威胜集团电表(威胜2011年推出中国第1台01S级数字乘法器高准确度结算关口电表)

威胜: 2011年推出中国第1台 0.1S级、采用数字乘法器的高准确度结算关口电表——《电能表应用研究60年回忆录(第3篇:下集)》

中国现代电网量测技术平台

张春晖

2018年4月5日

第3篇威胜:从创业到进入中国电子式电表开拓领航地位的进程与创新产品

下集威胜: 2011年推出中国第1台0.1S级、采用数字乘法器的高准确度结算关口电表

威胜推出的中国第1台0.1S级、采用数字乘法器的高准确度结算关口电表的型号:DTSD 341---MA1,其全面计量性能的设计目标是达到国产电子式电表的最高技术水准,逐步进入电网关口计量主表地位。

威胜0.1S级关口表的创新设计:根据电网关口计量主表需有计量高准确度、高可靠性、高稳定性及多功能的特征,提出具有自主知识产权的整体计量方案:主要是计量与多功能一体化设计,有功计量采用基于复化Newton---Cotes高阶积分算法,无功计量算法,高精度动态角差补偿算法,首次对关键元器件精选国际高可靠品牌器件。

1、威胜关口电表开发定位的讨论

2007年之前,国内电网关口计量主表大都采用进口0.2S级产品。主要选用兰吉尔公司产0.2S级ZU型、ZQ型关口电表,少量应用斯伦贝谢公司、仪斯卡公司、ABB公司等国际电表品牌0.2S级产品。

2006年,国内3L公司推出0.1S级、采用模拟乘法器(时分割乘法器)的高精度电表。

1)兰吉尔公司0.2S级关口电表的技术发展

兰吉尔关口电表10年磨一剑,继1993年推出ZU型0.2S级高精度结算关口电表之后,大概于2004年又开发出新一代关口计量精品——ZQ型0.2S级高精度关口电表:

— ZU型关口电表:有功计量采用时分割乘法器原理,无功计量采用90°移相器原理,整机为组件合成设计方案。其中,时分割乘法器采用分立元器件结构设计。

— ZQ型关口电表:采用数字乘法器原理,整机的有功计量与无功计量、电压电流参数等多功能测量,采用一体化设计,方案简单、合理。

ZQ型0.2S级关口电表具有下列计量高准确度、高可靠性、高稳定性设计水准:

·出厂三相带载的平均精度

a1 5%In--- Imax,cosφ=1,< 0.05%

a2 5%In---Imax,cosφ=0.5,< 0.08%

a3 从0.05%In---Imax的精度曲线为一条水平直线,轻载时的精度尤为突出。

·可忽略cosφ对计量精度的影响

·具有超强的抗干扰能力和可靠性,整体性能满足并优于2003版IEC62052---11的所有要求

· ZQ型关口电表的高可靠性、高稳定性指标:(待查询或实际测量)

以上说明:兰吉尔公司ZQ型0.2S级关口电表的有功计量设计水准已经超越IEC电表标准的最高准确度等级(0.2S级),其全面计量性能实际上达到更高准确度级别,按误差等级序列就是0.1S级设计水准。而且,由于采用数字乘法器技术,实现有功计量与无功计量、电压电流参数等多功能测量的一体化设计方案。

兰吉尔从ZU型到推出ZQ型0.2S级关口电表,尽管ZU表的时分割乘法器有功计量精度还能提升,但从计量精度、多功能实现的全面计量性能来衡量,作为现代在线计量最高等级电表,ZQ型关口电表确是新一代关口计量精品。

2)国产3L公司产0.1S级、采用时分割乘法器的高精度电表

3L公司的0.1S级高精度电表主要应用于现场复杂、多变、多谐波等非线性电能信号的实时测量。整机采用混合设计方案:有功计量采用0.05%级精度的时分割乘法器和0.01级精度V/F转换器集成于一体的计量芯片;无功计量、电压电流参数测量等多功能的实现,另采用A/D采样、数字运算。无疑,有功计量精度0.1%是有保证的,但是,从产品全面来考量,采用混合设计方案,将增加产品设计、生产、测试工作量和产品成本,一定程度上影响高端电表的全面计量性能与推广应用。

