姜 鯤，尚 韜，陳 兵，李燕斌

（1．河南省計量科學研究院，鄭州461001；2．開封供電公司生產(chǎn)技術部，開封475000；3．中原工學院，鄭州450007）

智能變電站電能計量系統(tǒng)配置方案研究

姜 鯤1，尚 韜2，陳 兵1，李燕斌3

（1．河南省計量科學研究院，鄭州461001；2．開封供電公司生產(chǎn)技術部，開封475000；3．中原工學院，鄭州450007）

在分析了數(shù)字式計量系統(tǒng)面臨的主要問題的基礎上，提出了智能變電站電能計量系統(tǒng)配置方案．以500 k V智能變電站為具體研究對象，說明了其電能量遠方終端和電能表配置方案及其經(jīng)濟技術優(yōu)勢，并提出了關于智能變電站電能計量系統(tǒng)推廣應用的建議．

智能變電站；計量系統(tǒng)；電能表；配置方案

智能變電站與傳統(tǒng)變電站相比，電子互感器和IEC61850的應用是其明顯的技術特征．電子互感器統(tǒng)一采集資源，保護、測控和計量共用一組電流互感器，其數(shù)字輸出的方式給計量系統(tǒng)帶來了革命性變化［1］．

電流、電壓互感器與電能表是計量裝置中的重要組成部分．智能變電站中的計量裝置主要是由電子式互感器和數(shù)字式電能表組成．隨著光電子技術的發(fā)展，數(shù)字式計量裝置將得到廣泛應用．

本文根據(jù)智能變電站設計規(guī)范對數(shù)字接口電能表的要求［2］，探討了數(shù)字計量系統(tǒng)在智能變電站實際應用中所面臨的主要問題及其解決方案，并結合500 k V變電站提出了具體、可行的方案．

1 數(shù)字式計量系統(tǒng)面臨的主要問題

1．1 數(shù)字式電能表

在智能變電站中采用的數(shù)字式三相多功能電能表與傳統(tǒng)的三相多功能電能表的工作原理完全不同，數(shù)字式電能表所接收的信號是以光纖傳送的數(shù)字化電流、電壓信號，而不是傳統(tǒng)的57．7 V／100 V的電壓信號和5 A／1 A的電流信號．與傳統(tǒng)電子式電能表相比較，數(shù)字式電能表內(nèi)部沒有電壓、電流互感器和采樣電路．

數(shù)字式電能表采用數(shù)字信號處理器與中央微處理器相結合的構架，將數(shù)字信號處理器的高速數(shù)據(jù)吞吐能力與中央微處理器復雜的管理能力相結合．通過協(xié)議處理芯片獲取合并單元的數(shù)據(jù)協(xié)議包，傳送至數(shù)字信號處理單元，完成電參量測量、電能累計以及電能計算等任務，之后與中央微處理器進行數(shù)據(jù)交換，由中央微處理器最終完成表計的顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、儲存、人機交互、數(shù)據(jù)交換等復雜的管理功能．

數(shù)字式電能表實際上是一個高精度的積分運算器，其數(shù)字計算理論上可保證計算出的各項電量值完全沒有誤差．由于其數(shù)字計算過程理論上不會產(chǎn)生任何誤差（實際可能產(chǎn)生的誤差為浮點數(shù)運算時的有效位誤差，這是計算機系統(tǒng)的固有誤差，與電能表型號無關，這種誤差小于1／10 000），所以不規(guī)定精度等級．此外，數(shù)字式電能表采用光纖傳輸數(shù)字信號，抗干擾能力強，傳輸誤碼率低，保證了計量精度．數(shù)字式電能表采用高速DSP運算，運算每周波256點的采樣信號，可較好地計量基波和各次諧波的能量．

