艾 兵，江 波，楊華云，梁祖權(quán)，楊勇波

(四川電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

隨著數(shù)字化智能技術(shù)不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)已無法滿足智能化電網(wǎng)的要求，智能變電站將是電力系統(tǒng)變電站建設(shè)的一次革新，將來新建變電站將全部為智能變電站［1-4］。數(shù)字化技術(shù)的推廣，引發(fā)了電能計(jì)量技術(shù)的變革，包括新型電子式互感器的運(yùn)用、一次側(cè)到二次側(cè)電參量傳輸?shù)慕橘|(zhì)改變、電參量傳輸?shù)男盘?hào)模式改變、表計(jì)計(jì)量采用專用芯片與自用算法的數(shù)字信號(hào)處理、表計(jì)的容錯(cuò)處理和表計(jì)的檢驗(yàn)與溯源等［5-8］。智能變電站電能計(jì)量同樣是通過互感器及二次回路聯(lián)合電能表按照規(guī)定的接線方式進(jìn)行組合構(gòu)成在線電能計(jì)量系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。由于電子式互感器的應(yīng)用，電能計(jì)量輸入信號(hào)為數(shù)字量和模擬小信號(hào)量，例如全國首座智能變電站北川永昌110 kV變電站高壓側(cè)采用的是全數(shù)字式電能計(jì)量，10 kV側(cè)則是符合IEC 60044-7/8標(biāo)準(zhǔn)輸出的電子式互感器的計(jì)量特點(diǎn)，采用的為模擬小信號(hào)量輸入的電能計(jì)量方式［9-14］。在電力市場條件下，為保證公開、公平、公正地為電能生產(chǎn)者和使用者提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，有必要在新的技術(shù)條件的基礎(chǔ)上有一套符合現(xiàn)代化智能變電站特點(diǎn)的計(jì)量和檢測系統(tǒng)。但是智能變電站電能計(jì)量暫無國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，只有通過已有智能變電站的實(shí)際運(yùn)用情況和參照地方標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。隨著數(shù)字電路的發(fā)展，電路的可靠性和精度得到了提高，必定會(huì)推動(dòng)了智能變電站電能計(jì)量快速發(fā)展［15，16］。

1 模擬小信號(hào)電能表的現(xiàn)場應(yīng)用

模擬小信號(hào)電能表是一款符合IEC 60044-7/8標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)接口規(guī)范的多功能電能表。其主要特點(diǎn)是計(jì)量電壓電流信號(hào)輸入采用模擬小信號(hào)輸入、電源設(shè)計(jì)采用交直流外接電源供電。適用于基于IEC 60044-7/8標(biāo)準(zhǔn)的電子式互感器模擬小信號(hào)輸出的計(jì)量方式。根據(jù)IEC 60044-7/8標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，輸出的模擬小信號(hào)全部為電壓模擬信號(hào)，對(duì)于三相三線系統(tǒng)為1.625 V、2 V、3.25 V、4 V、6.5 V，三相四線系統(tǒng)為 1.625/V、2/、3 .25/、4/V、6 .5/。但是對(duì)于特殊要求用戶，模擬量也可以設(shè)計(jì)成非標(biāo)準(zhǔn)大小，如北川永昌110 kV智能變電站就設(shè)計(jì)成1.5 V，主要是配合應(yīng)用于保護(hù)測控。模擬小信號(hào)電能表的實(shí)際應(yīng)用接線如圖1所示。

圖1 模擬小信號(hào)電能表的應(yīng)用

2 工作原理及實(shí)現(xiàn)功能

模擬小信號(hào)電能表由電壓、電流分壓電路、計(jì)量芯片、微處理器、溫補(bǔ)實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)接口設(shè)備和人機(jī)接口設(shè)備組成。計(jì)量芯片將來自電壓、電流分壓電路的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)字積分運(yùn)算，從而精確地獲得有功電量和無功電量，微處理器依據(jù)相應(yīng)費(fèi)率和需量等要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其結(jié)果保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，并隨時(shí)向外部接口提供信息和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其原理框圖如圖2所示，外形接線示意圖如圖3所示。

圖2 工作原理(三相四線表)

電能表須符合GB/T 17215-2002、GB/T 17882-1999、GB/T 17883-1999和 DL/T 614-1997等電能表有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采用DL/T 645-1997通信規(guī)約(有擴(kuò)展)。

三相三(四)線模擬小信號(hào)電能表與傳統(tǒng)的電子式電能表結(jié)構(gòu)上差別為:用電壓、電流的分壓電路取代了原電子式電能表的電流互感器和電壓互感器，其輸出為規(guī)定的電壓信號(hào)。所以對(duì)于模擬小信號(hào)電能表的性能要求可以依據(jù)傳統(tǒng)的電子式電能表檢定所依據(jù)的GB/T 17215.322-2008，電能表基本參數(shù)一般設(shè)置如表1。

