3.2 数字式电能表溯源体系的研究

在数字化电能计量系统中，电子式互感器的检测标准还是采用传统标准，电子式互感器的量值传递从国家基准到现场运用都是一条连续、完整的量传链路，而电能计量的国家基准是基于模拟量的，没有数字量的溯源源头，导致了数字式电能表在量传链路上的断点。所以数字化电能计量仪器溯源和量传体系建立的关键在于建立起数字与模拟的连接通路，将数字量与实际物理量进行关联，并最终溯源到国家电能计量基准。

数字量量传体系和模拟量量传体系的本质区别在于，模拟量传递体系是一种值域存在误差的时域连续系统，其计量仪器的溯源系统是在同一个时域比较其值域误差从而实现其量值溯源；而数字化量值传递体系是一种在值域上不存在误差的时域离散系统，所以数字化计量仪器的溯源是相同值域在不同时域上出现所带来的误差从而实现数字化的量值溯源。故笔者认为数字化的溯源及量传体系本质应是一种时域上的溯源及传递系统，数字量到模拟量的同步溯源法应同时对模拟标准表、模-数转换电能量输出、数字标准源的电能量输出、数字标准电能表输出进行综合判定，来实现标准数字式电能表的溯源和量值传递；并搭建实验室数字化计量体系仿真验证平台来对数字化计量溯源体系进行比较验证。

数字式标准电能表的溯源和量传体系的总体结构如图3-29所示，将变电站安装的0.2S数字式电能表通过不同等级标准电能表逐级溯源到国家电能基准，来实现数字式电能表和数字标准电能表的全面量值保障，形成了不间断的溯源和量传链路。以下将针对图3-29中各层传递方法和技术路线进行介绍。

3.2.1 计量器具层溯源

计量器具层指安装在现场的0.2S数字式电能表，通过数字式电能表工作标准（0.05级）对安装在现场的0.2S数字式电能表进行量传，可采用数字标准表法和数字标准源法两种方法，其测试原理图分别如图3-30和图3-31所示。

1.数字标准表法

在该方法中，数字式标准电能表等级为0.05级，被校电能表为现场安装的0.2S级数字式电能表，数字信号源输出遵循IEC61850-9协议的采用值数据帧，且该数据帧所代表的电压、电流信号的幅值和相位可以根据实际的要求设置，依据数字式标准表得到电能值W_N，从被试仪表得到电能测量值W_X，则被试仪表相对误差如下：

式中，γ为相对误差。

2.数字标准源法

在该方法中，数字标准源等级为0.05级，被校电能表为现场安装的0.2S级数字式电能表，数字标准源输出遵循IEC61850-9协议的采用值数据帧，且该数据帧所代表的电压、电流信号的幅值和相位可以根据实际的要求设置，依据配置的参数得到理论电能值W_N，从被试仪表得到电能测量值W_X，则被试仪表相对误差如下：

式中，γ为相对误差。

3.2.2 工作标准层溯源

工作标准层主要包括0.05级数字标准表和0.05级数字标准源，通过0.005级标准数字式电能表对0.05级数字式电能表工作标准进行量传，0.05级数字标准表测试原理如图3-32所示，0.05级数字标准源测试原理如图3-33所示。

1.0.05级数字标准表溯源

该方法中，标准数字式电能表等级为0.005级，被校标准数字式电能表为0.05级，数字功率源输出遵循IEC61850-9协议的采用值数据帧，且该数据帧所代表的电压、电流信号的幅值和相位可以根据实际的要求设置，依据数字式标准表得到电能值W_N，从被校表得到电能测量值W_X，则被校表相对误差如下：

式中，γ为相对误差。

2.0.05级标准数字源溯源

在该方法中，标准数字式电能表等级为0.005级，被校标准数字源为0.05级，数字标准源输出遵循IEC61850-9协议的采用值数据帧，且该数据帧所代表的电压、电流信号的幅值和相位可以根据实际的要求设置，依据配置的参数得到被测标准源电能示值为W_X，从数字标准表得到电能值为W_N，则被校数字标准源相对误差如下：

式中，γ为相对误差。

3.2.3 数字式电能表标准层溯源

数字式电能表标准层主要由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电能基准（模拟量）的溯源。该部分的溯源是本书的难点和关键点，经过分析、研究和验证，提出了数字量到模拟量的同步溯源法以解决该问题，具体技术路线如图3-34所示，通过高速高精度A-D转换装置实现模拟量到数字量的转换，数字量到模拟量的溯源误差主要由该装置决定。数字标准源接收“高速高精度A-D转换装置”生成的高速采样数据并产生标准的IEC61850-9报文。数字标准表接收数字标准源产生的IEC61850-9报文，进行相关电参量的计量。由于数字标准源和数字标准表只进行数字信号的处理和计算，不涉及模拟量采样，其误差主要由算法决定。

在误差计算方面，图3-34中误差计算器共获得四个电能量，即标准模拟表的电能量N₁，高速高精度A-D转换的电能量X₁、数字标准源的电能量X₂、数字标准表的电能量X₃。产生四个误差E_a、E_b、E_c、E_d，E_a=X₁-N₁，E_b=X₂-X₁，E_c=X₃-X₂，E_d=X₂-N₁，E_e=X₃-N₁。E_c应小于0.005%，E_a应小于0.02%。其中E_e为数字标准表溯源到模拟标准源的综合误差，其在同一个时间域中应等于E_a、E_b、E_c之和。在保证E_c满足0.005%的情况下，同一时刻E_d=E_a+E_b，则可完成数字标准表到模拟标准源之间的溯源。按照上述方式可以同时通过E_e=E_a+E_b+E_c，来获得数字标准源的精度误差。