陳海賓，張曉穎，陳麗雯，朱偉杰，張夢(mèng)彧，陳耀高

（1.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海200051；2.廈門紅相電力設(shè)備股份有限公司，福建廈門361000）

0 引言

隨著電力改革的不斷深入，配送電環(huán)節(jié)之間的責(zé)任及管理分工越來越明確，作為受電側(cè)的配網(wǎng)公司，將對(duì)線損考核提出更高要求，因此，對(duì)配電網(wǎng)的精細(xì)化管理勢(shì)在必行。國(guó)家電網(wǎng)公司最近推出并確立了全新的一、二次融合技術(shù)方案，提出將高壓計(jì)量模塊作為精細(xì)化調(diào)度的重要設(shè)備，同時(shí)也是防竊電的關(guān)鍵技術(shù)手段［1-3］。如此，高壓電能表［4-10］、電子式互感器、高壓計(jì)量箱等作為高壓計(jì)量模塊的重要組成部分，將越來越多地得到應(yīng)用［5］。因此，迫切需要有符合實(shí)際工作需求的高壓計(jì)量檢定裝置，能夠?qū)Ω邏河?jì)量模塊及其各功能單元進(jìn)行一體化的計(jì)量檢定，但截至目前，市場(chǎng)上還沒有比較完整的符合國(guó)網(wǎng)公司上述最新要求的相應(yīng)檢定裝置［4，11］。

目前，在高壓電能表、電子式互感器的檢定技術(shù)領(lǐng)域，主要以高壓電能表檢定裝置和三相互感器同步檢定裝置為代表，互感器與電能表的檢定并未統(tǒng)一，造成高壓標(biāo)準(zhǔn)部分重復(fù)配置、浪費(fèi)資源；檢定操作過程中需要手動(dòng)切換標(biāo)準(zhǔn)互感器的量程；而且對(duì)有電容分壓裝置的高壓電能表的檢定，還需要對(duì)高壓側(cè)進(jìn)行人工放電，所以，檢定操作的自動(dòng)化程度低、安全性能差。

文章研制的這種類型一體化高壓計(jì)量檢定裝置，不僅可完成對(duì)傳統(tǒng)互感器的檢定，同樣也能用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電子式互感器（數(shù)字和模擬）、高壓電能表以及高壓數(shù)字電能表（符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)）的檢定。

