環(huán)網(wǎng)柜聯(lián)絡(luò)關(guān)口新型高壓電能計(jì)量裝置的研制

賴榮光，高成成，譚武漢

（1.珠海安瑞通電子科技有限公司，廣東 珠海 519000；2.國(guó)網(wǎng)郯城縣供電公司，山東 臨沂 276100）

0 引 言

國(guó)家電網(wǎng)公司在2016年開(kāi)始部署與應(yīng)用一體化電量和線損管理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱同期線損系統(tǒng)），全面推進(jìn)同期線損系統(tǒng)建設(shè)工作，實(shí)現(xiàn)分區(qū)、分壓、分元件、分臺(tái)區(qū)的“四分”線損管理；2020年提出全力開(kāi)展提質(zhì)增效專項(xiàng)行動(dòng)，工作方案要求“降低技術(shù)線損和管理線損，提升電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，推動(dòng)營(yíng)配貫通，有效治理線-變-戶關(guān)系，狠抓高損線路、臺(tái)區(qū)治理，持續(xù)開(kāi)展同期線損監(jiān)測(cè)”。隨著同期線損10 kV分線治理工作的深入開(kāi)展，各網(wǎng)省公司要求持續(xù)降低線路打包率，加快推進(jìn)獨(dú)立分線線損計(jì)算。但是10 kV 環(huán)網(wǎng)供電的架空線路與電纜線路的大部分聯(lián)絡(luò)關(guān)口目前缺少電能計(jì)量裝置，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)荷轉(zhuǎn)供時(shí)造成聯(lián)絡(luò)線路的一條線路線損偏高，另一條線路為負(fù)，增加了治理10 kV 分線出現(xiàn)高（負(fù)）線損的難度，不能有效提升線損的精益化管理，因而需要在聯(lián)絡(luò)關(guān)口加裝雙向計(jì)量裝置，為10 kV 分線線損計(jì)算提供真實(shí)的輸入或輸出電量?！?0（20/6）千伏線損關(guān)口建設(shè)改造原則》明確了10 kV 線損關(guān)口安裝范圍，包括變電站10 kV 出線開(kāi)關(guān)、開(kāi)關(guān)站出線及聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)、線路常開(kāi)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)、環(huán)網(wǎng)柜（箱）常開(kāi)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)、公變臺(tái)區(qū)低壓側(cè)計(jì)量點(diǎn)、專變用戶計(jì)量點(diǎn)、分布式電源10 kV 上網(wǎng)計(jì)量點(diǎn)等，改造的原則為“增加計(jì)量專用TA、TV 及電能表”或“安裝具備雙向計(jì)量功能的自動(dòng)化終端”，配置的電流互感器精度不低于0.5S，電壓互感器精度不低于0.5。目前臺(tái)區(qū)線損關(guān)口計(jì)量裝置已經(jīng)“全覆蓋、全采集”，而配電線路分線線損還面臨著架空線路與電纜線路聯(lián)絡(luò)關(guān)口電量缺失的突出問(wèn)題，安裝傳統(tǒng)高壓計(jì)量裝置（由傳統(tǒng)電壓互感器TV 與電流互感器TA、電能表、專變采集終端及其二次接線組成）去解決存量線路重要關(guān)口的雙向計(jì)量則存在停電困難、安裝位置空間不足、施工周期過(guò)長(zhǎng)、線路或設(shè)備改造工作量大、原互感器精度不滿足計(jì)量要求等客觀因素。

