、服务器/逻辑设备/逻辑节点/数据模型、数据集模型、报告模型等合计25项具体测试,如表1所示为数据模型MICS测试步骤。
3 结语
限于篇幅,本文未详尽地讨论产品研制的各个环节,主要通过分析新一代智能变电站的应用需求,重点阐述了数字化电能表的CPU选型,SV异常处理实现方法等。设计的电能表已经通过相关计量机构和检验测试中心的测试,获得校准报告和检验报告,并已在新一代智能变电站中投入应用,下一步将在基于IEC61850标准的准确度在线校验等方面进行持续研究,以进一步提升产品性能。
摘要：新一代智能变电站对数字化电能表的SV采样值接口、IEC61850数据建模提出了进一步要求,文章介绍了以MPC8247为核心的数字化电能表硬件设计,并讨论了SV异常处理和数字化电能表建模方法,对数字化电能表进行了校准和互操作性测试,测试结果表明产品符合相关标准和现场实际需求。
关键词：新一代智能变电站,数字化电能表,MPC8247,IEC61850建模
参考文献
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数字化电能计量检测技术方案研究 篇5
当前我国电网电能计量逐渐向自动化、信息化方向发展,促进了数字化变电站的信息采集、传输以及处理等全程数字化运行的实现,此种情况下能够实现多元化功能模块以及子系统共用统一信息平台,从而有效的避免了设备重复投入等问题的产生,维护数字化电能计量检测技术的实际应用价值的有效发挥。在此种情况下,加大力度对数字化电能计量检测技术方案进行研究和分析,具有重要的现实意义。
1.数字化电能计量系统的概念及特点
智能变电站电能计量技术在实际应用中,主要是在模拟量采集上实现全数字量化后,通过光纤线路来实现传输,在合理利用点对点传输技术的基础上,通过数字化电能的传输,来为智能变电站的电能计量工作提供可靠的数据支撑,进一步促进变电站数字化电能计量系统的有序形成。就宏观层面来看,数字化电能计量系统的研究和探索,有助于变电站电能计量系统更好的适应新时期信息化技术的发展需求,促进相关理论研究水平的不断提升。
具体来讲,智能电能表计量系统是立足于计算机技术的基础上,通过数字通信技术所建立的一种电能计量系统,其在实际应用过程中信息传输和处理的速度较快,传输准确性较高,并且具有良好的抗干扰能力,促进了电能计量信息的传输及处理的一体化的有序实现。当今社会信息技术在社会各领域内都得到了广泛的应用,尤其是数字化信息网络的信息流量范围较大,能够对信息进行高速处理,一定程度上缓解了变电站当前运行监测数据传输方面以及存储方面的不足,促进电能计量装置运行检测总体水平的提升。在此种情况下,积极研究数字化电能计量检测技术方案,加快电能计量系统的建立和完善,是当前我国电网建设过程中所面临的一项重要课题。
2.数字化电能计量系统实际运用要点
在数字化电能计量系统实际运用过程中,由于当前智能互感器技术仍处于初期阶段,发展尚不成熟,实际运行及维护经验有待完善,其实际测量精度的温度漂移情况比较明显,并且其在长期运行的条件下,实际可靠性受到了一定程度的影响,在未来实践研究过程中,应当积极加以完善和发展。
就数字化电能计量系统的实际运行情况来看,其主要是运用现代化的测量方式和工作原理,那么应当确保这些新型的电能计量器具与国家法律规定相符合,并获取国家先关法定计量检定机构的认证,从而促进数字化电能计量系统的稳定高效运行。因此在数字化电能计量检测技术方案中,应当加大力度做好智能互感器和智能电能表的认证工作。
现代化的智能计量装置主要以全新的检定方法、检定技术开展计量检定操作,并以现代化的量值传递标准作为参考依据,与此同时确保计量检定的相关规程和验收规范等都保持同步制定和开展,从而促进数字化电能计量检定工作的顺利开展。数字化电能计量检测技术的合理化应用,对计量人员的技术素质和管理能力也提出了更高的要求,那么计量人员应当加强学习,不断提高自身综合素质和岗位技能,从而更好的对智能电能计量系统进行操作、使用和维护,促进我国数字化电能计量系统的稳定运行和优化发展。
3.数字化电能计量系统的检测
3.1数字接口电子式互感器的检测技术
在数字化电能计量检测过程中,被检电子式互感器二次输出送到合并单元后,可以以同步信号节奏为主要依据来实现数据包的输出。标准互感器的二次输出到数据采集器时,控制机能够自动向采样同步信号触发器发出指令,此种情况下采样同步信号触发器能够在明确实际指令的基础上,向数据采集器发出同步采样命令,便于两路数据包能够实现同步运行。待同步采样后,控制计算机能够对合并单元实际输出的数据帧进行准确的解析,加以精准计算。与此同时对数据采集器所发送的数据包进行精准计算,此后便可得到被检电子式互感器与标准互感器的二次输出值的幅值和相位移,并明确数字接口的电子式互感器比差和角差,从而为数字化电能计量检测的实际效率提供可靠的数据支撑。
3.2小信号输出式电子书互感器的检测校验模拟
在数字化电能计量系统进行检测时,可以通过模拟小信号输出式电子式互感器的检测校验的方式,促进监测工作的顺利开展。那么在对电流互感器进行检测时,应当为标准电磁式电流互感器和被测电子式电流互感器提供一次电流,此过程中以调压器或升流器为主要设备。在读电压互感器进行检测时,同样以调压器或升流器为主要设备,为标准电磁式电压互感器和被测电子式电压互感器提供一次电压。这一检测方式比较简单,易于理解并且实际检测效果较好。待标准和被检的二次值输入到各自数据采集器内后,以同步信号触发器为主要应用设备,在严格遵循控制机指令的基础上,同时向两块数据器发出采用命令,并在采样操作完毕后,及时开展精准的计算,以保证所得数据的可靠性,提高实际检测的有效性,从而为数字化电能计量系统的稳定运行提供可靠的数据支撑。
3.3数字接口电能表测试方案
就数字化电能计量系统的实际情况来看,其装置具有明显的数字化特征,在实际检测过程中,仅仅需要对被检测电能表接收数据的安全性和稳定性进行检测,并确保电能计量的精准性满足数字化电能计量系统在实际运行中的要求。那么在开展电能计量检测的过程中,应当以高速DSP输出电压以及电流的波形信号后,开展规范的采样操作,将协议帧输出至网络端口,在低延时交换机的稳定运行状态中,实现数字信号的复制,确保每一个端口都包含此信号,进而在转换电路的作用下,实现信号向多模或单模光信号的转变,将其输送至标准表和被检表中,促进数字接口电能表测试工作的顺利开展。
4.结束语
数字化技术在电能计量领域的应用将推动计量装置在制造技术上的更新换代,从而不断促进检定技术的逐步完善,提高检定质量和工作效率,提高电能计量装置的准确性、安全性和可靠性。希望通过数字化电能表的检定技术的分析为有效解决数字化变电站电能计量的检定提出了一种解决方案。
摘要：电能计量自动化系统是电网运行过程中的重要组成部分,该系统的稳定高效运行能够为电网经济运行管理水平的提升提供可靠的保证,并在一定程度上拉动电网经济增长。本文就数字化电能计量检测技术方案进行研究和分析,具有重要的现实意义。
关键词：数字化,电能计量,检测技术
参考文献
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