2.2 數(shù)字化電能計(jì)量核心技術(shù)難點(diǎn)

1.數(shù)字化計(jì)量（測(cè)量）儀器的溯源和量傳體系的建立

雖然目前已有針對(duì)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表的測(cè)試研究，已有一定廠家開發(fā)了部分設(shè)備，但是在測(cè)試方法及溯源方法上各有優(yōu)劣，所以針對(duì)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)試裝置的量值溯源方法開展技術(shù)研究，為數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表測(cè)試裝置的量值溯源提供優(yōu)化的解決方案，是本書的一大技術(shù)難題，具體如下：

1）對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式電能表等數(shù)字儀表的溯源和量值傳遞，其難點(diǎn)在于基于IEC61850協(xié)議的以太網(wǎng)電壓、電流數(shù)字量信號(hào)與互感器之類沒有電氣連接，使得量值傳遞中斷而無法溯源，如何將數(shù)字量溯源到模擬量是難點(diǎn)之一。

2）時(shí)域上的變化對(duì)數(shù)字化計(jì)量（測(cè)量）準(zhǔn)確度的影響以及時(shí)域不變性與時(shí)域積分之間差異性的驗(yàn)證方法目前缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和有效手段，這是本項(xiàng)目研究的難點(diǎn)和需要重點(diǎn)解決的問題。

3）數(shù)字化計(jì)量（測(cè)量）準(zhǔn)確性的影響量包括了傳輸誤碼率、軟件算法、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)時(shí)鐘和有限字長效應(yīng)、插值環(huán)節(jié)以及高次諧波的失真等，且這些影響量不易被定量，如何進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘來實(shí)現(xiàn)定量標(biāo)定數(shù)字化計(jì)量異常對(duì)整個(gè)數(shù)字計(jì)量體系的影響是項(xiàng)目的難點(diǎn)之一。

2.數(shù)字量到模擬量的溯源裝置研究與開發(fā)

1）高精度高速模-數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

2）目前國內(nèi)計(jì)量的數(shù)據(jù)一般采用80點(diǎn)/周波的采樣速率，此采樣速率在模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換過程中的精度損失是非常大的，如何最大限度減小該環(huán)節(jié)的精度損失，是本項(xiàng)目的難點(diǎn)。

3）如何減小高頻電能量脈沖在傳遞與測(cè)試過程中引入的脈沖測(cè)量誤差也是本項(xiàng)目的難點(diǎn)之一。

4）高精度的電壓變換器、電流電壓變換器及A-D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是該轉(zhuǎn)換裝置的一大難點(diǎn)。

3.高等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源的研究與開發(fā)

1）標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源的研究難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行多種模式的以太網(wǎng)數(shù)字信號(hào)接收和發(fā)送，并同時(shí)輸出基于該信號(hào)的模擬量以及電能量脈沖，以及對(duì)輸出報(bào)文功能進(jìn)行有效控制。

2）高等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表研究的難點(diǎn)在于對(duì)基于IEC61850協(xié)議的以太網(wǎng)數(shù)字信號(hào)功率、有功電能、無功電能的準(zhǔn)確計(jì)量，該計(jì)量功能準(zhǔn)確度與算法關(guān)系密切，不同的算法決定了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式電能表的不同準(zhǔn)確度。

3）采用何種技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間采集以確保標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源的準(zhǔn)確度是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源的實(shí)施難點(diǎn)之一。

4）如何保證標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源的時(shí)間離散精度是一個(gè)難點(diǎn)。

5）3/2等接線方式需要在數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)字量同步，采用何種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)同步，有待詳細(xì)研究。

4.數(shù)字計(jì)量系統(tǒng)

本書的主要思路是將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表的溯源與實(shí)際的物理量（電流、電壓模擬量）進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表的量傳，采取理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，如圖2-1所示。

1）理論研究及系統(tǒng)開發(fā)：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表的溯源和量傳體系進(jìn)行研究，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字表進(jìn)行建模和仿真研究，研究其算法誤差。然后建立SV報(bào)文傳輸對(duì)計(jì)量（測(cè)量）準(zhǔn)確度影響的模型，研究SV報(bào)文傳輸過程對(duì)數(shù)字化計(jì)量（測(cè)量）設(shè)備準(zhǔn)確度的影響，開展數(shù)字化計(jì)量（測(cè)量）設(shè)備檢錯(cuò)糾錯(cuò)研究和相關(guān)軟硬件處理技術(shù)研究，并在此基礎(chǔ)上研制高等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式電能表及數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)源，編寫標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式電能表測(cè)試/校準(zhǔn)規(guī)范。

