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吴瀛1，刘佳2，周会宾3，赵进全3，罗文杰3
(1.中国南方电网有限责任公司超高压输电公司检修试验中心，广东广州510663；
2-中国电力科学研究院有限公司，北京100192；3-西安交通大学电气工程学院，陕西西安710049)摘要：直流数字化电能表在电能计量中应用日益广泛，但缺乏专门针对直流数字化电能表量值
溯源方案的研究。针对我国缺乏对直流数字电能表量值溯源方案的研究现状，以及现有的交流数
字电能表量值溯源方案中存在标准电能计算准确度受采样频率限制、量传误差环节多等问题，提出 了一种基于直流数字化标准功率源的直流数字电能表量值溯源方案。该方案在交流数字电能表量
值溯源方案的基础上，利用标准数字功率源内置DSP的数字波形拟合与抽取，替代交流溯源方案
中的A/D转换；利用DSP高频数字采样积分，替代交流溯源方案中的标准数字电能表。简化了交
流数字表的溯源方案，减少量传误差，提高了直流标准电能计算精度，实现了直流数字化电能表的
量值溯源，是直流数字化电能表量值溯源的一种新方案。
关键词：量值溯源；量值传递；直流数字化电能表；直流数字化标准功率源
中图分类号:TM933文献标识码:A文章编号#1000-0682(2021)01-0068-05
A traceability scheme of DC digital watt-hour meter
WU Ying1,LIN Jia2,ZHOU Huibin3,ZHAO Jinquan3,LUO Wenjie3
(1.Extra High Voltage Power Transmission Company,China Southern Power GriO,Guangdong Guangzhou510663,China；
usb flash2.China Electra Power Research Insthutr,Beijing100192,China；
3.School I£0^!Enginering,Xiin Jiaotong Universith,Shaanxi Xiin710049,China#
Abstract:DC digital meter is wiOly used in power system,but there is no resecmh on1001X00 scheme of DC digital watt hour meter.In view of the problems existing in the Wacebidty scheme of AC digital watt hour meter,such as the accuraca of standard electee tcgy calculation is limited by sa
mpling frequence,and there are many links of transmission-o r,a DC digital wat t—hour meter Wacebidty scheme based on DC digital standard power source is proposed.Based on the AC Wacebildy scheme,the digital waveform fitting and extraction of standard digital power source budt—in DSP is used to replace
A/D conversion in AC Wacebidty scheme,and DSP high-frequence digital sampling integration is used
to replace the standard digital wat t—hour meter in AC Wacebilim scheme.It simplifies the WacebilUy scheme of AC digital meter,reduces the transmission ecor,improves the calculation accuraca of DC standard electee eegy,and realizes the WacebilUy of DC digital wat t—hour meter.It is a new Waceg-bUity scheme of DC digital watt—hour meter.