用于連接地下電纜并且實(shí)現(xiàn)環(huán)網(wǎng)供電的10 kV 環(huán)網(wǎng)柜已經(jīng)成為現(xiàn)代城市配電網(wǎng)主要的應(yīng)用模式，在配電網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中起著分支、分段、聯(lián)絡(luò)的功能，主要實(shí)現(xiàn)接受與分配電能的作用，但是已經(jīng)投運(yùn)的大多數(shù)環(huán)網(wǎng)柜均沒(méi)有考慮計(jì)量功能，近幾年國(guó)內(nèi)有些廠家已經(jīng)推出了應(yīng)用于10 kV 配電網(wǎng)同期線損管理與考核的新型柱上型（架空型）高壓電能計(jì)量設(shè)備和環(huán)網(wǎng)柜型電能計(jì)量裝置。10 kV 戶外環(huán)網(wǎng)柜大多采用單元式拼裝結(jié)構(gòu)，通常具有3 ～6 個(gè)間隔，每個(gè)間隔的體積都很小，環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)的母線、負(fù)荷開(kāi)關(guān)、電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)等均密封在SF6 氣箱內(nèi)，只有電纜室可以打開(kāi)，其內(nèi)部10 kV 進(jìn)線或出線分支電纜的金屬接頭密封在電纜附件內(nèi)，且內(nèi)部沒(méi)有足夠空間安裝電磁式電壓互感器并保證足夠的安全距離；如果在環(huán)網(wǎng)柜外單獨(dú)加裝計(jì)量箱（柜），會(huì)面臨新占用地（審批）、擴(kuò)展電纜井、改造成本高、施工周期長(zhǎng)等問(wèn)題，甚至破壞環(huán)網(wǎng)柜既有的“全密封、全絕緣”性能。文獻(xiàn)[6-9]提出了一種適用于環(huán)網(wǎng)柜聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的關(guān)口電能計(jì)量裝置，采用基于高壓電壓分壓的后插式電壓傳感器實(shí)現(xiàn)電壓取樣，通過(guò)開(kāi)啟式電流互感器套在電纜上獲取電流信號(hào)，將二次電壓、二次電流的多回路模擬小信號(hào)輸入到三相電能表，組成整體計(jì)量方案，有功電能精度可達(dá)到0.5 級(jí)。不同廠家環(huán)網(wǎng)柜型號(hào)和結(jié)構(gòu)差距較大，且所使用的電纜附件如前插、后插的尺寸或錐度存在差異，以后插式電壓傳感器接入到原有電纜分支前插的后端，極大可能導(dǎo)致不同廠家的前插與后插不能通過(guò)過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)高壓絕緣，通常做法是更換原有前插，并在現(xiàn)場(chǎng)拆除原有前插與應(yīng)力錐、重新制作電纜接頭、安裝新的應(yīng)力錐與前插，最后在新前插的后端安裝電壓傳感器和堵頭，安裝完成時(shí)間約為150 ～180 分鐘，這樣就增加了安裝人員的施工難度與勞動(dòng)強(qiáng)度，存在破壞原有電纜室內(nèi)電纜及其附件之間絕緣性能的隱患。為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種適合安裝于環(huán)網(wǎng)柜聯(lián)絡(luò)關(guān)口、基于堵頭式電壓傳感器的高壓電能計(jì)量裝置，只需要更換原有堵頭，廣泛適應(yīng)不同廠家、不同配置的環(huán)網(wǎng)柜計(jì)量改造，也不破壞既有電纜分支及其前插的連接關(guān)系和絕緣水平，投資成本低，兼容性好，施工時(shí)間約為30 分鐘。

1 堵頭式環(huán)網(wǎng)柜電能計(jì)量裝置的設(shè)計(jì)

堵頭式環(huán)網(wǎng)柜電能計(jì)量裝置的設(shè)計(jì)思路以安全性高、結(jié)構(gòu)輕巧、安裝方便、整體校驗(yàn)為原則，按照三相三線制的兩元件法計(jì)量，由非傳統(tǒng)的電子式電壓傳感器、電子式電流互感器、低壓表計(jì)等分立部件組成整體計(jì)量方案，完成電氣參數(shù)測(cè)量、電能計(jì)量和遠(yuǎn)程通信，同時(shí)具有顯示、加密、通信等功能，具體小型化、重量輕、功耗低、安裝快等特點(diǎn)。計(jì)量裝置的額定電壓10 kV，電流規(guī)格150（600） A，在高壓電能計(jì)量設(shè)備檢驗(yàn)裝置中完成整體誤差校準(zhǔn)，有功電能精度為0.5S 級(jí)，無(wú)功電能精度為2 級(jí)。低壓表計(jì)自帶4G 通信模塊和硬件加密芯片，將電壓、電流、功率、電量等數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至用電信息采集系統(tǒng)或配電自動(dòng)化系統(tǒng)，為同期線損系統(tǒng)提供10 kV 分線線損獨(dú)立計(jì)算的關(guān)口電量。