在智能變電站中，電子互感器二次部分采用新型的電子元器件，通過合并器直接與數(shù)字式儀表和智能綜合測量保護裝置相連，較好地滿足了計算機技術對電流、電壓等信息進行全過程數(shù)字化處理的要求．合并器接收、處理來自多個采集器的數(shù)字信號，并在對這些信號 進 行 匯 集 處 理 后，遵 循 IEC61850—9—1、IEC61850—9—2等通信規(guī)約，采用數(shù)據(jù)包的方式輸出到監(jiān)控、保護、計量等裝置．

1．2 數(shù)字式電能表面臨的主要問題

DL／T44—2000《電能計量裝置技術管理規(guī)程》規(guī)定［3］，用作貿(mào)易結算的計量裝置必須定期進行誤差檢測，以保證貿(mào)易結算的公平性．數(shù)字式電能表與電子互感器之間的通信方式是一種數(shù)據(jù)通信方式，一個完好的數(shù)字式電能表本身可以做到無誤差，因此，數(shù)字式電能表校驗儀對數(shù)字式電能表進行的誤差檢測本質上是對電能表通信誤碼率以及電能表的算法誤差進行定級，這和常規(guī)電能表校驗儀有本質的不同．

智能變電站計量裝置檢定主要存在以下問題：

（1）傳統(tǒng)的變電站計量裝置二次回路中傳輸?shù)氖悄M信號，而智能變電站中的電子式互感器二次回路中傳輸?shù)木鶠橛晒饫w傳輸?shù)臄?shù)字信號，因此無法直接使用傳統(tǒng)的儀器對其進行誤差檢測．

（2）由于電子式互感器及數(shù)字式電能表的計量標準無法向上級進行溯源，也缺少檢定或檢驗所依據(jù)的規(guī)程，因而貿(mào)易結算用的電子式互感器及數(shù)字式電能表也就無法進行合理、合法地溯源檢定．因此，智能變電站中用于貿(mào)易結算的計量系統(tǒng)成為制約智能變電站推廣的瓶頸．

（3）數(shù)字接口電能表的正常運行與否直接關系到計量的準確性，就目前的電能量計費管理系統(tǒng)而言，其運行狀況可能涉及位于前端的電子式互感器或者通訊網(wǎng)絡，而這又不屬于電能量系統(tǒng)，存在重新劃分管理職能等問題．

因此，與傳統(tǒng)的電子式電能表相比，數(shù)字式電能表在數(shù)字計算理論上無誤差，有它獨特的優(yōu)越性．其問題主要是表計量值溯源問題，需相關電能計量技術機構做計量認證工作．

2 智能變電站電能計量系統(tǒng)配置方案

2．1 數(shù)字式電能表檢定方案

數(shù)字式電能表的這種工作方式，使得傳統(tǒng)電能表校驗臺無法對數(shù)字式電能表進行檢定，需要重新設計一個校驗裝置．該裝置應具備以下功能：

（1）具備光纖以太網(wǎng)接口；

（2）具備電度計算功能；

（3）鏈路層可采用IEC61850—9—1、IEC61850—9—2或FT3標準格式；

（4）可接收被校電表輸出的脈沖信號，并進行比較；

（5）具備保留歷史數(shù)據(jù)功能．

滿足以上設計思想的電能表校驗儀如圖1所示．電能表校驗儀配置出符合IEC61850—9—1、IEC61850—9—2或FT3標準的數(shù)字電流、電壓信號，通過光纖傳給被檢的數(shù)字式電能表，電能表進行電度計算后，輸出校驗脈沖．電能表校驗儀中有標準電能運算模塊，會根據(jù)配置好的電流、電壓數(shù)據(jù)源計算出電能基準．電能表校驗儀采集到校驗脈沖后，與自身計算出的標準電度量比較，得出電能表誤差．

