1.2 國內數字化電能計量技術及研究機構發展現狀

1.國內數字化電能計量技術發展現狀

近幾年來，國內很多地方的電網系統也對數字式電能表等數字儀表的檢定技術進行了研究，提出了各種檢測和校驗技術的方法。

1）數字式電能表。目前，國內數字化儀器儀表生產企業東方電子集團有限公司、南京新寧光電自動化有限公司、長沙威勝電子有限公司、北京許繼電力光學技術有限公司等已經研制開發出0.2S級數字式電能表，并應用于國內廣大數字化變電站。

國內數字式電能表制造企業具備規模化生產能力，相關數字式電能表檢測裝置的制造也有一定技術基礎和支撐。現有的A-D轉換裝置和計算模塊中，已采用八位半數字多用表，可提供100kS/s的積分變換速率，1kHz的輸入信號具有96dB的信噪比。計算模塊采用傅里葉分析算法，實現幅值測量和相位測量，得出比差和角差，算法對測量結果的誤差有一定影響，利用插值修正法對于幅值測量和相位測量進行修正。

A-D轉換裝置、標準數字式電能表和標準數字源可用現有技術基于PowerPC+FPGA架構，優化設計高穩定與高性能硬件系統，選用國際先進的MPC8247嵌入式雙核微處理器，選用應用于軍事領域的XC3S1000型FPGA，選用高精度的恒溫晶振等技術，從而保證電能計量裝置具有運行穩定、處理速度快、時序控制精確、附加誤差低的特性；高精度的多通道模擬量同步采集是實現高精度校驗的關鍵技術之一，通過對小信號的調理、濾波器的設計、輸入阻抗的匹配、元器件的溫漂和零漂控制、多路高精度采樣時序的控制、偏移誤差和增益誤差的控制等技術，實現校驗儀在-10～+55℃溫度范圍內，0.1～10V的測量范圍內，不低于50kHz的采樣率下，多通道同步采集誤差不大于0.1μs，實現穩態精度校驗中的標準源信號的采集。利用頻率跟蹤和加窗濾波算法的高精度穩態測試等技術，通過高精度的測頻算法，準確測量一次系統的電源頻率，將誤差控制在0.05以內，隨后通過加Hanning窗的傅里葉算法提取基波分量的有效值和相位，進而計算比差和角差，克服了頻率波動和諧波分量的干擾，降低了對試驗設備和電源系統的要求，保證了系統測量準確度。

2）測控裝置。目前，隨著智能變電站的廣泛建設，符合IEC61850標準的變電站通信網絡和系統、智能化的一次設備、網絡化的二次設備、自動化的運行管理系統為智能變電站的最主要的技術特征，測控裝置也由接收模擬信號轉為符合IEC61850的數字信號，測控裝置向著數字化測控裝置方向發展。

3）數字式電能表檢測裝置。隨著數字式電能表的大量應用，數字式電能表檢測裝置也得到了快速發展，數字化儀器儀表檢測和校準生產企業深圳市星龍科技股份有限公司、江蘇凌創電氣自動化股份有限公司、南京新寧光電自動化有限公司、北京儀能科思科技發展有限公司等研制出準確度等級為0.05級的數字化儀器儀表檢測裝置。

4）電子式互感器及檢測裝置。相比于國外，我國對電子式互感器進行相關研究起步較晚。20世紀70年代起開始，我國當時有華北電力大學、清華大學、上海互感器廠、中國電力科學研究院、華中科技大學、南京自動化股份有限公司、南瑞繼保自動化股份有限公司、四方繼保股份有限公司等大學以及科研單位對電子式互感器的技術進行了研究。90年代以來，多家設備制造商投資研發制造電子式互感器，占領市場份額，而且各類測量原理的產品已經初具規模并且在現場中也得到了廣泛應用。代表產品有南瑞航天的光學電流互感器，額定電壓等級為10～1000kV，測量電流范圍為1～1000A，測量精確度可達0.2S級，保護STPE；光學電流互感器額定電壓為10～1000kV，測量精度達0.2級，保護3P級。近幾十年來，國內許多廠家相繼有大量電子式互感器掛網運行。

