2.2 數(shù)字化電能計量核心技術(shù)難點

1.數(shù)字化計量（測量）儀器的溯源和量傳體系的建立

雖然目前已有針對數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表的測試研究，已有一定廠家開發(fā)了部分設(shè)備，但是在測試方法及溯源方法上各有優(yōu)劣，所以針對數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表測試裝置的量值溯源方法開展技術(shù)研究，為數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表測試裝置的量值溯源提供優(yōu)化的解決方案，是本書的一大技術(shù)難題，具體如下：

1）對于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式電能表等數(shù)字儀表的溯源和量值傳遞，其難點在于基于IEC61850協(xié)議的以太網(wǎng)電壓、電流數(shù)字量信號與互感器之類沒有電氣連接，使得量值傳遞中斷而無法溯源，如何將數(shù)字量溯源到模擬量是難點之一。

2）時域上的變化對數(shù)字化計量（測量）準(zhǔn)確度的影響以及時域不變性與時域積分之間差異性的驗證方法目前缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和有效手段，這是本項目研究的難點和需要重點解決的問題。

3）數(shù)字化計量（測量）準(zhǔn)確性的影響量包括了傳輸誤碼率、軟件算法、軟件設(shè)計、系統(tǒng)時鐘和有限字長效應(yīng)、插值環(huán)節(jié)以及高次諧波的失真等，且這些影響量不易被定量，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘來實現(xiàn)定量標(biāo)定數(shù)字化計量異常對整個數(shù)字計量體系的影響是項目的難點之一。

2.數(shù)字量到模擬量的溯源裝置研究與開發(fā)

1）高精度高速模-數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的實現(xiàn)技術(shù)。

2）目前國內(nèi)計量的數(shù)據(jù)一般采用80點/周波的采樣速率，此采樣速率在模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換過程中的精度損失是非常大的，如何最大限度減小該環(huán)節(jié)的精度損失，是本項目的難點。

3）如何減小高頻電能量脈沖在傳遞與測試過程中引入的脈沖測量誤差也是本項目的難點之一。

4）高精度的電壓變換器、電流電壓變換器及A-D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計和實現(xiàn)是該轉(zhuǎn)換裝置的一大難點。

3.高等級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源的研究與開發(fā)

1）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源的研究難點在于如何實現(xiàn)同時進(jìn)行多種模式的以太網(wǎng)數(shù)字信號接收和發(fā)送，并同時輸出基于該信號的模擬量以及電能量脈沖，以及對輸出報文功能進(jìn)行有效控制。

2）高等級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表研究的難點在于對基于IEC61850協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)字信號功率、有功電能、無功電能的準(zhǔn)確計量，該計量功能準(zhǔn)確度與算法關(guān)系密切，不同的算法決定了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式電能表的不同準(zhǔn)確度。

3）采用何種技術(shù)實現(xiàn)精確時間采集以確保標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源的準(zhǔn)確度是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源的實施難點之一。

4）如何保證標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源的時間離散精度是一個難點。

5）3/2等接線方式需要在數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表內(nèi)實現(xiàn)數(shù)字量同步，采用何種技術(shù)來實現(xiàn)同步，有待詳細(xì)研究。

4.數(shù)字計量系統(tǒng)

本書的主要思路是將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表的溯源與實際的物理量（電流、電壓模擬量）進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表的量傳，采取理論和實驗相結(jié)合的研究方法，如圖2-1所示。

1）理論研究及系統(tǒng)開發(fā)：對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表的溯源和量傳體系進(jìn)行研究，并對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表進(jìn)行建模和仿真研究，研究其算法誤差。然后建立SV報文傳輸對計量（測量）準(zhǔn)確度影響的模型，研究SV報文傳輸過程對數(shù)字化計量（測量）設(shè)備準(zhǔn)確度的影響，開展數(shù)字化計量（測量）設(shè)備檢錯糾錯研究和相關(guān)軟硬件處理技術(shù)研究，并在此基礎(chǔ)上研制高等級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式電能表及數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)源，編寫標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式電能表測試/校準(zhǔn)規(guī)范。