1.1 電能計(jì)量裝置的組成

本文設(shè)計(jì)的堵頭式環(huán)網(wǎng)柜電能計(jì)量裝置包括：堵頭式電壓傳感器、開(kāi)啟式電流互感器、電壓采樣匯集單元和低壓表計(jì)，以及相互連接的航空電纜，裝置的各個(gè)部件及其連接關(guān)系如圖1所示，安裝時(shí)，分別拆除原有A、B、C 三相電纜分支前插的后端堵頭，直接擰緊堵頭式電壓傳感器；將開(kāi)啟式電流互感器打開(kāi)后，直接套接在A、C 相的分支電纜上，再將互感器閉合鎖緊；電壓采樣匯集單元固定在電纜室內(nèi)，低壓表計(jì)采用壁掛式安裝在方便從PT 柜取電的柜體位置。電壓傳感器與電壓采樣匯集單元、電壓采樣匯集單元與低壓表計(jì)、電流互感器與低壓表計(jì)，都采用航空電纜連接，避免人為接線錯(cuò)誤。另外，低壓表計(jì)的工作電源取自PT 柜現(xiàn)有電磁式電壓互感器二次側(cè)的交流220 V 或直流48 V，減少了單獨(dú)設(shè)計(jì)在電纜室內(nèi)依靠電流或電壓的取能模塊，例如CT取能或電容分壓器取電的設(shè)計(jì)方案，也降低了設(shè)備成本。

圖1 堵頭式環(huán)網(wǎng)柜電能計(jì)量裝置系統(tǒng)組成圖

1.2 堵頭式電壓傳感器

堵頭式電壓傳感器的設(shè)計(jì)采用電容分壓技術(shù)原理如圖2所示，主要由高壓臂阻抗1、低壓臂阻抗2、變壓器等組成，經(jīng)過(guò)電壓采樣匯集單元的電壓變換、誤差調(diào)整與高低壓隔離之后，輸出三相相電壓與零序電壓信號(hào)，額定電壓比分別為：（10 kV/ √3）/（3.25 V/ √3）、（10 kV/√3）/（6.5 V/√3），相電壓準(zhǔn)確度為0.5 級(jí)，零序電壓準(zhǔn)確度為3 P。分壓電容為陶瓷與聚丙烯膜電容組成的復(fù)合電容結(jié)構(gòu)，以環(huán)氧樹(shù)脂澆鑄于堵頭式絕緣結(jié)構(gòu)中，絕緣結(jié)構(gòu)外表面為地點(diǎn)位金屬屏蔽層，保證了電壓傳感器具有較低的溫度系數(shù)和較高的穩(wěn)定性。

圖2 堵頭式電壓傳感器原理圖

根據(jù)《GB/T 20840.7—2007 互感器第7 部分：電子式電壓互感器》的誤差試驗(yàn)要求，在80%～120%額定電壓及功率因數(shù)為0.8（滯后）的25%～120%的額定負(fù)荷下，其額定頻率時(shí)電壓互感器的電壓誤差與相位誤差。為了獲得堵頭式電壓傳感器在不同溫度下的電壓誤差與相位誤差，搭建了由程控三相功率源CL303、三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表CL311V2、10 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器（帶升壓）和恒溫恒濕試驗(yàn)箱組成的高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)，其中堵頭式電壓傳感器變比約為3 077，標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器變比為100。通過(guò)功率源輸出不同的低電壓、功率因數(shù)0.8 C 和固定電流50 A，經(jīng)過(guò)10 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器升成80%～120%額定電壓輸出到電壓傳感器的一次側(cè)，而10 kV 標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器二次側(cè)與電壓傳感器二次側(cè)分別反饋到標(biāo)準(zhǔn)表的電壓輸入端Ua 與Ub，記錄標(biāo)準(zhǔn)表的A 相與B 相電壓幅值與角度，其電壓誤差（比差）和相位誤差（角差）隨溫度變化的測(cè)試結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 堵頭式電壓傳感器隨溫度變化的電壓誤差

圖4 堵頭式電壓傳感器隨溫度變化的相位誤差

結(jié)果表明，最大電壓誤差的絕對(duì)值為0.49%，最大相位誤差為19.9′，在溫度-40 ～80 ℃范圍內(nèi)達(dá)到了0.5 級(jí)測(cè)量用電子式電壓傳感器的精度。電壓誤差的絕對(duì)值隨著溫度升高而增大，主要原因是電容受溫度變化的影響。

