電量變送器在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用

李洪儒，王曉雯，張 軍，徐海寧，劉 箏，鄭 強，陳 雷，安銀姬

(沈陽儀表科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110043)

0 引言

2009年5月21日，中國國家電網(wǎng)公司首次公布了智能電網(wǎng)計劃。國家智能電網(wǎng)戰(zhàn)略研究報告提出，國家發(fā)展智能電網(wǎng)的框架性目標是國家電網(wǎng)公司將分三個階段推進堅強智能電網(wǎng)建設(shè)，計劃到2020年建成堅強統(tǒng)一的智能電網(wǎng)。

2010年3月發(fā)布的《國家電網(wǎng)智能化規(guī)劃總報告》在分析智能電網(wǎng)發(fā)展基礎(chǔ)和形勢的基礎(chǔ)上，明確了國家電網(wǎng)智能化規(guī)劃的指導(dǎo)思想和發(fā)展目標，重點從發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度、通信信息7個方面提出電網(wǎng)智能化的規(guī)劃目標、發(fā)展路線、技術(shù)標準、關(guān)鍵技術(shù)、重點項目、估算投資，分析建設(shè)堅強智能電網(wǎng)的社會經(jīng)濟效益以及對公司經(jīng)營管理的影響，提出規(guī)劃實施的保障措施及政策建議。

在智能電網(wǎng)建設(shè)中涉及到的技術(shù)有:通信技術(shù)、量測技術(shù)、設(shè)備技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)等，在這些技術(shù)的實現(xiàn)過程中，任何一個環(huán)節(jié)都離不開電量傳感器和變送器。實現(xiàn)以上技術(shù)的設(shè)備中必須采用各種電壓、電流傳感器和變送器，用于對設(shè)備的工作狀況進行實時監(jiān)控，確保設(shè)備的安全、高效、節(jié)能和環(huán)保運行。

在智能電網(wǎng)建設(shè)所涉及到的各應(yīng)用領(lǐng)域中，對電量傳感器/變送器產(chǎn)品的技術(shù)要求除了原來的性能指標外，由于所處環(huán)境為強電磁干擾的現(xiàn)場環(huán)境，因此對產(chǎn)品的電磁兼容性能有著更高的要求。

1 電量變送器技術(shù)現(xiàn)狀

伴隨著自動控制技術(shù)和以計算機為核心的數(shù)據(jù)采集技術(shù)的迅速發(fā)展，變頻調(diào)速技術(shù)、通訊技術(shù)、無級調(diào)速技術(shù)、焊接機器人系統(tǒng)，以及電力監(jiān)控、電網(wǎng)自動調(diào)度系統(tǒng)等得到了大量采用;同時，電路中需要進行測量的電流、電壓信號也不再僅僅是50 Hz的正弦波，而是經(jīng)常有多種頻率和形狀的脈沖波，甚至是交、直流混合信號需要測量;在計算機監(jiān)控系統(tǒng)中，由于使用大量的測量單元，還要求測量單元能降低功耗，縮小體積，提高精度和響應(yīng)速度[1]。為了不斷滿足以上方面的測量需求，電量變送器產(chǎn)品近年來得到了快速的發(fā)展。

目前市場銷售的主流電量變送器基本是根據(jù)自動控制和數(shù)據(jù)采集技術(shù)發(fā)展的需要而研制成功的新一代高性能的電量檢測產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)對電力線路中的電流、電壓、頻率、功率等電參量進行高速、高精度的隔離檢測和變換，也可以對微弱的電量信號進行高速、高精度的隔離放大和傳送，可以響應(yīng)直流、交流和脈沖電量。產(chǎn)品可以提供跟蹤電壓輸出、跟蹤電流輸出、直流電壓輸出、電流源輸出和頻率輸出以及開關(guān)量等各種信號，輸出接口符合國際通用標準，可以直接與各種A/D轉(zhuǎn)換器或指示儀表、計算機系統(tǒng)相匹配。產(chǎn)品精度高、體積小、功耗低、頻響寬，可以解決自動控制及多路數(shù)據(jù)采集中的隔離、變換、傳送和共地、共電源等關(guān)鍵技術(shù)問題，能有效克服共模干擾，簡化系統(tǒng)設(shè)計，降低系統(tǒng)成本[2]。

