新型數(shù)字變電站電能計(jì)量誤差檢測方案與設(shè)計(jì)

劉忠琛 朱瑞民

（國網(wǎng)晉中供電公司，山西 晉中 030600）

新型數(shù)字變電站電能計(jì)量誤差檢測方案與設(shè)計(jì)

劉忠琛 朱瑞民

（國網(wǎng)晉中供電公司，山西 晉中 030600）

在IEC 60044-7/8標(biāo)準(zhǔn)和IEC 61850-9-2LE標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，基于IEC 61850-9-2LE標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮了當(dāng)前數(shù)字變電站的現(xiàn)狀，采用高速穩(wěn)定的硬件方案，對模擬和數(shù)字電能計(jì)量進(jìn)行誤差測量，可以很好的適應(yīng)現(xiàn)場測試，該方案保證了傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性以及測量計(jì)算的準(zhǔn)確性。

IEC 61850；標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)字變電站；電能計(jì)量

隨著通信技術(shù)、電子式互感器技術(shù)、數(shù)字化保護(hù)及測控技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化變電站技術(shù)研發(fā)和工程實(shí)踐取得了大量的成果和經(jīng)驗(yàn)，對變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的各方面將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。在數(shù)字化變電站的計(jì)量系統(tǒng)中，數(shù)字電能表的原理和接口方式都發(fā)生了根本性的變化，傳統(tǒng)的檢驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)已經(jīng)不能滿足數(shù)字電能表的檢驗(yàn)要求。而國內(nèi)當(dāng)前正處于由傳統(tǒng)模擬表向新型數(shù)字表變革的過度期，國內(nèi)的大部分?jǐn)?shù)字變電站還處于模擬和數(shù)字電能表同時(shí)在線使用的狀態(tài)，因此，研發(fā)一臺既可以對現(xiàn)場的數(shù)字電能表的誤差進(jìn)行檢測并分析電能質(zhì)量，又可以對傳統(tǒng)模擬電能表進(jìn)行檢驗(yàn)并將結(jié)果遠(yuǎn)程發(fā)送到用戶的上位機(jī)軟件的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測裝置是非常有必要的。

1 采用模擬和數(shù)字電能誤差及電能質(zhì)量在線檢測的意義

1）實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電能計(jì)量裝置的誤差的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，其中包括電能表誤差、電能質(zhì)量監(jiān)測等功能，可大大降低電能計(jì)量檢定人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率。

2）同時(shí)也可以實(shí)時(shí)在線監(jiān)測電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)字電能表的電壓、電流、頻率、功率因數(shù)、有功功率、無功功率、波形、諧波等參量，對電能質(zhì)量進(jìn)行分析并對數(shù)字電能表的誤差進(jìn)行在線檢測。

3）可將現(xiàn)場實(shí)時(shí)測量的各種電參量存入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中進(jìn)行遠(yuǎn)程發(fā)送，便于用電管理部門實(shí)時(shí)監(jiān)測及查詢、提高電能計(jì)量管理水平。

2 硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字和模擬電能計(jì)量的誤差監(jiān)測裝置主要包括現(xiàn)場模擬數(shù)據(jù)采集層、數(shù)字光信號采集層、通信傳輸層、數(shù)據(jù)管理層、界面顯示部分及鍵盤輸入部分組成。組網(wǎng)方式有光纖、無線兩種方式。

1）現(xiàn)場模擬數(shù)據(jù)采集層由模擬采樣部分和數(shù)據(jù)處理部分組成，可對實(shí)時(shí)輸入的模擬電信號進(jìn)行采樣，通過接入模擬電能表的脈沖信號對被測表的誤差進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)也可對電能質(zhì)量進(jìn)行分析，并將結(jié)果及時(shí)的顯示出來。

2）現(xiàn)場數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集層由光纖、光路由、光電模塊、數(shù)據(jù)處理等組成，可對輸入的數(shù)字信息進(jìn)行解析，通過獲取被測數(shù)字表的脈沖信號計(jì)算誤差，同時(shí)通過對波形的計(jì)算進(jìn)行分析電能質(zhì)量，同時(shí)將誤差數(shù)據(jù)及分析結(jié)果顯示出來。