3)威胜首次提出开发0.1S级、采用数字乘法器的关口电表

威胜的0.2S级高端电表自2000年前后问世以来,陆续进入电网关口计量付表地位。

2007年3月17日,威胜召开开拓电表市场座谈会。会上,通过对电网关口计量主表市场与技术评估,针对兰吉尔ZU型、ZQ型0.2S级关口电表具有优良的计量性能、高的关口计量主表市场占有率,首次提出威胜关口电表的开发,定位在0.1S级、采用数字乘法器技术。数字乘法器是威胜三相电表的起步技术,有10多年的设计经验,是长项。但现有威胜0.2S级高端电表再深化开发,也难以取代兰吉尔关口电表。尽管0.1S级关口电表开发是道难题,从威胜长远发展目标考虑,需要投实力下功夫去做。

2、威胜0.1S级关口电表立项、开发进程

1)重视立项前期工作

2007年4月28---29日,威胜召开关口电表测试项目第1次会议。本文作者应邀与会。

张春晖:《长沙威胜电子公司:关口电表测试项目第1次会议讨论问题的思考与建议》

会上,威胜的3位计量专家分别介绍企业最高计量标准配置情况,近期0.2S级多功能表测试概要,交流IEEE1459---2000的翻译和视在功率3种计算方法。本文作者叙述进口0.2S级关口电表的技术特征。

—威胜:0.1S级关口电表的开发,需要提到拓展高端电表市场和提升产品设计水准的企业重要议事日程。作为第一步,先期制订出0.1S级关口电表企业标准,用以指导新型高端电表开发。

—组织进行进口关口电表性能测试,供制订0.1S级关口电表企业标准的参考

2007年之前的进口0.2S级高端电表有:

· ZU型、ZQ型:兰吉尔公司

· Q1000型:斯伦贝谢公司

· ION8600型:加拿大

· Maxsys2510型:兰吉尔公司

· MK3型:EDMI公司

· WU.TE432型:仪斯卡公司

· E700型:ENERMET公司

· SL7000型:法国

· A1800ALPHA型:Alster公司

· NEXUS1270型:EIG公司

关于进口高端电表性能测试项目的建议:

·计量指标:主要有计量准确度,误差曲线线性度,误差一致性,短时误差稳定性,极低负荷计量误差,90°、270°计量误差,有功功率过零误差,需量算法,电量带时标,动态负荷实时反应,谐波功率正确性等。

·影响量改变引起的误差:关口电表比0.2S级电表标准限值收缩50%左右。收缩多少,需要测试论证。

·电磁兼容性:关口电表要比GB/T17215.211---2006标准提高一些。提高多少,也需要测量论证,但测试过程,需要保证电表安全。

·电表可靠性指标是技术关键之一。要在JB/T50070和DL/T830基础上,研究一个短期可靠性论证新方法。

—计量溯源技术。未来企业最高计量标准:建议定为0.01级,并具有谐波功率计量功能。

· 0.1S级关口电表的基本误差曲线,需要有0.1%的1/10不确定度的标准表来确定。

·企业要建设国家级电表实验室,争取具有进出口计量检定权。

·威胜作为中国电子式电表第一位品牌,最高计量标准与省级电网电力计量、省级计量行政部门的最高计量标准平级是合适的,对处理计量技术争议、保证电表品质,说话有根据。

—做好0.1S级关口电表开发立项准备工作。从技术上,要抓紧向企业权威技术部门报告:企业最高计量标准需超前建设,电子式电表品质实验室建设,0.1S级关口电表开发、生产、测试和售后技术支持,测试用进口关口表样表和测试设备的购置,都需要立项、支持;从关口电表市场、开发资金、高级人才引进和技术难点方面,要向企业更高层次的领导汇报,争取新项目审批、支持。

