王曉泳 張 晨 魏靈坤

（1.青島供電公司，青島 266000;2.煙臺(tái)東方威思頓電氣有限公司，煙臺(tái) 264001）

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，變電站自動(dòng)化技術(shù)不斷得到提升，完成了從集中式向分層式的過度。智能化的一次設(shè)備、數(shù)字電子/光電電流/電壓互感器、集成開關(guān)設(shè)備系統(tǒng)、變壓器及氣體絕緣開關(guān)GIS等一次設(shè)備在線狀態(tài)和變電站運(yùn)行操作仿真等在變電站的應(yīng)用，促使變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由變電站層、間隔層的2層結(jié)構(gòu)向變電站層、間隔層、過程層3層結(jié)構(gòu)過度。隨著變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)的制定，取代現(xiàn)場(chǎng)總線的基于以太網(wǎng)和TCP/IP的無縫通信體系也初見端倪，數(shù)字化變電站隨之呼之欲出。

因?yàn)閿?shù)字化變電站采用全數(shù)字化處理，傳統(tǒng)的機(jī)械式、電子式電能表都不能適用于這種新型的變電站中。數(shù)字化變電站用多功能電能表隨之而生。與傳統(tǒng)的電能表相比，這種電能表能直接接收數(shù)字化變電站中的數(shù)字信號(hào)并處理，對(duì)數(shù)字化變電站中的電能作出精確計(jì)量。本文對(duì)這種多功能電能表技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行討論。

1 數(shù)字化變電站的簡(jiǎn)介

數(shù)字化變電站是指變電站內(nèi)一次電氣設(shè)備和二次電子裝置均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信,并具有全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)通信平臺(tái),在此平臺(tái)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能裝置之間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。數(shù)字化變電站具有數(shù)據(jù)共享、信息全面、安裝、運(yùn)行、維護(hù)、升級(jí)方便、底層數(shù)據(jù)格式相同、設(shè)備成本低、便于提供先進(jìn)的應(yīng)用功能等優(yōu)點(diǎn),具有數(shù)字化的TV/TA、二次設(shè)備、開關(guān)設(shè)備、無縫通信協(xié)議 (IEC61850)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸(GOOSE)等主要特征[1]。

數(shù)字化變電站將自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在物理上可分為兩部分,即智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備;在邏輯結(jié)構(gòu)上可分為3個(gè)層次,根據(jù)IEC關(guān)于變電站的結(jié)構(gòu)規(guī)范,將變電站分為3個(gè)層次,即變電站層、間隔層以及過程層。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。

數(shù)字化變電站主要核心技術(shù)主要體現(xiàn)在電子式互感器以及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用上[2][3]。電子式互感器的應(yīng)用是數(shù)字化變電站發(fā)展的核心與基礎(chǔ),任何形式的數(shù)字化變電站都離不開互感器的數(shù)字化。與傳統(tǒng)的電磁式電流互感器相比,電子式互感器沒有絕緣油,不會(huì)有安全隱患；沒有鐵芯,沒有鐵磁共振、磁滯效應(yīng)及沒有磁飽和現(xiàn)象；測(cè)量帶寬和精度高；體積小、重量輕、運(yùn)行時(shí)沒有噪音,高電壓等級(jí)時(shí)性價(jià)比好；二次系統(tǒng)沒有電流,不存在TA開路、TV短路的問題;數(shù)字化通信,可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)互感器工作狀態(tài)。這些優(yōu)點(diǎn)為傳統(tǒng)的變電站帶來了變革性影響。

數(shù)字化變電站的主要一次、二次設(shè)備均應(yīng)為智能設(shè)備，這是變電站實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的基礎(chǔ)。智能設(shè)備具有與其它設(shè)備交互參數(shù)、狀態(tài)和控制命令等信息的通信接口。如果確需使用傳統(tǒng)非智能設(shè)備，應(yīng)通過配置智能終端將其改造為智能設(shè)備。設(shè)備間信息傳輸?shù)姆绞綖榫W(wǎng)絡(luò)通信或串行通信，取代傳統(tǒng)的二次電纜等硬接線。

2 數(shù)字化變電站用電能表可行性討論

2.1 計(jì)量可靠性討論

由于計(jì)量原理不同，數(shù)字化變電站中電能計(jì)量系統(tǒng)可靠性與傳統(tǒng)計(jì)量系統(tǒng)側(cè)重點(diǎn)也不同，傳統(tǒng)變電站計(jì)量系統(tǒng)中，電能表以及二次傳輸回路的故障率高于互感器。而在數(shù)字化變電站中，電子式互感器是關(guān)鍵設(shè)備，電子式互感器遠(yuǎn)比傳統(tǒng)互感器復(fù)雜，并且用光纖等傳輸方式代替了二次回路，這種情況下可靠性的重點(diǎn)主要在于電子式互感器。現(xiàn)在電子式電流互感器的研制已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化階段,它具有無飽和、頻帶寬、體積小巧等諸多優(yōu)點(diǎn),而電子式互感器與保護(hù)、測(cè)控設(shè)備的接口問題,成為其能否實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。

電子式互感器的設(shè)計(jì)，應(yīng)重點(diǎn)考慮可靠性問題，尤其是合并單元。因?yàn)楹喜卧稍陔娮邮交ジ衅髦校徊惭b在高壓側(cè)，若出現(xiàn)故障，可能要一次側(cè)停電才能維修。而傳統(tǒng)方式下電能表及二次回路發(fā)生故障，只要將二次回路切斷即可，不影響一次側(cè)供電。