3）通信傳輸層由無線通信模塊組成，可對當(dāng)前采集到的實(shí)時(shí)模擬或數(shù)字信號、電能質(zhì)量分析結(jié)果及被測表實(shí)時(shí)誤差值通過無線的方式進(jìn)行近程或遠(yuǎn)程傳輸。用戶可以實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)端 PC對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及分析。

4）數(shù)據(jù)管理層由存儲設(shè)備及上位機(jī)管理軟件組成，可以對采集到的模擬和數(shù)字信號及電能質(zhì)量分析結(jié)果進(jìn)行保存。用戶可以隨時(shí)讀取存儲的內(nèi)容對之前保存的數(shù)據(jù)并使用上位機(jī)軟件對之前的電能質(zhì)量進(jìn)行分析和在線監(jiān)測。上位機(jī)軟件也可以同時(shí)對遠(yuǎn)程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和監(jiān)測。系統(tǒng)工作框圖如圖1所示。

圖1 綜合誤差測試原理圖

5）界面顯示部分負(fù)責(zé)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示。

6）鍵盤輸入部分主要作用為界面的切換部分參數(shù)設(shè)置的輸入。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包含數(shù)字量采集、模擬量采集及電能質(zhì)量計(jì)算3個(gè)部分。

1）數(shù)字量采集涉及到光信號的采集，數(shù)字協(xié)議解析，數(shù)字量波形的提取及整合三個(gè)部分的內(nèi)容，光纖信號采集模塊采用符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)要求的光口模塊對光信號進(jìn)行采集，并通過軟件解碼對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行分離，并將得到的數(shù)字內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算，數(shù)字部分軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字部分軟件設(shè)計(jì)流程圖

2）模擬部分中，模擬部分負(fù)責(zé)對采集到的模擬量進(jìn)行處理，并整合為完整的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最后將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出對應(yīng)電能并計(jì)算誤差，模擬部分軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示。

圖3 模擬部分軟件設(shè)計(jì)流程圖

3）電能質(zhì)量計(jì)算部分是通過數(shù)字和模擬的波形進(jìn)行一系列高速計(jì)算，得到需要的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)。它包括數(shù)據(jù)波形還原修正及相關(guān)的電能質(zhì)量計(jì)算、比差計(jì)算及角差計(jì)算三個(gè)部分。數(shù)據(jù)波形修正及相關(guān)的電能質(zhì)量計(jì)算在這里不做詳述。

（1）比差計(jì)算方法如下：

在這里默認(rèn)模擬采樣為標(biāo)準(zhǔn)值，此定義僅涉及二次電壓的額定頻率分量，未考慮直流電壓分量。

（2）角差計(jì)算方法如下：

假設(shè)被測合并單元的額定延時(shí)為tdr，如果這時(shí)DSP根據(jù)同步波形計(jì)算的實(shí)際相位差為那么角差就可以根據(jù)下式得

式中，f電網(wǎng)的基波頻率。

關(guān)于合并單元的綜合誤差計(jì)算，可以通過和數(shù)字部分一樣的方式進(jìn)行求出，表示為，此時(shí)，就可以求出合并單元的誤差為

以上式及定義參考《GB/T 20840.7—2007》互感器 第7部分和《GB/T 20840.8—2007》互感器第8部分。

4 系統(tǒng)功能特點(diǎn)

1）現(xiàn)場安裝安全、方便，不破壞現(xiàn)場測量回路。

2）現(xiàn)場安裝裝置體積小，可以直接安裝在室內(nèi)儀表屏內(nèi)。

3）每路電能表誤差可同時(shí)接入二路脈沖（電能表的有功和無功脈沖）。

4）實(shí)時(shí)測量交流電壓、交流電流、功率、頻率和相位等電參量。

5）在線監(jiān)測模擬電壓和電流的波形及諧波，諧波測量范圍2～31次。

6）通過解析數(shù)字協(xié)議獲取波形數(shù)據(jù)并計(jì)算出當(dāng)前數(shù)字信號中的交流電壓、交流電流、功率、頻率和相位等電參量。

