智能變電站二次回路計量裝置綜合誤差離線測量系統(tǒng)的設計

劉煥磊 賀晉宏 康 健

（國網(wǎng)山西省電力公司長治供電公司，山西 長治 046001）

智能變電站二次回路計量裝置綜合誤差離線測量系統(tǒng)的設計

劉煥磊 賀晉宏 康 健

（國網(wǎng)山西省電力公司長治供電公司，山西 長治 046001）

針對國內(nèi)智能變電站二次回路計量裝置綜合誤差測量沒有成熟測量設備的現(xiàn)狀，本文設計了一套智能變電站二次回路計量裝置綜合誤差離線測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過接收被檢電能表電能脈沖信號并與標準電能表測得的三相交流電能進行對比的方法，實現(xiàn)了智能變電站二次回路計量裝置綜合誤差的測量。經(jīng)實驗室檢測，該系統(tǒng)滿足設計要求。該裝置的設計填補了國內(nèi)智能變電站二次回路綜合誤差測量的空白，簡化了現(xiàn)場檢測工作，為智能變電站安全穩(wěn)定運行提供了保障。

三相交流源；綜合誤差測量；無線數(shù)據(jù)傳輸

隨著IEC 61850應用的進一步深入，目前國內(nèi)已經(jīng)建成了相當一部分智能變電站試點，對于山西省內(nèi)的智能變電站來說，基本都是“傳統(tǒng)互感器+模擬量輸入式合并單元”模式的智能變電站[1]，該變電站采用數(shù)字式電壓、電流輸入式智能電表[2-3]。目前，對于智能變電站計量二次系統(tǒng)計量裝置綜合誤差的檢測還沒有成熟的檢測設備，長治地區(qū)采用的方式是，變電站投運前對計量用電壓、電流互感器進行升壓、升流，通過觀察數(shù)字表內(nèi)信息來判斷合并單元到數(shù)字表的計量二次回路數(shù)字信息傳遞是否通暢，對比數(shù)字表顯示的電壓電流值與互感器側升壓、升流值來粗略判斷表計和其他二次回路計量裝置的準確性。此種方式費時費力并且沒有準確度可言，因此研發(fā)一種能夠?qū)χ悄茏冸娬径位芈酚嬃垦b置綜合誤差進行測量的裝置勢在必行。

針對上述問題，本文參考了文獻[4]中合并單元誤差范圍的標準和文獻[5-9]中數(shù)字電能表的檢測方法研究，設計了一套智能變電站二次回路計量裝置綜合誤差離線測量系統(tǒng)，由該系統(tǒng)直接輸出模擬量進行測量[10]，可以在離線條件下測量智能變電站二次回路計量裝置的綜合誤差，簡化現(xiàn)場檢測工作的復雜度，有效克服傳統(tǒng)測量方法的缺點，加快了工程現(xiàn)場的驗收進度，節(jié)省了人力，為智能變電站安全穩(wěn)定運行提供了重要保障。

1 系統(tǒng)總體設計方案與工作原理

1.1 系統(tǒng)總體設計方案

離線測量系統(tǒng)由便攜式電能計量二次回路檢定裝置、電壓放線車和數(shù)字電能表脈沖無線發(fā)射端三部分組成。

便攜式電能計量二次回路檢定裝置主要由三相交流模擬源和內(nèi)置標準電能表組成。在離線測量時為 PT、CT模擬量輸入合并單元提供電壓、電流，并完成誤差測量功能。

電壓放線車實現(xiàn)為 PT端子箱模擬量輸入合并單元輸入電壓的功能。

測試智能變電站二次回路計量裝置綜合誤差時，表計側到合并單元側距離較遠，脈沖信號若通過線車傳輸一方面會造成信號衰減；另一方面在拉線過程中容易短路或者開路，危險性高。本項目采用無線射頻同步技術解決測量綜合誤差時的脈沖傳輸問題。數(shù)字電能表脈沖無線發(fā)射端將被測數(shù)字電能表的電能脈沖信號通過射頻同步技術發(fā)送給便攜式電能計量二次回路檢定裝置。進而計算出綜合誤差。

