数字化跨间隔计量系统的现场多维度测试方法及测试系统与流程

本发明属于电力系统智能变电站领域，特别涉及一种数字化跨间隔计量系统的现场多维度测试方法及测试系统。

背景技术：

智能变电站电能计量系统由互感器、合并单元、采样值传输网络和数字化电能表等设备组成，数字化的采样值传输方式极大提高了变电站计量系统的集成度和信息灵活性，具有广阔的应用前景。单间隔内的数字化计量方案简洁明晰，技术发展比较成熟，而对于内桥接线、二分之三接线等跨间隔采样计量系统，不同间隔的采样信号无法参照传统模式物理合并，这对跨间隔数字化电能计量技术提出了新的要求。

目前智能变电站内的跨间隔计量主要基于采样值组网方案，各间隔合并单元输出采样经网络交换机传输，再由数字化电能表合并计算电能。现场的跨间隔数字化电能计量系统不断暴露出传输乱码、通讯故障、计量误差偏大等诸多问题，运行中大量存在电量不平衡现象，极大影响了数字化计量工作的应用推广。数字化跨间隔计量系统涉及环节较多，各间隔内的互感器或合并单元、同步信号源、采样传输网络以及数字化电能表等都可能影响最终的计量结果，特别是现场不同间隔的采样源分布较远，数字化采样值报文不易直观比较，这些都给数字化跨间隔计量系统的现场运维工作带来了挑战；另一方面，实验室搭建的集成调试环境与现场运行环境无法完全一致，测试范围存在盲区，不易复现变电站现场的实际运行工况，无法有效的分析解决数字化跨间隔计量系统出现的问题。

由于缺乏标准支撑和可靠的检测手段，对跨间隔数字化计量的测试技术研究进展缓慢。国外对数字化计量体系的应用微乎其微，相应的测试技术研究报道也较少；国内各大高校和研究机构对数字化计量领域的研究主要集中在单间隔计量、数字化计量溯源以及可靠性研究等领域，对跨间隔计量及其测试技术的深入研究尚未展开。数字化电能计量作为智能变电站的重要组成部分，其计量值的准确与否直接关系到电量考核指标和未来贸易结算的公平公正。跨间隔数字化电能计量特性尚未明确且现场检测技术严重匮乏，这给数字化计量系统的长期稳定运行带来了极大的安全隐患。

技术实现要素：

为了解决目前智能变电站内跨间隔计量系统存在的电量不平衡现象，针对数字化计量系统涉及环节较多，变电站现场调试工作无法开展，实验室集成测试环境不易复现实际异常等问题，本发明提供了一种数字化跨间隔计量系统的现场多维度测试方法及测试系统，以满足电力系统用户对智能变电站数字化计量可靠性的要求。

以下是本发明的技术方案。

本发明提供了一种数字化跨间隔计量系统的现场多维度测试方法，包括以下步骤：

就地试验终端接收远端控制分析主机下发的模拟量信号并将所述模拟量信号输出至数字化跨间隔计量系统的合并单元以及数字化电能表，与所述合并单元进行信号同步；其中，所述就地试验终端与数字化跨间隔计量系统的合并单元及数字化电能表预先建立有连接；所述模拟量信号用于模拟所述数字化跨间隔计量系统的采样源信号；

就地试验终端回采所述合并单元以及数字化电能表输出的数据信号；

就地试验终端将所述回采得到的数据信号发送给远端控制分析主机，所述远端控制分析主机根据所述回采得到的数据信号进行多维度的误差分析。

本方法是用于测试数字化跨间隔计量系统，通过将模拟量输出至合并单元并回采的形式，复现实际异常并测试，使得测试精准度及可靠性较高。

进一步地，在所述就地试验终端接收远端控制分析主机下发的模拟量信号之前，进一步包括：

预先在变电站预设测试间隔内就地布置若干就地试验终端，在测试主控室布置远端控制分析主机；

所述远端控制分析主机与就地试验终端建立无线通信并对时；

就地试验终端与数字化跨间隔计量系统的合并单元及数字化电能表建立数据连接。

测试系统由若干就地放置的就地试验终端及远端放置的控制分析远端控制分析主机组成，就地试验终端分别放置在各采样间隔合并单元及电能表屏柜处，支持gps卫星对时，通过无线通信方式与远端控制分析主机传输数据，上述测试系统中就地试验终端用于向合并单元输出测试同步信号和二次模拟量，同时接收合并单元输出的数字化采样值，接收数字化电能表输出的电能量脉冲，其中每个就地试验终端对应一个合并单元或数字化电能表，而合并单元及电能表通过网络交换机连接。