目前國內(nèi)電量變送器的生產(chǎn)廠商超過100家，市場上銷售的主流產(chǎn)品超過上千種，電流測量范圍由0.01 A至100 kA以上;電壓測量范圍由50 mV至12000 V以上，基本覆蓋了目前各種現(xiàn)場環(huán)境和應(yīng)用條件的技術(shù)要求。

2 典型產(chǎn)品的工作原理

經(jīng)過幾十年的技術(shù)發(fā)展，電量傳感器/變送器產(chǎn)品目前有十幾種不同測量原理的產(chǎn)品在生產(chǎn)[3]，其中比較普及的有以下幾種:

2.1 電磁感應(yīng)原理

根據(jù)互感原理，通過繞制在磁環(huán)上的線圈進行對初級電流的采樣，然后經(jīng)整流、放大及處理電路變成標準的信號。其工作原理如圖1所示。

圖1 電磁隔離變送器測量原理

2.2 霍爾效應(yīng)原理

霍爾式電流傳感器的工作原理是根據(jù)載有電流的導(dǎo)線周圍，有圍繞該導(dǎo)線的磁場B存在，磁場的方向可以用右手定則判斷。根據(jù)安培環(huán)路定理，有如下等式存在:

在以該導(dǎo)線為中心的半徑為r的圓周上，其安培環(huán)路定理的表達式將變?yōu)?/p>

若假定r為常數(shù)，則磁感應(yīng)強度B與被測電流I成正比。所以對電流的檢測，可以轉(zhuǎn)化為與電路沒有直接電聯(lián)系的磁場檢測來實現(xiàn)[4]。這就是霍爾式電流傳感器的理論基礎(chǔ)。目前的霍爾式電流傳感器主要有2種。

2.2.1 磁強計式(直檢式)霍爾電流傳感器

磁強計式霍爾電流傳感器的工作原理如圖2所示。

圖2 磁強計式電流傳感器工作原理圖

磁強計式霍爾電流傳感器是把被測電流導(dǎo)線周圍的磁場用軟磁材料制成的磁路收集起來，用霍爾元件直接檢測出這一磁場的大小，然后通過對信號處理定標求出被測電流的大小，這種傳感器是直接檢測磁場的強弱來測量電流的，所以這種原理的傳感器叫磁強計式或直檢式電流傳感器[5]。

2.2.2 磁平衡式(零磁通式)霍爾電流傳感器

磁平衡式霍爾電流傳感器的原理如圖3所示。

磁平衡式霍爾電流傳感器是根據(jù)等安匝原理，當(dāng)磁路平衡時 N1I1=N2I2，則

通過檢測出較小的電流I2，即可求出被測電流I1。因為平衡線圈所產(chǎn)生的磁場總能抵消掉被測電流產(chǎn)生的磁場，即磁路總是處于接近零磁場的狀態(tài)，所以這種原理的電流傳感器又稱為磁平衡式電流傳感器或零磁通式電流傳感器[6－7]。

電量變送器還有其他一些測量原理的，比如光電隔離、磁調(diào)制隔離、羅氏線圈隔離、放大器隔離等。

圖3 磁平衡式霍爾電流傳感器原理圖

目前市場銷售的產(chǎn)品中，電磁隔離、霍爾隔離、光電隔離和磁調(diào)制隔離等幾種典型測量原理的電量傳感器/變送器產(chǎn)品基本占據(jù)了市場銷量的90%以上，不同原理的產(chǎn)品在性能指標方面有明顯的區(qū)別，在產(chǎn)品選型時應(yīng)根據(jù)具體的使用要求來確定產(chǎn)品的型號，以達到最佳的測量效果和取得最高的性價比。

