數(shù)字化計量技術(shù)在智能化變電站中的應(yīng)用

易 天 福， 曾 燕 波

(1．四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都 611231;2．國家電網(wǎng)四川省德陽供電公司，四川德陽 618000)

1 概述

隨著智能化開關(guān)、電子式互感器、IEC61850通信規(guī)約及計算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)在變電站實時系統(tǒng)中的應(yīng)用，為智能化變電站建設(shè)提供了基礎(chǔ)。由于智能化變電站實現(xiàn)了信息采集、傳輸、處理和輸出過程全數(shù)字化，各種功能共用統(tǒng)一的信息平臺，因而避免了設(shè)備的重復(fù)投入。作為變電站智能化的主要特征之一，是電子式互感器、數(shù)字式電能表等數(shù)字化計量技術(shù)的應(yīng)用。數(shù)字化計量系統(tǒng)具有測量精度高、無飽和、二次接線簡單等諸多優(yōu)點，同時光纖取代了電纜，電磁兼容性能優(yōu)越，信息傳輸通道可自檢，具有更高的可靠性。但至目前為止，數(shù)字化計量技術(shù)尚未普及，有些技術(shù)亦尚未完全成熟。筆者通過對電子式互感器、數(shù)字式電能表等數(shù)字式計量器具進(jìn)行介紹與分析，以及對數(shù)字化計量系統(tǒng)與傳統(tǒng)計量系統(tǒng)進(jìn)行比較，可為數(shù)字化計量技術(shù)在變電站中的應(yīng)用提供參考。

2 電子式互感器

電子式互感器是指具有模擬量電壓輸出或數(shù)字量輸出、供電氣測量儀器和繼電保護(hù)裝置使用的電流或電壓互感器。

2．1 電子式互感器的分類

電子式互感器按其原理可以分為無源電子式互感器和有源電子式互感器。

(1)無源電子式互感器基于光學(xué)傳感技術(shù)，一次側(cè)光學(xué)電流、電壓傳感器無需工作電源，是獨立安裝互感器的理想解決方案。

(2)有源電子式互感器傳感頭部分具有需用電源的電子電路，將其用于GIS或罐式斷路器更為方便。對于戶外配電裝置則采用激光供能的辦法，從而較好地解決了電源問題。目前有源電子式互感器在工程中已獲得較多的應(yīng)用。

無源電子式互感器是未來電子式互感器的發(fā)展方向，但直到目前為止其尚未完全成熟;有源電子式互感器目前已有成熟的產(chǎn)品，采用激光供能的方式較好地解決了獨立式互感器中傳輸距離和電磁干擾問題，且已有較多的工程實踐。因此，對于變電站，建議采用有源式電子互感器。

2．2 電子式互感器的主要特點

(1)高低壓完全隔離，絕緣簡單，安全性高，沒有因漏油而潛在的易燃易爆等危險。

(2)不存在磁飽和、鐵磁諧振等問題，TA二次輸出可以開路。

(3)頻率響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大、精度高，可同時滿足測量和繼電保護(hù)的需要，適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需要。

(4)體積小、重量輕，節(jié)約占地面積;無污染、無噪音，具有優(yōu)越的環(huán)保性能。

3 數(shù)字式電能表

數(shù)字式電能表是指輸入為數(shù)字量或小模擬量的電能表。主要分全數(shù)字式和半數(shù)字式兩種。

3．1 全數(shù)字式電能表

全數(shù)字式電能表是指輸入的電壓和電流全部為數(shù)字信號，電能表直接根據(jù)輸入的電壓、電流數(shù)字信號進(jìn)行電能量計算，電能表無基本誤差，為真正意義的數(shù)字式電能表。目前大多應(yīng)用在變電站的高壓側(cè)。

3．2 半數(shù)字式電能表

半數(shù)字式電能表是指輸入的為小模擬信號，電能表對輸入的小模擬信號需進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行電量計算，因此，半數(shù)字式電能表與傳統(tǒng)的電子式電能表類似，依然存在計量基本誤差。這種電能表主要用在變電站的低壓側(cè)。由于變電站低壓側(cè)的出線較多，為節(jié)省投資，一段母線一般共用一組電壓互感器，如果全部采用數(shù)字式電能表，光纖接口既復(fù)雜，也不經(jīng)濟(jì)。

