賴(lài)榮光,高翔,胡仁俊

(1.珠海安瑞通電子科技有限公司,廣東 珠海 519000; 2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣州 510640)

0 引 言

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 37968-2019《高壓電能計(jì)量設(shè)備校驗(yàn)裝置》定義的高壓電能計(jì)量設(shè)備校驗(yàn)裝置(以下簡(jiǎn)稱(chēng)校驗(yàn)裝置)是一種由源、標(biāo)準(zhǔn)裝置以及誤差計(jì)算系統(tǒng)組成的集合,并用于檢驗(yàn)6 kV～35 kV三相或單相高壓電能的計(jì)量設(shè)備(以下簡(jiǎn)稱(chēng)被檢設(shè)備)。被檢設(shè)備包括傳統(tǒng)高壓電能計(jì)量箱(柜)、一體化高壓電能表[1]、配電網(wǎng)同期線(xiàn)損測(cè)量裝置、12千伏一、二次融合柱上斷路器(具有電能計(jì)量功能)等。校驗(yàn)裝置的“源”是指能夠產(chǎn)生頻率、相位和幅值可調(diào)的電壓、電流且有一定負(fù)載能力的裝置。“高電壓、大電流”的輸出實(shí)際上以三相低壓程控功率源、高壓升壓器、高壓升流器和高壓標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、電流互感器[2]為核心組成的控制系統(tǒng)進(jìn)行輸出控制和反饋,而高壓升流器及其電流互感器由多個(gè)檔位組成以保證允許輸出在測(cè)量范圍內(nèi)的精度,如0.2級(jí),從而滿(mǎn)足輸出符合檢定規(guī)程的不同幅值和角度的電流值,通常升流器與電流互感器采用分體式而不是一體式結(jié)構(gòu)以增大升流器的額定容量[3]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32856-2016《高壓電能表通用技術(shù)要求》所定義的額定電流標(biāo)準(zhǔn)值為5 A、10 A、15 A、…、400 A、500 A和600 A,為了滿(mǎn)足校驗(yàn)時(shí)輸出0.01%In～I(xiàn)max的寬量程電流值、額定電壓和不同功率因數(shù),需要切換高壓升流器及其電流互感器的檔位。

根據(jù)電網(wǎng)的安裝設(shè)計(jì)規(guī)范,大約每300 kV·A用電負(fù)荷配置一臺(tái)10 kV傳統(tǒng)高壓電能計(jì)量裝置,估計(jì)全國(guó)預(yù)計(jì)需求量超過(guò)100萬(wàn)臺(tái)。另外近幾年興起且應(yīng)用于10 kV配電網(wǎng)同期線(xiàn)損[4-5]管理與考核的一體化高壓電能表和分線(xiàn)線(xiàn)損計(jì)量裝置[6],安裝在10 kV架空線(xiàn)路與環(huán)網(wǎng)柜的聯(lián)絡(luò)、分段、分支或分界位置,用于負(fù)荷轉(zhuǎn)供時(shí)實(shí)現(xiàn)電能雙向計(jì)量,依賴(lài)用電信息采集系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳和自動(dòng)采集,結(jié)合一體化電量和線(xiàn)損管理系統(tǒng),自動(dòng)計(jì)算10 kV配電網(wǎng)的日(月)分線(xiàn)線(xiàn)損,降低線(xiàn)損計(jì)算打包率,可以快速有效治理高(負(fù))線(xiàn)損,查處高壓竊電。與傳統(tǒng)高壓電能計(jì)量裝置相比,此類(lèi)新型輕量化設(shè)備高度集成了高壓取能、高壓計(jì)量、硬件加密和遠(yuǎn)程通信等一二次融合技術(shù)[7],改變了傳統(tǒng)的計(jì)量方式,利于整體檢定和校驗(yàn),測(cè)量的電能精度為整體誤差而不是綜合誤差[8];大大減少了銅、鐵等金屬材料的消耗,具有資源節(jié)約、體積小、易運(yùn)輸、易安裝的特點(diǎn),符合國(guó)家的“碳達(dá)峰、碳中和”政策。國(guó)內(nèi)應(yīng)用總數(shù)超過(guò)10 000臺(tái),正是當(dāng)今研發(fā)與應(yīng)用的熱點(diǎn)。為了準(zhǔn)確得到高壓電能表的整體誤差,滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確度越來(lái)越高的要求,國(guó)內(nèi)目前有多個(gè)廠(chǎng)家對(duì)高壓電能表的校驗(yàn)裝置展開(kāi)研究,并取得了初步成果。在現(xiàn)有大多數(shù)高壓電能表校驗(yàn)中,為了保證電流輸出的準(zhǔn)確度,當(dāng)輸出一定量程的電流時(shí),需要將校驗(yàn)裝置停機(jī),依靠人工手動(dòng)更換高壓升流器或高壓電流互感器的檔位,而不是由電流檔位自動(dòng)切換機(jī)構(gòu)完成,這會(huì)嚴(yán)重影響校驗(yàn)裝置在實(shí)際批量生產(chǎn)或檢測(cè)時(shí)的安全性、時(shí)效性、自適應(yīng)性和自動(dòng)化水平。

