第1章 概述

1.1 國外數字化電能計量技術及研究機構發展現狀

1.國外數字化電能計量技術發展現狀

1）數字化計量（測量）儀器。隨著數字化技術的發展，數字式電能表大量應用于IEC61850體系下數字化變電站，數字式電能表是變電站系統中的重要組成部分。IEC61850從通信協議上采用了標準的OSI網絡參考模型，在物理層和鏈路層上構建標準的高速以太網通信網絡，滿足數字化變電站智能設備間的互操作性。國外對于數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的數字式電能表ZMU802。隨后，ABB公司、施耐德公司等也相應制造出數字式電能表，其準確度等級達到0.2S級。

2）數字式電能表檢測裝置。為解決數字式電能表檢測問題，使其準確性達到要求，國外研制生產了數字化儀器儀表檢測裝置。OMICRON公司研制的CMC 156結構緊湊，攜帶方便，可對數字化變電站和發電廠中基于IEC61850的繼電保護、數字測控裝置以及與合并單元連接的數字式電能表進行測試。該裝置采用的標準數字源按照設定的電壓、電流、頻率、采樣率和相位，采用正弦函數產生符合IEC61850-9標準的數據幀，通過網絡發送給被檢數字式電能表，數字式電能表實時累積電能，并按照既定脈沖常數發出電能脈沖，通過誤差計算環節比較理論電能值和被檢電能表的累積電能值，從而計算出被檢數字式電能表的誤差。

德國KoCoS公司也研發了基于IEC61850的數字式電能表檢測裝置，采用的工作原理為：標準數字功率源產生符合IEC61850-9協議的數據幀，通過交換機和光電轉換器將數據傳送到每一塊數字式電能表。數字式電能表根據接收到的數據計算出電能量并輸出相應的脈沖到檢測裝置；同時，標準數字功率源也輸出標準脈沖到檢測裝置，根據標準脈沖和電能表輸出的脈沖得出誤差。

加拿大Testcor公司提供的數字式電能表檢測裝置同樣采用上述KoCoS公司的方式，由標準數字功率源產生符合IEC61850-9協議數據幀到數字式電能表。

另外，由于不能很好地解決數字量量值傳遞的問題，國外制造企業也有的將數字式電能表檢測裝置通過數字量轉模擬量的方式來實現數字化計量的量值傳遞，即發出數字量的同時發出同等量值的模擬量供傳統的模擬量電能表進行比對。目前，國外數字式電能表檢測裝置最高準確度等級標定為0.05級，提供的SV報文均嚴格遵循IEC61850-9標準，報文中規定數字通道個數和數據集格式。

3）電子式互感器及裝置。國外對電子式互感器的研究起步于20世紀60年代。70年代隨著光導纖維的出現，電力系統中出現了研究光學互感器的熱潮。日本、瑞士和法國等國家的許多公司投入了大量的人力和財力從事這方面的研究。80年代后期，隨著電子技術、計算機技術及光纖傳感技術的深入發展，電子式互感器在高電壓系統中的應用取得了突破性的進展。90年代后，電子式互感器的研究進入實用化階段，國外已經研制出123～765kV的系列光學電壓互感器。2000年以來，國外對于電子式互感器的研究投入了較大的資金和人力，不斷推進電子式互感器的發展，相關行業的一些大公司已邁向產品化、市場化的道路。其中，ABB、西門子、阿海琺（原阿爾斯通）、NxtPhase等公司生產的電子式互感器已有十幾年的運行業績，采用電子式互感器的數字化變電站在歐洲也已經投入運行。施耐德電氣、美國的Photonic Power System、德國的RITZ等公司也在電子式互感器方面進行了一系列的研究。日本三菱、東芝等公司都已開發多系列的電子式互感器產品，并有大量現場掛網運行經驗。

為了規范和推動電子式互感器的發展，國際電工委員會（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》標準。

對電子式互感器進行校驗是確保其在電力系統中成功應用的前提。為此，國內外學者提出了多種校驗方法，雖然電子式互感器的校驗和傳統互感器的校驗有很多不同之處，但是這些方法對于新型互感器校驗裝置的研究仍然具有很大的意義。隨著電子式互感器國家標準的制定，關于新型互感器校驗方法及校驗裝置的研究越來越多。研究方向大致分為模擬量輸出校驗和數字量輸出校驗兩大類。對于模擬量輸出校驗，又大致可分為差值法和直接法兩種。采用直接法時，提出了基于虛擬儀器技術加數據采集卡的電子式互感器校驗儀。Nxt-Phase公司的James Blake提出了一種新型電流互感器校驗儀，該校驗儀基于LabVIEW平臺，將原有電流互感器校驗儀的功能電路虛擬化，利用軟件實現對被校驗電流互感器比差、角差、頻率、諧波含量等多項性能指標的測量。該校驗儀僅由信號調理箱、數據采集卡、計算機和相應測算軟件組成，裝置體積小、重量輕，便于攜帶。此外，虛擬儀器技術的引入也大大改善了傳統互感器校驗儀的局限，使得用戶可以根據自己的需求方便地修改或拓展儀器的功能。

2.國外相關研究機構發展現狀

國外對數字式計量儀器儀表進行了研究，提出了基于單片機（MCU）和數字信號處理器（DSP）的數字式電能表。在基于MCU的數字式電能表中，MCU是整個電能表裝置的處理核心。現在市面上應用較為廣泛的MCU主要有：基于Intel公司C51內核的51系列單片機，如ATMEL公司的AT89C51/52；TI公司的MSP430系列單片機，如MSP430F149；Motorola公司的飛思卡爾單片機，如68HC908。它們大都是8/16位的寄存器，時鐘頻率從幾兆到幾十兆赫茲不等，這些硬件的技術指標注定了它不適用于大型復雜的程序算法運算。因此，基于單片機的數字式電能表在非諧波環境下計算電壓、電流時多采用方均根算法；在諧波環境下時多采用離散傅里葉變換算法（DFT）計算特定次的諧波；在計算電壓頻率參數時，多用時間窗脈沖計數的方法。在基于DSP的數字式電能表中，DSP是整個電能表裝置的處理核心。現階段世界上生產DSP芯片的廠商主要有TI、AD、Motorola和ATMEL等。它與MCU本質的區別就在于運算的速度上和對信號處理專有指令的優化上。與MCU相比，DSP芯片大都是32位的寄存器，有著高達上百兆赫茲甚至更高的時鐘頻率。擁有異常豐富的信號處理優化指令集，對于像FFT中的位倒序運算以及數字濾波器中的離散卷積運算，DSP能夠提供“指令級”的運算速度，保證電能參量計量準確度。

國外研究機構對電子式互感器進行分類研究，研制了基于法拉第（Faraday）效應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。檢測原理采用絕對測量法：在同一時刻，分別采樣得到標準互感器和待測電子式互感器的數字輸出信號，由校驗算法對兩路信號直接進行幅值和相位的比對。