張金波，高祥龍，邰 旻

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022；2.江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022）

一種高壓輸電線路電能計(jì)量裝置的研究與設(shè)計(jì)

張金波1，2，高祥龍1，2，邰 旻1，2

（1.河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022；2.江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022）

為了克服傳統(tǒng)電能計(jì)量裝置無(wú)法直接計(jì)量高壓線路電能問(wèn)題，提出了一種基于場(chǎng)強(qiáng)法，并利用開(kāi)口式電流互感器、電能計(jì)量芯片IDT90E36及STM32F103為核心控制處理器的計(jì)量裝置，實(shí)現(xiàn)了高壓輸電線路電能電量的計(jì)量。經(jīng)實(shí)際測(cè)試表明，該電能計(jì)量裝置使用簡(jiǎn)便、成本低廉，穩(wěn)定可靠，能夠滿足高壓輸電線路的電能直接計(jì)量。

高壓輸電線路；場(chǎng)強(qiáng)法；IDT90E36；電能計(jì)量

1 引 言

隨著社會(huì)用電負(fù)荷的不斷增加，對(duì)供電可靠性要求也在不斷提高。配電設(shè)備作為向用戶供電的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，其運(yùn)行狀況直接影響到對(duì)用戶的供電質(zhì)量。由于配電設(shè)備數(shù)量多、分布面廣而散，受人員、測(cè)量設(shè)備及數(shù)量的限制，通常只需要計(jì)量幾個(gè)或幾十個(gè)用戶的所用電量，最簡(jiǎn)單的方法是計(jì)量這些用戶輸入端10－35kV輸電線路的電量。傳統(tǒng)計(jì)量方法是采用高壓電壓互感器、電流互感器、防止雷擊的避雷器及計(jì)量?jī)x表進(jìn)行計(jì)量。這種計(jì)量方法存在計(jì)量設(shè)備復(fù)雜、投資大、占地面積大等缺點(diǎn)，尤其是放在戶外極易受到雷擊而損壞計(jì)量設(shè)備，所以，傳統(tǒng)計(jì)量設(shè)備已不能滿足輸電線路針對(duì)用戶端負(fù)載用電量實(shí)時(shí)計(jì)量的需要。據(jù)此提出一種新型輸電線路在線式電力電量計(jì)量裝置［1－2］，該裝置采用電場(chǎng)法非接觸方式獲得電壓相位信號(hào)、開(kāi)口式電流互感器［3］測(cè)量電流及無(wú)線通信技術(shù)，利用電量測(cè)量裝置測(cè)量輸電線路功率因數(shù)、電流有效值、功率因數(shù)和電流有效值乘積及電流諧波含量，并通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送給電量計(jì)量裝置，電量計(jì)量裝置在測(cè)量電壓有效值的同時(shí)，接收來(lái)自電量測(cè)量裝置輸電線路的功率因數(shù)、電流有效值、功率因數(shù)和電流有效值乘積及電流諧波含量。根據(jù)功率因數(shù)和電流有效值乘積及電壓有效值計(jì)算輸電線路負(fù)載電量，并分別顯示A相、B相和C相電壓有效值、電流有效值、功率因數(shù)、電流各次諧波含量、總諧波含量、電壓變比、電流變比及A相、B相和C相的電量累計(jì)值。該裝置的的使用可以大大提高輸電線路電量計(jì)量的實(shí)時(shí)性、可靠性，減少運(yùn)行成本。

2 場(chǎng)強(qiáng)法獲得高壓線路電壓信號(hào)的原理

由電磁場(chǎng)理論可知變電所的電場(chǎng)是工頻交變電場(chǎng)，頻率為50Hz，波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于所研究對(duì)象的場(chǎng)域幾何尺寸，故可用靜電場(chǎng)［5］的一般概念和方程進(jìn)行描述。筆者在高壓輸電線路周?chē)臻g電場(chǎng)的計(jì)算中采用等效電荷法并對(duì)線路做了如下簡(jiǎn)化：認(rèn)為輸電線有著相同半徑，彼此間平行，電荷分布沿線路無(wú)畸變，并且忽略桿塔、橫擔(dān)和周?chē)R近物體的影響［6］。高壓輸電線路下，空間任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度用三角函數(shù)可表示為：

式中Ex、?x為水平分量的振幅和相角，Ey、?y為垂直分量的振幅和相角，各場(chǎng)強(qiáng)分量都是隨時(shí)間變化的脈動(dòng)量。在式（1）中通常有?x≠?y，這樣空間任一點(diǎn)的合成場(chǎng)強(qiáng)就會(huì)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的橢圓場(chǎng)。但對(duì)于單相輸電線路，在經(jīng)過(guò)與該水平導(dǎo)線垂直的直線上，因Ex＝0，該橢圓變?yōu)榇怪庇诘孛娴拿}動(dòng)量。基此選擇P（xi，y）點(diǎn)在與水平導(dǎo)線的垂直線上，如圖1所示。