进一步地，所述所述就地试验终端与所述合并单元进行信号同步，包括：

就地试验终端发送同步脉冲信号至合并单元；

所述合并单元根据所述同步脉冲信号确定采样间隔实现信号同步。

就地试验终端提供同步脉冲信号至合并单元，确保采样间隔同步，完成模拟数字化跨间隔计量系统的实际运行工况。由于实验室集成测试环境不易复现变电站现场的异常，而本方案以变电站实际计量系统为基础，通过测试系统模拟站内同步源对合并单元进行同步，模拟的真实性较高。

进一步地，所述就地试验终端为若干个，所述方法进一步包括：

所述若干就地试验终端内部的gps模块接收无线卫星的对时信号，并使用内部晶振对所述gps模块输出的秒耐冲计时，再通过秒脉冲计数器调节系统中断，获取中断周期参数，控制所述就地试验终端输出的系统中断间隔；

其中，所述中断周期计数器的计算公式为：

其中：c为中断的周期计数器，cpps为pps时钟脉冲周期计数器，n为每个pps时钟脉冲内的中断个数，co为中断周期计数器的补偿值。

进一步地，所述合并单元为若干个，所述就地试验终端将所述模拟量输出至数字化跨间隔计量系统的合并单元，包括：

经同步的若干就地试验终端在统一的试验开始时刻，触发各自的模拟量发送，输出电流或电压二次信号至对应间隔的合并单元，完成跨间隔计量系统现场测试的采样源信号模拟。

经过前面步骤中的搭建及同步等工作后，进行数据信号的输出，完成正式测试的初始部分。

进一步地，所述就地试验终端回采所述合并单元以及数字化电能表输出的数据信号，包括：

就地试验终端采集对应间隔合并单元输出的数字化采样值，作为合并单元输出的比对试品；就地试验终端采集数字化电能表输出的相关电量脉冲，作为电量比对试品信号；试验过程中，就地试验终端持续采集相关数据信号，实时标记采集时间，将数据及采集时间定时上送至远端控制分析主机汇总。

由于算法精度、da回路误差及功率放大器稳定性等因素影响，就地试验终端实际输出的模拟量可能与远端控制分析主机配置的原始值存在出入，为提高测试方法的整体精度，最大化降低标准源对试验结果的影响，需要实时回采输出模拟量，以便根据回采的数据进行调整，减小误差，提高精确度。

进一步地，所述远端控制分析主机根据所述回采得到的数据信号进行多维度的误差分析，包括：远端控制分析主机根据汇总的测试数据，从误差环节、误差间隔及误差相位三个维度分析误差，经多维度比对分析得到所述数字化跨间隔计量系统的电参量和电度量误差。

进一步地，所述误差环节、误差间隔及误差相位的分析内容包括：

从误差环节的角度，根据回采得到的数据信号分析被测的跨间隔计量系统的电度量传变误差；从误差间隔的角度，根据回采得到的数据信号分析被测的跨间隔计量系统内电流采样间隔及电流间隔的误差比重；从误差相位的角度，根据回采得到的数据信号测试不同相别的计量精度。

综合上述分析过程，结合误差原因得出装置精度、间隔同步性、采样值传输稳定性及采样值时间特性等因素对系统计量精度的影响。

另外，本发明还提供了一种数字化跨间隔计量系统的现场多维度测试系统，包括：远端控制分析主机、若干个就地试验终端，所述远端控制分析主机与所述就地试验终端建立有连接，所述就地试验终端与数字化跨间隔计量系统的合并单元及数字化电能表建立有连接；其中，

远端控制分析主机，用于向所述就地试验终端下发模拟量信号，并根据就地试验终端回采得到的数据信号进行多维度误差分析；所述模拟量信号用于模拟所述数字化跨间隔计量系统的采样源信号；

就地试验终端，用于将远端控制分析主机下发的模拟量信号输出至对数字化跨间隔计量系统的合并单元，并回采所述合并单元以及数字化电能表输出的数据信号上送至远端控制分析主机。

