3.2 數字式電能表溯源體系的研究

在數字化電能計量系統中，電子式互感器的檢測標準還是采用傳統標準，電子式互感器的量值傳遞從國家基準到現場運用都是一條連續、完整的量傳鏈路，而電能計量的國家基準是基于模擬量的，沒有數字量的溯源源頭，導致了數字式電能表在量傳鏈路上的斷點。所以數字化電能計量儀器溯源和量傳體系建立的關鍵在于建立起數字與模擬的連接通路，將數字量與實際物理量進行關聯，并最終溯源到國家電能計量基準。

數字量量傳體系和模擬量量傳體系的本質區別在于，模擬量傳遞體系是一種值域存在誤差的時域連續系統，其計量儀器的溯源系統是在同一個時域比較其值域誤差從而實現其量值溯源；而數字化量值傳遞體系是一種在值域上不存在誤差的時域離散系統，所以數字化計量儀器的溯源是相同值域在不同時域上出現所帶來的誤差從而實現數字化的量值溯源。故筆者認為數字化的溯源及量傳體系本質應是一種時域上的溯源及傳遞系統，數字量到模擬量的同步溯源法應同時對模擬標準表、模-數轉換電能量輸出、數字標準源的電能量輸出、數字標準電能表輸出進行綜合判定，來實現標準數字式電能表的溯源和量值傳遞；并搭建實驗室數字化計量體系仿真驗證平臺來對數字化計量溯源體系進行比較驗證。

數字式標準電能表的溯源和量傳體系的總體結構如圖3-29所示，將變電站安裝的0.2S數字式電能表通過不同等級標準電能表逐級溯源到國家電能基準，來實現數字式電能表和數字標準電能表的全面量值保障，形成了不間斷的溯源和量傳鏈路。以下將針對圖3-29中各層傳遞方法和技術路線進行介紹。

3.2.1 計量器具層溯源

計量器具層指安裝在現場的0.2S數字式電能表，通過數字式電能表工作標準（0.05級）對安裝在現場的0.2S數字式電能表進行量傳，可采用數字標準表法和數字標準源法兩種方法，其測試原理圖分別如圖3-30和圖3-31所示。

1.數字標準表法

在該方法中，數字式標準電能表等級為0.05級，被校電能表為現場安裝的0.2S級數字式電能表，數字信號源輸出遵循IEC61850-9協議的采用值數據幀，且該數據幀所代表的電壓、電流信號的幅值和相位可以根據實際的要求設置，依據數字式標準表得到電能值W_N，從被試儀表得到電能測量值W_X，則被試儀表相對誤差如下：

式中，γ為相對誤差。

2.數字標準源法

在該方法中，數字標準源等級為0.05級，被校電能表為現場安裝的0.2S級數字式電能表，數字標準源輸出遵循IEC61850-9協議的采用值數據幀，且該數據幀所代表的電壓、電流信號的幅值和相位可以根據實際的要求設置，依據配置的參數得到理論電能值W_N，從被試儀表得到電能測量值W_X，則被試儀表相對誤差如下：

式中，γ為相對誤差。

3.2.2 工作標準層溯源

工作標準層主要包括0.05級數字標準表和0.05級數字標準源，通過0.005級標準數字式電能表對0.05級數字式電能表工作標準進行量傳，0.05級數字標準表測試原理如圖3-32所示，0.05級數字標準源測試原理如圖3-33所示。

1.0.05級數字標準表溯源

該方法中，標準數字式電能表等級為0.005級，被校標準數字式電能表為0.05級，數字功率源輸出遵循IEC61850-9協議的采用值數據幀，且該數據幀所代表的電壓、電流信號的幅值和相位可以根據實際的要求設置，依據數字式標準表得到電能值W_N，從被校表得到電能測量值W_X，則被校表相對誤差如下：

式中，γ為相對誤差。

2.0.05級標準數字源溯源

在該方法中，標準數字式電能表等級為0.005級，被校標準數字源為0.05級，數字標準源輸出遵循IEC61850-9協議的采用值數據幀，且該數據幀所代表的電壓、電流信號的幅值和相位可以根據實際的要求設置，依據配置的參數得到被測標準源電能示值為W_X，從數字標準表得到電能值為W_N，則被校數字標準源相對誤差如下：

式中，γ為相對誤差。

3.2.3 數字式電能表標準層溯源

數字式電能表標準層主要由0.005級數字標準表、0.005級數字標準源以及數字量到模擬量溯源裝置組成，主要實現0.005級數字標準表到國家電能基準（模擬量）的溯源。該部分的溯源是本書的難點和關鍵點，經過分析、研究和驗證，提出了數字量到模擬量的同步溯源法以解決該問題，具體技術路線如圖3-34所示，通過高速高精度A-D轉換裝置實現模擬量到數字量的轉換，數字量到模擬量的溯源誤差主要由該裝置決定。數字標準源接收“高速高精度A-D轉換裝置”生成的高速采樣數據并產生標準的IEC61850-9報文。數字標準表接收數字標準源產生的IEC61850-9報文，進行相關電參量的計量。由于數字標準源和數字標準表只進行數字信號的處理和計算，不涉及模擬量采樣，其誤差主要由算法決定。

在誤差計算方面，圖3-34中誤差計算器共獲得四個電能量，即標準模擬表的電能量N₁，高速高精度A-D轉換的電能量X₁、數字標準源的電能量X₂、數字標準表的電能量X₃。產生四個誤差E_a、E_b、E_c、E_d，E_a=X₁-N₁，E_b=X₂-X₁，E_c=X₃-X₂，E_d=X₂-N₁，E_e=X₃-N₁。E_c應小于0.005%，E_a應小于0.02%。其中E_e為數字標準表溯源到模擬標準源的綜合誤差，其在同一個時間域中應等于E_a、E_b、E_c之和。在保證E_c滿足0.005%的情況下，同一時刻E_d=E_a+E_b，則可完成數字標準表到模擬標準源之間的溯源。按照上述方式可以同時通過E_e=E_a+E_b+E_c，來獲得數字標準源的精度誤差。