圖1 單相導(dǎo)線垂直方向場(chǎng)強(qiáng)Fig.1 Single－phase wire vertical direction of the field

則P點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的水平分量Epx和垂直分量Epy可表示為（取導(dǎo)線與其鏡像的連線和地面的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)）：

x＝0，則有：

假設(shè)高壓電力線路的電壓瞬時(shí)值ui＝u1cos（wt＋?）＋u2cos（3wt），含有三次諧波。記P點(diǎn)與導(dǎo)線的垂直距離為Δh＝h－y≥R，則根據(jù)疊加原理得點(diǎn)P（0，y）處的電場(chǎng)強(qiáng)度瞬時(shí)值如下：

圖2 Ep－Δh關(guān)系圖Fig.2 The relation graph of Ep－Δh

高壓輸電線路通電情況下其周?chē)ゎl［7］電場(chǎng)變化頻率很低，屬準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)范疇。處于電場(chǎng)當(dāng)中不同位置的兩點(diǎn)P1（xi，y1）、P2（xi，y2）間將產(chǎn)生電勢(shì)差即電壓差，若設(shè)對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)與導(dǎo)線的垂直距離為Δh1、Δh2，地面為電位等于零的平面，P1點(diǎn)電勢(shì)可表示為：

圖3 Ep－Δh關(guān)系仿真圖Fig.3 The simulation relation graph of Ep－Δh

P2點(diǎn)電勢(shì)可表示為：

P1與P2兩點(diǎn)間的電壓差則為：

上式表明高壓線路附近空間某兩點(diǎn)之間的電壓差信號(hào)與高壓線路的電壓信號(hào)在相位上保持完全一致性；在空間兩點(diǎn)與導(dǎo)線距離固定不變的情況下，該兩點(diǎn)間電壓差信號(hào)的幅值與相應(yīng)高壓線的電壓信號(hào)成比例關(guān)系；同時(shí)可以看出兩點(diǎn)間的電壓差信號(hào)諧波含量情況與高壓輸電線路基本一致，只是在幅值上存在一定比例。所以提出了用場(chǎng)強(qiáng)法獲取高壓線路附近垂直方向上兩點(diǎn)電壓差信號(hào)，近而也可以對(duì)該高壓線路諧波含量進(jìn)行分析。

3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

計(jì)量裝置主要由3個(gè)電量測(cè)量裝置和1個(gè)電量計(jì)量裝置組成，電量測(cè)量裝置和電量計(jì)量裝置通過(guò)無(wú)線方式［8－10］傳遞信息，電量測(cè)量裝置主要作為電能測(cè)量，電量計(jì)量裝置主要作為電能計(jì)量。電量測(cè)量裝置上裝有電極，分別掛接在被測(cè)高壓線路A、B、C三相上，根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)法原理，電極上會(huì)耦合出與被測(cè)線路同頻同相的電壓小信號(hào)。同時(shí)利用開(kāi)口式電流互感器測(cè)量輸電線路電流，分別將采集到的電流信號(hào)、電壓相位信號(hào)送入電能計(jì)量芯片進(jìn)行電能參數(shù)計(jì)量，計(jì)量得到的結(jié)果通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)時(shí)傳送給電量計(jì)量裝置。電量計(jì)量裝置接收到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算處理，并在液晶顯示器上實(shí)時(shí)顯示A、B、C三相高壓線路電能參數(shù)，其總體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 高壓輸電線電能計(jì)量的總體結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The overall structure of powermetering on the high－voltage transmission

4 電能在線計(jì)量裝置設(shè)計(jì)

4.1 高壓線路電壓相位信號(hào)的采集

高壓輸電線路的電壓很高，在其周?chē)植嫉碾妶?chǎng)強(qiáng)度很大。若有一導(dǎo)體放入該電場(chǎng)中，根據(jù)麥克斯韋電磁場(chǎng)理論，導(dǎo)體上就會(huì)感應(yīng)出一定的電荷量，致使導(dǎo)體與高壓輸電線路之間形成一個(gè)雜散電容，從而耦合出高壓線路上的交變信號(hào)。在該電路設(shè)計(jì)中，用于獲取交變電壓信號(hào)的導(dǎo)體被簡(jiǎn)稱為電極。當(dāng)電極接觸或接近導(dǎo)線時(shí)，電極兩端就會(huì)感應(yīng)出與此線路信號(hào)同頻同相的電壓信號(hào)，然后通過(guò)雙向穩(wěn)壓管進(jìn)行限幅處理和抗混疊濾波電路進(jìn)行濾波處理。高壓線路電壓采集信號(hào)電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 高壓線路電壓信號(hào)采集電路Fig.5 Voltage signal acquisition circuit of high－voltage line