圖3 模擬小信號(hào)電能表外形示意圖

表1 電能表基本參數(shù)

模擬小信號(hào)電能表在實(shí)現(xiàn)功能方面與傳統(tǒng)電子式電能表一致，可以實(shí)現(xiàn)分時(shí)計(jì)量，可計(jì)量總及分相元件的正、反向有功，四象限無功及感、容性無功電能。月電量統(tǒng)計(jì)及實(shí)時(shí)測量總及三相電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率?？捎涗浭骸⑹Я?、斷相、數(shù)據(jù)無效、裝置失電、電壓電流合格率記錄及自檢功能。最大需量可計(jì)量有、無功最大需量及出現(xiàn)時(shí)間，最大需量的積分周期和滑差步進(jìn)時(shí)間。另外可以實(shí)現(xiàn)電量凍結(jié)、結(jié)算數(shù)據(jù)記錄、負(fù)荷曲線記錄可保存最近2個(gè)月或者更長時(shí)間的日負(fù)荷曲線，且負(fù)荷曲線保存的時(shí)刻與電表時(shí)鐘同步，以及可以實(shí)現(xiàn)其他事件記錄等主要功能。模擬小信號(hào)電能表面板上裝設(shè)有兩個(gè)紅色LED指示燈指示是否有有功、無功電量脈沖輸出，輔助端子配置正、反向有功，輸入無功、輸出無功光耦空接點(diǎn)脈沖輸出，可用于儀表誤差檢驗(yàn)，也可接RTU等終端設(shè)備。

3 電能計(jì)量檢測系統(tǒng)

電子式互感器的電流電壓信號(hào)在傳輸?shù)蕉卧O(shè)備和二次設(shè)備處理的過程中均會(huì)產(chǎn)生附加誤差，降低計(jì)量的精度，在二次回路上有功率傳輸，就有二次壓降和功率損耗，傳統(tǒng)的二次電壓降測試工作需要進(jìn)行，根據(jù)現(xiàn)場測試和實(shí)驗(yàn)室測試的結(jié)果，當(dāng)輸入信號(hào)在10%額定以下時(shí)，受到的干擾較為嚴(yán)重，特別在變電站干擾復(fù)雜的環(huán)境下，波形出現(xiàn)了畸變和漂移，諧波含量豐富。故對(duì)模擬小信號(hào)電能表的檢測，檢測系統(tǒng)需要融合現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)通信、最新電能計(jì)量理論和軟件工程思想于一體的高技術(shù)，具有對(duì)在線運(yùn)行被檢表的接入影響極低、計(jì)量精度高、校驗(yàn)參數(shù)靈活設(shè)置、適用復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境等特點(diǎn)。按照上述電能檢測系統(tǒng)的要求和原則，該系統(tǒng)的檢測原理如圖4所示。此檢測系統(tǒng)關(guān)鍵為標(biāo)準(zhǔn)表，該表必須通過最高計(jì)量單位的溯源論證，方可應(yīng)用到本系統(tǒng)。

圖4 檢測系統(tǒng)原理示意圖

檢測系統(tǒng)主要由功率源、標(biāo)準(zhǔn)表、誤差處理設(shè)備以及控制計(jì)算機(jī)組成。信號(hào)分別從相互獨(dú)立高輸入阻抗模擬信號(hào)輸入通道 Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic接入，如圖5所示，經(jīng)阻抗匹配，信號(hào)濾波等處理后輸入各通道對(duì)應(yīng)的相互隔離的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，并對(duì)輸入的信號(hào)做同步采樣量化，經(jīng)FPGA讀出并傳送給DSP和管理工控機(jī)。ADC數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)字信號(hào)處理DSP時(shí)對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理計(jì)算出電參量、頻率、功率信息等，控制計(jì)算機(jī)通過RS485總線與功率源以及誤差處理設(shè)備相連，由控制計(jì)算機(jī)來統(tǒng)一控制功率源和誤差處理設(shè)備。主臺(tái)軟件通過設(shè)置信號(hào)源參數(shù)使信號(hào)源工作在參數(shù)控制工作的模式下，輸出符合參數(shù)要求的IEC 60044-7/8標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)。在測試過程中通過調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，模擬各種測試條件，對(duì)被測表做各項(xiàng)測試。

圖5 信號(hào)調(diào)理處理方式

模擬小信號(hào)電能表可以根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17882-1999《2級(jí)和3級(jí)靜止式交流無功電能表》、GB/T 17883-1999《0.2S級(jí)和0.5S級(jí)靜止式交流有功電能表》、DL/T 614-2007《多功能電能表》、DL/T 645-1997《多功能電能表通信規(guī)約》、GB/T 17215.322-2008等，實(shí)現(xiàn)電能表的功能測試，如基本誤差、分時(shí)、需量、事件記錄、負(fù)荷曲線等測試項(xiàng)目。一般現(xiàn)場試驗(yàn)檢測項(xiàng)目如表2如下。