2)立项:估计在2007年第4季办理0.1S级关口电表开发立项程序。

3)2008年,威胜博士后工作站启动0.1S级高准确度结算关口电表关键技术研发与应用课题的研究。

4)2011年,威胜研发出0.1S级高准确度结算关口电表。

网上报道:”威胜集团两项目通过科技成果鉴定”

2010年12月19日,由湖南省科技厅组织、长沙市科技局主持的”0.1S级关口电能表关键技术研发与应用”和”高准确度冲击性负荷电能计量关键技术研究”项目科技成果鉴定会在威胜科技园隆重召开。

会议对”0.1S级关口电表关键技术研发与应用”项目形成的鉴定意见:”该项目成果具有多项自主知识产权,关键技术达到国际先进水平,建议进行定型产品的系列化研制和推广应用”

会议对”高准确度冲击性负荷电能计量关键技术研究”项目形成的鉴定意见:(略)

以上两项都是威胜集团博士后课题,本次顺利通过科技成果鉴定,不仅意味着研究成果得到国内电能计量领域最高权威机构:中国计量科学研究院及国内重点研究院校的一致认可和高度评价,也充分体现威胜集团在国内电能计量领域的领先优势,再一次展示威胜集团的技术实力。

5)2014年,DTSD341---MA1型0.1S级高准确度结算关口电表顺利通过新产品、新技术鉴定。鉴定会议认为:”威胜开发的高准确度结算关口电表,完全满足关口结算计量的需求,技术达到国际领先水平,建议加大市场推广力度,逐步进入省级关口、发电上网关口、负荷频繁变化的电气化铁路等关口计量点”。

3、威胜0.1S级关口电表设计概要

1)产品技术参数

—电能计量准确度

·有功计量:0.1S级,实际出厂误差±0.04%

·无功计量:0.5S级

—计量误差曲线

·计量从1% Ib(15mA)---6Ib(9A)的双向计量准确度:±0.02%

·计量从0.1% Ib(1.5mA)---1% Ib(15mA)的准确度:±0.05%

—可以忽略功率因数、频率、负载电流升降变差等影响,部分指标优于国外同等产品

—用户可分辨电量单位低至1ppm W·S,电量最小单位≤10--9W·S

—脉冲常数最高可达500,000,有效减少小电流下的电表检定时间

—记录负荷曲线容量:20M字节

— 15年寿命周期内的计量准确度:≤±0.1%

2)整体计量方案具备高准确度、高可靠、高稳定、长寿命的特点

—关键元器件精选国际高可靠品牌器件

·德国VAC高导磁率电流互感器

·美国VISHAY高精度柱状电阻

·美国TI 8路24位高精度模数转换器,分辨率12.8K

·美国ADI高性能外部电压基准芯片和高速DSP计算芯片

·采用模数分离的多层高性能PCB

—采用基于复化New---Cotes高阶积分算法、高精度动态角差补偿算法、快速功率潮流分辨率(20mS,是常规电表的50倍)技术,以及硬件相位匹配技术,实现动态负荷下的高准确度计量。

—有功计量与无功计量、电压电流参数测量等多功能的实现,采用一体化设计方案

3)电能计量算法

—有功计量算法: 复化Nenton---Cotes高阶积分算法的原理与应用

2010年,威胜集团公司:《复化Newton---Cotes积分算法在电能计量中的应用》

该算法应用于DTSD341---MA1型0.1S级高准确度结算关口电表设计中

威胜集团电表(威胜2011年推出中国第1台01S级数字乘法器高准确度结算关口电表)

