第1章 概述

1.1 國(guó)外數(shù)字化電能計(jì)量技術(shù)及研究機(jī)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

1.國(guó)外數(shù)字化電能計(jì)量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1）數(shù)字化計(jì)量（測(cè)量）儀器。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式電能表大量應(yīng)用于IEC61850體系下數(shù)字化變電站，數(shù)字式電能表是變電站系統(tǒng)中的重要組成部分。IEC61850從通信協(xié)議上采用了標(biāo)準(zhǔn)的OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型，在物理層和鏈路層上構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的高速以太網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，滿足數(shù)字化變電站智能設(shè)備間的互操作性。國(guó)外對(duì)于數(shù)字式電能表的研究起步較早，例如，瑞士Landis+Gyr公司于2001年推出了一款基于IEC61850-9的數(shù)字式電能表ZMU802。隨后，ABB公司、施耐德公司等也相應(yīng)制造出數(shù)字式電能表，其準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到0.2S級(jí)。

2）數(shù)字式電能表檢測(cè)裝置。為解決數(shù)字式電能表檢測(cè)問(wèn)題，使其準(zhǔn)確性達(dá)到要求，國(guó)外研制生產(chǎn)了數(shù)字化儀器儀表檢測(cè)裝置。OMICRON公司研制的CMC 156結(jié)構(gòu)緊湊，攜帶方便，可對(duì)數(shù)字化變電站和發(fā)電廠中基于IEC61850的繼電保護(hù)、數(shù)字測(cè)控裝置以及與合并單元連接的數(shù)字式電能表進(jìn)行測(cè)試。該裝置采用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源按照設(shè)定的電壓、電流、頻率、采樣率和相位，采用正弦函數(shù)產(chǎn)生符合IEC61850-9標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給被檢數(shù)字式電能表，數(shù)字式電能表實(shí)時(shí)累積電能，并按照既定脈沖常數(shù)發(fā)出電能脈沖，通過(guò)誤差計(jì)算環(huán)節(jié)比較理論電能值和被檢電能表的累積電能值，從而計(jì)算出被檢數(shù)字式電能表的誤差。

德國(guó)KoCoS公司也研發(fā)了基于IEC61850的數(shù)字式電能表檢測(cè)裝置，采用的工作原理為：標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源產(chǎn)生符合IEC61850-9協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，通過(guò)交換機(jī)和光電轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)傳送到每一塊數(shù)字式電能表。數(shù)字式電能表根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)計(jì)算出電能量并輸出相應(yīng)的脈沖到檢測(cè)裝置；同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源也輸出標(biāo)準(zhǔn)脈沖到檢測(cè)裝置，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)脈沖和電能表輸出的脈沖得出誤差。

加拿大Testcor公司提供的數(shù)字式電能表檢測(cè)裝置同樣采用上述KoCoS公司的方式，由標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字功率源產(chǎn)生符合IEC61850-9協(xié)議數(shù)據(jù)幀到數(shù)字式電能表。

另外，由于不能很好地解決數(shù)字量量值傳遞的問(wèn)題，國(guó)外制造企業(yè)也有的將數(shù)字式電能表檢測(cè)裝置通過(guò)數(shù)字量轉(zhuǎn)模擬量的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化計(jì)量的量值傳遞，即發(fā)出數(shù)字量的同時(shí)發(fā)出同等量值的模擬量供傳統(tǒng)的模擬量電能表進(jìn)行比對(duì)。目前，國(guó)外數(shù)字式電能表檢測(cè)裝置最高準(zhǔn)確度等級(jí)標(biāo)定為0.05級(jí)，提供的SV報(bào)文均嚴(yán)格遵循IEC61850-9標(biāo)準(zhǔn)，報(bào)文中規(guī)定數(shù)字通道個(gè)數(shù)和數(shù)據(jù)集格式。

3）電子式互感器及裝置。國(guó)外對(duì)電子式互感器的研究起步于20世紀(jì)60年代。70年代隨著光導(dǎo)纖維的出現(xiàn)，電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了研究光學(xué)互感器的熱潮。日本、瑞士和法國(guó)等國(guó)家的許多公司投入了大量的人力和財(cái)力從事這方面的研究。80年代后期，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及光纖傳感技術(shù)的深入發(fā)展，電子式互感器在高電壓系統(tǒng)中的應(yīng)用取得了突破性的進(jìn)展。90年代后，電子式互感器的研究進(jìn)入實(shí)用化階段，國(guó)外已經(jīng)研制出123～765kV的系列光學(xué)電壓互感器。2000年以來(lái)，國(guó)外對(duì)于電子式互感器的研究投入了較大的資金和人力，不斷推進(jìn)電子式互感器的發(fā)展，相關(guān)行業(yè)的一些大公司已邁向產(chǎn)品化、市場(chǎng)化的道路。其中，ABB、西門(mén)子、阿海琺（原阿爾斯通）、NxtPhase等公司生產(chǎn)的電子式互感器已有十幾年的運(yùn)行業(yè)績(jī)，采用電子式互感器的數(shù)字化變電站在歐洲也已經(jīng)投入運(yùn)行。施耐德電氣、美國(guó)的Photonic Power System、德國(guó)的RITZ等公司也在電子式互感器方面進(jìn)行了一系列的研究。日本三菱、東芝等公司都已開(kāi)發(fā)多系列的電子式互感器產(chǎn)品，并有大量現(xiàn)場(chǎng)掛網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