表2 試驗(yàn)項(xiàng)目

對(duì)于初始起動(dòng)，在參比電壓加到儀表接線端后，5S內(nèi)儀表應(yīng)達(dá)到全部功能狀態(tài)。在功率因數(shù)為1.0和0.001In下，表計(jì)能起動(dòng)并連續(xù)計(jì)量。對(duì)于潛動(dòng)試驗(yàn)當(dāng)施加電壓而電流線路無電流時(shí)，儀表的測試輸出不應(yīng)多于一個(gè)脈沖。試驗(yàn)時(shí)，電流線路應(yīng)開路，電壓線路所加電壓為參比電壓的115%。最短時(shí)間△t為

式中，k為每千瓦小時(shí)脈沖常數(shù)，imp/kWh;m為測量單元數(shù);Un為參比電壓，V;Imax最大電流，A。

4 電能計(jì)量性能考核系統(tǒng)

為了適應(yīng)智能變電站電能計(jì)量技術(shù)的發(fā)展，為保證公開、公平、公正計(jì)量，現(xiàn)階段部分新建智能變電站的計(jì)量仍采用對(duì)側(cè)傳統(tǒng)電子式電能表計(jì)量的方式，故模擬小信號(hào)電能計(jì)量方式的可信度大打折扣，為了提供參考可對(duì)比的數(shù)據(jù)，這里構(gòu)思了一套電能計(jì)量性能現(xiàn)場考核系統(tǒng)如圖6所示，在同一個(gè)母線下裝設(shè)傳統(tǒng)互感器和電子式多功能電能表的計(jì)量系統(tǒng)和模擬小信號(hào)電能表的計(jì)量系統(tǒng)，測量數(shù)據(jù)上傳至電能分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。

圖6 電量采集分析系統(tǒng)圖

該系統(tǒng)應(yīng)用先進(jìn)的信息和通信技術(shù)，采用分層、分布、開放型結(jié)構(gòu)構(gòu)造理念兼平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)思想，可實(shí)現(xiàn)電能量信息的自動(dòng)采集和管理。系統(tǒng)具備電量信息比對(duì)、電能有功、無功分析及對(duì)時(shí)等功能。系統(tǒng)以數(shù)據(jù)采集為基礎(chǔ)，以電量統(tǒng)計(jì)為核心，以用電量數(shù)據(jù)流為導(dǎo)向的并具備一個(gè)完整的數(shù)據(jù)流監(jiān)控、統(tǒng)一接口、數(shù)據(jù)集中、服務(wù)于多個(gè)接口外部系統(tǒng)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)信息高度共享，使業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)流程化，規(guī)范化管理，加速內(nèi)部溝通，提高處理效率，從客戶用電信息的源頭提供數(shù)據(jù)支持。通過電量采集分析系統(tǒng)圖可以看出，該系統(tǒng)充分結(jié)合實(shí)用、先進(jìn)、可靠、經(jīng)濟(jì)幾方面因素，在工程技術(shù)上實(shí)現(xiàn)起來比較簡單。該系統(tǒng)可以長期實(shí)時(shí)監(jiān)控模擬小信號(hào)電能表計(jì)量系統(tǒng)性能，可提供給廣大用戶真實(shí)的數(shù)據(jù)，對(duì)評(píng)估模擬小信號(hào)電能表計(jì)量準(zhǔn)確度奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

結(jié)合電子式互感器輸出信號(hào)的特點(diǎn)及計(jì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，著重討論符合IEC 60044-7/8標(biāo)準(zhǔn)輸入的模擬小信號(hào)電能表的工作原理、性能和實(shí)際應(yīng)用，重點(diǎn)論述了模擬小信號(hào)電能表電能計(jì)量檢測系統(tǒng)和溯源方法，可供有關(guān)工程技術(shù)人員對(duì)智能變電站調(diào)試參考。確定了一套模擬小信號(hào)電能表的現(xiàn)場考核系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分結(jié)合應(yīng)用實(shí)際以實(shí)現(xiàn)公正計(jì)量為目標(biāo)，在工程技術(shù)上實(shí)現(xiàn)可行。隨著對(duì)智能變電站電能計(jì)量和檢測新技術(shù)進(jìn)行積極的研究探討，在逐步積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，電能表的標(biāo)準(zhǔn)體系將逐漸完備，計(jì)量技術(shù)相關(guān)試驗(yàn)及檢測標(biāo)準(zhǔn)即將形成規(guī)范。

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