1 一體化高壓計(jì)量檢定裝置的設(shè)計(jì)要素

高壓電能表及其他一體化的高壓計(jì)量、測(cè)控設(shè)備，在這里統(tǒng)稱為高壓計(jì)量模塊。對(duì)高壓計(jì)量模塊的檢定，分為互感器誤差檢定和高壓電能表一體化檢定兩個(gè)部分，其共同的特點(diǎn)，就是均要在三相高電壓條件下進(jìn)行；同時(shí)，文章所研發(fā)的一體化高壓計(jì)量檢定裝置，具有以下多個(gè)關(guān)鍵要素：（1）互感器、電能表檢定的一體化。即，是在同一個(gè)高電壓平臺(tái)上，檢定裝置具有互感器比差、角差以及電能計(jì)量誤差的檢定功能。具體地，是利用一體化的檢定裝置，對(duì)互感器的二次信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行離散傅里葉運(yùn)算，得到互感器的比差和角差；而利用該一體化高壓計(jì)量檢定裝置檢定電能表時(shí)，其中的標(biāo)準(zhǔn)電能表接收標(biāo)準(zhǔn)互感器的二次信號(hào)，并將其高速地進(jìn)行電能積分運(yùn)算后，去與被檢電能表計(jì)量的電能量以脈沖的形式比較，從而得到被檢電能表有功電能和無功電能的計(jì)量誤差。（2）三相同步升壓、升流的一體化。即，為了取得與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境完全一致的測(cè)量條件，所研發(fā)的一體化高壓計(jì)量檢定裝置采用了電壓、電流同步升壓及升流的技術(shù)，而為滿足這個(gè)工況，標(biāo)準(zhǔn)電流互感器必須工作在高電壓下。但在高電壓下，如何實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電流互感器一次回路的自動(dòng)安全切換是技術(shù)難點(diǎn)，具體地，文章所研發(fā)的一體化高壓計(jì)量檢定裝置采用的是無線控制的浮地電源自動(dòng)切換技術(shù)。（3）三相四線與三相三線接法的一體化。配電網(wǎng)所需的高壓電能表，大多采用兩元件的V-V接法。但國(guó)網(wǎng)公司提出要采用的一、二次融合技術(shù)方案，則要求高壓電能表采取中心點(diǎn)非有效接地的三元件YY接法。針對(duì)于此，所研發(fā)的一體化高壓計(jì)量檢定裝置在互感器設(shè)計(jì)上，具體采用了雙絕緣的電壓互感器，旨在滿足不同接線方式的靈活應(yīng)用需求。（4）常規(guī)互感器與電子式互感器的一體化。本一體化高壓計(jì)量檢定裝置在設(shè)計(jì)上，還確定了被檢定對(duì)象兼容常規(guī)電磁式互感器和電子式互感器的構(gòu)建原則，其中，被檢電子式互感器，包括小模擬量輸出的電子式互感器，以及通過合并單元輸出遵文章所研發(fā)的一體化高壓計(jì)量檢定裝置，屬于常規(guī)互感器、電子式互感器、合并單元、數(shù)字電能表的一體化校驗(yàn)儀器，這既是該檢定裝置的一個(gè)實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)，也是它的一個(gè)亮點(diǎn)所在。（5）基波誤差與諧波誤差檢定的一體化。文章所研發(fā)的一體化高壓計(jì)量檢定裝置，采用高保真的自反饋電子功率源，其輸出電壓參照內(nèi)部的6.3 V交流參考電壓基準(zhǔn)，通過將該電壓基準(zhǔn)設(shè)計(jì)成諧波成分精密可調(diào)的程控電壓信號(hào)源（DDS），最終使自饋式電子功率源可輸出諧波成分可調(diào)的諧波電能。如此，通過對(duì)互感器、電能表輸出信號(hào)中各次諧波成份誤差的測(cè)量，能明顯增強(qiáng)對(duì)特定非線性負(fù)荷用戶電能計(jì)量裝置的準(zhǔn)確檢定能力。

新型一體化高壓計(jì)量檢定裝置的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)多種不同的一體化內(nèi)涵，所具體研發(fā)實(shí)現(xiàn)的相應(yīng)檢定裝置，可充分滿足配電網(wǎng)電能計(jì)量自動(dòng)化面對(duì)不同對(duì)象的不同需求，對(duì)深入研究、摸清高電壓下運(yùn)行的互感器、電能表的基波及諧波誤差，以及電能計(jì)量綜合誤差的規(guī)律等可提供支撐平臺(tái)。

2 一體化高壓計(jì)量檢定裝置的主要技術(shù)特征和指標(biāo)

文章研制的這種一體化高壓計(jì)量檢定裝置，完全遵照GB/T 11150-2001《電能表檢驗(yàn)裝置》、國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程 JJG 597-2005《交流電能表檢定裝置》及JJG 596-2012《電子式交流電能表》的相關(guān)規(guī)定，并以遵從國(guó)家電網(wǎng)公司新近提出并確立的一、二次融合技術(shù)指導(dǎo)意見為原則［1］。為使其滿足相關(guān)檢定試驗(yàn)要求，其可控電流可以達(dá)到最小額定電流的0.1%；具有自動(dòng)切換一次電流的功能；專門設(shè)計(jì)有一次開路檔位，便于進(jìn)行不平衡負(fù)荷試驗(yàn)和潛動(dòng)試驗(yàn)；一體化檢定的準(zhǔn)確度達(dá)0.02S級(jí)，有功電能脈沖輸出頻率為60 kHz。該檢定裝置滿足GB 20840系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)互感器測(cè)量的要求，其內(nèi)置的雙絕緣標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的工作電壓為10 kV，準(zhǔn)確度為0.01級(jí)；標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的準(zhǔn)確度為0.01S級(jí)，一次額定電流可從5 A到500 A，所設(shè)計(jì)采用的自動(dòng)切換技術(shù)，可有效保證一次電流在0.05 A到600 A范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)互感器的準(zhǔn)確度均能達(dá)到0.01級(jí)。所配置的自動(dòng)切換裝置運(yùn)行在高電壓下，具體由浮動(dòng)電源為其供電，并且經(jīng)光纖或藍(lán)牙通訊對(duì)其進(jìn)行控制，能確保其實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換的安全可靠。