文中基于電子控制技術(shù)設(shè)計(jì)了一種可在高壓大電流回路中進(jìn)行電流檔位智能切換的控制器,即在高壓側(cè)的電流輸出和反饋回路串聯(lián)了多個(gè)并行磁保持繼電器,通過(guò)一個(gè)或多個(gè)繼電器的同步開(kāi)合實(shí)現(xiàn)升流器及電流互感器的一次側(cè)給定檔位選通;另外,電流互感器二次接線(xiàn)的輸出檔位直接驅(qū)動(dòng)小型固態(tài)繼電器閉合與斷開(kāi),以選通繼電器作為電流量程的切換,實(shí)現(xiàn)校驗(yàn)裝置工作時(shí)的電流線(xiàn)性輸出;同時(shí),還設(shè)計(jì)了一款用于校表與檢表的智能化軟件。與采用PLC控制步進(jìn)電機(jī)的機(jī)電控制方式相比,降低了高壓工作環(huán)境下需具備較高絕緣水平和較大安全距離的要求,具有切換速度快、安全性高、維護(hù)性強(qiáng)、噪聲低的特點(diǎn)。

1 電流檔位控制器硬件方案

1.1 校驗(yàn)裝置系統(tǒng)組成

文中設(shè)計(jì)的校驗(yàn)裝置工作原理如圖1所示,包括三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表、三相程控功率源、10 kV高壓升壓器及標(biāo)準(zhǔn)電壓互感器、10 kV高壓升流器及標(biāo)準(zhǔn)電流互感器、多表位電能誤差計(jì)[9]、電流檔位控制器等,智能化檢表軟件運(yùn)行在安裝有Windows系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)(PC機(jī))上。采用三元件法(3個(gè)10 kV升壓器)升壓與反饋、二元件法(2個(gè)10 kV高壓升流器及其電流互感器)升流與反饋實(shí)施源控制,電壓輸出0～10 kV、電流輸出0～400 A,相位0～360°,整體準(zhǔn)確度0.05級(jí)。三元件法升壓相比二元件法升壓,輸入電壓降為1.732倍,可以降低10 kV升壓器的絕緣耐壓水平,提高升壓器的使用壽命與安全水平。一旦升源成功,將三相多功能標(biāo)準(zhǔn)表由三元法計(jì)量模式自動(dòng)切換成二元法計(jì)量,保持與高壓電能表的二元件法計(jì)量的原理一致,保證接線(xiàn)正確、杜絕少記電量[10]。

圖1 高壓電能表校驗(yàn)裝置系統(tǒng)框圖

10 kV高壓升流器具有5個(gè)輸出檔位,10 kV高壓電流互感器具有6個(gè)輸入檔位,它們的一次側(cè)與二次側(cè)接線(xiàn)的檔位對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 10 kV高壓電流互感器一二次接線(xiàn)對(duì)應(yīng)關(guān)系