进一步地，所述就地试验终端在变电站预设测试间隔内就地布置，远端控制分析主机在测试主控室布置，远端控制分析主机与就地试验终端无线通信并对时。

总体来说，本方案包括：首先采用无线通信实现远端控制分析主机与就地试验终端的数据传输，通过gps方式完成所有终端的对时，建立时钟同步的数字化跨间隔计量分布式测试系统；其次控制各就地试验终端输出同步时钟信号，同步对应间隔的待测合并单元；然后在同一时刻控制各就地试验终端分别输出相应间隔的模拟量测试信号至合并单元，模拟跨间隔计量系统内互感器二次信号输出；同时终端回采模拟量作为计量误差比对标准，接收合并单元输出的数字化采样值报文和电能表输出的电能脉冲作为误差比对试品；最后，各终端将采集的数据无线上送至远端控制分析主机，由远端控制分析主机多维度比对分析跨间隔计量系统的电能误差指标

本发明的实质性效果包括：

本发明通过远端控制分析主机直接生成模拟量信号并将模拟量信号输出至合并单元并回采的形式，以模拟量信号替代数字化跨间隔计量系统的采样源信号，实现复现实际工况并测试，不再依赖实验室搭建的集成调试环境，使得测试精准度及可靠性较高。

优选方案的效果包括：在智能变电站现场开展跨间隔计量系统测试工作，按系统的实际拓扑架构和运行工况试验，确保测试结果的可靠性；测试范围覆盖面广，包含跨间隔计量系统内所有间隔的大部分计量环节，可定位计量偏差区间，针对性检测现场计量系统存在的问题；基于被测间隔独立接入的远程分布式测试架构，采用无线通信技术交互测试数据，测试系统搭建灵活，测试范围易调整，同时极大的提高了变电站现场调试的安全性；模拟量标准源就地回采，最大化降低了标准源对测试结果的影响，提高了试验精度；通过对测试结果的多维度误差比对分析，从模拟量到数字量、电参量到电度量、采样间隔到计量相别，多角度评估被测系统的计量精度，由整体到局部的考核现场计量系统的性能指标。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的测试系统的组成图；

图2为本发明实施例的采样函数示意图；

图中序号：远端控制分析主机1、就地试验终端2、合并单元3、数字化电能表4、网络交换机5。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下结合具体实施例对本技术方案作进一步阐述。

实施例：

一种数字化跨间隔计量系统的现场多维度测试方法及测试系统，包括：

s01：搭建测试系统。

如图1所示，是本实施例搭建的测试系统的组成图，包括了远端控制分析主机1、若干就地试验终端(或简称试验终端)2、若干合并单元3(包括边开关合并单元、中开关合并单元及pt合并单元)、数字化电能表4及网络交换机5。采用远程分布式的变电站现场测试方法，各试验终端2在采样间隔就地放置，与远端控制分析主机1相隔可能较远；特别是基于信号比对的测试技术，试验终端2需要向远端控制分析主机1持续上送采样瞬时值及电能量脉冲信号，数据传输流量较大。因此，采用无线局域网下的多点传输技术实现试验装置间的数据交互。

将远端控制分析主机1配置为无线接入点，所有试验终端2配置为客户端，通过锁定客户端的远端控制分析主机1接入点mac地址组建无线局域网。无线网络基于ieee802.11标准，使用2.4ghz频段获取较远的通信距离和良好的障碍穿透能力，更适合变电站的现场测试环境。

远端控制分析主机1与试验终端2间按照自定义的tcp/ip以太网协议帧交互信息。为确保数据传输的安全性，采用了禁止ssid广播、mac地址过滤、wep加密等信息安全措施，同时选择合适的通信频道，减小其它信号对数据传输的干扰。当现场测试环境比较恶劣时，还可通过中继技术提高数据传输的稳定性。

变电站现场多间隔测试需要同步多个试验终端2，且同步精度要求较高。本实施例基于gps卫星系统实现各试验终端的对时，同步精度小于1us。

试验终端2内部的gps模块接收无线卫星对时信号，定时输出nmea0183格式的gpzda时间信息报文，试验终端2通过uart协议访问时间信息，同时调整终端系统时钟的频率和相位，实现内部中断节拍与gps模块输出的pps时钟脉冲一致，通过与标准gps时钟同步，统一所有试验终端2的时钟体系。