為了規(guī)范和推動(dòng)電子式互感器的發(fā)展，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）在1999年制定了IEC60044-7《電子式電壓互感器》和IEC60044-8《電子式電流互感器》標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)電子式互感器進(jìn)行校驗(yàn)是確保其在電力系統(tǒng)中成功應(yīng)用的前提。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種校驗(yàn)方法，雖然電子式互感器的校驗(yàn)和傳統(tǒng)互感器的校驗(yàn)有很多不同之處，但是這些方法對(duì)于新型互感器校驗(yàn)裝置的研究仍然具有很大的意義。隨著電子式互感器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定，關(guān)于新型互感器校驗(yàn)方法及校驗(yàn)裝置的研究越來(lái)越多。研究方向大致分為模擬量輸出校驗(yàn)和數(shù)字量輸出校驗(yàn)兩大類。對(duì)于模擬量輸出校驗(yàn)，又大致可分為差值法和直接法兩種。采用直接法時(shí)，提出了基于虛擬儀器技術(shù)加數(shù)據(jù)采集卡的電子式互感器校驗(yàn)儀。Nxt-Phase公司的James Blake提出了一種新型電流互感器校驗(yàn)儀，該校驗(yàn)儀基于LabVIEW平臺(tái)，將原有電流互感器校驗(yàn)儀的功能電路虛擬化，利用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)被校驗(yàn)電流互感器比差、角差、頻率、諧波含量等多項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)量。該校驗(yàn)儀僅由信號(hào)調(diào)理箱、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)測(cè)算軟件組成，裝置體積小、重量輕，便于攜帶。此外，虛擬儀器技術(shù)的引入也大大改善了傳統(tǒng)互感器校驗(yàn)儀的局限，使得用戶可以根據(jù)自己的需求方便地修改或拓展儀器的功能。

2.國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)數(shù)字式計(jì)量?jī)x器儀表進(jìn)行了研究，提出了基于單片機(jī)（MCU）和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的數(shù)字式電能表。在基于MCU的數(shù)字式電能表中，MCU是整個(gè)電能表裝置的處理核心。現(xiàn)在市面上應(yīng)用較為廣泛的MCU主要有：基于Intel公司C51內(nèi)核的51系列單片機(jī)，如ATMEL公司的AT89C51/52；TI公司的MSP430系列單片機(jī)，如MSP430F149；Motorola公司的飛思卡爾單片機(jī)，如68HC908。它們大都是8/16位的寄存器，時(shí)鐘頻率從幾兆到幾十兆赫茲不等，這些硬件的技術(shù)指標(biāo)注定了它不適用于大型復(fù)雜的程序算法運(yùn)算。因此，基于單片機(jī)的數(shù)字式電能表在非諧波環(huán)境下計(jì)算電壓、電流時(shí)多采用方均根算法；在諧波環(huán)境下時(shí)多采用離散傅里葉變換算法（DFT）計(jì)算特定次的諧波；在計(jì)算電壓頻率參數(shù)時(shí)，多用時(shí)間窗脈沖計(jì)數(shù)的方法。在基于DSP的數(shù)字式電能表中，DSP是整個(gè)電能表裝置的處理核心。現(xiàn)階段世界上生產(chǎn)DSP芯片的廠商主要有TI、AD、Motorola和ATMEL等。它與MCU本質(zhì)的區(qū)別就在于運(yùn)算的速度上和對(duì)信號(hào)處理專有指令的優(yōu)化上。與MCU相比，DSP芯片大都是32位的寄存器，有著高達(dá)上百兆赫茲甚至更高的時(shí)鐘頻率。擁有異常豐富的信號(hào)處理優(yōu)化指令集，對(duì)于像FFT中的位倒序運(yùn)算以及數(shù)字濾波器中的離散卷積運(yùn)算，DSP能夠提供“指令級(jí)”的運(yùn)算速度，保證電能參量計(jì)量準(zhǔn)確度。

國(guó)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)電子式互感器進(jìn)行分類研究，研制了基于法拉第（Faraday）效應(yīng)原理的電子式電流互感器、Rogowski線圈的電子式電流互感器、基于普克爾原理的電子式電壓互感器、基于分壓原理的電子式電壓互感器、組合式電流電壓互感器等。檢測(cè)原理采用絕對(duì)測(cè)量法：在同一時(shí)刻，分別采樣得到標(biāo)準(zhǔn)互感器和待測(cè)電子式互感器的數(shù)字輸出信號(hào)，由校驗(yàn)算法對(duì)兩路信號(hào)直接進(jìn)行幅值和相位的比對(duì)。