10 kV高壓升流器一次接線(xiàn)即高壓側(cè)有5個(gè)輸出檔位(L1L2～L1L6),輸入電壓0～220 V,最大輸出400 A,輸出功率2 kV·A。L2～L6分別對(duì)應(yīng)400 A、250 A、100 A、50 A、25 A,其中L1為公共端。

10 kV高壓電流互感器一次接線(xiàn)有6個(gè)輸入檔位(L1L2～L1L7),二次接線(xiàn)有5個(gè)輸出檔位(K1K2～K1K6),準(zhǔn)確度等級(jí)0.05,其中L1和K1為公共端。

1.2 電流檔位控制器的方案對(duì)比與分析

校驗(yàn)裝置通過(guò)低壓的三相程控源經(jīng)過(guò)10 kV高壓升流器、10 kV高壓電流互感器輸出滿(mǎn)足檢定精度要求的電流幅值以及與電壓間的角差,兩者在輸入與輸出端都具有不同量程的檔位。根據(jù)電流輸出值所處量程自動(dòng)閉合或斷開(kāi)相應(yīng)檔位,可以采用機(jī)電式與電子式的電流檔位切換機(jī)構(gòu)。

機(jī)電式結(jié)構(gòu)采用PLC控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿護(hù)套移動(dòng)滑塊實(shí)現(xiàn)切換不同電流檔位,主要由步進(jìn)直線(xiàn)電機(jī)、PLC控制卡、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、各個(gè)檔位光電開(kāi)關(guān)、導(dǎo)向桿、絲桿、滑塊、感應(yīng)片等組成。優(yōu)點(diǎn)是高低壓分離換擋后絕緣性好,安全性高;由于引入分檔實(shí)現(xiàn)保證1 A～500 A輸出電流的線(xiàn)性度以及相位的準(zhǔn)確度,失真度低,穩(wěn)定度好。缺點(diǎn)是換擋時(shí)依靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致速度慢(約為15 s—60 s)、噪聲大、可維護(hù)性差。特別是輸出電流大于300 A時(shí)電流換擋需要30 s以上,對(duì)感應(yīng)片的觸點(diǎn)容量要求較高,長(zhǎng)時(shí)間工作在大電流時(shí)容易燒蝕觸點(diǎn),需要上位機(jī)軟件控制其運(yùn)行時(shí)間,無(wú)法承擔(dān)長(zhǎng)時(shí)間大電流的試驗(yàn)與校驗(yàn)。

文中設(shè)計(jì)的電流檔位控制器為電子式結(jié)構(gòu),其采用微控制器、無(wú)線(xiàn)通信模塊、磁保持繼電器、隔離電源等,工作原理框圖參見(jiàn)圖2。

圖2 高壓側(cè)電流檔位控制器原理框圖

所設(shè)計(jì)的電流檔位控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可編程、成本低、換擋速度快、可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn),可以承受大電流的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行與工作,檔位切換時(shí)間依賴(lài)于通信命令的下發(fā)與響應(yīng),約為3 s—6 s。但是,需要對(duì)無(wú)線(xiàn)通信模塊的信道做統(tǒng)一規(guī)劃,以防受到同頻干擾。

1.3 電流檔位控制器的硬件設(shè)計(jì)

將校驗(yàn)裝置工作時(shí)的電壓區(qū)域劃分為高壓與低壓兩個(gè)區(qū)域,因采用二元件法升流,在A(yíng)/C相高、低壓側(cè)分別配置一個(gè)獨(dú)立的電流檔位控制器,運(yùn)用電子式電流檔位切換機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與應(yīng)用。以電流檔位250 A為例,其高壓側(cè)控制器的繼電器升流與反饋控制電路接口電路圖參見(jiàn)圖3,其中L3A為繼電器升流控制,L3B為互感器反饋控制。

