李愷，楊茂濤，徐先勇，萬全

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

智能變電站數(shù)字計量系統(tǒng)溯源的新方法

李愷，楊茂濤，徐先勇，萬全

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007)

本文提出一種新的現(xiàn)場整體溯源方法，可避開單個數(shù)字計量裝置無法有效溯源的問題，理論分析了各個數(shù)字計量裝置誤差對整體有功計量的誤差影響，通過建立數(shù)學(xué)模型，得到誤差解析表達(dá)式。針對典型的智能變電站數(shù)字計量裝置配置方案設(shè)計整體校驗方案，對現(xiàn)場校驗過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)估并提供解決方案。以某在建的智能變電站為例，對數(shù)字計量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場整體校驗，統(tǒng)計并分析誤差校驗數(shù)據(jù)。實例證明整體校驗方法的有效性和正確性，反映了當(dāng)前數(shù)字計量系統(tǒng)的現(xiàn)狀。

智能變電站；數(shù)字式計量裝置；溯源；誤差；現(xiàn)場校驗

智能變電站的計量裝置由電子式互感器、合并單元、數(shù)字電能表組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)測量范圍大、無磁飽和、易于數(shù)字接口、無TA二次側(cè)開路、TV二次側(cè)短路危險等優(yōu)點〔1－9〕。也有的智能變電站使用傳統(tǒng)互感器，模擬信號經(jīng)合并單元轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸出給數(shù)字電能表，一定程度上繼承了結(jié)構(gòu)簡單、易于數(shù)字接口等優(yōu)點，同時也實現(xiàn)了降低技術(shù)風(fēng)險、節(jié)約成本的目的〔10〕。對數(shù)字計量裝置誤差的現(xiàn)場校驗可遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行〔11－14〕。文獻(xiàn)〔15－18〕對電子式互感器的誤差特性進(jìn)行了分析，文獻(xiàn)〔19－25〕對電子式互感器、合并單元、數(shù)字式電能表的現(xiàn)場校驗提供了可借鑒的方法。

上述都是針對單個數(shù)字計量裝置展開的研究，沒有說明各裝置的誤差對有功計量的最終影響，而且單個環(huán)節(jié)的校驗工作一直存在校驗裝置或標(biāo)準(zhǔn)裝置不能溯源至國家基準(zhǔn)的問題，校驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性不足。文中針對上述不足提出整體校驗方法，將各數(shù)字計量裝置視為一個整體，從理論上分析單個數(shù)字計量裝置的誤差對整體有功計量誤差的影響，通過整體校驗得到有功電量計量誤差，進(jìn)而對整套數(shù)字計量系統(tǒng)進(jìn)行評估，并且校驗結(jié)果可以追溯至國家基準(zhǔn)。針對工程運用上典型的數(shù)字式電能計量裝置配置方案設(shè)計了校驗方案并開展現(xiàn)場試驗，對試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計和分析，證明了此方法的有效性。校驗方案借鑒了文獻(xiàn) 〔26〕中的部分內(nèi)容。

1 智能變電站計量裝置配置方案

1.1 全數(shù)字化計量裝置配置

計量系統(tǒng)由電子式互感器 (EVT，ECT)、合并單元 (MU)、數(shù)字電能表組成 (Wh)。電子式互感器遵循GB/T 20840.8—2007《電子式電流互感器》及GB/T 20840.7—2007《電子式電壓互感器》標(biāo)準(zhǔn)，測量一次側(cè)電壓、電流量并輸出16進(jìn)制數(shù)字量。合并單元遵循DL/T 282—2012《合并單元技術(shù)條件》，將電子式互感器數(shù)字信息匯總并通過以太網(wǎng)點對點直連方式發(fā)給數(shù)字電能表。數(shù)字電能表遵循DL/T 614—2007《多功能電能表》標(biāo)準(zhǔn)，對數(shù)字信號進(jìn)行解析處理，根據(jù)電壓、電流信息計算功率，進(jìn)行電能計量。對數(shù)字信息的處理和傳輸都遵循IEC61850《變電站網(wǎng)絡(luò)與通信協(xié)議》標(biāo)準(zhǔn)。電子式互感器及合并單元采用網(wǎng)絡(luò)化的時鐘同步機(jī)制對時，遵循IEEE1588《網(wǎng)絡(luò)測量和控制系統(tǒng)的精密時針同步協(xié)議》標(biāo)準(zhǔn)。智能變電站全數(shù)字化計量裝置配置方案如圖1所示。