圖1 數(shù)字式電能表校驗儀原理框圖

2．2 溯源問題解決方案

根據(jù)國家溯源政策規(guī)定，量值溯源是通過一條規(guī)定不確定度的不間斷的比較鏈，使測量結果能夠與規(guī)定的參考標準聯(lián)系起來．

在已投入運營的數(shù)字化變電站中，為解決溯源問題，有的變電站采用了負荷線對側計費的辦法，即線路對側（用戶側）配置常規(guī)互感器和常規(guī)電能表計費，變電站側的數(shù)字式電能表僅用于考核；有的變電站配置了雙套互感器，即對于需要計費的間隔同時安裝電子互感器和常規(guī)的計量級互感器，配置常規(guī)關口電能表進行計費．這種方案增加了互感器設備的投資，僅能作為目前計量系統(tǒng)配置的過渡方案．

經(jīng)過上述分析，我們提出在數(shù)字計量系統(tǒng)中采用常規(guī)變電站遠方采集終端和具有IEC61850—9—1、IEC61850—9—2接口的數(shù)字式電能表的方案．數(shù)字式電能表采用單模光纖接入合并單元的數(shù)據(jù)，通過DL／T645規(guī)約送至監(jiān)控系統(tǒng)．計量系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)共用服務器，站內(nèi)配置計量轉發(fā)工作站，經(jīng)過單向隔離裝置從監(jiān)控系統(tǒng)中獲取數(shù)據(jù)，采用IEC60870－5－102規(guī)約將計量數(shù)據(jù)上傳至省調計量主站．

3 500 k V智能變電站電能計量系統(tǒng)配置方案

3．1 計量系統(tǒng)技術原則

（1）電子互感器采用光學互感器．計量用互感器的選擇、配置及精度要求應符合DL／T 448規(guī)定；

（2）要求采用具有同步采樣技術的合并單元；

（3）采樣VLAN進行組網(wǎng)連接；

（4）采用具有IEC61850－9－2接口的數(shù)字式電能表；

（5）采集終端具有電能量數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、遠方傳送功能；

（6）采集終端設備應具有網(wǎng)絡通信功能．遠方終端通信規(guī)約應支持網(wǎng)調和省調電能計量系統(tǒng)現(xiàn)行的通信規(guī)約．

3．2 電能表的技術要求

（1）應能準確計量電能量，并且數(shù)據(jù)完整、可靠、及時、保密，滿足電能量信息的唯一性和可信度要求；

（2）應具有分時段電能量自動采集、處理、傳輸、存儲等功能，并能可靠接入網(wǎng)絡；

（3）遵循IEC61850－9－2協(xié)議，方便組網(wǎng)和高精度采樣值傳輸（采樣值為32位整數(shù)）；

（4）具有采樣點自適應功能，能夠計量每周波80～256點的采樣值（根據(jù)網(wǎng)絡諧波含量和網(wǎng)絡傳輸能力，選擇不同的每周波采樣點；根據(jù)電網(wǎng)實際諧波含量，推薦采用128點采樣）；

（5）具有采樣值傳輸在線監(jiān)測功能，能夠監(jiān)測網(wǎng)絡傳輸中斷；

（6）具有有功、無功、正方向計量功能，及有功、無功四象限計量功能；

（7）具有分時計量功能和最大需量計量功能．分時計量功能可按尖、峰、平、谷4種費率時段進行總有功、無功，A、B、C三相元件正、反向有功，四象限無功，及感、容性無功電能的計量．最大需量計量功能可計算正、反向有功電度和4個象限無功電度的最大需量，并記錄最大需量的出現(xiàn)時間；

（8）具有電壓、電流、功率等瞬時量計量功能；

（9）具有操作記錄功能，能夠記錄編程、開蓋、清零等操作；（10）具有負荷曲線記錄功能，記錄周期大于30 d；（11）具有事件記錄功能，能夠記錄失壓、失流等；（12）具有無源脈沖輸出和無源測試脈沖輸出，并提供USB接口，可通過該接口使用PC編程軟件對電表進行編程．