低壓側(cè)控制器接入的電流互感器二次側(cè)輸出電流最大只有幾安培,可直接使用固態(tài)繼電器(AC 250 V,10 A)作為開(kāi)關(guān),設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單。但高壓側(cè)控制器的控制IO連接升流器與電流互感器的一次接線(xiàn)端子所串接繼電器的控制接口,工作于高壓大電流回路,承載最大電流為400 A,需使用磁保持繼電器(DC 12 V,300 A)作為開(kāi)關(guān)元件串接在電流回路中。相比一般電磁繼電器,磁保持繼電器具有高可靠性、安全性及抗短路電流能力[11]。單個(gè)三相磁保持繼電器的最大允許電流為300 A,當(dāng)輸出300 A以上的電流檔位,需要并接2個(gè)磁保持繼電器;輸出小于300 A的電流檔位則只需要1個(gè)磁保持繼電器。據(jù)此需求,設(shè)計(jì)出分別用于A(yíng)相與C相獨(dú)立的一組磁保持繼電器。

2 電流檔位控制器軟件設(shè)計(jì)

2.1 電流檔位控制命令

電流檔位控制器對(duì)升流器的一次輸出側(cè)繼電器、電流互感器一次/二次反饋側(cè)繼電器的動(dòng)作執(zhí)行,完全取決于檢表軟件下發(fā)的控制命令。檢表軟件在下發(fā)命令之前將自動(dòng)抄讀繼電器組的當(dāng)前供電狀態(tài)、開(kāi)/合狀態(tài)、異常狀態(tài)標(biāo)志等,并且控制器在編程允許狀態(tài)下才能響應(yīng)檢表軟件的打開(kāi)或關(guān)閉繼電器的命令,防止繼電器收到其他同頻同地址的控制報(bào)文,嚴(yán)禁避免繼電器的誤動(dòng)作,達(dá)到智能控制的要求。檢表軟件與控制器的控制命令及其格式如表2所示。

表2 電流檔位控制器的控制命令

2.2 電流檔位自動(dòng)切換控制

高壓側(cè)電流檔位控制器位于校驗(yàn)裝置機(jī)柜的高壓側(cè),從內(nèi)外隔離和絕緣的安全性、通信穩(wěn)定性和硬件成本考慮[12],選擇本地微功率短距離無(wú)線(xiàn)通信模塊A7139(頻段470 MHz～510 MHz)實(shí)現(xiàn)檢表軟件與控制器的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,以避免有線(xiàn)通信的高壓干擾、絕緣和安全等問(wèn)題;同時(shí)選擇的處理器R5F100PJAFB的IO接口具有優(yōu)良的EMC特性,在高電壓大電流的工作環(huán)境之下保持接口的電平穩(wěn)定性,防止繼電器的誤動(dòng)作而出現(xiàn)電流互感器開(kāi)路;另外A/C相高、低壓側(cè)控制器的無(wú)線(xiàn)模塊處于同一無(wú)線(xiàn)信道(最大32信道,可設(shè)),控制器配置不同的通信地址。當(dāng)具有編址的控制器接收到檢表軟件下發(fā)的電流檔位切換命令,必須嚴(yán)格校驗(yàn)命令的正確性,精準(zhǔn)控制電流檔位的輸出與反饋繼電器接通或斷開(kāi)是否到位,保證電流回路不能開(kāi)路。另外,對(duì)于電流輸出量程相同,即升流器與電流互感器檔位一致,在此量程范圍內(nèi)則不需要切換檔位。

控制器上電完成自檢之后處于空閑狀態(tài),當(dāng)校驗(yàn)裝置對(duì)被檢設(shè)備需要輸出不同相別、幅值和角度的電壓與電流時(shí),由檢表軟件發(fā)出升源命令,根據(jù)當(dāng)前電流檔位狀態(tài)確認(rèn)是否需要輸出0 A、保持當(dāng)前電流擋或者切換至其它電流擋,若有異常則立刻中止,電流檔位自動(dòng)切換控制流程詳見(jiàn)圖4。