目前,业界对有功、无功电能计量的基础计算方法仍以点积算法为主,点积运算直接延用积分运算的基本定义式。

当输入信号不再是标准正弦波信号从而破坏了正弦波信号的奇对称性时,算法的计算误差随之产生。对于含有最高n次谐波的信号,要准确计算信号的电量、功率、有效值等参数,则需保证第n次谐波信号采样3点以上,即信号的采样频率必须保证每基波周期信号采样3n点以上。

要提高点积算法对任意确定输入信号的计算准确度,利用高阶积分算法具有更高积分代数精度等级的特点,在系统信号采样频率固定情况下,可以采用高阶积分算法来提高系统参数的计算准确度。

Newton---Cotes公式是一类实用、易于数字化实现的数值求积算法。n阶Newton---Cotes公式至少有n次代数精度。

使用Newton---Cotes公式时,为适应系统计算的实时性,采用复化求积法是一种行之有效的方法。它首先利用Newton---Cotes求积公式,求得若干子段上的积分值,然后累加求和作为所求积分的近似值。

以二阶辛甫生公式为例:将周期内的时间等分为n个区间,对每两个等分区间的电压、电流和有功功率等各参数进行辛甫生积分。辛甫生积分公式(略)。由于复化积分公式是采用两个相邻扇区积分和来替代原点积分算法的单区间积分公式,连续计算两个区间的积分值,因此,计算公式的系数是理论计算系数的2倍,然后,在每个等区间上积分值累加求和,即为电压、电流、有功功率、有功电量的复化辛甫生公式或基于采样测量的复化辛甫生算法,其公式具有二阶积分代数精度,或其对于二次以下的多项式信号计算都是准确成立的。

当然,上述公式也可以采集更高阶的四阶Newton---Cotes公式,这需要根据系统自身设计情况而定。

—高精度动态角差补偿算法

2010年,威胜集团公司:《一种高精度动态角差补偿算法》

该算法设计成程序应用于DTSD341---MA1型0.1S级高准确度结算关口电表上。

·单点一阶牛顿插值算法。由于牛顿插值算法所具有的运算速率高、差商与采样点先后顺序无关、均差时前后差商等价的3大特点,所以相角误差补偿一般采用一阶牛顿插值算法。但是,由于一阶牛顿插值算法的准确度不高,且补偿的相角不具有严格的线性相位,关键的因素是: PD(即所需补偿的角差数字量化值)为线性系数。

·基于FIR滤波器的补偿算法。由于FIR的冲击响应是有限长,可以实现严格的线性相位。该方法的补偿系数与群延时存在非线性关系,解决了一阶牛顿差值准确度不高的缺陷。但是,该方法也有缺点,即角差补偿后PF=1.0的比差增加,且比差受频率、温漂的影响严重,须增加相应的频率和温漂特性补偿。

·动态角差补偿算法

最科学的方法是”兼顾FIR的非线性系数和群延时D(即FIR的群延时常数)的计算准确度高”和”牛顿插值算法不影响幅值和幅度基本不受频率影响”进行补偿。为此,研究提出进一步补偿频率、温漂、时漂的影响的动态角差公式(略),专门编制动态角差补偿流程(略)。

·本文提出的高精度动态角差补偿算法具有的特征:准确度高,基本不受频率影响;一致性好,同批次产品具有一致性;稳定性好,基本不受温漂影响;由此,弥补了牛顿插值算法准确度低和FIR数字滤波器补偿后幅度受频率影响严重的问题。

4、威胜0.1S级关口电表的市场前景

自威胜的0.1S级高准确度结算关口电表推出以来,已经得到国网、南网、内蒙古电力的认可和支持,在部分省级电网关口电表招标中,力压进口产品后中标。近两年累计销售超过4000台。

同时,西门子公司与威胜签订合作协议,共同应对海外高端计量产品需求。目前,通过CE认证(MID)、DLMS认证的合作产品已经在多个国家应用。华为在电能表方面与威胜进行深度合作。

发布于 2022-11-08 18:11:06
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