高壓電能表校驗裝置電流檔位控制器設計

賴榮光,高翔,胡仁俊

(1.珠海安瑞通電子科技有限公司,廣東 珠海 519000; 2.華南理工大學 電力學院,廣州 510640)

0 引 言

國家標準GB/T 37968-2019《高壓電能計量設備校驗裝置》定義的高壓電能計量設備校驗裝置(以下簡稱校驗裝置)是一種由源、標準裝置以及誤差計算系統(tǒng)組成的集合,并用于檢驗6 kV～35 kV三相或單相高壓電能的計量設備(以下簡稱被檢設備)。被檢設備包括傳統(tǒng)高壓電能計量箱(柜)、一體化高壓電能表[1]、配電網(wǎng)同期線損測量裝置、12千伏一、二次融合柱上斷路器(具有電能計量功能)等。校驗裝置的“源”是指能夠產(chǎn)生頻率、相位和幅值可調(diào)的電壓、電流且有一定負載能力的裝置?！案唠妷骸⒋箅娏鳌钡妮敵鰧嶋H上以三相低壓程控功率源、高壓升壓器、高壓升流器和高壓標準電壓互感器、電流互感器[2]為核心組成的控制系統(tǒng)進行輸出控制和反饋,而高壓升流器及其電流互感器由多個檔位組成以保證允許輸出在測量范圍內(nèi)的精度,如0.2級,從而滿足輸出符合檢定規(guī)程的不同幅值和角度的電流值,通常升流器與電流互感器采用分體式而不是一體式結構以增大升流器的額定容量[3]。國家標準GB/T 32856-2016《高壓電能表通用技術要求》所定義的額定電流標準值為5 A、10 A、15 A、…、400 A、500 A和600 A,為了滿足校驗時輸出0.01%In～Imax的寬量程電流值、額定電壓和不同功率因數(shù),需要切換高壓升流器及其電流互感器的檔位。

根據(jù)電網(wǎng)的安裝設計規(guī)范,大約每300 kV·A用電負荷配置一臺10 kV傳統(tǒng)高壓電能計量裝置,估計全國預計需求量超過100萬臺。另外近幾年興起且應用于10 kV配電網(wǎng)同期線損[4-5]管理與考核的一體化高壓電能表和分線線損計量裝置[6],安裝在10 kV架空線路與環(huán)網(wǎng)柜的聯(lián)絡、分段、分支或分界位置,用于負荷轉供時實現(xiàn)電能雙向計量,依賴用電信息采集系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)遠傳和自動采集,結合一體化電量和線損管理系統(tǒng),自動計算10 kV配電網(wǎng)的日(月)分線線損,降低線損計算打包率,可以快速有效治理高(負)線損,查處高壓竊電。與傳統(tǒng)高壓電能計量裝置相比,此類新型輕量化設備高度集成了高壓取能、高壓計量、硬件加密和遠程通信等一二次融合技術[7],改變了傳統(tǒng)的計量方式,利于整體檢定和校驗,測量的電能精度為整體誤差而不是綜合誤差[8];大大減少了銅、鐵等金屬材料的消耗,具有資源節(jié)約、體積小、易運輸、易安裝的特點,符合國家的“碳達峰、碳中和”政策。國內(nèi)應用總數(shù)超過10 000臺,正是當今研發(fā)與應用的熱點。為了準確得到高壓電能表的整體誤差,滿足社會發(fā)展對電能計量準確度越來越高的要求,國內(nèi)目前有多個廠家對高壓電能表的校驗裝置展開研究,并取得了初步成果。在現(xiàn)有大多數(shù)高壓電能表校驗中,為了保證電流輸出的準確度,當輸出一定量程的電流時,需要將校驗裝置停機,依靠人工手動更換高壓升流器或高壓電流互感器的檔位,而不是由電流檔位自動切換機構完成,這會嚴重影響校驗裝置在實際批量生產(chǎn)或檢測時的安全性、時效性、自適應性和自動化水平。

文中基于電子控制技術設計了一種可在高壓大電流回路中進行電流檔位智能切換的控制器,即在高壓側的電流輸出和反饋回路串聯(lián)了多個并行磁保持繼電器,通過一個或多個繼電器的同步開合實現(xiàn)升流器及電流互感器的一次側給定檔位選通;另外,電流互感器二次接線的輸出檔位直接驅動小型固態(tài)繼電器閉合與斷開,以選通繼電器作為電流量程的切換,實現(xiàn)校驗裝置工作時的電流線性輸出;同時,還設計了一款用于校表與檢表的智能化軟件。與采用PLC控制步進電機的機電控制方式相比,降低了高壓工作環(huán)境下需具備較高絕緣水平和較大安全距離的要求,具有切換速度快、安全性高、維護性強、噪聲低的特點。