Keywords：vlue-mcebiUty；vvlu—transmission；DC digital watt hour meter;DC digital standard poweesoueoe
0引言
随着换流站数字化的快速发展，电能计量的数
收稿日期#2020-09-25
作者简介：吴瀛（1981），女，广东省梅州市，硕士，高级工程师，主要从事电能计量研究工作。
E-mail:wuying1010@foxmail,）字化成为换流站数字化发展的主要方向之一）由于电能表的计量准确性和可靠性直接影响着电能的贸易结算［1］）因此，相关计量规程规定，必须对电能表进行量值溯源。数字化电能表是应用于数字化智能变电站、换流站的主要计量装置，其输入信号为符合相关协议标准的数字报文。因此，数字化电能表的溯源和检定方式与传统模拟电能表是不同的.2/）
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在国内，随着电能计量数字化进程的快速发展，研究
人员对交流数字化电能表的量值溯源方案做了较多
的研究，取得了一定的成果。最典型的有以下两种
方案。文献［3］提出了一种基于A/D转换的数字电
能表量值溯源方案，该方案通过A/D转换建立模拟电能计量与数字电能计量的桥梁；文献［4］提出了
一种基于改进模拟标准表结构的量值溯源方案，该方案在模拟电能表的A/D转换后引出了协议转换接口，从而使模拟电能表可以对数字电能表进行检定。但这两种最典型的方案都存在标准电能计算受采样频率限制、量传过程较复杂等问题，前者还存在A/D转换误差［5］）此外，文献［6~8］分别提出了数字电能表校验方案、数字电能表检定方案等等。而在国外，由于变电站的数字化发展相对滞后，鲜有人员对数字化电能表的量值溯源方案进行研究。
随着高压直流输电及太阳能等直流分布式能源的发展，直流电能表的应用日益广泛，但依然在交流侧使用交流电能表进行电能计量，这样会把交直变换器的电能损耗单方面地计入直流用户侧或直流供电侧［9］，不利于实现电能计量的公平性。为适应直流电能的广泛应用，采用直流电能表计量具有重要的现实意义。但由于国内目前大多使用交流电能表，少有人员专门针对直流数字化电能表的量值溯源进行研究。因此，该文在交流数字化电能表量值溯源方案的基础上，提出了一种基于直流数字化标准功率源的直流数字电能表量值溯源方案。该方案基于交流数字电能表的量值溯源方案，根据直流信号的特点，利用DSP的数字波形拟合与抽取，把交流溯源方案中经A/D转换得到的数字信号，用标准数字功率源直接产生，简化了对模数转换精度评价的环节；利用DSP高频数字采样积分计算标准电能，替代交流溯源方案中的标准数字表，提高标准电能计算精度，克服交流溯源方案存在标准电能计算准确度受采样频率限制的缺点。简化了交流数字表的量值溯源方案，减少量传误差，提高了直流标准电能计算精度，是一种可行的直流数字电能表量值溯源方案。
1交流数字化电能表的量值溯源
目前，有关于数字化电能表的量值溯源方案主要有以下两种方案。
1.1基于A/D转换的量值溯源方案
基于A/D转换的量值溯源方案原理如图1所示［3］）
协议处理单元
电能脉冲
1'误差计算实测电能
被检数字电能表Y~~*■标准数字电能表-
数据采样装置
模拟功率源模拟标准表
图1基于A/D转换的量值溯源方案原理图
模拟功率源输出模拟电压、电流信号，一方面给模拟标准表进行计量；另一方面给模数转换单元，经过数据采样和协议转换后，输出符合相关协议标准的数字量电压、电流信号，再给标准数字电能表和被检数字电能表。被检数字电能表的精度等级由标准数字电能表确定，标准数字电能表的精度等级由实验室模拟标准表确定，最终实现数字化电能表溯源到实验室模拟电能标准。但该方案存在的主要缺点：1）检定过程需要对模数转换单元的准确度进行判定［5］；
2）标准数字表对标准电能的计算受相关协议规定的采样频率的限制［10］）
1.2基于改进模拟标准电能表结构的量值溯源方案