3 典型產(chǎn)品性能及選型

3.1 幾種典型原理的傳感器/變送器情況對比

幾種典型原理的傳感器/變送器情況對比如表1所示。

表1 幾種典型原理的傳感器/變送器情況對比

3.2 產(chǎn)品選型與使用中應(yīng)注意的問題

(1)在選用電量傳感器/變送器產(chǎn)品時應(yīng)先確定下列參數(shù):被測信號類型及范圍;被測信號頻率;輸出信號型式;測量精度要求;輔助工作電源;被測電流導(dǎo)線直徑最大處尺寸;安裝方式及要求;工作環(huán)境溫度。

(2)在測量時，對于穿孔式電流傳感器，被測電流應(yīng)盡量充滿傳感器穿孔，若無法充滿應(yīng)將導(dǎo)線放置在穿孔中間。

(3)產(chǎn)品在運輸、安裝過程中要輕拿輕放，不能劇烈碰撞。

(4)嚴格按照產(chǎn)品的使用說明書進行接線和操作，電源線和信號輸出線應(yīng)采用屏蔽導(dǎo)線，且不要同強電電纜一同并行走線。

(5)若要得到較高的測量精度，被測量應(yīng)在傳感器滿量程的50%～80%范圍內(nèi)。

4 智能電網(wǎng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用

電量傳感器/變送器產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，在電力系統(tǒng)的可靠運行和工況參數(shù)的實時監(jiān)測方面發(fā)揮著無可替代的作用[8]。

4.1 在繼電保護與測量中的應(yīng)用

在工業(yè)應(yīng)用中，對于高壓三相輸電線路的輸送電流通過適當(dāng)?shù)碾娏鱾鞲衅?，將被測大電流信號按比例轉(zhuǎn)換成標準的電壓信號或電路信號輸出，然后送微機進行測量或處理。

4.2 在直流自動控制調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

在直流自動控制調(diào)速系統(tǒng)中，用電流、電壓傳感器測量系統(tǒng)動態(tài)特性，不僅響應(yīng)時間快，還可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子電流的最佳控制以及對晶閘管進行過載保護。

4.3 在逆變器中的應(yīng)用

在逆變器中，用電流傳感器可進行接地故障檢測、直流側(cè)和交流側(cè)的模擬量監(jiān)測，以保證逆變器能安全工作。

4.4 在交流變頻調(diào)速電機中的應(yīng)用

用變頻器來對交流電機實施調(diào)速，在世界各發(fā)達國家已普遍使用，且有取代直流調(diào)速的趨勢。用變頻器控制電機實現(xiàn)調(diào)速，可節(jié)省10%以上的電能。在變頻器中，電流傳感器的主要作用是保護昂貴的大功率晶體管。由于電流傳感器的響應(yīng)時間可以小于5 μs，因此，出現(xiàn)過載短路時，在晶體管未達到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護。

4.5 在電能管理中的應(yīng)用

霍爾電流傳感器可安裝到配電線路上進行負載管理?；魻栯娏鱾鞲衅鞯妮敵龊陀嬎銠C連接起來，對用電情況進行監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)過載，及時使受控的線路斷開，保證用電設(shè)備的安全。用這種裝置，也可進行負載分配及電網(wǎng)的遙控、遙測和巡檢等。

4.6 在接地故障檢測中的應(yīng)用

在配電和各種用電設(shè)備中，可靠的接地是保證配電和用電設(shè)備安全的重要措施。采用電流傳感器來進行接地故障的自動監(jiān)測，可保證用電安全。

4.7 在電網(wǎng)無功功率自動補償中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)無功功率的自動補償，是指補償容量隨負荷和電壓波動而變化，及時準確地投入和切除電容器，避免補償過程中出現(xiàn)過補償和欠補償?shù)牟缓侠砗筒唤?jīng)濟，使電網(wǎng)的功率因數(shù)始終保持最佳。無功功率的自動采樣通常用采用快響應(yīng)的電流、電壓傳感器來進行，由于它們的響應(yīng)速度快，且無相位差，在保證“及時、準確”上會具有顯著的優(yōu)點。

4.8 在電功率測量中的應(yīng)用

將負載電壓進行變換，令其與霍爾器件的工作電流成比例，將負載電流通入磁芯繞組中，作為霍爾電流傳感器的被測電流，霍爾電流傳感器輸出的霍爾電壓即可指示功率，以構(gòu)成霍爾功率計。

