基于數(shù)字化變電站電能計量技術(shù)研究

江瑋

【摘 要】文章首先介紹數(shù)字變電站電能計量裝置的構(gòu)成，分析數(shù)字化電能計量裝置的優(yōu)點(diǎn)，最后對數(shù)字化變電站電能計量裝置應(yīng)用研究。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字變電站；電能計量；電子式互感器；可靠性

引言

目前“智能電網(wǎng)”已成為全球電力的熱點(diǎn)話題，數(shù)字化變電站是建設(shè)智能電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，隨著光電技術(shù)在傳感器應(yīng)用領(lǐng)域研究的突破和IEC68850標(biāo)準(zhǔn)的頒布，數(shù)字化變電站在我國逐漸進(jìn)推廣應(yīng)用，數(shù)字式電能計量裝置也在電力大變革中脫穎而出。

一、數(shù)字變電站電能計量裝置的構(gòu)成

數(shù)字化變電站內(nèi)設(shè)備從邏輯上分為三層：變電站層、間隔層和過程層。數(shù)字化變電站的計量回路覆蓋過程層和間隔層，包括電子式互感器、合并單元、數(shù)字電能表和通信系統(tǒng)。數(shù)字計量回路采用光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸電子式互感器二次輸出的電壓、電流瞬時采樣序列，而不像傳統(tǒng)計量回路采用電纜傳輸互感器二次輸出的模擬電壓、電流信號。作為過程層設(shè)備的同一間隔內(nèi)電子式電壓、電流互感器采用某種策略保持采樣時刻同步。

1.電子式互感器

電子式電流、電壓互感器利用光電子、光通信及電子技術(shù)，以光數(shù)字信號輸出實現(xiàn)電力系統(tǒng)電流、電壓測量。在數(shù)字化變電站中，電子式互感器是關(guān)鍵設(shè)備，電子式互感器遠(yuǎn)比傳統(tǒng)互感器復(fù)雜，并且用光纖等傳輸方式代替了二次回路，這種情況下可靠性的重點(diǎn)主要在于電子式互感器，它具有無飽和、頻帶寬、體積小巧等諸多優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需要。

2.數(shù)字式電能表

在數(shù)字變電站中采用的數(shù)字電能表與傳統(tǒng)的多功能表工作原理完全不同，數(shù)字電能表所接收的信息是以光纖傳送的電流、電壓信號，而不是傳統(tǒng)的57.7/100V的電流信號和5A/1A的電流信號。數(shù)字式電能表通過協(xié)議處理芯片獲取合并單元的數(shù)據(jù)協(xié)議包，傳送至數(shù)字信號處理單元完成電參量、電量累計以及電能計算等任務(wù)，然后與中央微處理進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由中央微處理器最終完成表計顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)交換、人機(jī)交互等功能。

3.計量裝置二次連接部分

電子式電流、電壓互感器二次部分采用新型的電子器件，可以通過合并單元直接與數(shù)字式儀表和智能綜合測量保護(hù)裝置相連，較好地解決了計算機(jī)技術(shù)對電流、電壓完整信息進(jìn)行全過程數(shù)字化處理的要求。合并單元可以接收、處理來自多個采集器的數(shù)字信號。經(jīng)過合并單元處理的信號輸出到監(jiān)控、保護(hù)、計量等裝置。

二、數(shù)字化電能計量裝置的優(yōu)點(diǎn)

數(shù)字化電能計量裝置與傳統(tǒng)電能計量裝置相比，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.智能變電站電能計量系統(tǒng)的誤差優(yōu)于傳統(tǒng)變電站

數(shù)字化電能表接收通過光纖傳送的電流電壓采樣點(diǎn)的數(shù)字流，基本避免了因二次電流電壓模擬信號傳輸損耗引起的計量系統(tǒng)附加誤差。