3．3 電能量遠方終端配置方案

電能量遠方終端應采用具有DL／T645－1997協(xié)議轉IEC61850協(xié)議設備，站內(nèi)多塊電能表可以共用一個電能量遠方終端，實現(xiàn)規(guī)約轉換或電量采集．電能量遠方終端的通信接口RS485（電能表通信接口）不少于6個，網(wǎng)絡接口RJ45（主站通信接口）不少于2個，RS422／485／232（主站通信接口）不少于2個．計量系統(tǒng)需配置2臺電能量遠方終端，分別用于向網(wǎng)調、省調傳輸信息．

3．4 電能表配置方案

電能表具有雙路RS485接口，規(guī)約采用DL／T645－1997．一路RS485接口供調度使用，一路RS485接口供計量使用．

（1）500 k V電壓等級．根據(jù)國家電網(wǎng)公司通用設計要求，500 k V貿(mào)易結算用的電能計量點，原則上設置在購、售電設施產(chǎn)權分界處，當產(chǎn)權分界處不適宜安裝時，應由購、售電雙方協(xié)商；其次，電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)之間需購銷電量計量，應裝設電能表；330 k V及以上交換電量考核，應裝設電能表；電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)內(nèi)部用于經(jīng)濟技術指標考核的各電壓等級的變壓器側、線路端及無功補償設備處，應裝設普通電能表．

根據(jù)以上計量點設置原則，該站內(nèi)無貿(mào)易結算用的電能計量點．該站主變中壓側、站外電源側作為電網(wǎng)經(jīng)營企業(yè)之間需購銷電量的電能計量點，需裝設數(shù)字式電能表（0．2 s），按主／副表考慮，使變電站實現(xiàn)完整的數(shù)字化．該站500 k V線路出線側作為交換電量的考核點，需裝設數(shù)字式電能表（0．2 s），按單表考慮．表計按集中布置方式組屏，組兩面計量屏．

（2）220 k V電壓等級．220 k V出線作為考核關口點，需裝設數(shù)字式電能表（0．2 s），按單表考慮．220 k V出線考核表分散布置在保護測控一體化屏上．

（3）110 k V電壓等級．由于110 k V變電站的電能計量點不是關口計量點，所以電能表采用具有IEC61850－9－1接口的數(shù)字式電能表，通過串口與電能量遠方終端連接．

（4）66 k V電壓等級．對于66 k V電壓等級，其計量對象是無功設備（電容器、電抗器）和所用變壓器，計量范圍僅限于站內(nèi)監(jiān)測設備的運行損耗，重要程度較低．其計量功能可采用66 k V測控保護一體化裝置實現(xiàn)．一體化裝置內(nèi)置計量單元，可實現(xiàn)有功1．0、無功2．0的計量要求．

變電站計量系統(tǒng)的設備包括數(shù)字式電能表和電能量遠方終端，其中精度為0．2 s的電能表20塊，配置具有電話撥號／專線傳輸和網(wǎng)絡傳輸功能的電量遠方終端2臺，分別用于向網(wǎng)調、省調傳輸信息．

3．5 方案的經(jīng)濟技術優(yōu)勢

變電站的關口點有20個．按照相關規(guī)定，計費關口點按雙表設置，考核關口點按單表設置，220 k V電能表的精度根據(jù)國家電網(wǎng)公司計量設計要求按0．2 s等級配置．一塊常規(guī)變電站電子式關口電能表的價格約為5萬元，則全站僅關口點的電能表投資就不少于100萬元．而對于智能變電站來說，電能計量系統(tǒng)在高壓關口計費點和考核點配置數(shù)字式電能表，在低壓計量點配置電量計量單元．采用本方案，計量系統(tǒng)在滿足電能表計量精度要求的同時，還可以大大減少設備的總投資．

根據(jù)以上分析比較，推薦采用數(shù)字式電能表進行計量，這樣既能夠滿足計量精度要求，又能夠實現(xiàn)智能變電站的要求，具有良好的經(jīng)濟性能和安全性能．