试验终端2使用内部晶振对gps模块输出的秒脉冲计时，再通过秒脉冲计数器调节系统中断，获取中断周期参数，控制试验终端2输出的系统中断间隔，中断周期计数器计算公式如下：

其中：c为中断的周期计数器，cpps为pps时钟脉冲周期计数器，n为每个pps时钟脉冲内的中断个数，co为中断周期计数器的补偿值。

s02：合并单元同步。

试验终端2提供同步脉冲信号至合并单元3，确保采样间隔同步，完成模拟数字化跨间隔计量系统的实际运行工况。

s03：信号输出；

跨间隔计量系统涉及多个采样间隔，电量计算由各间隔采样值共同完成。为拟合被测系统的实际运行工况，需精确控制每个试验终端2输出的模拟量。

首先按照远端控制分析主机1配置的模拟量输出参数，计算输出信号的离散瞬时值，瞬时值计算公式如下：

其中：dn为第n点输出瞬时值，a为输出模拟量幅值，为输出模拟量相位，n为每周波输出采样点数，td为采样输出额定延时；

然后通过spi接口访问dac模块，写入每点瞬时值数字量，控制dac输出。dac转换公式如下：

其中：vout为dac输出电压，vrefin为外部输入的基准电压，d为输出信号瞬时值；

最后将dac输出的小电压接入功率放大器，按10a/7.07v(输出电流)或250v/7.07v(输出电压)的比例放大，并转换为相应的二次模拟量信号输出。

s04：信号回采及汇总。

试验终端2需要同时采集自身输出的模拟量信号与合并单元输出的数字化采样信号，实现模拟量与数字量的同步混合采样。模拟量采集由ad模块按固有周期离散采样获取，其接收周期由采样中断控制，接收延迟只与物理器件有关；数字量采集由以太网模块监听采样值传输链路获取，其接收周期由外部合并单元的采样值输出间隔时间决定，接收延迟包含物理器件延迟、时钟系统偏移和报文起始符确认时间等。两种采样模式在物理过程、采样频率、时间特性等方面均存在区别。

试验终端2以模拟量的采样中断为时间基准，按内部晶振频率对模拟量采样与数字量采样的接收延迟时间同步计数，将两组采样附加时标信息后分别存放至不同的采样值序列，数字量采样值还需进行报文起始符传输延迟修正处理。后端算法处理采样值数据时，根据采样频率和采样延迟时间，将所有采样值插值计算至相同的离散时间体系下，实现模量采样与数字量采样的同步采样。

如图2所示，采用连续四点的分段三次样条插值，由连续采样值s0、s1、s2和s3构建多个曲线区间，每段曲线由三次函数fm描述，通过三次函数特征及边界条件，拟合采样值函数f1，可精确获取区间内模拟量采样时刻对应的数字量采样值s11、s12、s13。

每段采样值曲线函数应满足如下条件：

其中：fm为三次函数表达式(0<m<2)，tn为数字量采样时刻(0<n<3)，sn为数字量采样值；

s05：分析数据并进行多维度的误差分析。

远端控制分析主机1汇总所有就地试验终端2上送的测试数据，基于闭环比对原理，从不同角度分析数字化跨间隔计量系统的性能指标。

远端控制分析主机1同步合并相关间隔的回采模拟量，计算标准电量，并与数字化电能表4输出电量比对计算跨间隔系统的整体误差。同时比对合并单元输入输出、交换机输入输出与电能表输入输出的电量误差，定位系统电量的误差环节；通过分析电流1间隔与电流2间隔的电量偏差，确定多间隔计量系统的电量误差间隔；通过测试各相电量的精度，分析各相计量指标是否满足；通过比对各间隔合并单元输出的电参量检测合并单元计量精度；通过比对不同间隔采样输出相位关系测试合并单元的同步一致性；通过监测数字化采样值报文传输过程测试各合并单元输出及交换机输出采样的传输稳定性和报文延迟、报文抖动等传输时间特性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

其中，本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的，可以理解为由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合，也可以理解为提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器指令，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令可以存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

应当说明的是，该具体实施例仅用于对技术方案的进一步阐述，不用于限定该技术方案的范围，任何基于此技术方案的修改、等同替换和改进等都应视为在本发明的保护范围内。