鄭志受 王立新 張志高

(中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013)

0 引言

隨著節(jié)能減排和資源節(jié)約越來越受到世界各國的重視和我國電力工業(yè)體制改革，高壓電能計(jì)量的重要性凸顯出來。數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化是電能計(jì)量與電網(wǎng)測(cè)控技術(shù)發(fā)展的方向。特別提出要建立將傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)控技術(shù)與傳統(tǒng)物理電網(wǎng)技術(shù)高度集成的智能電網(wǎng)[1]，使高壓電能計(jì)量成為建設(shè)國家能源計(jì)量體系的關(guān)鍵和焦點(diǎn)。目前，世界各國的高壓電能計(jì)量都是采用電壓互感器PT、電流互感器CT和電能表三者組合成計(jì)量柜來實(shí)現(xiàn)的，其最高準(zhǔn)確度是通過0.2級(jí)電能表和0.2級(jí)的電壓電流互感器組合而約定為0.7%[2]，它的溯源是通過電能表和互感器分別溯源實(shí)現(xiàn)。存在的主要問題有[3-4]：互感器用的材料是資源越來越缺乏的鐵磁和銅(如10kV的互感器需62kg的鐵磁材料和12kg的銅)；互感器包括負(fù)載都是耗能設(shè)備(1套10kV的互感器，即使用最好的硅鋼材料，功耗也要達(dá)到65W)；盜竊電嚴(yán)重(低壓下盜竊電很容易實(shí)現(xiàn))；計(jì)量不準(zhǔn)確(高壓條件下互感器的準(zhǔn)確度無法再提高，存在CT開路、PT短路及鐵磁諧振等問題，并且無法整體進(jìn)行計(jì)量溯源和評(píng)價(jià))。其主要原因受傳統(tǒng)PT、CT方法條件限制而又沒有新的方法取代它。雖然各國學(xué)者專家都試圖用光電轉(zhuǎn)換OTA[5-9]、空芯線圈TA[10]等辦法來代替PT、CT解決上述問題，但至今未取得應(yīng)用成功。本文提出采用I/V、V/V技術(shù)和高壓“虛地”的理念研制高壓電能測(cè)量裝置，從根本上解決高壓電能計(jì)量問題，以達(dá)到高壓電能計(jì)量的革命性改變。

1 基于I/V和V/V技術(shù)的三相高壓電能測(cè)量的理論依據(jù)

一般三相三線電能測(cè)量的理論依據(jù)[11]：

(1)

iA+iB+iC=0

(2)

(3)

沒有虛地時(shí)三相高壓電能測(cè)量裝置(三角形結(jié)構(gòu)如圖1)的電能測(cè)量結(jié)果的理論依據(jù)為：

圖1 三角形高壓電能測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖

(4)

(5)

(6)

PΣ=(PΣA+PΣB+PΣC)/3

(7)

式(7)中第2項(xiàng)為實(shí)際測(cè)量時(shí)所帶來的誤差，設(shè)uA+uB+uC=Δu，則該誤差可表示為：

(8)

一般三相四線制的三相電能測(cè)量的理論依據(jù)仍為式(1)。

通過上述理論分析可以看出，三相三線(三角形)電能要做到準(zhǔn)確測(cè)量，要求其三相負(fù)載對(duì)稱，否則會(huì)帶來誤差；另外它無法單獨(dú)測(cè)得單相電流電壓。而三相四線電能測(cè)量雖然除了能測(cè)得電能，也能測(cè)得單相電流電壓，但在高壓條件下，往往沒有地線，無法采用這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量。

本文提出的有虛地的三相高壓電能測(cè)量裝置(如圖2)通過三相三線接法實(shí)現(xiàn)三相四線功能，其電能測(cè)量的理論依據(jù)為：

圖2 有虛地高壓電能測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖

(10)

進(jìn)而可得：

(11)

上式中最后一項(xiàng)為三相電能測(cè)量裝置測(cè)量結(jié)果的誤差。

根據(jù)電流連續(xù)性原理(克希荷夫定律)：

(12)

則有：

(13)

(14)

上述圖1和圖2中：W1、W2和W3分別代表A相、B相和C相測(cè)量單元；Sp代表供電單元；M代表信號(hào)處理與儲(chǔ)存單元；T代表信號(hào)傳輸或發(fā)送單元(通過無線或光纖)。

2 基于I/V和V/V技術(shù)的三相高壓電能測(cè)量裝置的組成

高壓電能測(cè)量裝置由電壓檢測(cè)單元、電流檢測(cè)單元、電能測(cè)算單元和無線發(fā)送單元組成，其原理圖見圖3。其中A、B、C相電壓檢測(cè)單元及所述電能測(cè)算單元的地按照“星型”接法形成共同的虛地，既達(dá)到三相四線的目的，又減少了耐壓，增加了安全。有虛地和無虛地兩種高壓電能測(cè)量裝置電壓支路承受電壓比較如表1所示。

圖3 三相高壓電能測(cè)量裝置的原理圖

表1

電網(wǎng)電壓(kV)1035110220500無虛地裝置1035110220500有虛地裝置58202635127289

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線圖

電壓檢測(cè)單元包括A、B及C三相，各相電壓檢測(cè)單元由一電阻電壓器和電流/電壓互感器串接構(gòu)成，用于檢測(cè)所在輸電線路的各相電壓；電流檢測(cè)單元也為A、B及C相，由互感器與電阻構(gòu)成，用于檢測(cè)所在輸電線路的各相電流；電能測(cè)算單元M，由模擬/數(shù)字變換模塊(A/D)、功率計(jì)算模塊、數(shù)字/頻率轉(zhuǎn)換模塊、電能累計(jì)模塊和輸出模塊組成，用于接收上述各相電流檢測(cè)單元和各相電壓檢測(cè)單元的輸出信號(hào)，將模擬量變換為相應(yīng)的數(shù)字量，并根據(jù)各相電流檢測(cè)單元和各相電壓檢測(cè)單元對(duì)應(yīng)的A/D輸出，計(jì)算出功率值，然后，將計(jì)算出的功率變換為相應(yīng)頻率的脈沖，并對(duì)該脈沖信號(hào)進(jìn)行累計(jì)獲得電能值；同時(shí)可以將電流、電壓、電能值、功率值和報(bào)警信號(hào)等信息輸送給無線發(fā)送單元。無線發(fā)送單元T將電能測(cè)算單元輸出的結(jié)果通過無線或光纖輸送到低壓區(qū)或工作區(qū)，可以進(jìn)行電能計(jì)量管理和電網(wǎng)運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)。

3 高壓電能測(cè)量裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)10kV/1000A測(cè)量裝置進(jìn)行了兩個(gè)月的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電壓、電流、相位、功率和電能測(cè)量結(jié)果如圖4。從圖中可以看出：電壓、電流和相位的短期穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定性及溫度穩(wěn)定性都優(yōu)于1×10-5，三相電能變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到2.4×10-5。

4 結(jié)論

理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，基于I/V和V/V技術(shù)的三相高壓電能測(cè)量裝置確實(shí)具有結(jié)構(gòu)簡單、準(zhǔn)確度高、安全可靠。特別提出了虛地的概念，使它在高壓電網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)了三相四線的電能測(cè)量，避免了三相負(fù)載不平衡引入的誤差，在未來的智能計(jì)量電網(wǎng)中將發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)表的作用，具有重要的計(jì)量學(xué)意義，同時(shí)具有廣泛的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可在能源計(jì)量和電網(wǎng)管理中實(shí)現(xiàn)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

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