1 電流檔位控制器硬件方案

1.1 校驗裝置系統(tǒng)組成

文中設計的校驗裝置工作原理如圖1所示,包括三相多功能標準表、三相程控功率源、10 kV高壓升壓器及標準電壓互感器、10 kV高壓升流器及標準電流互感器、多表位電能誤差計[9]、電流檔位控制器等,智能化檢表軟件運行在安裝有Windows系統(tǒng)的主控計算機(PC機)上。采用三元件法(3個10 kV升壓器)升壓與反饋、二元件法(2個10 kV高壓升流器及其電流互感器)升流與反饋實施源控制,電壓輸出0～10 kV、電流輸出0～400 A,相位0～360°,整體準確度0.05級。三元件法升壓相比二元件法升壓,輸入電壓降為1.732倍,可以降低10 kV升壓器的絕緣耐壓水平,提高升壓器的使用壽命與安全水平。一旦升源成功,將三相多功能標準表由三元法計量模式自動切換成二元法計量,保持與高壓電能表的二元件法計量的原理一致,保證接線正確、杜絕少記電量[10]。

圖1 高壓電能表校驗裝置系統(tǒng)框圖

10 kV高壓升流器具有5個輸出檔位,10 kV高壓電流互感器具有6個輸入檔位,它們的一次側與二次側接線的檔位對應關系如表1所示。

表1 10 kV高壓電流互感器一二次接線對應關系

10 kV高壓升流器一次接線即高壓側有5個輸出檔位(L1L2～L1L6),輸入電壓0～220 V,最大輸出400 A,輸出功率2 kV·A。L2～L6分別對應400 A、250 A、100 A、50 A、25 A,其中L1為公共端。

10 kV高壓電流互感器一次接線有6個輸入檔位(L1L2～L1L7),二次接線有5個輸出檔位(K1K2～K1K6),準確度等級0.05,其中L1和K1為公共端。

1.2 電流檔位控制器的方案對比與分析

校驗裝置通過低壓的三相程控源經(jīng)過10 kV高壓升流器、10 kV高壓電流互感器輸出滿足檢定精度要求的電流幅值以及與電壓間的角差,兩者在輸入與輸出端都具有不同量程的檔位。根據(jù)電流輸出值所處量程自動閉合或斷開相應檔位,可以采用機電式與電子式的電流檔位切換機構。

機電式結構采用PLC控制步進電機驅動絲桿護套移動滑塊實現(xiàn)切換不同電流檔位,主要由步進直線電機、PLC控制卡、電機驅動器、各個檔位光電開關、導向桿、絲桿、滑塊、感應片等組成。優(yōu)點是高低壓分離換擋后絕緣性好,安全性高;由于引入分檔實現(xiàn)保證1 A～500 A輸出電流的線性度以及相位的準確度,失真度低,穩(wěn)定度好。缺點是換擋時依靠機械運動導致速度慢(約為15 s—60 s)、噪聲大、可維護性差。特別是輸出電流大于300 A時電流換擋需要30 s以上,對感應片的觸點容量要求較高,長時間工作在大電流時容易燒蝕觸點,需要上位機軟件控制其運行時間,無法承擔長時間大電流的試驗與校驗。

文中設計的電流檔位控制器為電子式結構,其采用微控制器、無線通信模塊、磁保持繼電器、隔離電源等,工作原理框圖參見圖2。

圖2 高壓側電流檔位控制器原理框圖

所設計的電流檔位控制器具有結構簡單、可編程、成本低、換擋速度快、可維護性好等優(yōu)點,可以承受大電流的長時間運行與工作,檔位切換時間依賴于通信命令的下發(fā)與響應,約為3 s—6 s。但是,需要對無線通信模塊的信道做統(tǒng)一規(guī)劃,以防受到同頻干擾。

1.3 電流檔位控制器的硬件設計

將校驗裝置工作時的電壓區(qū)域劃分為高壓與低壓兩個區(qū)域,因采用二元件法升流,在A/C相高、低壓側分別配置一個獨立的電流檔位控制器,運用電子式電流檔位切換機構進行設計與應用。以電流檔位250 A為例,其高壓側控制器的繼電器升流與反饋控制電路接口電路圖參見圖3,其中L3A為繼電器升流控制,L3B為互感器反饋控制。