1.3 開(kāi)啟式電流互感器

開(kāi)啟式電流互感器實(shí)質(zhì)上為低功耗線圈（LPCT），為了安裝方便設(shè)計(jì)成開(kāi)啟式結(jié)構(gòu)，選取超微晶磁芯材料比冷軋硅鋼片具有更高的磁導(dǎo)率，適合制造0.2 級(jí)以下的TA 磁芯，經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較好；具有不飽和、無(wú)鐵磁諧振、頻響范圍寬、測(cè)量范圍大、線性度好等特點(diǎn)，滿足10 kV 環(huán)網(wǎng)柜負(fù)荷電流小于630 A 的實(shí)際需求。為了提升二次電流測(cè)量精度，提高了二次繞組匝數(shù)和降低取樣電阻阻值，一二次側(cè)匝比設(shè)計(jì)為1：2 000，取樣電阻1 Ω，溫飄系數(shù)25 ppm。二次電流信號(hào)輸入至低壓表計(jì)的專用計(jì)量芯片ATT7026EU 實(shí)現(xiàn)電流采樣，并且在軟件算法上融合了比差與角差的數(shù)字補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償技術(shù)。由于電子式電流互感器較傳統(tǒng)電磁式電流互感器輸出精度更易受到溫度變化的影響，根據(jù)《GB/T 20840.8—2007 互感器第8 部分：電子式電流互感器》規(guī)定的試驗(yàn)條件，在所搭建的高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)中對(duì)此電流互感器在不同溫度下施加了1%～120%的額定電流以及固定輸出100 V 電壓，所測(cè)量的電流誤差（比差）與相位誤差（角差）隨溫度變化的結(jié)果參如圖5和圖6所示。

圖5 開(kāi)口式電流互感器隨溫度變化的電流誤差

圖6 開(kāi)口式電流互感器隨溫度變化的相位誤差

結(jié)果表明，最大電流誤差為1.25%，最大相位誤差為15′，此電流互感器的電流誤差與相位誤差在溫度-40 ～80℃范圍內(nèi)達(dá)到了0.5 S 級(jí)測(cè)量用電子式互感器的精度。

1.4 計(jì)量裝置的整體校準(zhǔn)

目前傳統(tǒng)高壓計(jì)量裝置的電磁式電壓互感器、電磁式電流互感器和電能表按各自標(biāo)準(zhǔn)分開(kāi)校準(zhǔn)與檢定，傳統(tǒng)方式通過(guò)計(jì)算得出裝置電能計(jì)量的綜合誤差，不滿足國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定的基本原則，所有儀表和計(jì)量裝置的誤差都必須進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，不能從理論計(jì)算的綜合誤差定義電能計(jì)量裝置的誤差。本文設(shè)計(jì)的新型高壓電能計(jì)量裝置，選取電子式的電壓、電流互感器和小信號(hào)模擬量輸入型低壓表計(jì)，改變了傳統(tǒng)的計(jì)量方式，通過(guò)航空電纜將分體式部件連接成整體計(jì)量裝置，在高壓電能計(jì)量設(shè)備檢驗(yàn)裝置進(jìn)行整體誤差檢定，經(jīng)過(guò)整體校準(zhǔn)和檢定后，裝置包含的任一部件不能更換成同類某個(gè)部件以保證其整體誤差的可溯源性。

依據(jù)《GB/T 32856—2016 高壓電能表通用技術(shù)要求》對(duì)所設(shè)計(jì)的高壓電能計(jì)量裝置進(jìn)行整體校準(zhǔn)，其中額定電壓U為10 kV、額定電流I為150 A、最大電流為600 A。在參比條件下，檢驗(yàn)裝置輸出不同的功率因數(shù)（阻性1.0、容性0.8 C、感性0.5 L）和0.05I≤≤的電流，其中正向有功電能百分?jǐn)?shù)誤差的檢定結(jié)果如表1所示。其中分相的有功電能最大誤差0.39%，合相的有功電能最大誤差0.38%，裝置的有功電能整體誤差達(dá)到了0.5S 級(jí)。

表1 正向有功電能百分?jǐn)?shù)誤差 單位：%

2 同期線損系統(tǒng)的應(yīng)用

在10 kV 環(huán)網(wǎng)柜聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)安裝了本設(shè)計(jì)的高壓電能計(jì)量裝置之后，以接入用電信息采集系統(tǒng)為例，說(shuō)明其在同期線損系統(tǒng)的應(yīng)用流程，如圖7所示。