目前電子式互感器傳輸數(shù)據(jù)給二次側(cè)設(shè)備有兩種方式：光纖、以太網(wǎng)。以太網(wǎng)是當(dāng)今居于主導(dǎo)地位的局域網(wǎng)技術(shù)，它是建立在CSMA/CD機(jī)制上的廣播型網(wǎng)絡(luò)。沖突的產(chǎn)生是限制以太網(wǎng)性能的重要因素，光纖數(shù)據(jù)傳輸，雖然存在接頭中心不正等問題，但一般認(rèn)為是比較可靠的傳輸方式，不受各種電磁環(huán)境的干擾。

數(shù)字化變電站用表對(duì)于光纖等傳輸?shù)男盘?hào)要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，通過檢查校驗(yàn)方式，剔除錯(cuò)誤信息。若檢測(cè)到錯(cuò)誤信息或者漏點(diǎn)，電表要進(jìn)行補(bǔ)償，最簡(jiǎn)單的方法為平均值法，即取前后兩點(diǎn)取平均，填充到漏點(diǎn)位置。當(dāng)然，若運(yùn)算速度足夠，還可以采用高次插值方法，可以得到更為精確的補(bǔ)償。

對(duì)于通訊質(zhì)量，電能表要重點(diǎn)監(jiān)視。一般監(jiān)視漏點(diǎn)率，即統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間的傳輸漏點(diǎn)次數(shù)，并且設(shè)置上限值，若漏點(diǎn)率超過此值，則在LCD上報(bào)警，并上傳警告，讓工作人員對(duì)此線路進(jìn)行重點(diǎn)檢查。

2.2 數(shù)字化變電站電能計(jì)量系統(tǒng)檢定討論

傳統(tǒng)的變電站計(jì)量系統(tǒng)，檢定包括互感器檢定及電能表檢定。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，傳統(tǒng)計(jì)量檢定已經(jīng)形成了一套完善的檢定方法。

傳統(tǒng)檢定包括現(xiàn)場(chǎng)檢定與實(shí)驗(yàn)室檢定。平時(shí)的循檢采用現(xiàn)場(chǎng)檢定的方法，即采樣現(xiàn)場(chǎng)校表儀，在不破壞電能表接線的情況下，從二次側(cè)取電，通過測(cè)量電表發(fā)送的脈沖，檢查電能表精度，此方法快捷、方便。若懷疑電能表故障，可以將電能表拆下來，在實(shí)驗(yàn)室檢定。在實(shí)驗(yàn)室檢定中，由校表臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)源提供恒定的電壓、電流，通過檢測(cè)電能表發(fā)送的脈沖，得到電能表精度。

數(shù)字化變電站電能表計(jì)量采樣數(shù)據(jù)直接從變電站得到，其誤差的計(jì)算也與傳統(tǒng)電表大相徑庭，可以說，這種電表是某種意義上的采集器。若認(rèn)為輸入的數(shù)字信號(hào)為準(zhǔn)確的，則電表誤差就是取決于計(jì)算，若沒有溢出，且不考慮舍入誤差，則認(rèn)為此電表沒有誤差存在。

所以，在數(shù)字化變電站中，單純對(duì)電表的檢定意義不大，其誤差來源主要在于電子式互感器。能否建立一套成熟的數(shù)字化變電站計(jì)量系統(tǒng)檢定方案，是數(shù)字化變電站計(jì)量方式能否被推廣的關(guān)鍵。

在數(shù)字化變電站計(jì)量系統(tǒng)檢定中，最好的檢定方式是系統(tǒng)檢定，即取高壓側(cè)的電信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算，與電表發(fā)送的脈沖對(duì)比，得到系統(tǒng)精度。但此方法難點(diǎn)在于高壓電信號(hào)的提取。另外一些方法，如電子式互感器的合并單元與互感器分離或者由互感器提供檢定信號(hào)，這些都是折中的方法，不能徹底解決問題。

3 數(shù)字化變電站用電能表設(shè)計(jì)

數(shù)字化變電站用表與普通電表最大不同在于數(shù)據(jù)采集部分，普通電表直接采集模擬量，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后生成數(shù)字量，并對(duì)其進(jìn)行處理。數(shù)字化電能表直接接收電子式互感器傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，經(jīng)過解碼得到采樣數(shù)據(jù)。

由電子式互感器提供的數(shù)據(jù)，可以通過光纖或者以太網(wǎng)提供給各個(gè)二次設(shè)備。若通過光纖方式，光信號(hào)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)據(jù)流，此數(shù)據(jù)流符合IEC60044-8規(guī)定。在數(shù)字化變電站用電表中，有一個(gè)解碼芯片，對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行初步處理。此芯片一般采用可編程邏輯器件，如FPGA、CPLD等，以適應(yīng)高速數(shù)據(jù)解碼的要求。此芯片要完成數(shù)據(jù)校驗(yàn)、串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并行數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)緩沖等功能。

解碼芯片與DSP間的數(shù)據(jù)交換有多種方式，包括串行的SPI、UART，并行的雙口RAM、讀解碼芯片內(nèi)存等。其中串行方式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但速度慢，不能滿足高速傳輸要求。而采用雙口RAM或者讀內(nèi)存方式，設(shè)計(jì)較復(fù)雜，需要大量握手信號(hào)，操作也很繁瑣。當(dāng)前大部分DSP都支持DMA功能，解碼芯片采用并行總線與DSP相連，在數(shù)據(jù)就緒后，觸發(fā)DSP的DMA功能，將數(shù)據(jù)直接存放在DSP的緩沖區(qū)中，這樣可以在不頻繁中斷DSP的情況下完成數(shù)據(jù)傳輸。存儲(chǔ)到DSP緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)格式，可以按照傳統(tǒng)格式存儲(chǔ)，即一個(gè)數(shù)字波形。這樣DSP后續(xù)的處理就與普通電表相同了。

除了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)外，兩種電表區(qū)別不大，設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮繼承性，以及使用習(xí)慣。

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