電子式互感器檢測裝置研究較多，例如一種基于多功能數據采集卡的校驗系統。該校驗系統也是針對電子式電流互感器的模擬量輸出，經數據采集卡對兩路信號進行同步采樣，對采集卡的要求很高。華中科技大學的徐雁等人提出了光電電壓互感器的兩種校驗方法，即差值檢測法和數字同步采樣法。其中，差值檢測法即將標準互感器的二次輸出轉換成和光電電壓互感器的二次輸出相近的電壓值，然后再與其做差值處理，并做相應的檢測與反饋控制。數字同步采樣法則是將標準互感器與光電電壓互感器經過采樣保持電路后，送入高精度模-數轉換器，采用同步采樣的方式，進而送入高速數字信號處理器（DSP），DSP再將計算處理結果上傳PC后再顯示最終的測量值。這種校驗裝置僅針對光電電壓互感器的模擬量輸出，且由于采用數字同步采樣法，故對采樣電路是否同步的要求很高。為了彌補有些校驗儀采用非同步采樣而可能因為電網頻率波動而產生誤差的缺陷，一些學者提出了基于DFT算法和準同步算法相結合的校驗方法。上述校驗方法和裝置都是采用的直接校驗方法，也有學者基于鎖相環技術和快速傅里葉算法或是數據采集卡，采用差值法對電子式互感器模擬量進行校驗。對于數字量輸出校驗，國網電力科學研究院利用高精度電壓表、N工數據采集卡和LabVIEW虛擬儀器簡單組裝了數字量輸出的電子式互感器校準系統，但是沒有設計系統的硬件處理電路。有學者進而設計了包括模擬開關，增益放大、模-數轉換、FPGA和上位機的硬件處理電路。也有學者針對電子式互感器以太網數字輸出的特性，研制了基于以太網的電子式互感器校驗儀。

我國根據國際標準IEC60044-7《電子式電壓互感器》和IEC60044-8《電子式電流互感器》也相應制定發布了GB/T 20840.7—2007《電子式電壓互感器》、GB/T 20840.8—2007《電子式電流互感器》，對電子式互感器檢測和試驗進行了規定。

2.國內企業和研究機構發展現狀

2006年，云南電網公司已開始對數字化變電站進行研究，建設了國內首個完整意義上的數字化變電站（110kV翠峰變電站），2007～2011年，相繼建成投運了220kV晉城數字化變電站、110kV吳家營數字化變電站和110kV景東智能變電站，實現了智能一次和二次設備、站域保護、智能開票、設備智能巡檢、輔助系統智能化等功能。編制了云南電網公司數字化變電站實施技術指導規范、數字式電能表檢測規范和電子式互感器檢測規范。

2013年開展的科技項目“數字式電能表測試技術研究”，研究了數字化電能計量設備檢測方法，申請了《基于IEC61850的數字式電能表現場檢測儀》《一種電子式互感器校驗系統》《基于IEC61850的電子式互感器校驗儀》《一種電子式互感器補償裝置》《一種高準確度等級的電子式電流互感器》等專利。

國網電力科學研究院和黑龍江電力科學研究院開展數字電能計量系統現場檢定技術研究，提出了一種簡單的數字式電能計量系統的整體檢定技術，該方法采用將標準電能值與通過數字式電能表發送的電能脈沖進行對比得到數字電能系統的電能計量誤差。廣東電網公司開展了數字式電能表校驗裝置及其溯源方式研究，研發了校準裝置。能按照IEC61850-9協議組成以太網幀，通過光纖網絡或者雙絞線網絡對數字式電能表檢測。

中國測試技術研究院在《數字式電能表的校驗方法研究》一文中提出，數字式電能表溯源方案為標準功率源輸出兩路模擬電壓、電流信號，一路輸出給更高等級的傳統模擬標準電能表，對該模擬信號進行測量；另一路經過模擬合并單元采集并生成符合IEC61850標準的數據幀，傳送給校驗裝置的標準數字式電能表；比較傳統模擬標準電能表的實測電能值和校驗裝置中數字式電能表的計算電能值，就得到了校驗裝置的整體誤差。

國家已正式頒布了國標GB/T 17215.303—2013《交流電測量設備 特殊要求 第3部分：數字式電能表》，電力行業標準《數字式電能表校準規范》也正在編制，這些標準規定了數字式電能表的計量特性、校準條件、校準項目和校準方法、校準結果表達等內容，規定了校準可采用標準表法和標準源法，以及模-數轉換法。

國內高校對數字化計量的量值溯源問題也開展了技術研究，發表了多篇論文，進行了電子式互感器和數字式電能表的檢驗方案研究，探討了數字化計量量值溯源模型，介紹了現場帶合并單元校驗數字式電能表的計量精度的方法等。

還有采用標準功率源輸出兩路模擬電壓、電流信號，一路輸出給更高等級的傳統模擬標準電能表，對該模擬信號進行測量；另一路經過模擬合并單元采集并生成符合IEC61850標準的數據幀，傳送給校驗裝置的標準數字式電能表。比較傳統模擬標準電能表的實測電能值和校驗裝置中數字式電能表的計算電能值，就得到了校驗裝置的整體誤差。