3．3 數(shù)字式電能表的特點

(1)全數(shù)字式電能表采用數(shù)字輸入接口模式。通過光纖接收以太網(wǎng)傳送的數(shù)字電流、電壓瞬時值計算各項電量值，不存在基本誤差。

(2)數(shù)字式電能表工作電源為外接，需敷設(shè)專用工作電源，但同時也消除了表計功耗對計量的影響。

(3)提供給表計的采樣值必須打上時標(biāo)，現(xiàn)場試驗需要驗證各傳感器單元采樣數(shù)據(jù)以及時間同步準(zhǔn)確度。另外，電能表誤差現(xiàn)場校驗需在停電狀態(tài)下進(jìn)行。

(4)電能表的顯示值是一次數(shù)據(jù)需事先在表內(nèi)設(shè)置互感器變比，雖然方便了運行人員的數(shù)據(jù)讀取，但同時也使表計的通用性受到影響。

4 數(shù)字化變電站計量系統(tǒng)與傳統(tǒng)變電站計量系統(tǒng)的比較

4．1 傳統(tǒng)變電站計量系統(tǒng)的組成

傳統(tǒng)變電站計量系統(tǒng)組成情況見圖1。

圖1 傳統(tǒng)變電站計量系統(tǒng)組成圖

傳統(tǒng)計量系統(tǒng)由電容式或電磁式電壓互感器、電磁式電流互感器對一次輸入量進(jìn)行變壓、變流，經(jīng)二次電纜將二次電壓、電流輸送至電能表，由電能表進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、積分運算。該計量系統(tǒng)的誤差來源主要由電壓、電流互感器比差與角差、電能表誤差及二次回路電壓降構(gòu)成。

4．2 數(shù)字化變電站計量系統(tǒng)的組成

圖2 數(shù)字化變電站計量系統(tǒng)組成圖

數(shù)字化變電站計量系統(tǒng)的組成情況見圖2。數(shù)字化計量系統(tǒng)由電子式電壓互感器、電流互感器、數(shù)字式電能表及光纖電纜組成。由于數(shù)字式電能表接收的是數(shù)字信號，直接對數(shù)字信息進(jìn)行運算，不存在計量誤差，在光纖傳輸環(huán)節(jié)也不存在電能損耗，因此，該計量系統(tǒng)的誤差來源僅由電子式互感器構(gòu)成。

4．3 傳統(tǒng)計量系統(tǒng)與數(shù)字化計量系統(tǒng)誤差之比較

傳統(tǒng)計量系統(tǒng)與數(shù)字化計量系統(tǒng)誤差比較情況見圖3。

圖3 傳統(tǒng)計量系統(tǒng)誤差分布圖

通過對上述兩個計量系統(tǒng)進(jìn)行比較后可以看出:如果采用相同準(zhǔn)確度等級的電壓、電流互感器，數(shù)字化計量系統(tǒng)的計量綜合誤差要小很多。

4．4 數(shù)字化計量系統(tǒng)的特點

(1)一次和二次系統(tǒng)無電的聯(lián)系，進(jìn)而提高了現(xiàn)場工作的安全性。

(2)數(shù)字信號代替了傳統(tǒng)模擬量輸入信號，電能表無需進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

(3)無需進(jìn)行回路壓降測試、絕緣電阻測試和回路接地的檢查。

(4)無需校驗互感器極性及二次回路接線的檢查。

(5)不存在二次電纜壓降問題，也不存在表計自身的誤差。因此，數(shù)字化計量系統(tǒng)的綜合誤差要小于傳統(tǒng)計量系統(tǒng)。

(6)數(shù)字化計量系統(tǒng)需增加接口可靠性試驗。對傳輸網(wǎng)絡(luò)需要進(jìn)行激光電源模塊測試，合并光纖接口、以太網(wǎng)接口等試驗項目。

5 數(shù)字化計量系統(tǒng)的應(yīng)用實例

作為浙江省首座智能化變電站——110kV諸暨大侶變，采用了較完整的數(shù)字化計量系統(tǒng)，該變電站已于2010年1月31日正式投運，其數(shù)字化計量系統(tǒng)構(gòu)成情況如下。