该方案有实验室溯源与现场量传两个阶段。实验室溯源原理如图2所示，由实验室模拟电能标准检定数字电能表，实现对标准数字电能表的溯源；现场量传原理如图3所示，把图2中检定过的数字电能表作为量传标准，实现对现场安装的数字电能表进行检定⑷）
图2实验室溯源原理图
图3
现场量传原理图
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实验室溯源过程中，模拟功率源产生模拟电能信号直接送给实验室模拟标准电能表进行计量，同时，实验室模拟标准表内部的模拟电能信号经ADC 之后，进行满足相关协议标准的通信规约编码，并传递给数字电能表，得到模拟标准表和数字电能表的电能计量结果。随后，再经过误差计算，实现模拟标准电能表对被检数字电能表的检定。由于被检数字电能表使用的是模拟标准表内部的U/U,DU和A/ D转换单元，这使得检定误差基本等于被检数字电能表的误差.5/，减少了基于A/D转换的量值溯源方案需要对模数转换精度进行判定的环节。
现场量值传递过程中，数字功率源产生符合相关协议的数字电能报文，同时发送给标准数字电能表和被检数字电能表，通过误差计算器比对其计量结果，实现对现场安装数字电能表的检定。
该方案的优点是溯源过程中不需要对A/D转换进行精度评价。但该方案仍然存在标准电能的计算准确度受相关协议规定的采样频率的限制［10］）
2基于直流数字化标准功率源的量值溯源方案
基于直流数字化标准功率源的量值溯源方案原理如图4所示。标准数字功率源产生数字电压、电流信
号送到被检数字电能表进行电能计算并发出电能信号，误差计算器同时接收来自被检数字表和标准功率源发出的电能信号并进行比较，得到被检数字电能表的计量误差，完成对数字电能表的检定。标准数字功率源溯源时，产生模拟电压、电流信号送到实验室模拟标准表进行电能计算并发出标准电能信号，误差计算器同时接收来自模拟标准表和标准功率源发出的电能信号并进行比较，得到标准数字功率源的电能计算误差。
模拟信号
（溯源）
图4基于直流数字化标准功率源的量值溯源方案原理图2.1直流数字化标准功率源
直流数字化标准功率源包括RAM存储单元、协议处理单元、以太网接口、D/A转换器、放大器单元、通信控制单元、人机交互单元、DSP处理单元、脉冲收发模块，其原理如图5所示。
图5&直流数字化标准功率源原理图
DSP处理单元与RAM相连接，用于存储拟合数据；与通信控制单元、人机交互单元依次连接，用于控制DSP的输入、输出；脉冲收发模块与DSP相连接，用于发出数字功率源的标准电能信号和接收被测数字化电能表的电能信号［11］）
DSP处理单元包括常量设置模块、数字波形拟合单元、数字量抽取模块、DMA控制器、SPORT接口、电能计算模块、电能比较模块、通信接口。其功能模块组成及外部连接如图6所示。
图6DSP处理单元功能模块组成及外部连接图
&&常量设置模块用来设置数字波形拟合单元的直流偏置量；数字波形拟合单元用于将带纹波的直流信号等间隔离散化，得到拟合数据，并将拟合数据存储在RAM单元。电能比较模块分别与脉冲收发模块和电能计算模块相连接，用于将电能计算结果与被测数字化电能表的计算结果进行差值计算
）
2021171转向轴
检定过程中，数字量抽取模块1将拟合数据按相关协议规定的每周波采样点数进行抽取，抽取后的采样点波形数据发送给协议处理单元，然后通过以太网接口将数字电压、电流信号发送至待检数字电能表进行电能计算，计算结果通过脉冲收发模块传至电能比较模块。数字量抽取模块2可以同时抽取比相关协议更多的采样点给电能计算模块，实现高频采样。电能计算模块根据点积和算法对采样点波形数据进行计算，计算结果传至电能比较模块。电能比较模块将数字电能表的计量结果与DSP内部的标准电能计量结果进行对比，得出待检数字电能表的误差。数字量抽取模块2通过对数字化电压、电流信号进行高频采样(标准数字电能表的采样频率固定)计算出标准电能，，提高了标准电能的计算精度。
溯源过程中，DMA控制器用于将RAM中的拟合数据从SPORT接口发送给D/A转换器，并经过功率放大，将电压、电流信号输送到实验室模拟标准电能表进行模拟标准电能计算，计算结果通过脉冲收发模块传至DSP内部的电能比较模块。同时，电能计算模块将数字电能计算结果传至电能比较模块。电能比较模块将电能计算模块的计算结果与实验室模拟标准电能表的计算结果进行对比，得出标准数字功率源的电能计算误差)