2）實(shí)驗(yàn)研究及測(cè)試驗(yàn)證：開展標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源到模擬功率源的轉(zhuǎn)換，仿真SV報(bào)文傳輸時(shí)間特性及信號(hào)異常對(duì)數(shù)字式儀表準(zhǔn)確度影響的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)；采用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證仿真相結(jié)合的方式。

3）將理論分析結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，利用理論分析結(jié)果對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行完善。

①數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)表的溯源和量傳體系：將變電站安裝的0.2S數(shù)字式電能表、數(shù)字式測(cè)控裝置、各類型電子式互感器通過不同等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（共分為標(biāo)準(zhǔn)層、工作標(biāo)準(zhǔn)差和器具層）逐級(jí)溯源到國家基準(zhǔn)，來實(shí)現(xiàn)數(shù)字式電能表、數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)電能表、數(shù)字式測(cè)控裝置及電子式互感器的全面量值保障，形成了不間斷的溯源和量傳鏈路。標(biāo)準(zhǔn)層主要由0.005級(jí)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表、0.005級(jí)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)源以及數(shù)字量到模擬量溯源裝置組成，主要實(shí)現(xiàn)0.005級(jí)數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)表到國家基準(zhǔn)（模擬量）的溯源。

②數(shù)字量到模擬量的溯源裝置：數(shù)字量到模擬量的溯源裝置是實(shí)現(xiàn)0.005級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式電能表向國家電能基準(zhǔn)溯源的關(guān)鍵裝置，采用同步溯源方法實(shí)現(xiàn)到模擬量的溯源。該裝置的主要設(shè)計(jì)思路是：采用高速采樣技術(shù)，然后利用基于正弦波虛擬的拉格朗日多點(diǎn)虛擬插值技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高速采樣數(shù)據(jù)與IEC61850-9協(xié)議之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，以最大限度減小采樣速率在模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換過程中的精度損失；同時(shí)采用光纖電能量脈沖來消除高頻電能量脈沖所帶來的測(cè)量中間誤差。

③0.005級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源：采用FPGA的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)精確時(shí)間采集來確保標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源的精度，并采用基于時(shí)間測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)源的時(shí)間驗(yàn)證系統(tǒng)以保證標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字源的時(shí)間離散精度。

④0.005級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式電能表：標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字式電能表的算法擬對(duì)時(shí)域積分以及時(shí)域不變積分，梯形積分與矩形積分算法進(jìn)行分析和仿真，以提高計(jì)量精度，同時(shí)采用精確時(shí)間測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨間隔數(shù)據(jù)的精確時(shí)間測(cè)量來減小3/2等特殊接線方式所帶來的計(jì)量同步誤差。

⑤電子式互感器校驗(yàn)儀數(shù)字式溯源整檢系統(tǒng)：采用模擬量同源同輸出，通過數(shù)字量調(diào)節(jié)比差角差，采樣值報(bào)文的離散度可以按照配置值進(jìn)行靈活且精確的控制，通過Agilent3458間斷非連續(xù)采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)。

⑥直流電子式互感器校驗(yàn)系統(tǒng)：為了完成精度校驗(yàn)，校驗(yàn)系統(tǒng)同時(shí)接收標(biāo)準(zhǔn)源側(cè)和試品側(cè)的共兩路信號(hào)的輸入。標(biāo)準(zhǔn)源側(cè)的信號(hào)是精度校驗(yàn)試驗(yàn)的基準(zhǔn)，它取自高精度標(biāo)準(zhǔn)直流比例器輸出的模擬量，信號(hào)接至“直流前置單元”的一個(gè)輸入。

⑦數(shù)字式計(jì)量（測(cè)量）整體校驗(yàn)系統(tǒng)：以變電站一次主接線及與之直接相連的線路、電源為對(duì)象，建立“變電站仿真系統(tǒng)”，“變電站仿真系統(tǒng)”可以仿真被試二次系統(tǒng)工作所需要的全部工頻信號(hào)。利用無線傳輸技術(shù)，將變電站時(shí)域仿真結(jié)果分別送到各個(gè)“合并單元”。在統(tǒng)一時(shí)鐘控制下，各合并單元同步輸出“變電站仿真系統(tǒng)”的時(shí)域仿真結(jié)果。將合并單元、數(shù)字化繼電保護(hù)、測(cè)控裝置、數(shù)字化計(jì)量設(shè)備納入到整體測(cè)試范疇內(nèi)，完成整套測(cè)試。