第1章 概述

1.1 国外数字化电能计量技术及研究机构发展现状

1.国外数字化电能计量技术发展现状

1）数字化计量（测量）仪器。随着数字化技术的发展，数字式电能表大量应用于IEC61850体系下数字化变电站，数字式电能表是变电站系统中的重要组成部分。IEC61850从通信协议上采用了标准的OSI网络参考模型，在物理层和链路层上构建标准的高速以太网通信网络，满足数字化变电站智能设备间的互操作性。国外对于数字式电能表的研究起步较早，例如，瑞士Landis+Gyr公司于2001年推出了一款基于IEC61850-9的数字式电能表ZMU802。随后，ABB公司、施耐德公司等也相应制造出数字式电能表，其准确度等级达到0.2S级。

2）数字式电能表检测装置。为解决数字式电能表检测问题，使其准确性达到要求，国外研制生产了数字化仪器仪表检测装置。OMICRON公司研制的CMC 156结构紧凑，携带方便，可对数字化变电站和发电厂中基于IEC61850的继电保护、数字测控装置以及与合并单元连接的数字式电能表进行测试。该装置采用的标准数字源按照设定的电压、电流、频率、采样率和相位，采用正弦函数产生符合IEC61850-9标准的数据帧，通过网络发送给被检数字式电能表，数字式电能表实时累积电能，并按照既定脉冲常数发出电能脉冲，通过误差计算环节比较理论电能值和被检电能表的累积电能值，从而计算出被检数字式电能表的误差。

德国KoCoS公司也研发了基于IEC61850的数字式电能表检测装置，采用的工作原理为：标准数字功率源产生符合IEC61850-9协议的数据帧，通过交换机和光电转换器将数据传送到每一块数字式电能表。数字式电能表根据接收到的数据计算出电能量并输出相应的脉冲到检测装置；同时，标准数字功率源也输出标准脉冲到检测装置，根据标准脉冲和电能表输出的脉冲得出误差。

加拿大Testcor公司提供的数字式电能表检测装置同样采用上述KoCoS公司的方式，由标准数字功率源产生符合IEC61850-9协议数据帧到数字式电能表。

另外，由于不能很好地解决数字量量值传递的问题，国外制造企业也有的将数字式电能表检测装置通过数字量转模拟量的方式来实现数字化计量的量值传递，即发出数字量的同时发出同等量值的模拟量供传统的模拟量电能表进行比对。目前，国外数字式电能表检测装置最高准确度等级标定为0.05级，提供的SV报文均严格遵循IEC61850-9标准，报文中规定数字通道个数和数据集格式。

3）电子式互感器及装置。国外对电子式互感器的研究起步于20世纪60年代。70年代随着光导纤维的出现，电力系统中出现了研究光学互感器的热潮。日本、瑞士和法国等国家的许多公司投入了大量的人力和财力从事这方面的研究。80年代后期，随着电子技术、计算机技术及光纤传感技术的深入发展，电子式互感器在高电压系统中的应用取得了突破性的进展。90年代后，电子式互感器的研究进入实用化阶段，国外已经研制出123～765kV的系列光学电压互感器。2000年以来，国外对于电子式互感器的研究投入了较大的资金和人力，不断推进电子式互感器的发展，相关行业的一些大公司已迈向产品化、市场化的道路。其中，ABB、西门子、阿海珐（原阿尔斯通）、NxtPhase等公司生产的电子式互感器已有十几年的运行业绩，采用电子式互感器的数字化变电站在欧洲也已经投入运行。施耐德电气、美国的Photonic Power System、德国的RITZ等公司也在电子式互感器方面进行了一系列的研究。日本三菱、东芝等公司都已开发多系列的电子式互感器产品，并有大量现场挂网运行经验。

为了规范和推动电子式互感器的发展，国际电工委员会（IEC）在1999年制定了IEC60044-7《电子式电压互感器》和IEC60044-8《电子式电流互感器》标准。

对电子式互感器进行校验是确保其在电力系统中成功应用的前提。为此，国内外学者提出了多种校验方法，虽然电子式互感器的校验和传统互感器的校验有很多不同之处，但是这些方法对于新型互感器校验装置的研究仍然具有很大的意义。随着电子式互感器国家标准的制定，关于新型互感器校验方法及校验装置的研究越来越多。研究方向大致分为模拟量输出校验和数字量输出校验两大类。对于模拟量输出校验，又大致可分为差值法和直接法两种。采用直接法时，提出了基于虚拟仪器技术加数据采集卡的电子式互感器校验仪。Nxt-Phase公司的James Blake提出了一种新型电流互感器校验仪，该校验仪基于LabVIEW平台，将原有电流互感器校验仪的功能电路虚拟化，利用软件实现对被校验电流互感器比差、角差、频率、谐波含量等多项性能指标的测量。该校验仪仅由信号调理箱、数据采集卡、计算机和相应测算软件组成，装置体积小、重量轻，便于携带。此外，虚拟仪器技术的引入也大大改善了传统互感器校验仪的局限，使得用户可以根据自己的需求方便地修改或拓展仪器的功能。

2.国外相关研究机构发展现状

国外对数字式计量仪器仪表进行了研究，提出了基于单片机（MCU）和数字信号处理器（DSP）的数字式电能表。在基于MCU的数字式电能表中，MCU是整个电能表装置的处理核心。现在市面上应用较为广泛的MCU主要有：基于Intel公司C51内核的51系列单片机，如ATMEL公司的AT89C51/52；TI公司的MSP430系列单片机，如MSP430F149；Motorola公司的飞思卡尔单片机，如68HC908。它们大都是8/16位的寄存器，时钟频率从几兆到几十兆赫兹不等，这些硬件的技术指标注定了它不适用于大型复杂的程序算法运算。因此，基于单片机的数字式电能表在非谐波环境下计算电压、电流时多采用方均根算法；在谐波环境下时多采用离散傅里叶变换算法（DFT）计算特定次的谐波；在计算电压频率参数时，多用时间窗脉冲计数的方法。在基于DSP的数字式电能表中，DSP是整个电能表装置的处理核心。现阶段世界上生产DSP芯片的厂商主要有TI、AD、Motorola和ATMEL等。它与MCU本质的区别就在于运算的速度上和对信号处理专有指令的优化上。与MCU相比，DSP芯片大都是32位的寄存器，有着高达上百兆赫兹甚至更高的时钟频率。拥有异常丰富的信号处理优化指令集，对于像FFT中的位倒序运算以及数字滤波器中的离散卷积运算，DSP能够提供“指令级”的运算速度，保证电能参量计量准确度。

国外研究机构对电子式互感器进行分类研究，研制了基于法拉第（Faraday）效应原理的电子式电流互感器、Rogowski线圈的电子式电流互感器、基于普克尔原理的电子式电压互感器、基于分压原理的电子式电压互感器、组合式电流电压互感器等。检测原理采用绝对测量法：在同一时刻，分别采样得到标准互感器和待测电子式互感器的数字输出信号，由校验算法对两路信号直接进行幅值和相位的比对。