劉煥磊 賀晉宏 康 健

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司長(zhǎng)治供電公司，山西 長(zhǎng)治 046001）

智能變電站二次回路計(jì)量裝置綜合誤差離線測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉煥磊 賀晉宏 康 健

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司長(zhǎng)治供電公司，山西 長(zhǎng)治 046001）

針對(duì)國(guó)內(nèi)智能變電站二次回路計(jì)量裝置綜合誤差測(cè)量沒(méi)有成熟測(cè)量設(shè)備的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一套智能變電站二次回路計(jì)量裝置綜合誤差離線測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)接收被檢電能表電能脈沖信號(hào)并與標(biāo)準(zhǔn)電能表測(cè)得的三相交流電能進(jìn)行對(duì)比的方法，實(shí)現(xiàn)了智能變電站二次回路計(jì)量裝置綜合誤差的測(cè)量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。該裝置的設(shè)計(jì)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)智能變電站二次回路綜合誤差測(cè)量的空白，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作，為智能變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

三相交流源；綜合誤差測(cè)量；無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸

隨著IEC 61850應(yīng)用的進(jìn)一步深入，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成了相當(dāng)一部分智能變電站試點(diǎn)，對(duì)于山西省內(nèi)的智能變電站來(lái)說(shuō)，基本都是“傳統(tǒng)互感器+模擬量輸入式合并單元”模式的智能變電站[1]，該變電站采用數(shù)字式電壓、電流輸入式智能電表[2-3]。目前，對(duì)于智能變電站計(jì)量二次系統(tǒng)計(jì)量裝置綜合誤差的檢測(cè)還沒(méi)有成熟的檢測(cè)設(shè)備，長(zhǎng)治地區(qū)采用的方式是，變電站投運(yùn)前對(duì)計(jì)量用電壓、電流互感器進(jìn)行升壓、升流，通過(guò)觀察數(shù)字表內(nèi)信息來(lái)判斷合并單元到數(shù)字表的計(jì)量二次回路數(shù)字信息傳遞是否通暢，對(duì)比數(shù)字表顯示的電壓電流值與互感器側(cè)升壓、升流值來(lái)粗略判斷表計(jì)和其他二次回路計(jì)量裝置的準(zhǔn)確性。此種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力并且沒(méi)有準(zhǔn)確度可言，因此研發(fā)一種能夠?qū)χ悄茏冸娬径位芈酚?jì)量裝置綜合誤差進(jìn)行測(cè)量的裝置勢(shì)在必行。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文參考了文獻(xiàn)[4]中合并單元誤差范圍的標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)[5-9]中數(shù)字電能表的檢測(cè)方法研究，設(shè)計(jì)了一套智能變電站二次回路計(jì)量裝置綜合誤差離線測(cè)量系統(tǒng)，由該系統(tǒng)直接輸出模擬量進(jìn)行測(cè)量[10]，可以在離線條件下測(cè)量智能變電站二次回路計(jì)量裝置的綜合誤差，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作的復(fù)雜度，有效克服傳統(tǒng)測(cè)量方法的缺點(diǎn)，加快了工程現(xiàn)場(chǎng)的驗(yàn)收進(jìn)度，節(jié)省了人力，為智能變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要保障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案與工作原理

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

離線測(cè)量系統(tǒng)由便攜式電能計(jì)量二次回路檢定裝置、電壓放線車和數(shù)字電能表脈沖無(wú)線發(fā)射端三部分組成。

便攜式電能計(jì)量二次回路檢定裝置主要由三相交流模擬源和內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)電能表組成。在離線測(cè)量時(shí)為 PT、CT模擬量輸入合并單元提供電壓、電流，并完成誤差測(cè)量功能。

電壓放線車實(shí)現(xiàn)為 PT端子箱模擬量輸入合并單元輸入電壓的功能。

測(cè)試智能變電站二次回路計(jì)量裝置綜合誤差時(shí)，表計(jì)側(cè)到合并單元側(cè)距離較遠(yuǎn)，脈沖信號(hào)若通過(guò)線車傳輸一方面會(huì)造成信號(hào)衰減；另一方面在拉線過(guò)程中容易短路或者開路，危險(xiǎn)性高。本項(xiàng)目采用無(wú)線射頻同步技術(shù)解決測(cè)量綜合誤差時(shí)的脈沖傳輸問(wèn)題。數(shù)字電能表脈沖無(wú)線發(fā)射端將被測(cè)數(shù)字電能表的電能脈沖信號(hào)通過(guò)射頻同步技術(shù)發(fā)送給便攜式電能計(jì)量二次回路檢定裝置。進(jìn)而計(jì)算出綜合誤差。