2）實驗研究及測試驗證：開展標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源到模擬功率源的轉(zhuǎn)換，仿真SV報文傳輸時間特性及信號異常對數(shù)字式儀表準(zhǔn)確度影響的相關(guān)實驗，對實驗結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)；采用實驗室測試驗證和現(xiàn)場測試驗證仿真相結(jié)合的方式。

3）將理論分析結(jié)果和實驗結(jié)果相結(jié)合，利用理論分析結(jié)果對實驗進(jìn)行設(shè)計，通過實驗結(jié)果對理論分析結(jié)果進(jìn)行完善。

①數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)表的溯源和量傳體系：將變電站安裝的0.2S數(shù)字式電能表、數(shù)字式測控裝置、各類型電子式互感器通過不同等級標(biāo)準(zhǔn)（共分為標(biāo)準(zhǔn)層、工作標(biāo)準(zhǔn)差和器具層）逐級溯源到國家基準(zhǔn)，來實現(xiàn)數(shù)字式電能表、數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)電能表、數(shù)字式測控裝置及電子式互感器的全面量值保障，形成了不間斷的溯源和量傳鏈路。標(biāo)準(zhǔn)層主要由0.005級數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表、0.005級數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)源以及數(shù)字量到模擬量溯源裝置組成，主要實現(xiàn)0.005級數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表到國家基準(zhǔn)（模擬量）的溯源。

②數(shù)字量到模擬量的溯源裝置：數(shù)字量到模擬量的溯源裝置是實現(xiàn)0.005級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式電能表向國家電能基準(zhǔn)溯源的關(guān)鍵裝置，采用同步溯源方法實現(xiàn)到模擬量的溯源。該裝置的主要設(shè)計思路是：采用高速采樣技術(shù)，然后利用基于正弦波虛擬的拉格朗日多點虛擬插值技術(shù)來實現(xiàn)高速采樣數(shù)據(jù)與IEC61850-9協(xié)議之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以最大限度減小采樣速率在模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換過程中的精度損失；同時采用光纖電能量脈沖來消除高頻電能量脈沖所帶來的測量中間誤差。

③0.005級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源：采用FPGA的硬件設(shè)計實現(xiàn)精確時間采集來確保標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源的精度，并采用基于時間測試的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號源的時間驗證系統(tǒng)以保證標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源的時間離散精度。

④0.005級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式電能表：標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式電能表的算法擬對時域積分以及時域不變積分，梯形積分與矩形積分算法進(jìn)行分析和仿真，以提高計量精度，同時采用精確時間測量技術(shù)實現(xiàn)跨間隔數(shù)據(jù)的精確時間測量來減小3/2等特殊接線方式所帶來的計量同步誤差。

⑤電子式互感器校驗儀數(shù)字式溯源整檢系統(tǒng)：采用模擬量同源同輸出，通過數(shù)字量調(diào)節(jié)比差角差，采樣值報文的離散度可以按照配置值進(jìn)行靈活且精確的控制，通過Agilent3458間斷非連續(xù)采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)。

⑥直流電子式互感器校驗系統(tǒng)：為了完成精度校驗，校驗系統(tǒng)同時接收標(biāo)準(zhǔn)源側(cè)和試品側(cè)的共兩路信號的輸入。標(biāo)準(zhǔn)源側(cè)的信號是精度校驗試驗的基準(zhǔn)，它取自高精度標(biāo)準(zhǔn)直流比例器輸出的模擬量，信號接至“直流前置單元”的一個輸入。

⑦數(shù)字式計量（測量）整體校驗系統(tǒng)：以變電站一次主接線及與之直接相連的線路、電源為對象，建立“變電站仿真系統(tǒng)”，“變電站仿真系統(tǒng)”可以仿真被試二次系統(tǒng)工作所需要的全部工頻信號。利用無線傳輸技術(shù)，將變電站時域仿真結(jié)果分別送到各個“合并單元”。在統(tǒng)一時鐘控制下，各合并單元同步輸出“變電站仿真系統(tǒng)”的時域仿真結(jié)果。將合并單元、數(shù)字化繼電保護(hù)、測控裝置、數(shù)字化計量設(shè)備納入到整體測試范疇內(nèi)，完成整套測試。