2.數(shù)字化電能表的高可靠性

數(shù)字化電能表與合并單元或電子式互感器物理間采用光纖通訊，實現(xiàn)完全電氣隔離，保障在各種復(fù)雜的電磁環(huán)境下都不會造成數(shù)字電流、電壓信號傳輸?shù)母淖?。同時，數(shù)字化電能表已完全取消二次電流輸入，有效的消除了過流或二次電流開路等安全事故隱患。

3.數(shù)字化電能表的高穩(wěn)定性

電表的采用數(shù)字信號輸入，無模擬采樣電路，長期運(yùn)行中有效避免傳統(tǒng)電表因溫度、采樣電路的電阻電容變化、零漂、電磁干擾等可能對精度造成的影響。

4.數(shù)據(jù)可靠性

電流、電壓數(shù)字信號采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行傳輸，接收端即電能表可對來自互感器或者合并單元的電流、電壓信號進(jìn)行校驗，有效避免了誤碼可能對電能計量造成的影響。

三、數(shù)字化變電站電能計量裝置應(yīng)用方面的問題探討

數(shù)字化變電站是一個新生事物，與傳統(tǒng)變電站相比，有了跨越性的進(jìn)步。然而，電子式互感器的應(yīng)用也給計量系統(tǒng)帶來了一些新的問題，包括計量裝置的檢定、計量裝置穩(wěn)定性、人員技術(shù)等方面。

1.計量裝置的檢定問題

數(shù)字變電站中的電子式互感器的二次回路傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，而并非傳統(tǒng)的模擬信號，因此傳統(tǒng)的儀器無法直接對其進(jìn)行誤差檢測，必須設(shè)計生產(chǎn)相應(yīng)的檢定設(shè)備。

（1）電子式互感器的校驗。目前已有一些廠家生產(chǎn)電子式互感器校驗儀，可以對模擬量輸出的電子式互感器和符合IEC60044-7、IEC60044-8、IEC61850-9-1標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字量輸出的電子式互感器進(jìn)行精度校驗，其工作原理如圖1所示。

通過對互感器一次升流，對被測電子式互感器與基準(zhǔn)互感器的輸出量進(jìn)行比對，將互感器的測試結(jié)果包括基頻頻率、基頻幅值、基頻相位分別與標(biāo)準(zhǔn)源的基頻頻率、基頻幅值和基頻相位比對，得出頻差、比差和相位差。在對模擬量輸出的電子式互感器進(jìn)行校驗時，比差和相位差即為最終的誤差值；但在數(shù)字量輸出的電子式互感器校驗中，相位差除了包含相位誤差外，還有額定相位偏移和額定延遲時間造成的相位差。

（2）數(shù)字式電能表的校驗。數(shù)字電能表的工作方式?jīng)Q定傳統(tǒng)電能表校驗臺無法對智能電表的誤差進(jìn)行檢測，因此有必要重新設(shè)計一個校驗裝置。該裝置應(yīng)具備光纖以太網(wǎng)接口，具備電能量計算功能。鏈路層可采用IEC61850-9標(biāo)準(zhǔn)格式，可接收被校電表輸出的脈沖信號，并進(jìn)行比較，還應(yīng)能夠保留歷史數(shù)據(jù)等，其校驗原理如圖2所示。

圖1電子式互感器校驗原理圖

圖2數(shù)字式電能表校驗原理圖

按照IEC61850-9標(biāo)準(zhǔn)要求，校驗儀輸出電流、電壓至數(shù)字式電能表，在接收到數(shù)字式電能表輸出的脈沖后與自己計算出的電量進(jìn)行比較，算出誤差。但是，現(xiàn)在已有電子式互感器的制造標(biāo)準(zhǔn)，但還未有試驗標(biāo)準(zhǔn)。因此，電子式互感器校驗儀和數(shù)字式電能表校驗儀的測試結(jié)果是否得到認(rèn)可將成為關(guān)鍵問題，使用設(shè)備生產(chǎn)廠家配套的校驗儀的測試結(jié)果只能作為參考，應(yīng)在第三方有檢驗資質(zhì)的單位檢測合格后才能作為實際計費(fèi)之用。因此，需盡快出臺電子式互感器和數(shù)字式電能表的檢驗標(biāo)準(zhǔn)，并開發(fā)相應(yīng)的校驗儀，以推動數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