5．1 高壓側(cè)計量系統(tǒng)配置

大侶變110kV高壓側(cè)采用了全數(shù)字化計量模式。

(1)互感器配置:線路側(cè)互感器采用有源電子式電壓、電流組合互感器，工作電源采用激光供能方式，電流互感器部分采用空心線圈采樣，電壓互感器部分采用電容分壓方式采樣;主變側(cè)互感器采用的是無源式磁光效應(yīng)電子式電流互感器，工作原理為光在磁場中的偏轉(zhuǎn)。其產(chǎn)品均為南京南瑞繼保電氣有限公司生產(chǎn)。

(2)電能表配置:高壓側(cè)電能表采用的是由南京新寧光電自動化有限公司生產(chǎn)的全數(shù)字式電能表，工作電源采用110V直流供電，所有輸入信號由一對光纖提供，接線非常簡單。

(3)計量回路信道構(gòu)成:由分相電子式互感器將采集到的各相電流、電壓數(shù)字信號經(jīng)光纜小終端傳送至合并單元，再由合并單元將數(shù)字信號傳送至過程層交換機(jī)，電能表從過程層交換機(jī)獲取數(shù)據(jù)，完成電能量計算。

5．2 低壓側(cè)計量系統(tǒng)的配置

大侶變10kV低壓側(cè)采用半數(shù)字化小模擬計量模式。

(1)互感器配置:電流互感器采用由南京新寧光電自動化有限公司生產(chǎn)的電子式互感器，輸出為額定交流4V的小模擬信號，電壓互感器仍采用傳統(tǒng)電壓互感器。

(2)電能表配置:低壓側(cè)電能表采用的是由南京新寧光電自動化有限公司生產(chǎn)的半數(shù)字式電能表，工作電源采用110V直流供電，電流輸入為分相小模擬量，電壓輸入為傳統(tǒng)100V電壓，輸出為光纖。

(3)計量回路信道構(gòu)成:低壓側(cè)計量回路與傳統(tǒng)方式類似，僅將二次電流改成小模擬信號，并增加了表計工作電源回路。

5．3 近期運行情況

從大侶變數(shù)字化計量系統(tǒng)近期運行情況看，總體情況較好，但也存在不少問題，主要有:

(1)數(shù)字式電能表運行不穩(wěn)定，出現(xiàn)過死機(jī)、液晶顯示不正常等現(xiàn)象。

(2)全數(shù)字式電能表校驗脈沖誤差變動較大，主要是由于計量模塊與通訊模塊集成于同一CPU，使表內(nèi)校驗脈沖輸出判斷時間過長，導(dǎo)致校驗脈沖精度不高。

(3)數(shù)字式電能表出現(xiàn)過運行時間失準(zhǔn)現(xiàn)象，需解決設(shè)備對時和TA、TV的同步性問題。

(4)全數(shù)字式電能表出現(xiàn)過脈沖丟失和通訊不成功的問題。

(5)主變和線路側(cè)電子式互感器在無一次電流、電壓通過時，其合并單元有低頻信號輸出，其中電流回路有6A(一次電流值)左右，從而引起電能表錯誤計量。該回路有待進(jìn)一步改進(jìn)。

(6)電能表通訊抗干擾性有待測試。

(7)電能表丟幀插值算法的合理性有待論證。

6 變電站數(shù)字化計量模式廣泛應(yīng)用尚需解決的問題

6．1 計量認(rèn)證問題

由于電子式互感器、數(shù)字式電能表屬新型計量器具，必須獲得國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的計量器具制造許可證，目前很多廠家的產(chǎn)品尚未取得相應(yīng)的許可證，從而給其應(yīng)用帶來困難。

6．2 檢測手段問題

目前，對數(shù)字化計量器具尚無成熟的檢測手段，而貿(mào)易結(jié)算用電能表、互感器則為強(qiáng)制檢定計量器具，因此，檢測手段亟待跟進(jìn)。

6．3 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)和通訊協(xié)議，而上述技術(shù)均不屬于傳統(tǒng)計量技術(shù)范疇，從而給計量工作人員帶來很大的挑戰(zhàn)。

7 結(jié)語

數(shù)字化計量系統(tǒng)作為一種新型電能計量模式，目前尚無成熟的運行經(jīng)驗。但隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，數(shù)字化計量技術(shù)在變電站中的應(yīng)用將是一個發(fā)展趨勢。