3 一體化高壓計(jì)量檢定裝置的工作原理

3.1 對(duì)高壓電能表或高壓計(jì)量模塊的檢定

10 kV高壓電能表的檢定線路見圖1，其中，由三相程控電源產(chǎn)生三相三線制的工作電壓和電流，經(jīng)過升壓器和升流器后，形成高電壓虛功率回路；升流器和標(biāo)準(zhǔn)電流互感器處于高電壓下，與高壓電能表的工作狀態(tài)完全一致。對(duì)高壓電能表的檢定試驗(yàn)，是通過運(yùn)行裝設(shè)在三相互感器電能表一體化校驗(yàn)儀中的10 kV高壓電能表檢定軟件，并具體按照國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的檢定規(guī)程進(jìn)行的。標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的一次側(cè)具有自動(dòng)切換功能，能使得每個(gè)試驗(yàn)電流均能得到精確的測(cè)量。由于標(biāo)準(zhǔn)電流互感器工作在高電壓下，切換裝置將采用浮動(dòng)電源供電，并通過藍(lán)牙或光纖通訊進(jìn)行控制，以確保安全［6-8］。

圖1 三相三線（兩元件法）的高壓電能表檢定線路Fig.1 Three-phase three-wire（two elements method）of high-voltage watt-hour meter calibration circuit

3.2 對(duì)三相電子式互感器的檢定

圖2 三相四線狀態(tài)下的組合電子式互感器檢定線路Fig.2 Verification circuit of combined electronic transformer in three-phase four wire state

根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司最新提出并確立的一、二次融合技術(shù)方案要求，高壓計(jì)量模塊將采用三相四線制接線，中心點(diǎn)要做非有效接地；而且，要采用模擬量輸出的電子式互感器，電壓輸出采用電阻分壓器，額定二次電壓為3.25 V，電流輸出采用小功率線圈，以電壓形式表示的額定輸出為1 V。圖2為檢定三相組合式電子式互感器誤差的原理接線圖，其中，高壓電能計(jì)量單元采用高電壓虛功率平臺(tái)。由于標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器的額定二次電壓為100 V或標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的額定二次電流為5 A或1 A，但是，被檢電子式電壓互感器的額定二次電壓為3.25 V、電子式電流互感器的額定二次電壓值是1 V，故，被檢與標(biāo)準(zhǔn)之間無法直接形成差壓或差流，所以，對(duì)三相互感器可實(shí)現(xiàn)同步檢定的一體化高壓計(jì)量檢定裝置采用了基于離散傅里葉變換的多通道直接測(cè)量法，其比差的分辨率達(dá)到0.001%，角差的分辨率達(dá)到0.01′，基本誤差滿足0.02級(jí)測(cè)量準(zhǔn)確度；采用基于LINUX嵌入式系統(tǒng)的觸摸式大屏幕，能同時(shí)顯示三相電壓互感器和三相電流互感器各個(gè)檢定測(cè)量點(diǎn)的比差和角差，完全滿足檢定工作需求要求。

3.3 三相一體化高壓計(jì)量檢定裝置工作原理

文中所研發(fā)的一體化高壓計(jì)量檢定裝置的核心模塊即構(gòu)建原理見圖3。它們?yōu)閷?shí)現(xiàn)對(duì)三相互感器和電能表的檢定提供了全面的檢定測(cè)試工具，兼顧了三相六模擬量輸出電子式互感器的誤差，三相高壓電能表的誤差檢定功能。該檢定裝置的后臺(tái)采用LINUX嵌入式操作系統(tǒng)，底層核心硬件由32位微型單片機(jī)、24位Σ-Δ高速AD轉(zhuǎn)換器和高速FPGA等組成，對(duì)單個(gè)電學(xué)量真有效值的測(cè)量的準(zhǔn)確度可達(dá)到0.005%；對(duì)有功電能的測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)到0.01級(jí)；測(cè)量互感器輸出的準(zhǔn)確度為0.02級(jí)。