4.2 電量測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

電量測(cè)量裝置主要完成高壓線路上電流有效值、功率因數(shù)及電流諧波含量等電能參數(shù)的測(cè)量，同時(shí)根據(jù)電能計(jì)量裝置的指令傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù)。電路主要由微控制器、電流采集模塊、電壓采集模塊、電源模塊、IDT－90E36電能計(jì)量模塊，無(wú)線發(fā)送模塊等組成，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 電量測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.6 The structure block diagram of powermeasuring device

4.3 電量計(jì)量裝置的設(shè)計(jì)

電量計(jì)量裝置主要完成采集電能數(shù)據(jù)的接收、分析計(jì)算以及結(jié)果分析、顯示、存儲(chǔ)和查詢等功能，電路結(jié)構(gòu)包括STM32F103微控制器、電源模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）模塊、存儲(chǔ)模塊、人機(jī)交互模塊、RS485通訊模塊等，其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 電量計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.7 The structure block diagram of powermetering device

5 電能計(jì)量裝置的軟件設(shè)計(jì)

電能計(jì)量裝置軟件部分包括電量測(cè)量裝置軟件設(shè)計(jì)和電量計(jì)量裝置軟件設(shè)計(jì)。電能測(cè)量裝置和電量計(jì)量裝置之間通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊交換數(shù)據(jù)，由于實(shí)際應(yīng)用中電能測(cè)量裝置有3個(gè)掛接在高壓線路A、B、C三相上，而無(wú)線收發(fā)模塊之間的通信為半雙工通信，所以為使多個(gè)電能測(cè)量裝置與電量計(jì)量裝置準(zhǔn)確無(wú)誤的交換數(shù)據(jù)，裝置之間通信采用ModBus協(xié)議，采用協(xié)議RTU模式。電能測(cè)量裝置上的無(wú)線收發(fā)模塊一直處于接收狀態(tài)，當(dāng)接收到電能計(jì)量裝置發(fā)來(lái)的指令時(shí)，首先將接收到的指令地址位和自身?yè)艽a開(kāi)關(guān)設(shè)定的地址進(jìn)行比較，若相同則響應(yīng)電能計(jì)量裝置的功能需求，發(fā)送所需數(shù)據(jù)，否則不響應(yīng)，其具體程序流程圖如圖8所示。電量計(jì)量裝置主要作為中心控制系統(tǒng)，測(cè)量電壓有效值的同時(shí)定時(shí)向掛接在A、B、C三相高壓線路上的電量測(cè)量裝置發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)量，同時(shí)將計(jì)算處理完成的電能參數(shù)結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在液晶屏上，主程序流程圖如圖9所示。

圖8 電量測(cè)量裝置程序流程圖Fig.8 Program flow chart of powermeasuring device

6 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)基于場(chǎng)強(qiáng)法，利用開(kāi)口式電流互感器及電能計(jì)量芯片IDT－90E36，設(shè)計(jì)了一種新型輸電線路在線式電力電量計(jì)量裝置。結(jié)合嵌入式技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高壓輸電線路電能在線計(jì)量。經(jīng)測(cè)試表明，該裝置的使用可以大大提高輸電線路電量計(jì)量的實(shí)時(shí)性、可靠性，并大大減少了運(yùn)行成本。

圖9 電量計(jì)量裝置軟件流程圖Fig.9 Program flow chart of powermetering device

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Research and Design of Energy Metering Device on High－Voltage Transm ission Line

Zhang Jinbo1，2，Gao Xianglong1，2，Tai Min1，2
（1.College of Internet of Things Engineering，HoHai University，Changzhou 213022，China；2.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology，Changzhou 213022，China）

In order to solve the problem that traditional energy metering devices cannot measure high－voltage line electrical energy directly，the new energymetering device，using energymeasurement chips IDT90E36 and STM32F103 as core processor，by open type current transformer，based on field intensity method，is presented in this paper.It realizes themeasurement of electrical energy on the highvoltage power transmission line.The practical test shows that the electrical energy metering device is of simple operation，low costand reliable stability，and canmeet the requirements for directlymeasuring the electrical energy on the high－voltage line.

High－voltage power transmission line；Field intensitymethod；IDT90E36；Energymetering

10.3969/j.issn.1002－2279.2015.01.025

TP393

A

1002－2279（2015）01－0091－05

張金波（1967－），男，黑龍江雙城人，副教授，工學(xué)博士，主研方向：電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化相關(guān)領(lǐng)域檢測(cè)設(shè)備的研究。

2014－06－27