4 關于智能變電站電能計量系統(tǒng)推廣應用的建議

針對目前智能變電站計量系統(tǒng)配置及應用現(xiàn)狀，提出以下建議：

（1）研制開發(fā)性能優(yōu)越的數(shù)字式電能表，推動相關管理部門頒發(fā)數(shù)字式計量許可證，使數(shù)字式計量合法化．

（2）電能計量器應用前，應先在實驗室進行全面檢測．量值應能溯源到上一級的電能計量基準；電子式互感器量值應能溯源到電壓和電流比例基準．

（3）有關技術指標的檢定應由當?shù)毓╇娖髽I(yè)的電能計量技術機構進行，或委托上級電力部門的電能計量技術機構進行．

（4）制定數(shù)字式電能表的相關標準，各省網(wǎng)公司應規(guī)范計量表計的管理，每個變電站宜配置一套能夠實現(xiàn)一發(fā)多送功能的電能量采集終端，將數(shù)據(jù)同時送往本地監(jiān)控、網(wǎng)調、省調及地調多個主站系統(tǒng)，實現(xiàn)省調與地調的數(shù)據(jù)共享．這樣既經(jīng)濟，又能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的異地互備．

5 結 語

本文通過對數(shù)字計量系統(tǒng)的分析，提出了智能變電站電能計量系統(tǒng)的配置方案，并以500 k V智能變電站為具體研究對象，說明了其電能計量系統(tǒng)的配置方案．采用遵循IEC61850—9—1、IEC61850—9—2標準格式的數(shù)字電能表，配置相應檢定裝置以實現(xiàn)數(shù)字式電能表計量值溯源，能夠進行更為精確的計量；較傳統(tǒng)的計量裝置而言，它具有運行穩(wěn)定、可靠、精確以及重量輕、體積小、成本低的顯著特點．

變電站電能計量系統(tǒng)作為區(qū)域智能電網(wǎng)電能質量監(jiān)測、評估的組成部分，還需進一步研究開發(fā)具有支持電能質量分析、支持電力市場實時電價的分析應用、支持高級通信方式、具有良好互動性的高級智能應用功能的數(shù)字式電能表．智能變電站計量系統(tǒng)應支持電能質量在線監(jiān)測評估、用戶互動等相關應用，支持向大用戶實時傳送電價、電量、電能質量及電網(wǎng)負荷信息的功能，支持電力交易的有效開展，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置．

［1］高翔．數(shù)字化變電站應用展望［J］．華東電力，2006，34（8）：46．

［2］Q／GDW 394－2009，330 k V～750 k V智能變電站設計規(guī)范［s］．

［3］DL／T448－2000，電能計量裝置技術管理規(guī)程［s］．

Research on the Energy Metering Scheme in Smart Substation

JIANG Kun1，SHANG Tao2，CHEN Bing1，LI Yan－bin3
（1．Henan Province Institute of Metrology，Zhengzhou 461001；2．Production Technology Department of Kaifeng Power Company，Kaifeng 475000；3．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

This paper puts forward the solution of electricity energy metering system in the smart substation，based on the analysis of main problem which the digital metering system is facing．Then，the configuration of electric energy remote terminal and the configuration program of energy meter for 500 k V smart substation are analyzed．Based on the above research，more development suggestions of the smart substation electricity energy metering system are proposed．In addition to this，the solution is discussed and compared with traditional substations in technology and economy，and better result is obtained．Finally，according to the result of research，application prospects of the smart substation metering system are done．All of these have made positive process in the practice of engineering to the configuration of the smart substation metering system．

smart substation；metering system；energy meter；configuration scheme

TM76

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．02．003

1671－6906（2012）02－0015－04

2012－03－22

國家自然科學基金項目（51177054）

姜 鯤（1984－），男，湖北恩施人．