圖1 全數(shù)字化計量系統(tǒng)配置方案

1.2 傳統(tǒng)互感器與數(shù)字化計量裝置混合配置

計量系統(tǒng)由傳統(tǒng)互感器 (TA，TV)、合并單元、數(shù)字電能表組成。傳統(tǒng)互感器輸出額定電流為1 A/5 A、額定電壓為57.7 V/100 V的模擬量，經(jīng)合并單元轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，打上同步時標(biāo)并匯總信息，通過以太網(wǎng)點對點直連方式發(fā)給數(shù)字電能表，數(shù)字電能表解析電能信息，計算功率，進(jìn)行電能計量?；旌鲜接嬃肯到y(tǒng)的配置方案如圖2所示。

圖2 混合式計量系統(tǒng)配置方案

全數(shù)字化計量裝置模式是智能變電站計量系統(tǒng)的終極配置模式，目前已有部分智能變電站采用此種模式運行。從運行經(jīng)驗來看，電子式互感器還存在不足之處，這主要表現(xiàn)為部分元件工藝不過關(guān)易損壞，導(dǎo)致無輸出；測量誤差受機(jī)械震動、溫度環(huán)境、電磁環(huán)境影響較大，超差情況嚴(yán)重；一次絕緣裕度不夠，絕緣擊穿的情況時有發(fā)生。鑒于該現(xiàn)狀，新投運的智能變電站基本采用傳統(tǒng)互感器與二次側(cè)數(shù)字計量裝置混合配置的計量模式以降低技術(shù)風(fēng)險。文中也重點討論此種模式下數(shù)字計量裝置的整體誤差校驗。

2 數(shù)字計量裝置誤差分析

數(shù)字計量裝置整體誤差來源于數(shù)字電能表誤差、合并單元誤差、數(shù)據(jù)傳輸失真和延時誤差。數(shù)字電能表誤差由功率算法誤差、數(shù)據(jù)采樣不同步帶來的誤差組成，誤差量很微小，一般不超過0.01%；合并單元誤差由A/D轉(zhuǎn)換量化誤差、非線性誤差、失調(diào)誤差組成，可由幅值誤差 (相對百分比)、相位誤差 (角度差)2個指標(biāo)來評價，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為 DL/T 282—2012《合并單元技術(shù)條件》。在110 kV及以上電壓等級智能變電站中幅值誤差要求不超過±0.2%，相位誤差要求不超過±10分；數(shù)據(jù)傳輸失真和延時對計量誤差的影響很小，一般將其忽略。

無誤差的實際有功功率為:

考慮到誤差影響，由合并單元、數(shù)字電能表組成的數(shù)字計量系統(tǒng)計量的有功功率表示為:

式中 Un′，In′表示含誤差的每相電壓、電流測量值；fUn，fIn表示每相電壓、 電流幅值誤差； δUn，δIn表示每相電壓、電流相位誤差；θn表示每相功率因數(shù)角；ε表示數(shù)字電能表有功計量相對誤差；λ表示數(shù)據(jù)傳輸失真和延時影響量，處于0到1之間，無影響則λ＝1。

有功計量相對誤差為:

忽略數(shù)據(jù)傳輸失真和延時影響量，即 λ＝1，式 (4)可化為:

由于 fUn， fIn， sin(δUn－δIn)， ε均是微小量，且數(shù)值大大小于1，它們之間相乘得到的二次及以上次方微量可忽略，上式可化簡為:

同一間隔3臺TV電壓信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程由一套合并單元完成，同一間隔3臺TA電流信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換過程由另一套合并單元完成。故可認(rèn)為每相電流、電壓的幅值誤差和相位誤差具有一致性，即:

式 (6)可簡化為:

對于高壓輸電而言，三相電壓、電流和功率因數(shù)基本一致，式 (8)可進(jìn)一步化簡為:

3 整體誤差檢測方法

3.1 整體誤差檢測思路

整體誤差檢測的思路是將數(shù)字電能表、合并單元、光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)整體視為一套計量裝置。由于其采用電流、電壓模擬量輸入，電能量光脈沖輸出的工作模式，因此可以利用傳統(tǒng)的電能表校驗裝置對其進(jìn)行現(xiàn)場校驗。