上世紀(jì)70年代物資匱乏，對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí)攝影是奢侈的，因?yàn)楹诎啄z片不僅價(jià)格較貴、不易保存，而且洗印工藝復(fù)雜。洗印出來(lái)的同一幅作品沒(méi)有完全一模一樣的，件件稱(chēng)得上“絕版”。從事攝影工作的人既要具備藝術(shù)家的天賦和悟性，又要具備工匠精益求精的韌勁，還要具備一定的文字功底。

圖4 高壓側(cè)電流檔位切換控制流程圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 檢表軟件設(shè)計(jì)

基于C#語(yǔ)言、.Net4.0框架、Access數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款檢表軟件,采用了多線(xiàn)程、串口通信、定時(shí)器、異步調(diào)用、面向?qū)ο蟮染幊碳夹g(shù),對(duì)功率源、標(biāo)準(zhǔn)表、誤差計(jì)等設(shè)備進(jìn)行多串口通信、多規(guī)約處理和多任務(wù)設(shè)計(jì),支持友好的人機(jī)界面,以文件或數(shù)據(jù)庫(kù)保存相關(guān)配置文件和檢測(cè)結(jié)果,主要包括以下功能。

1)系統(tǒng)配置:配置功率源、標(biāo)準(zhǔn)電能表、多表位誤差計(jì)的通信端口及參數(shù),配置10 kV高壓升壓器的變比、10 kV高壓升流器的檔位和變比及其允許輸出的最大電流、高/低壓側(cè)各相電流檔位控制器的通信地址等;

2)電能表配置:配置各個(gè)表位的高壓電能表(或其它高壓電能計(jì)量裝置)型號(hào)、接線(xiàn)方式、表地址、額定電壓、額定電流、誤差等級(jí)、脈沖常數(shù)、無(wú)線(xiàn)信道等;

3)方案配置:主要配置檢表誤差方案,根據(jù)不同設(shè)備類(lèi)型定制檢表的分相與合相不同負(fù)載點(diǎn),并且保存在A(yíng)ccess數(shù)據(jù)庫(kù)中,方便在檢表界面直接根據(jù)設(shè)備類(lèi)型選擇檢表方案名稱(chēng);

4)手動(dòng)控源:手動(dòng)控制升壓與升流,調(diào)試控制器的命令收發(fā)、繼電器開(kāi)合、繼電器狀態(tài)等;

5)自動(dòng)檢表:根據(jù)選擇的高壓電能表的型號(hào)、規(guī)格、檢表方案等實(shí)施自動(dòng)檢表。其中在檢表過(guò)程中,由于不同的檢表點(diǎn)需要輸出分相或合相的額定電壓、不同的電流幅值和功率因數(shù),通過(guò)文中論述的電流檔位自動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)電流自動(dòng)換檔,滿(mǎn)足一體化高壓電能表的自動(dòng)檢定需求,檢表數(shù)據(jù)自動(dòng)保存在A(yíng)ccess數(shù)據(jù)庫(kù)中;

6)查詢(xún)與導(dǎo)出:按照被檢設(shè)備的類(lèi)型和地址查詢(xún)和篩選檢表記錄,以EXCEL表格導(dǎo)出被檢設(shè)備的各項(xiàng)檢表數(shù)據(jù),并以文本文件方式自動(dòng)記錄所有控制對(duì)象(功率源、標(biāo)準(zhǔn)表、誤差計(jì)、被檢設(shè)備、電流檔位控制器)的通信報(bào)文記錄。

3.2 電流精確輸出實(shí)驗(yàn)