1.2 系統(tǒng)工作原理

在離線狀態(tài)下測(cè)量智能變電站二次回路計(jì)量裝置綜合誤差時(shí)，將便攜式電能計(jì)量二次回路檢定裝置放置在CT端子箱附近，就近給CT端子箱提供三相交流電流，通過(guò)電壓放線車給 PT端子箱提供三相交流電壓；數(shù)字電能表脈沖無(wú)線發(fā)射端放在被檢電能表附近采集并編碼被檢數(shù)字電能表脈沖信號(hào)，利用射頻模塊 CC1100把編碼后的電能脈沖信號(hào)發(fā)送給便攜式電能計(jì)量二次回路檢定裝置，該裝置的FPGA將收到的脈沖信號(hào)解碼后，根據(jù)脈沖中的時(shí)間標(biāo)志將數(shù)據(jù)對(duì)齊，脈沖比較器同時(shí)接收標(biāo)準(zhǔn)電能表的脈沖和被檢電能表的脈沖，根據(jù)時(shí)間標(biāo)志將兩者同步后，計(jì)算出回路綜合誤差。工作原理圖如圖1所示。

圖1 智能變電站二次回路計(jì)量裝置綜合誤差離線測(cè)量系統(tǒng)工作原理圖

2 便攜式電能計(jì)量二次回路檢定裝置設(shè)計(jì)

便攜式電能計(jì)量二次回路檢定裝置主要由三相交流模擬源、標(biāo)準(zhǔn)電能表、射頻接收模塊和人機(jī)交互模塊四部分組成。其中三相交流模擬源和脈沖無(wú)線收發(fā)模塊的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)使得裝置整體更加輕便、易于攜帶，同時(shí)降低了裝置生產(chǎn)成本。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 便攜式電能計(jì)量二次回路檢定裝置結(jié)構(gòu)框圖

2.1 三相交流模擬源

1）新型三相交流模擬源的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的電壓、電流源采用數(shù)字信號(hào)處理器、D/A轉(zhuǎn)換器、線性功放、電壓電流互感器和線性電源的組合方式，存在體積笨重、效率低、成本高、故障率高、不易攜帶的缺點(diǎn)。在本項(xiàng)目中，用數(shù)字功率放大器、開關(guān)電源和低通濾波器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電壓電流源中的線性功放、線性電源和電壓電流互感器，使得設(shè)備體積小，重量輕，易攜帶。

2）新型三相交流模擬源的工作原理

工作時(shí)，三相交流模擬源先將交流信號(hào)變?yōu)楦邏褐绷餍盘?hào)，然后將輸出的信號(hào)通過(guò)高速轉(zhuǎn)換開關(guān)調(diào)制為所需信號(hào)；輸出波形通過(guò)低通濾波器把超高頻濾除，僅留所需的低頻電壓電流信號(hào)。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)電能表

標(biāo)準(zhǔn)電能表用來(lái)測(cè)量由三相交流模擬源輸出的三相電能并與被測(cè)數(shù)字電能表電能脈沖信號(hào)對(duì)比計(jì)算出智能變電站二次回路計(jì)量裝置的綜合誤差。

1）標(biāo)準(zhǔn)電能表的測(cè)量原理

標(biāo)準(zhǔn)電能表將輸入的電壓、電流信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理分別送入模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后由主控制器進(jìn)行處理，計(jì)算出相應(yīng)電參量的測(cè)量值，最后主控制器將測(cè)量結(jié)果送入顯示器進(jìn)行顯示。

2）有效電壓、有效電流及功率的計(jì)算方法

設(shè)Veff為交流電壓的有效值，Ieff為交流電流的有效值，P為平均功率，T為周期，其計(jì)算式為

將上式表示為在一個(gè)周期內(nèi)等時(shí)間間隔的取 N個(gè)點(diǎn)，設(shè)時(shí)間間隔為Δt，則得到下式：

式中，u(k)、i(k)分別為第k點(diǎn)u、i的采樣值。因而，微處理器便可根據(jù)電壓、電流的采樣值計(jì)算出有效電壓、有效電流及平均功率P。

2.3 射頻同步接收模塊

使用TI公司的CC1100射頻芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線射頻信號(hào)接收，將電磁波頻率設(shè)定為 433MHz，選擇透明傳輸 GFSK調(diào)制方式。無(wú)線通信距離可達(dá)500m，時(shí)間同步誤差小于1μs。完全滿足傳輸要求。

2.4 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互接口包括液晶顯示器、面板按鍵、USB鼠標(biāo)和鍵盤。用于顯示測(cè)量結(jié)果和操作便攜式電能計(jì)量二次回路檢定裝置完成各項(xiàng)功能。