1.2 系統(tǒng)工作原理

在離線狀態(tài)下測量智能變電站二次回路計量裝置綜合誤差時，將便攜式電能計量二次回路檢定裝置放置在CT端子箱附近，就近給CT端子箱提供三相交流電流，通過電壓放線車給 PT端子箱提供三相交流電壓；數(shù)字電能表脈沖無線發(fā)射端放在被檢電能表附近采集并編碼被檢數(shù)字電能表脈沖信號，利用射頻模塊 CC1100把編碼后的電能脈沖信號發(fā)送給便攜式電能計量二次回路檢定裝置，該裝置的FPGA將收到的脈沖信號解碼后，根據(jù)脈沖中的時間標志將數(shù)據(jù)對齊，脈沖比較器同時接收標準電能表的脈沖和被檢電能表的脈沖，根據(jù)時間標志將兩者同步后，計算出回路綜合誤差。工作原理圖如圖1所示。

圖1 智能變電站二次回路計量裝置綜合誤差離線測量系統(tǒng)工作原理圖

2 便攜式電能計量二次回路檢定裝置設計

便攜式電能計量二次回路檢定裝置主要由三相交流模擬源、標準電能表、射頻接收模塊和人機交互模塊四部分組成。其中三相交流模擬源和脈沖無線收發(fā)模塊的創(chuàng)新性設計使得裝置整體更加輕便、易于攜帶，同時降低了裝置生產(chǎn)成本。其結構框圖如圖2所示。

圖2 便攜式電能計量二次回路檢定裝置結構框圖

2.1 三相交流模擬源

1）新型三相交流模擬源的優(yōu)勢

傳統(tǒng)的電壓、電流源采用數(shù)字信號處理器、D/A轉(zhuǎn)換器、線性功放、電壓電流互感器和線性電源的組合方式，存在體積笨重、效率低、成本高、故障率高、不易攜帶的缺點。在本項目中，用數(shù)字功率放大器、開關電源和低通濾波器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)電壓電流源中的線性功放、線性電源和電壓電流互感器，使得設備體積小，重量輕，易攜帶。

2）新型三相交流模擬源的工作原理

工作時，三相交流模擬源先將交流信號變?yōu)楦邏褐绷餍盘?，然后將輸出的信號通過高速轉(zhuǎn)換開關調(diào)制為所需信號；輸出波形通過低通濾波器把超高頻濾除，僅留所需的低頻電壓電流信號。

2.2 標準電能表

標準電能表用來測量由三相交流模擬源輸出的三相電能并與被測數(shù)字電能表電能脈沖信號對比計算出智能變電站二次回路計量裝置的綜合誤差。

1）標準電能表的測量原理

標準電能表將輸入的電壓、電流信號經(jīng)過信號調(diào)理分別送入模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后由主控制器進行處理，計算出相應電參量的測量值，最后主控制器將測量結果送入顯示器進行顯示。

2）有效電壓、有效電流及功率的計算方法

設Veff為交流電壓的有效值，Ieff為交流電流的有效值，P為平均功率，T為周期，其計算式為

將上式表示為在一個周期內(nèi)等時間間隔的取 N個點，設時間間隔為Δt，則得到下式：

式中，u(k)、i(k)分別為第k點u、i的采樣值。因而，微處理器便可根據(jù)電壓、電流的采樣值計算出有效電壓、有效電流及平均功率P。

2.3 射頻同步接收模塊

使用TI公司的CC1100射頻芯片來實現(xiàn)無線射頻信號接收，將電磁波頻率設定為 433MHz，選擇透明傳輸 GFSK調(diào)制方式。無線通信距離可達500m，時間同步誤差小于1μs。完全滿足傳輸要求。

2.4 人機交互模塊

人機交互接口包括液晶顯示器、面板按鍵、USB鼠標和鍵盤。用于顯示測量結果和操作便攜式電能計量二次回路檢定裝置完成各項功能。

3 數(shù)字電能表脈沖無線發(fā)射端設計

數(shù)字電能表脈沖無線發(fā)射端由 FPGA、射頻同步發(fā)送模塊、充放電管理電源電路和鋰聚合物電池四部分組成。結構框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字電能表脈沖無線發(fā)射端結構框圖