檢表軟件在多次調(diào)整輸出時(shí),電壓、電流幅值調(diào)節(jié)細(xì)度為0.02%,相位調(diào)節(jié)細(xì)度為0.01°,約100 s左右升源成功,源輸出的功率穩(wěn)定度為0.05%,三相電壓不對(duì)稱(chēng)度為±0.2%,三相電流不對(duì)稱(chēng)度為±0.2%,三相相位差值為0.3°。校驗(yàn)裝置輸出不同的電流及其精度參見(jiàn)表3。例如待檢高壓電能表的基本參數(shù):3×10 kV、100(400)A、0.5S、1 kW·h/imp,功率因數(shù)為±1.0、±0.5C、±0.5L時(shí)檢定Imax、0.5Imax、In、0.5In、0.1In、0.01In等負(fù)載點(diǎn),基本電能誤差的檢表數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表4。

表3 校驗(yàn)裝置輸出不同電流的精度

表4 高壓電能表不同負(fù)載的有功電能誤差

可見(jiàn),新型一體化高壓電能表[16-17]與低壓智能電能表校表或檢表過(guò)程具有顯著的不同[18-20],低壓校驗(yàn)裝置不需要接入高壓升流器與互感器,也不需要控制輸出幾百安培的電流,被檢表計(jì)也不受到高電壓大電流的強(qiáng)電磁干擾,也無(wú)須預(yù)留足夠的10 kV安全距離。面向高壓整體計(jì)量檢定的校驗(yàn)裝置應(yīng)用此電流檔位自動(dòng)控制器,在檢表過(guò)程中針對(duì)不同電流的負(fù)載點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了無(wú)須停機(jī)切換高壓升流器與高壓電流互感器的各個(gè)電流輸出檔位,約60—90min可完成多套高壓電能表的校表與檢表,與校驗(yàn)裝置的帶載能力、檢表項(xiàng)目、脈沖常數(shù)、無(wú)線(xiàn)脈沖穩(wěn)定時(shí)間等有關(guān),通常一次性檢表4～16套,基本上滿(mǎn)足批量化生產(chǎn)需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

將文中研究與開(kāi)發(fā)的高、低壓側(cè)電流檔位控制器以串聯(lián)方式接入到所述校驗(yàn)裝置的高壓側(cè)輸出電流回路和低壓側(cè)反饋電流回路中,連續(xù)運(yùn)行時(shí)可以輸出線(xiàn)性電流0～400 A,實(shí)質(zhì)上根據(jù)不同電流量程執(zhí)行了高壓升流器及其標(biāo)準(zhǔn)電流互感器的不同電流檔位上所串接繼電器的選擇與開(kāi)合,以適應(yīng)不同額定電流的被檢設(shè)備和檢定規(guī)程中要求的不同負(fù)載點(diǎn)。經(jīng)過(guò)近3年的使用表明,磁保持繼電器沒(méi)有出現(xiàn)故障,控制器的安全性、可靠性、穩(wěn)定性達(dá)到設(shè)計(jì)要求,大大提高批量校驗(yàn)的自動(dòng)化水平,在關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)上注意以下幾點(diǎn)。

1)高壓側(cè)電流檔位控制器與升流器工作在高壓的等電位環(huán)境,其工作電源必須使用交流耐壓超過(guò)10 kV的隔離變壓器(如220 V/12 V)進(jìn)行供電;

2)高壓側(cè)電流檔位控制器的數(shù)字地、模擬地與高壓端接在一起,避免高電壓對(duì)控制器的“地”電位放電或疊加干擾電場(chǎng);

3)檢表軟件控制高壓升流器及其電流互感器的不同檔位繼電器,自動(dòng)檢表時(shí)按負(fù)載點(diǎn)大小自動(dòng)排序,即從不同相別、功率因數(shù)的大電流向小電流方向執(zhí)行檢驗(yàn)項(xiàng)目,減少跨電流量程出現(xiàn)頻繁繼電器動(dòng)作以切換檔位;

4)校驗(yàn)裝置若需要輸出更大的電流或同時(shí)檢定多個(gè)被檢設(shè)備,則需要選擇帶載能力更強(qiáng)的高壓升流器和高壓電流互感器。