低壓側控制器接入的電流互感器二次側輸出電流最大只有幾安培,可直接使用固態(tài)繼電器(AC 250 V,10 A)作為開關,設計較簡單。但高壓側控制器的控制IO連接升流器與電流互感器的一次接線端子所串接繼電器的控制接口,工作于高壓大電流回路,承載最大電流為400 A,需使用磁保持繼電器(DC 12 V,300 A)作為開關元件串接在電流回路中。相比一般電磁繼電器,磁保持繼電器具有高可靠性、安全性及抗短路電流能力[11]。單個三相磁保持繼電器的最大允許電流為300 A,當輸出300 A以上的電流檔位,需要并接2個磁保持繼電器;輸出小于300 A的電流檔位則只需要1個磁保持繼電器。據(jù)此需求,設計出分別用于A相與C相獨立的一組磁保持繼電器。

2 電流檔位控制器軟件設計

2.1 電流檔位控制命令

電流檔位控制器對升流器的一次輸出側繼電器、電流互感器一次/二次反饋側繼電器的動作執(zhí)行,完全取決于檢表軟件下發(fā)的控制命令。檢表軟件在下發(fā)命令之前將自動抄讀繼電器組的當前供電狀態(tài)、開/合狀態(tài)、異常狀態(tài)標志等,并且控制器在編程允許狀態(tài)下才能響應檢表軟件的打開或關閉繼電器的命令,防止繼電器收到其他同頻同地址的控制報文,嚴禁避免繼電器的誤動作,達到智能控制的要求。檢表軟件與控制器的控制命令及其格式如表2所示。

表2 電流檔位控制器的控制命令

2.2 電流檔位自動切換控制

高壓側電流檔位控制器位于校驗裝置機柜的高壓側,從內(nèi)外隔離和絕緣的安全性、通信穩(wěn)定性和硬件成本考慮[12],選擇本地微功率短距離無線通信模塊A7139(頻段470 MHz～510 MHz)實現(xiàn)檢表軟件與控制器的點對點通信,以避免有線通信的高壓干擾、絕緣和安全等問題;同時選擇的處理器R5F100PJAFB的IO接口具有優(yōu)良的EMC特性,在高電壓大電流的工作環(huán)境之下保持接口的電平穩(wěn)定性,防止繼電器的誤動作而出現(xiàn)電流互感器開路;另外A/C相高、低壓側控制器的無線模塊處于同一無線信道(最大32信道,可設),控制器配置不同的通信地址。當具有編址的控制器接收到檢表軟件下發(fā)的電流檔位切換命令,必須嚴格校驗命令的正確性,精準控制電流檔位的輸出與反饋繼電器接通或斷開是否到位,保證電流回路不能開路。另外,對于電流輸出量程相同,即升流器與電流互感器檔位一致,在此量程范圍內(nèi)則不需要切換檔位。

控制器上電完成自檢之后處于空閑狀態(tài),當校驗裝置對被檢設備需要輸出不同相別、幅值和角度的電壓與電流時,由檢表軟件發(fā)出升源命令,根據(jù)當前電流檔位狀態(tài)確認是否需要輸出0 A、保持當前電流擋或者切換至其它電流擋,若有異常則立刻中止,電流檔位自動切換控制流程詳見圖4。

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圖4 高壓側電流檔位切換控制流程圖

3 實驗驗證

3.1 檢表軟件設計

基于C#語言、.Net4.0框架、Access數(shù)據(jù)庫設計開發(fā)了一款檢表軟件,采用了多線程、串口通信、定時器、異步調(diào)用、面向對象等編程技術,對功率源、標準表、誤差計等設備進行多串口通信、多規(guī)約處理和多任務設計,支持友好的人機界面,以文件或數(shù)據(jù)庫保存相關配置文件和檢測結果,主要包括以下功能。

1)系統(tǒng)配置:配置功率源、標準電能表、多表位誤差計的通信端口及參數(shù),配置10 kV高壓升壓器的變比、10 kV高壓升流器的檔位和變比及其允許輸出的最大電流、高/低壓側各相電流檔位控制器的通信地址等;

2)電能表配置:配置各個表位的高壓電能表(或其它高壓電能計量裝置)型號、接線方式、表地址、額定電壓、額定電流、誤差等級、脈沖常數(shù)、無線信道等;