直流数字化标准功率源利用DSP对数字化电压、电流信号进行高频采样、积分，计算标准电能。相对于利用标准数字电能表进行标准电能计算的交流溯源方案，简化了量值传递的中间环节，提高了标准电能的计算精度。在检定过程中，DSP处理单元与协议处理单元、以太网接口依次连接，数字化电压、电流信号直接送到被检数字电能表，简化了交流溯源方案中的模数转换环节，减少了溯源误差。
2.2数字波形的拟合与数字量的抽取
2.2.1数字波形的拟合
对于直流电能计量而言，其主要计量以恒定信号为主的脉动信号，需要考虑直流纹波对电能计量的影响[9])对于换流站直流侧的电能计量，其直流信号是由交流侧三相交流信号经过整流电路得到的，整流电路的输出是周期性的非正弦函数，其中主要成分为直流。
对@脉波整流电路，其输出信号为：
t(：=7d0+)cos(2#&C1)式中也二1,2,3,…，t为直流分量。
,2cos(X#)
Bn T^TrA0(2#
由(1)式可以看出，整流输出的谐波次数为
@X，当@一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小[12])因此，谐波对电能计量的影响较小。
以换流站常用的12脉波整流电路为例，直流侧谐波次数主要为12次,B12=2'1oC2(
X##7d0=0.0110)
一个加直流偏置的正弦信号可表示为：
a(e)=0-01yd0c os(2#/12e++t0(3)
为了简化分析，假设初始相位值为0，每周波的拟合点数为s，对函数a(t)按每周波s个等间隔进行离散化，得到拟合数据为：
A(c=0-01yd0cvs(罕0+A0(4)
为了保证输出的数字量功率源与模拟量功率源符合同步采样的要求，每周波的拟合点数s为信号频率M的整数倍；同时，为实现数字量抽取模块的查表抽取,s还应是每周波数字抽取点数的整数倍。
2.2.2数字量的抽取
数字量抽取模块1每周波的抽取点数与相关协议的规定有关，设每周波的抽取点数为N，则抽取间隔M=s/N，抽取出的数据点为：
9()=y(Mi)(5)式中：i=1,2,3，…,N)
数字量抽取模块2每周波的抽取点数可以根据DSP的计算性能选取，这里设其抽取点数是数字量抽取模块1的两倍，即每周波的抽取点数为2N，则抽取间隔M/2=s/2N，抽取出的数据点为：
9(c==A普0)(6)式中：i=1,2,3，…,2N。
2.3D/A转换器的作用分析
对于使用模拟功率源而引入的A/D转换装置，其采样点数与转换位数必须符合相关协议的规定以用于数字电能表的计量，而对于使用标准数字功率源而引入的D/A转换装置，由于其转换结果用于模拟电能的计量，其抽取的采样点数和转换位数可以大于相关协议的规定，以提升转换精度。
标准数字功率源通过D/A向实验室模拟标准电能表进行溯源时，由于数字功率源的数字电能计算比实验室模拟标准电能表的电能计算更加准确，既使引入了D/A转换的误差，只要D/A转换的误差足够小，即可满足标准数字功率源向实验室模拟标准电能表溯源的要求。
7220211
3结语
该文在交流数字化电能表量值溯源方案的基础上，根据直流信号的特点，提出了一种直流数字化电能表的量值溯源方案。该方案利用DSP的数字波形拟合与抽取，把交流数字电能表量值溯源方案中经A/D转换得到的数字信号，用标准数字功率源直接产生；利用DSP高频数字采样积分，替代交流溯源方案中的标准数字表。简化了交流数字表的溯源方案，减少量传误差，提高了直流标准电能计算的精度，实现了直流数字化电能表的量值溯源，是一种新的直流数字化电能表的量值溯源方案。
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热烈恭贺陕西省互联网协会工业互联网分会成立
陕西省互联网协会成立于2002年3月26日，由省内电信运营商、服务提供商、设备制造商、系统集成商以及大学、科研单位等互联网从业者共同发起成立。拉画笔
陕西省互联网协会工业互联网分会成立于2020年12月18日，由陕西鼓风机(集团)有限公司作为主发起人，联合陕西移动通信、海尔数字科技(西安)有限公司、迈艾木(西安)科技有限公司、陕西省大数据集团、中国联通陕西分公司、陕西树根工业互联网研究院有限公司、西安四叶草信息技术有限公司、陕西医链区块链集团有限公司等20余家发起成立。
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