為了更全面地檢測數(shù)字計量裝置在各種工況下的整體誤差狀況，使用三相可調(diào)標(biāo)準(zhǔn)交流電源模擬互感器二次側(cè)輸出的電流、電壓。

現(xiàn)場檢測在變電站內(nèi)數(shù)字計量裝置安裝完畢后進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)電源的三相電流輸出與電能表校驗儀電流檢測端、合并單元電流檢測端串聯(lián)；標(biāo)準(zhǔn)電源的三相電壓輸出與電能表校驗儀電壓檢測端、合并單元電壓檢測端并聯(lián)；電能表校驗儀采集數(shù)字電能表的電能量光脈沖，計算整體誤差。計算公式為:

式中 m為對數(shù)字電能表的實測脈沖數(shù)，即帶誤差的電能表在設(shè)定時間Tn內(nèi)顯示的脈沖數(shù)；m0為算定脈沖數(shù)，按式 (9) 計算〔13〕:

式中 C為被檢裝置銘牌脈沖數(shù)；P為現(xiàn)場檢測時測定的二次功率實時值；KI，KU為標(biāo)準(zhǔn)電能表外接電流、電壓互感器變比，沒有外接互感器時均為1。

整體誤差檢測方案如圖3所示。

圖3 整體誤差檢測方案

3.2 現(xiàn)場檢測注意事項

來自標(biāo)準(zhǔn)電源的電壓量輸出至合并單元與電能表校驗儀時會在導(dǎo)線上產(chǎn)生電壓降落，影響有功計量誤差的檢測結(jié)果。為盡量減少此類影響，電能表校驗儀應(yīng)盡量靠近合并單元柜以減小壓降。若現(xiàn)場工作條件不允許，則通電后應(yīng)檢測電壓回路壓降，將誤差影響補償至最終的檢測結(jié)果中。下面分析誤差補償公式。

壓降由比值差fd和相角差δd2個指標(biāo)組成，且認(rèn)為三相壓降相同，其對有功計量的影響為:

式 (13)可計算壓降誤差補償量。數(shù)字計量裝置整體有功計量誤差＝測定誤差－壓降誤差補償量。

現(xiàn)場檢測時，光電信號采集器置于控制室內(nèi)的數(shù)字電能表上，電能表校驗儀本體位于一次設(shè)備區(qū)內(nèi)的合并單元柜附近。兩者距離較遠(yuǎn)，需加裝長電纜將光電信號采集器的脈沖信號引至校驗儀。光電信號采集器反饋高電平脈沖信號，高電平脈沖信號電壓低于＋3.5 V，對電磁干擾較敏感。在長電纜內(nèi)應(yīng)敷設(shè)雙絞屏蔽線，且應(yīng)避開存在大功率電源的區(qū)域布線。

4 現(xiàn)場檢測實例

以220 kV林海智能變電站林紅線數(shù)字計量裝置整體誤差現(xiàn)場檢測為例。

三相可調(diào)電源選用TD4500型交流采樣與變送器綜合測試裝置；電能表校驗儀為CALPORT300型，準(zhǔn)確度等級0.05級；被檢設(shè)備中，合并單元為NAE－MU系列，測量模擬量的準(zhǔn)確度等級為0.2級；數(shù)字電能表為DTSD341－ME2型，準(zhǔn)確度等級0.2 S級。

參照DL/T 282—2012《合并單元技術(shù)條件》、JJG596—2012《電子式交流電能表》檢定規(guī)程，互感器二次額定電流和額定電壓確定檢測點，如表1所示 (cosθ＝1，cosθ＝0.5(L)，cosθ＝0.8(C))。

表1 數(shù)字計量系統(tǒng)誤差檢測點

圖4所示為現(xiàn)場檢測時三相標(biāo)準(zhǔn)電源所提供的電壓、電流波形圖。

圖4 數(shù)字計量系統(tǒng)誤差校驗電壓電流波形

圖4 是A相的電壓、電流波形圖，電壓有效值為57.7 V，電流有效值為1 A。B，C兩相電壓、電流波形與之完全相同，只是每相之間的初相角相差120°。其余檢測點的波形圖與之類似，區(qū)別在于電流幅值不同，因此不再贅述。