7）在線監(jiān)測數(shù)字電壓和電流的波形及諧波，諧波測量范圍2～21次。

8）可以分別對模擬電能質(zhì)量和數(shù)字電能質(zhì)量進(jìn)行分析。

9）能通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)并查看實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)以及歷史測量數(shù)據(jù)。

10）每臺設(shè)備都配有看門狗功能，保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行。電能計(jì)量回路現(xiàn)場運(yùn)行出現(xiàn)故障時(shí)可自行復(fù)位并恢復(fù)現(xiàn)場。

5 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析表（見表1）

表1 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析表

6 結(jié)論

本文圍繞山西晉中市220kV智能變電站從數(shù)字信號的獲取、數(shù)字信息傳輸及數(shù)字電能計(jì)量等技術(shù)的應(yīng)用角度詳細(xì)分析和測試了技術(shù)方案，并對出現(xiàn)的新的技術(shù)問題進(jìn)行了深入思考，尤其是對現(xiàn)場數(shù)字電能計(jì)量設(shè)備的測量及數(shù)字信號的檢測方面做了大量的試驗(yàn)及測量，在數(shù)字協(xié)議、電壓、電流、頻率、相位及電能誤差的現(xiàn)場檢測方面有著非常重要的意義，對智能變電站建設(shè)做了極具應(yīng)用價(jià)值的探索。

實(shí)驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的測試方案合理、先進(jìn)，高度適應(yīng)于當(dāng)前國內(nèi)數(shù)字站的現(xiàn)狀，設(shè)備在高度集成化的情況下，盡可能考慮了用戶使用的方便性及便攜性，同時(shí)也能夠保證采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸及計(jì)算的準(zhǔn)確。

［1］陳維千.數(shù)字化變電站技術(shù)叢書.中國電力出版社，2010.

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

［3］GB/T 20840.7—2007.互感器 第7部分：電子式電壓互感器.

［4］GB/T 20840.8—2007.互感器 第8部分：電子式電流互感器.

表1 福建電網(wǎng)2014年繼電保護(hù)遠(yuǎn)方操作統(tǒng)計(jì)

實(shí)施繼電保護(hù)遠(yuǎn)方操作前后操作用時(shí)見表 2。繼電保護(hù)遠(yuǎn)方操作前的操作時(shí)間含運(yùn)維人員往返變電站的車程，調(diào)控專業(yè)與變電運(yùn)維專業(yè)操作配合耗時(shí)等。實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置遠(yuǎn)方操作后操作時(shí)間大幅減少，大幅提高設(shè)備停役期間檢修作業(yè)實(shí)際有效時(shí)長。

表2 繼電保護(hù)遠(yuǎn)方操作前后操作用時(shí)對比

4 結(jié)論

基于本文研究，得出如下結(jié)論：

1）采用繼電保護(hù)遠(yuǎn)方操作能有效緩解電網(wǎng)輸變電規(guī)模快速增長與生產(chǎn)承載能力之間的矛盾。避免了變電運(yùn)維人員和繼電保護(hù)技術(shù)人員頻繁往返于各個(gè)變電站之間，有效提高工作效率。

2）采用本文技術(shù)，能有效解決安規(guī)所規(guī)定的繼電保護(hù)遠(yuǎn)方操作“雙確認(rèn)”。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介

鄧 勇（1978-），男，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向?yàn)殡娏φ{(diào)度自動(dòng)化、電力市場及繼電保護(hù)。

The Scheme and Design of Electric Energy Measurement Error Detection in New Digital Substation

Liu Zhongchen Zhu Ruimin
（State Grid Jinzhong Power Supply Company，Jinzhong，Shanxi 030600）

In the IEC 60044-7/8 standard and IEC 61850-9-2LE standards based，based on the standard of IEC 61850-9-2LE，fully consider the status of the digital substation，the hardware scheme of high-speed and stable，of analog and digital electrical to measurement error，can be very good to field test，the scheme ensures the calculation accuracy of data transmission，real-time and measurement accuracy.

IEC 61850； standard； digital substation； electric energy measurement

劉忠?。?964-），男，高級工程師，大學(xué)本科，工學(xué)學(xué)士，主要從事電能計(jì)量技術(shù)與管理的研究工作。