3.1 數(shù)字電能表脈沖無線發(fā)射端的發(fā)射原理

數(shù)字電能表脈沖無線發(fā)射端的脈沖輸入端子接收被檢數(shù)字電能表的電能脈沖信號后將信后發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA對信號進行壓縮、編碼后通過射頻同步發(fā)送模塊將脈沖信號轉(zhuǎn)換成電磁波信號發(fā)送給便攜式電能計量二次回路檢定裝置。

采用鋰聚合物電池為數(shù)字電能表脈沖無線發(fā)射端供電，避免對測試結果產(chǎn)生干擾。

3.2 數(shù)字電能表脈沖無線發(fā)射端器件選型

FPGA同樣選擇 XILINX公司的 SPARTAN6 FPGA。對收到的被檢表電能脈沖進行編碼，驅(qū)動射頻芯片將脈沖信號發(fā)送給便攜式電能計量二次回路檢定裝置。

射頻芯片同樣選擇TI公司的CC1100芯片。

充放電管理電源選擇LINEAR公司的LT3652和LTC2943作為充放電管理和電量監(jiān)測方案。LTC2943以1%的精度準確測量鋰聚合物電池的電壓、電流、電量和溫度，能夠準確評估鋰聚合物電池的充電狀態(tài)，通過I2C接口與FPGA進行通信，實時將鋰聚合物電池的狀態(tài)信息發(fā)送給低壓側數(shù)據(jù)接收終端。FPGA通過I/O控制LT3652可實現(xiàn)智能充放電管理，從而保障高壓互感器的安全可靠運行。

4 實驗結果

依據(jù)以上設計在實驗室中對各部分進行檢測，三相交流源的檢測方法如圖4所示。射頻模塊性能測試方法如圖5所示。表1、表2分別為三相交流源檢測結果。圖6為射頻模塊實驗結果?？梢钥闯鲈撾x線測量系統(tǒng)符合設計要求。

圖4 三相交流源檢驗方法

圖5 射頻模塊性能測試方法

表1 電壓、電流準確度檢測

表2 功率檢測

圖6 射頻同步模塊實驗波形圖

1）三相交流源準確度評估

對三相交流源電壓、電流、功率準確度及2min穩(wěn)定度進行檢驗，檢驗方法如圖4所示。檢驗結果分別見表1、表2。

經(jīng)實驗室檢測，該三線交流源電壓、電流準確度符合 0.1%，功率準確度符合 0.1%，電壓、電流穩(wěn)定度符合0.05%/2min。

2）射頻模塊性能試驗

射頻信號頻率為433MHz，抖動小于1μs。

5 結論

本文設計了一套可在離線條件下測量智能變電站二次回路計量裝置綜合誤差的系統(tǒng)。詳細介紹了其中新型三相交流源、射頻收發(fā)模塊的技術原理和芯片選型。經(jīng)實驗室檢測，各性能指標均達到了設計要求，該裝置簡化了現(xiàn)場檢測工作，為智能變電站安全穩(wěn)定運行提供了保障。

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The Design of Integrated Error Offline Measurement System for Secondary Loop Measurement Device of Intelligent Substation

Liu Huanlei He Jinhong Kang Jian
(State Grid Shanxi Electric Power Company Changzhi Power Supply Company, Changzhi, Shanxi 046001)

In view of the domestic intelligent substation secondary loop metering device integrated error measuring not mature and the present situation of the measuring equipment, design a set of intelligent substation secondary loop metering device integrated error off-line measuring system. By receiving the system checked watt-hour meter power pulse signal measured and compared with standard watt-hour meter three-phase ac electric energy comparing method, realizes the intelligent substation secondary loop metering device comprehensive error of measurement. The system meets the design requirements through laboratory testing. The design of the device fills the gap in the comprehensive error measurement of the secondary circuit of the domestic intelligent substation, simplifies the field testing work and provides the guarantee for the safe and stable operation of the intelligent substation.

three-phase communication source; comprehensive error measurement; wireless data transmission

劉煥磊（1983-），男，碩士研究生，工程師，長期從事計量檢定一線技術工作。