2.計量裝置穩(wěn)定性問題

數(shù)字化電能計量裝置已進(jìn)入了實用化階段，但要保障裝置長期運(yùn)行可靠運(yùn)行，還需不斷積累經(jīng)驗和產(chǎn)品改進(jìn)。由于計量原理不同，數(shù)字化變電站中電能計量系統(tǒng)可靠性與傳統(tǒng)計量系統(tǒng)側(cè)重點(diǎn)也不同，傳統(tǒng)變電站計量系統(tǒng)中，電能表以及二次傳輸回路的故障率高于互感器。而在數(shù)字化變電站中，電子式互感器是關(guān)鍵設(shè)備，電子式互感器遠(yuǎn)比傳統(tǒng)互感器復(fù)雜，并且用光纖等傳輸方式代替了二次回路，這種情況下可靠性的重點(diǎn)主要在于電子式互感器。電子式互感器按照原理分有源電子式互感器和無源電子式互感器。有源電子式互感器利用電磁感應(yīng)原理感應(yīng)被測信號，其傳感頭部分具有需用電源的電子電路，用于GIS斷路器更方便，對于戶外配電設(shè)備，可采用激光供能方法，能夠較好的解決電子式互感器電磁干擾問題。

目前有源電子互感器已在工程實踐中獲得較多的應(yīng)用，建議在數(shù)字化變電站初始階段，采用有源電子互感器。另外，為了提高數(shù)字信號傳輸準(zhǔn)確性，需對光纖等傳輸?shù)男盘栆M(jìn)行實時監(jiān)視，通過檢查校驗方式，剔除錯誤信息。電能表的通信質(zhì)量要重點(diǎn)監(jiān)視，一般監(jiān)視漏點(diǎn)率，即統(tǒng)計一段時間的傳輸漏點(diǎn)次數(shù)，并且設(shè)置上限值，若漏點(diǎn)率超過此值，則在LCD上報警，并上傳警告，讓工作人員對此線路進(jìn)行重點(diǎn)檢查。

3.計量人員技能更新問題

由于數(shù)字化計量系統(tǒng)涉及很多光纖通信技術(shù)和通信協(xié)議，數(shù)字計量裝置必須使用全新的檢定方法、檢定技術(shù)和量值傳遞標(biāo)準(zhǔn)，而上述技術(shù)問題與傳統(tǒng)的計量技術(shù)有較大差異，給計量工作人員帶來很大的挑戰(zhàn)。因此，在推進(jìn)數(shù)字化計量系統(tǒng)應(yīng)用的同時，相應(yīng)的檢定規(guī)程、驗收規(guī)范、管理標(biāo)準(zhǔn)的制定應(yīng)同步開展；計量人員的技術(shù)素質(zhì)和管理能力也需要相應(yīng)提高，這樣才能適應(yīng)數(shù)字化電能計量系統(tǒng)的操作、使用和維護(hù)工作。

四、結(jié)束語

數(shù)字化技術(shù)在電能計量領(lǐng)域的應(yīng)用將推動計量裝置在制造技術(shù)上的更新?lián)Q代，從而不斷促進(jìn)檢定技術(shù)的逐步完善，提高檢定質(zhì)量和工作效率，提高電能計量裝置的準(zhǔn)確性、安全性和可靠性。數(shù)字化電能計量系統(tǒng)的建設(shè)，將是電能計量領(lǐng)域的一次大轉(zhuǎn)折、大變革、大機(jī)遇、大挑戰(zhàn)。我們應(yīng)做好充分準(zhǔn)備，以全新的姿態(tài)，迎接數(shù)字化電能計量時代的到來！

參考文獻(xiàn)：

[1]IEC60044-7儀表用互感器[S].

[2]IEC60044-8儀表用互感器[S].

[3]徐大可，湯漢松，孫志杰.電子式互感器在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用[J].電力設(shè)備，2008，（3）.

[4]高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M].中國電力出版社，2008