3)方案配置:主要配置檢表誤差方案,根據(jù)不同設備類型定制檢表的分相與合相不同負載點,并且保存在Access數(shù)據(jù)庫中,方便在檢表界面直接根據(jù)設備類型選擇檢表方案名稱;

4)手動控源:手動控制升壓與升流,調(diào)試控制器的命令收發(fā)、繼電器開合、繼電器狀態(tài)等;

5)自動檢表:根據(jù)選擇的高壓電能表的型號、規(guī)格、檢表方案等實施自動檢表。其中在檢表過程中,由于不同的檢表點需要輸出分相或合相的額定電壓、不同的電流幅值和功率因數(shù),通過文中論述的電流檔位自動控制器實現(xiàn)電流自動換檔,滿足一體化高壓電能表的自動檢定需求,檢表數(shù)據(jù)自動保存在Access數(shù)據(jù)庫中;

6)查詢與導出:按照被檢設備的類型和地址查詢和篩選檢表記錄,以EXCEL表格導出被檢設備的各項檢表數(shù)據(jù),并以文本文件方式自動記錄所有控制對象(功率源、標準表、誤差計、被檢設備、電流檔位控制器)的通信報文記錄。

3.2 電流精確輸出實驗

檢表軟件在多次調(diào)整輸出時,電壓、電流幅值調(diào)節(jié)細度為0.02%,相位調(diào)節(jié)細度為0.01°,約100 s左右升源成功,源輸出的功率穩(wěn)定度為0.05%,三相電壓不對稱度為±0.2%,三相電流不對稱度為±0.2%,三相相位差值為0.3°。校驗裝置輸出不同的電流及其精度參見表3。例如待檢高壓電能表的基本參數(shù):3×10 kV、100(400)A、0.5S、1 kW·h/imp,功率因數(shù)為±1.0、±0.5C、±0.5L時檢定Imax、0.5Imax、In、0.5In、0.1In、0.01In等負載點,基本電能誤差的檢表數(shù)據(jù)詳見表4。

表3 校驗裝置輸出不同電流的精度

表4 高壓電能表不同負載的有功電能誤差

可見,新型一體化高壓電能表[16-17]與低壓智能電能表校表或檢表過程具有顯著的不同[18-20],低壓校驗裝置不需要接入高壓升流器與互感器,也不需要控制輸出幾百安培的電流,被檢表計也不受到高電壓大電流的強電磁干擾,也無須預留足夠的10 kV安全距離。面向高壓整體計量檢定的校驗裝置應用此電流檔位自動控制器,在檢表過程中針對不同電流的負載點實現(xiàn)了無須停機切換高壓升流器與高壓電流互感器的各個電流輸出檔位,約60—90min可完成多套高壓電能表的校表與檢表,與校驗裝置的帶載能力、檢表項目、脈沖常數(shù)、無線脈沖穩(wěn)定時間等有關,通常一次性檢表4～16套,基本上滿足批量化生產(chǎn)需求。

4 結束語

將文中研究與開發(fā)的高、低壓側電流檔位控制器以串聯(lián)方式接入到所述校驗裝置的高壓側輸出電流回路和低壓側反饋電流回路中,連續(xù)運行時可以輸出線性電流0～400 A,實質(zhì)上根據(jù)不同電流量程執(zhí)行了高壓升流器及其標準電流互感器的不同電流檔位上所串接繼電器的選擇與開合,以適應不同額定電流的被檢設備和檢定規(guī)程中要求的不同負載點。經(jīng)過近3年的使用表明,磁保持繼電器沒有出現(xiàn)故障,控制器的安全性、可靠性、穩(wěn)定性達到設計要求,大大提高批量校驗的自動化水平,在關鍵技術細節(jié)上注意以下幾點。

1)高壓側電流檔位控制器與升流器工作在高壓的等電位環(huán)境,其工作電源必須使用交流耐壓超過10 kV的隔離變壓器(如220 V/12 V)進行供電;

2)高壓側電流檔位控制器的數(shù)字地、模擬地與高壓端接在一起,避免高電壓對控制器的“地”電位放電或疊加干擾電場;

3)檢表軟件控制高壓升流器及其電流互感器的不同檔位繼電器,自動檢表時按負載點大小自動排序,即從不同相別、功率因數(shù)的大電流向小電流方向執(zhí)行檢驗項目,減少跨電流量程出現(xiàn)頻繁繼電器動作以切換檔位;

4)校驗裝置若需要輸出更大的電流或同時檢定多個被檢設備,則需要選擇帶載能力更強的高壓升流器和高壓電流互感器。