圖7 堵頭式環(huán)網(wǎng)柜電能計(jì)量裝置的應(yīng)用框圖

計(jì)量裝置需要在SG186 系統(tǒng)建檔，增加計(jì)量點(diǎn)和采集點(diǎn)方案，包括電能表、互感器和終端參數(shù)，如設(shè)備資產(chǎn)號(hào)、表計(jì)地址、采集端口、通信規(guī)約；PT 與CT 的變比；終端邏輯地址、出廠編號(hào)、通信規(guī)約、SIM 卡信息等。隨后同步檔案信息至用電信息采集系統(tǒng)，由采集系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集，包括當(dāng)前電壓、電流、功率、功率因數(shù)、電能示值等，以及日（月）凍結(jié)的正/反向有功電能示值、正/反向無(wú)功電能示值等，并保存到營(yíng)銷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺(tái)。在同期線損系統(tǒng)中選擇聯(lián)絡(luò)兩條線路配置線路模型，系統(tǒng)每日（月）會(huì)自動(dòng)從數(shù)據(jù)平臺(tái)獲取聯(lián)絡(luò)關(guān)口計(jì)量點(diǎn)的電量以自動(dòng)計(jì)算日（月）線損，從而保證聯(lián)絡(luò)的兩條線路分線損計(jì)算的獨(dú)立性和正確性。

假設(shè)關(guān)聯(lián)線路1 轉(zhuǎn)供關(guān)聯(lián)線路2，裝置電能為正向計(jì)量，則聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)線路模型配置如下：

（1）在關(guān)聯(lián)線路1 下配置輸入和輸出：輸入模型“反向加”，輸出模型“正向加”。

（2）在關(guān)聯(lián)線路2 下配置輸入和輸出：輸入模型“正向加”，輸出模型“反向加”。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的高壓電能計(jì)量裝置具備高精度采樣、施工方便、實(shí)時(shí)在線等特點(diǎn)，應(yīng)用于10 kV 環(huán)網(wǎng)柜聯(lián)絡(luò)關(guān)口實(shí)現(xiàn)關(guān)口計(jì)量，有功電能整體誤差達(dá)到0.5S 級(jí)，符合線損計(jì)算的要求；裝置小型化與分體式設(shè)計(jì)，解決了電纜室間隔狹小、安全距離不夠而無(wú)法加裝傳統(tǒng)高壓計(jì)量裝置的難點(diǎn)，改造成本低。與后插式電壓傳感器相比，所研制的堵頭式電壓傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全性高、可輸出零序電壓，不用拆除或破壞原有分支電纜及其電纜附件的連接關(guān)系，對(duì)基層安裝人員而言，縮短了施工周期，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。選用超微晶材料設(shè)計(jì)的開(kāi)啟式電子式電流互感器，具有不飽和、測(cè)量范圍大、線性度好等特點(diǎn)，只需一種電流互感器規(guī)格即可滿足環(huán)網(wǎng)柜負(fù)荷電流0 ～630 A 的應(yīng)用需求。低壓表計(jì)通過(guò)4G 遠(yuǎn)程通信模塊將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳至用電信息采集系統(tǒng)或配電自動(dòng)化系統(tǒng)，為同期線損系統(tǒng)提供臨時(shí)性或永久性負(fù)荷轉(zhuǎn)供時(shí)的精準(zhǔn)輸入電量與輸出電量，不再依賴人為捆綁其他線路的用電量來(lái)彌補(bǔ)10 kV 分線線損超標(biāo)的電量缺口。

針對(duì)架空線路或環(huán)網(wǎng)柜（箱）的聯(lián)絡(luò)關(guān)口，在不影響用戶用電的情況下快速改造或增設(shè)雙向電能計(jì)量裝置，才能有力推動(dòng)技術(shù)降損與管理線損。只有實(shí)現(xiàn)了配電線路所有關(guān)口計(jì)量的“全覆蓋、全采集”，線路運(yùn)行時(shí)不管是否發(fā)生負(fù)荷轉(zhuǎn)供，10 kV 分線線損都照常獨(dú)立計(jì)算，更容易發(fā)現(xiàn)10kV分線線損的異常波動(dòng)，有助于精準(zhǔn)定位線路高（負(fù)）線損的原因，有效地降低分析城區(qū)復(fù)雜環(huán)網(wǎng)線損的難度，極大地提升同期線損的考核指標(biāo)與在線監(jiān)測(cè)率。