圖3 三相一體化高壓計(jì)量檢定裝置核心部分的模塊分布圖Fig.3 Module distribution diagram of the core part of three-phase integrated high voltage measurement and verification device

三相一體化高壓計(jì)量檢定裝置的主要硬件部分包括電源模塊、互感器模塊、AD模塊、同步模塊、光電模塊、控制和數(shù)據(jù)處理模塊，該檢定裝置實(shí)現(xiàn)檢定互感器誤差的原理框圖如見圖4所示。

圖4 互感器誤差檢定測(cè)試原理框圖Fig.4 Principle block diagram of error test and measurement ofmutual inductor

標(biāo)準(zhǔn)互感器和被測(cè)互感器接受同樣的一次側(cè)高電壓、大電流信號(hào)后，產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)。采樣單元同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和被測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣，得到相應(yīng)的數(shù)字量。運(yùn)算處理單元對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字量和被測(cè)數(shù)字量進(jìn)行傅里葉變換，并計(jì)算出相應(yīng)的有效值和初相角，每個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)250。再通過運(yùn)算、比較及處理，獲得角差和比差等測(cè)試數(shù)據(jù)，并將這些測(cè)試結(jié)果送回上位機(jī)。在互感器誤差測(cè)量功能的實(shí)現(xiàn)上，采用了基于極坐標(biāo)系的直接測(cè)量法，并且能夠兼顧完成對(duì)傳統(tǒng)電磁式互感器、模擬量輸出的電子式互感器以及數(shù)字量輸出互感器誤差的檢定測(cè)試。該檢定裝置實(shí)現(xiàn)電能計(jì)量誤差測(cè)量的原理框圖如圖5所示。

圖5 電能誤差測(cè)量原理框圖Fig.5 Principle block diagram of electric energy error measurement

從圖5可見，Linux上位機(jī)軟件根據(jù)界面設(shè)置，配置數(shù)字功率源和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表。數(shù)字功率源輸出的數(shù)字報(bào)文，分別送到被測(cè)數(shù)字電能表和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電能表，它們解析所收到的數(shù)字報(bào)文、計(jì)算出電能量，并根據(jù)計(jì)算出的相應(yīng)電能量，分別產(chǎn)生相應(yīng)頻率的高頻脈沖和低頻脈沖。誤差計(jì)算單元通過比較、分析高頻脈沖和低頻脈沖所代表的電能量，再計(jì)算出兩個(gè)數(shù)字電能表的電能計(jì)量誤差，并將測(cè)試結(jié)果送回上位機(jī)。該檢定裝置可以兼顧完成對(duì)數(shù)字電能表和普通模擬式電能表的檢定。

文章工作中研發(fā)的一體化高壓計(jì)量檢定裝置，以所具有的先進(jìn)軟硬件架構(gòu)、豐富的Linux嵌入式軟件界面，可完成從互感器到電能表的多種檢定測(cè)試功能；同時(shí)，其配備的以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的工業(yè)以太網(wǎng)接口，能使其與后臺(tái)管理軟件快速地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。因此，該檢定裝置在實(shí)驗(yàn)室檢定或現(xiàn)場(chǎng)在線校驗(yàn)方面有著廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語

通過采用互感器直接測(cè)量法、高電壓下一次側(cè)電流自動(dòng)切換技術(shù)、高壓標(biāo)準(zhǔn)電流互感器以及核心部件，研制出了一種0.05級(jí)一體化高壓計(jì)量檢定裝置，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)高壓計(jì)量模塊即互感器和電能表的一體化檢定。因此，文章所研發(fā)出的這款新型一體化高壓計(jì)量檢定裝置，將在配電網(wǎng)自動(dòng)化及營(yíng)銷計(jì)量領(lǐng)域，尤其是將在對(duì)國(guó)網(wǎng)公司最新提出并確立的一、二次融合技術(shù)方案所需的高壓電能表及組合電子式互感器的綜合、一體化檢定方面，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。