2.2 数字化电能计量核心技术难点

1.数字化计量（测量）仪器的溯源和量传体系的建立

虽然目前已有针对数字标准表的测试研究，已有一定厂家开发了部分设备，但是在测试方法及溯源方法上各有优劣，所以针对数字标准表测试装置的量值溯源方法开展技术研究，为数字标准表测试装置的量值溯源提供优化的解决方案，是本书的一大技术难题，具体如下：

1）对于标准数字式电能表等数字仪表的溯源和量值传递，其难点在于基于IEC61850协议的以太网电压、电流数字量信号与互感器之类没有电气连接，使得量值传递中断而无法溯源，如何将数字量溯源到模拟量是难点之一。

2）时域上的变化对数字化计量（测量）准确度的影响以及时域不变性与时域积分之间差异性的验证方法目前缺乏相关标准和有效手段，这是本项目研究的难点和需要重点解决的问题。

3）数字化计量（测量）准确性的影响量包括了传输误码率、软件算法、软件设计、系统时钟和有限字长效应、插值环节以及高次谐波的失真等，且这些影响量不易被定量，如何进行数据挖掘来实现定量标定数字化计量异常对整个数字计量体系的影响是项目的难点之一。

2.数字量到模拟量的溯源装置研究与开发

1）高精度高速模-数转换装置的实现技术。

2）目前国内计量的数据一般采用80点/周波的采样速率，此采样速率在模拟量到数字量转换过程中的精度损失是非常大的，如何最大限度减小该环节的精度损失，是本项目的难点。

3）如何减小高频电能量脉冲在传递与测试过程中引入的脉冲测量误差也是本项目的难点之一。

4）高精度的电压变换器、电流电压变换器及A-D转换电路的设计和实现是该转换装置的一大难点。

3.高等级标准数字表和标准数字源的研究与开发

1）标准数字源的研究难点在于如何实现同时进行多种模式的以太网数字信号接收和发送，并同时输出基于该信号的模拟量以及电能量脉冲，以及对输出报文功能进行有效控制。

2）高等级标准数字表研究的难点在于对基于IEC61850协议的以太网数字信号功率、有功电能、无功电能的准确计量，该计量功能准确度与算法关系密切，不同的算法决定了标准数字式电能表的不同准确度。

3）采用何种技术实现精确时间采集以确保标准数字源的准确度是标准数字源的实施难点之一。

4）如何保证标准数字源的时间离散精度是一个难点。

5）3/2等接线方式需要在数字标准表内实现数字量同步，采用何种技术来实现同步，有待详细研究。

4.数字计量系统

本书的主要思路是将标准数字表的溯源与实际的物理量（电流、电压模拟量）进行关联，实现标准数字表的量传，采取理论和实验相结合的研究方法，如图2-1所示。

1）理论研究及系统开发：对标准数字表的溯源和量传体系进行研究，并对标准数字源、标准数字表进行建模和仿真研究，研究其算法误差。然后建立SV报文传输对计量（测量）准确度影响的模型，研究SV报文传输过程对数字化计量（测量）设备准确度的影响，开展数字化计量（测量）设备检错纠错研究和相关软硬件处理技术研究，并在此基础上研制高等级标准数字式电能表及数字标准源，编写标准数字式电能表测试/校准规范。

2）实验研究及测试验证：开展标准数字源到模拟功率源的转换，仿真SV报文传输时间特性及信号异常对数字式仪表准确度影响的相关实验，对实验结果进行分析总结；采用实验室测试验证和现场测试验证仿真相结合的方式。

3）将理论分析结果和实验结果相结合，利用理论分析结果对实验进行设计，通过实验结果对理论分析结果进行完善。

①数字化标准表的溯源和量传体系：将变电站安装的0.2S数字式电能表、数字式测控装置、各类型电子式互感器通过不同等级标准（共分为标准层、工作标准差和器具层）逐级溯源到国家基准，来实现数字式电能表、数字标准电能表、数字式测控装置及电子式互感器的全面量值保障，形成了不间断的溯源和量传链路。标准层主要由0.005级数字标准表、0.005级数字标准源以及数字量到模拟量溯源装置组成，主要实现0.005级数字标准表到国家基准（模拟量）的溯源。

②数字量到模拟量的溯源装置：数字量到模拟量的溯源装置是实现0.005级标准数字式电能表向国家电能基准溯源的关键装置，采用同步溯源方法实现到模拟量的溯源。该装置的主要设计思路是：采用高速采样技术，然后利用基于正弦波虚拟的拉格朗日多点虚拟插值技术来实现高速采样数据与IEC61850-9协议之间的数据转换，以最大限度减小采样速率在模拟量到数字量转换过程中的精度损失；同时采用光纤电能量脉冲来消除高频电能量脉冲所带来的测量中间误差。

③0.005级标准数字源：采用FPGA的硬件设计实现精确时间采集来确保标准数字源的精度，并采用基于时间测试的标准数字信号源的时间验证系统以保证标准数字源的时间离散精度。

④0.005级标准数字式电能表：标准数字式电能表的算法拟对时域积分以及时域不变积分，梯形积分与矩形积分算法进行分析和仿真，以提高计量精度，同时采用精确时间测量技术实现跨间隔数据的精确时间测量来减小3/2等特殊接线方式所带来的计量同步误差。

⑤电子式互感器校验仪数字式溯源整检系统：采用模拟量同源同输出，通过数字量调节比差角差，采样值报文的离散度可以按照配置值进行灵活且精确的控制，通过Agilent3458间断非连续采样值进行数据重构。

⑥直流电子式互感器校验系统：为了完成精度校验，校验系统同时接收标准源侧和试品侧的共两路信号的输入。标准源侧的信号是精度校验试验的基准，它取自高精度标准直流比例器输出的模拟量，信号接至“直流前置单元”的一个输入。

⑦数字式计量（测量）整体校验系统：以变电站一次主接线及与之直接相连的线路、电源为对象，建立“变电站仿真系统”，“变电站仿真系统”可以仿真被试二次系统工作所需要的全部工频信号。利用无线传输技术，将变电站时域仿真结果分别送到各个“合并单元”。在统一时钟控制下，各合并单元同步输出“变电站仿真系统”的时域仿真结果。将合并单元、数字化继电保护、测控装置、数字化计量设备纳入到整体测试范畴内，完成整套测试。