4.9 在力工頻諧波分析儀中的應(yīng)用

在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)的諧波含量一般用電力工頻諧波儀來進行測試。為了將被測電壓和電流變換成適合計算機A/D采樣的弱電壓信號，必須采用電流、電壓傳感器。

4.10 在大電流檢測中的應(yīng)用

在冶金、化工、超導(dǎo)體的應(yīng)用以及高能物理(例如可控核聚變)試驗裝置中都有許多超大型電流用電設(shè)備。用多霍爾探頭制成的電流傳感器來進行大電流的測量和控制，既可滿足測量準確的要求，又不引入插入損耗，采用這種霍爾電流傳感器，可檢測高達300 kA的電流信號[9]。

5 在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

2006年，美國IBM公司首先提出了“智能電網(wǎng)”解決方案。我國的“智能電網(wǎng)”建設(shè)也是剛剛起步，國家電網(wǎng)公司2010年4月19日發(fā)表的白皮書宣布，預(yù)計在2020年基本建成堅強智能電網(wǎng)。2010年6月29日，國家電網(wǎng)公司正式發(fā)布了智能電網(wǎng)技術(shù)標準體系和智能電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備(系統(tǒng))研制規(guī)劃。此舉為設(shè)備企業(yè)指明了產(chǎn)品方向。有關(guān)專家分析認為，智能電網(wǎng)對我國經(jīng)濟實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的意義重大，不但可以直接搭建能源有效配置的綠色平臺，而且能夠推動我國發(fā)展方式的綠色轉(zhuǎn)型。

在當(dāng)今世界，為了達到節(jié)約能源和降低成本的目的，高效率工業(yè)產(chǎn)品的應(yīng)用越來越受到重視。電力電子技術(shù)越來越多地體現(xiàn)在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，如通過監(jiān)測電流、電壓及功率等參數(shù)，對其進行準確調(diào)節(jié)，達到最優(yōu)化。

從以上情況可以看出，國內(nèi)外的智能電網(wǎng)建設(shè)都剛剛起步。我國對智能電網(wǎng)的總投資規(guī)模將接近4萬億元，在對一次設(shè)備的工作進行控制、保護、監(jiān)察和測量的二次設(shè)備中，比如測量儀表、自動控制設(shè)備、信號設(shè)備、供電裝置中就要用到大量的電量變送器，初步估計對于電量變送器的需求量至少在千萬只以上，產(chǎn)值將超過百億。如果加上國外市場需求，智能電網(wǎng)用電量變送器產(chǎn)品的市場空間非常廣闊。

在智能電網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域，除了對產(chǎn)品的測量精度、穩(wěn)定性、可靠性、溫度特性等常規(guī)性能指標有要求，由于產(chǎn)品處于強電磁干擾的應(yīng)用現(xiàn)場，因此對產(chǎn)品的電磁兼容特性有著更高的技術(shù)要求。另外，現(xiàn)場的電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)等要求測量的參數(shù)較多，集成化、模塊化、數(shù)字化、總線通訊輸出的產(chǎn)品將有更多的需求。

在電量傳感器/變送器產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用的其他領(lǐng)域，如工業(yè)、鐵路、能源與自動化以及汽車領(lǐng)域等。伴隨著科技進步和工業(yè)自動化水平的不斷提高，對電量傳感器/變送器產(chǎn)品的需求也是越來越廣泛。

從目前的市場發(fā)展看，電量變送器廠商面臨的問題一是要抓住機遇，積極做好智能電網(wǎng)市場的前期開發(fā)工作，為產(chǎn)品的大批量應(yīng)用做好鋪墊;二是要生產(chǎn)出性價比高的產(chǎn)品，特別是要提高產(chǎn)品的抗強電磁干擾性能，滿足復(fù)雜工況環(huán)境下的電磁兼容要求。

智能電網(wǎng)的建設(shè)將為電量變送器的生產(chǎn)企業(yè)帶來重大的發(fā)展機遇。

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