按照表1標(biāo)注的檢測點檢測各工況下數(shù)字計量裝置的整體計量誤差，并繪出誤差曲線，如圖5。

從圖5可看出，隨著二次側(cè)電流的增大，計量裝置整體誤差情況趨好，這是因為合并單元對小電流的檢測準(zhǔn)確度不高，產(chǎn)生的幅值誤差較大。根據(jù)公式 (9)可知，幅值誤差越大，對有功電能計量誤差的影響量也越大。因此二次側(cè)電流越大，有功計量誤差越小。

另一方面，功率因數(shù)對計量裝置整體誤差也產(chǎn)生了不可忽略的影響。由公式 (9)可知，電流、電壓相角對有功計量誤差的影響由兩方面組成:一是電流、電壓相角誤差的差值，即相角誤差影響量；二是一次側(cè)負(fù)載的功率因數(shù)，即功率因數(shù)影響量。在電壓、電流幅值不變的情況下，電流、電壓相角誤差波動很小，相角誤差影響量基本不變，此時功率因數(shù)越高，功率因數(shù)影響量越小。另外，在電壓、電流幅值相同的情況下，計量裝置整體誤差的變化與功率因數(shù)的變化是同步的。因此通過圖5可看出，功率因數(shù)越高，計量裝置整體誤差越往負(fù)方向發(fā)展，且誤差值越小。

總的來說，合并單元的誤差對有功計量誤差曲線帶來趨勢性的影響。

數(shù)字電能表、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的誤差很小，且誤差值呈隨機(jī)正態(tài)分布，只會使誤差曲線在重復(fù)測量的情況下呈發(fā)散性。

校驗裝置、檢測環(huán)境帶來的誤差也會對測量結(jié)果產(chǎn)生略微影響。由于校驗裝置的準(zhǔn)確度很穩(wěn)定，且大大優(yōu)于數(shù)字計量系統(tǒng)整體準(zhǔn)確度，檢測時又盡量避開了環(huán)境誤差影響源，因此不會給誤差曲線帶來趨勢性的影響，只會令曲線略微發(fā)生縱向偏移。

5 結(jié)論

文中針對智能變電站數(shù)字式計量系統(tǒng)的誤差檢測提出了整體校驗方法，避開了單個數(shù)字計量裝置的檢測標(biāo)準(zhǔn)不能溯源的問題。對影響有功計量誤差的因素進(jìn)行了理論計算和分析，搭建了試驗平臺并完成現(xiàn)場試驗，對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。通過文中的研究，可得出以下結(jié)論:

1)文中提出的方法可針對配置傳統(tǒng)互感器的智能變電站展開數(shù)字計量裝置的現(xiàn)場檢測，對其進(jìn)行整體溯源，且適用于任意電壓等級。

2)檢測結(jié)果表明，220 kV林紅線數(shù)字計量系統(tǒng)整體誤差比較大，再加上傳統(tǒng)互感器帶來的誤差，整體有功計量的準(zhǔn)確度還有待提高。因此傳統(tǒng)互感器配數(shù)字計量裝置的計量方式還不適用于重要關(guān)口的結(jié)算計量。

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A new method of digital measuring system traceability in smart substations

LI Kai，YANG Mao-tao，XU Xian-yong，WAN Quan
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

In this paper，a holistic tracing method is proposed in order to avoid the problem that the effective traceability can not be implemented for single digital measuring device.The relationship between digital measuring devices’error and holistic power measuring error is analyzed，meanwhile mathematical model is established and error analytic expression is obtained.The holistic verification scheme is designed aiming at typical digital measuring scheme in smart substations.The possible problem in the calibration process is estimated and the corresponding solutions is provided.In a substation under construction as an example，the field calibration for the whole digital measurement is carried out，and the error calibration data are counted and analyzed.The local calibration result indicates that the holistic calibration method is correct and effective.

smart substations；digital measuring device；traceability；error；local calibration

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.002

TM932

A

1008-0198(2015)01-0005-06

李愷(1985)，男，碩士研究生，助理工程師，主要研究方向為電能計量裝置的現(xiàn)場檢測。

2014-08-14