3 數(shù)字電能表脈沖無(wú)線發(fā)射端設(shè)計(jì)

數(shù)字電能表脈沖無(wú)線發(fā)射端由 FPGA、射頻同步發(fā)送模塊、充放電管理電源電路和鋰聚合物電池四部分組成。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 數(shù)字電能表脈沖無(wú)線發(fā)射端結(jié)構(gòu)框圖

3.1 數(shù)字電能表脈沖無(wú)線發(fā)射端的發(fā)射原理

數(shù)字電能表脈沖無(wú)線發(fā)射端的脈沖輸入端子接收被檢數(shù)字電能表的電能脈沖信號(hào)后將信后發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮、編碼后通過(guò)射頻同步發(fā)送模塊將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成電磁波信號(hào)發(fā)送給便攜式電能計(jì)量二次回路檢定裝置。

采用鋰聚合物電池為數(shù)字電能表脈沖無(wú)線發(fā)射端供電，避免對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生干擾。

3.2 數(shù)字電能表脈沖無(wú)線發(fā)射端器件選型

FPGA同樣選擇 XILINX公司的 SPARTAN6 FPGA。對(duì)收到的被檢表電能脈沖進(jìn)行編碼，驅(qū)動(dòng)射頻芯片將脈沖信號(hào)發(fā)送給便攜式電能計(jì)量二次回路檢定裝置。

射頻芯片同樣選擇TI公司的CC1100芯片。

充放電管理電源選擇LINEAR公司的LT3652和LTC2943作為充放電管理和電量監(jiān)測(cè)方案。LTC2943以1%的精度準(zhǔn)確測(cè)量鋰聚合物電池的電壓、電流、電量和溫度，能夠準(zhǔn)確評(píng)估鋰聚合物電池的充電狀態(tài)，通過(guò)I2C接口與FPGA進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)將鋰聚合物電池的狀態(tài)信息發(fā)送給低壓側(cè)數(shù)據(jù)接收終端。FPGA通過(guò)I/O控制LT3652可實(shí)現(xiàn)智能充放電管理，從而保障高壓互感器的安全可靠運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)以上設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)各部分進(jìn)行檢測(cè)，三相交流源的檢測(cè)方法如圖4所示。射頻模塊性能測(cè)試方法如圖5所示。表1、表2分別為三相交流源檢測(cè)結(jié)果。圖6為射頻模塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看出該離線測(cè)量系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 三相交流源檢驗(yàn)方法

圖5 射頻模塊性能測(cè)試方法

表1 電壓、電流準(zhǔn)確度檢測(cè)

表2 功率檢測(cè)

圖6 射頻同步模塊實(shí)驗(yàn)波形圖

1）三相交流源準(zhǔn)確度評(píng)估

對(duì)三相交流源電壓、電流、功率準(zhǔn)確度及2min穩(wěn)定度進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法如圖4所示。檢驗(yàn)結(jié)果分別見表1、表2。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，該三線交流源電壓、電流準(zhǔn)確度符合 0.1%，功率準(zhǔn)確度符合 0.1%，電壓、電流穩(wěn)定度符合0.05%/2min。

2）射頻模塊性能試驗(yàn)

射頻信號(hào)頻率為433MHz，抖動(dòng)小于1μs。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套可在離線條件下測(cè)量智能變電站二次回路計(jì)量裝置綜合誤差的系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了其中新型三相交流源、射頻收發(fā)模塊的技術(shù)原理和芯片選型。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，各性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，該裝置簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作，為智能變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

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The Design of Integrated Error Offline Measurement System for Secondary Loop Measurement Device of Intelligent Substation

Liu Huanlei He Jinhong Kang Jian
(State Grid Shanxi Electric Power Company Changzhi Power Supply Company, Changzhi, Shanxi 046001)

In view of the domestic intelligent substation secondary loop metering device integrated error measuring not mature and the present situation of the measuring equipment, design a set of intelligent substation secondary loop metering device integrated error off-line measuring system. By receiving the system checked watt-hour meter power pulse signal measured and compared with standard watt-hour meter three-phase ac electric energy comparing method, realizes the intelligent substation secondary loop metering device comprehensive error of measurement. The system meets the design requirements through laboratory testing. The design of the device fills the gap in the comprehensive error measurement of the secondary circuit of the domestic intelligent substation, simplifies the field testing work and provides the guarantee for the safe and stable operation of the intelligent substation.

three-phase communication source; comprehensive error measurement; wireless data transmission

劉煥磊（1983-），男，碩士研究生，工程師，長(zhǎng)期從事計(jì)量檢定一線技術(shù)工作。