高壓計(jì)量裝置及其遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)的研究

韓 霞,閆丹梅

(太原供電分公司,山西太原 030012)

1 研究的背景

傳統(tǒng)的電能計(jì)量柜大多采用電磁型互感器,體積大、較重,帶有鐵磁體,頻帶窄,易飽和且飽和時(shí)二次信號(hào)波形畸變,測(cè)量誤差大,從而導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn),電量損失大,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生安全隱患,而且在互感器二次信號(hào)接入電子式的電能表時(shí),也需要把大功率信號(hào)變換成小功率信號(hào)才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理,增加了轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié),消耗更多的信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換成本,引入了更多的處理過(guò)程誤差。因此,開(kāi)發(fā)新型的電子式高壓計(jì)量裝置,既節(jié)能環(huán)保,又易于和信息系統(tǒng)無(wú)縫集成,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)和維護(hù),同時(shí)也是智能電網(wǎng)建設(shè)的必然要求。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)電子式電流和電壓互感器的研究有兩個(gè)方向:早期方向是結(jié)合光電子技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的光互感器,根據(jù)法拉第光電效應(yīng)原理,也就是光線(xiàn)在不同強(qiáng)度的電場(chǎng)作用下,產(chǎn)生不同程度偏轉(zhuǎn)的原理,利用光纖自身的絕緣性能既解決設(shè)備的絕緣問(wèn)題,又解決信號(hào)傳輸?shù)膯?wèn)題,還大大減輕了互感器的重量和體積。近期的研究的方向是:電子式電流互感器采用羅哥夫斯基 (Rogowski)線(xiàn)圈和輕載線(xiàn)圈的基本原理。電子式電壓互感器采用電阻或電容 (阻容)分壓原理,直接將一次測(cè)的高壓大電流信號(hào),按比例降低為低壓弱電信號(hào),經(jīng)過(guò)電子轉(zhuǎn)換電路處理變?yōu)榭芍苯虞斎氲綔y(cè)量或保護(hù)裝置中的數(shù)字信號(hào)。ABB公司近期研制生產(chǎn)的一種基于電子式傳感器的高壓計(jì)量裝置,采用的就是電阻分壓器,以及羅哥夫斯基 (Rogowski)線(xiàn)圈內(nèi)置數(shù)字積分器原理。

3 現(xiàn)有研究成果和產(chǎn)品的主要問(wèn)題

現(xiàn)有研究成果和產(chǎn)品在技術(shù)上已經(jīng)基本成熟,其主要問(wèn)題是技術(shù)方案比較復(fù)雜,成本過(guò)高,產(chǎn)品批量生產(chǎn)一致性難以穩(wěn)定,導(dǎo)致產(chǎn)品目前仍無(wú)法推廣應(yīng)用。

a)電阻分壓原理的電壓傳感器容易受到外電場(chǎng)干擾。如不對(duì)傳感器本身施加抗干擾措施或抗干擾措施不力的話(huà),要使電壓采集精度穩(wěn)定可靠,就必須對(duì)轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)增加大量的電子抗干擾措施,如數(shù)字濾波處理。這一方面增加了處理成本和處理系統(tǒng)的復(fù)雜性,也沒(méi)有從根本上解決干擾問(wèn)題。

b)采用羅哥夫斯基線(xiàn)圈的內(nèi)置數(shù)字積分器的電流互感器能較好地解決磁場(chǎng)干擾問(wèn)題,但由于羅哥夫斯基線(xiàn)圈本身生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性,對(duì)保證產(chǎn)品性能的一致性方面比較困難,做到精確的一致性仍需要比較高昂的代價(jià)。

c)采用光電原理的電子式傳感器能較好解決強(qiáng)電磁干擾和絕緣強(qiáng)度問(wèn)題,但也存在產(chǎn)品批量生產(chǎn)的一致性問(wèn)題。采用霍爾原理的傳感器,由于本身靠電磁感應(yīng)遠(yuǎn)離,不能很好地解決強(qiáng)電磁干擾問(wèn)題。這些傳感器產(chǎn)品都不大適合在10 kV計(jì)量裝置中使用。

d)由于基于電子式傳感器的高壓計(jì)量裝置是一種新生事物,對(duì)該類(lèi)裝置的測(cè)試檢驗(yàn)手段欠缺。主要是由于電子式傳感器不采用電磁感應(yīng)原理,利用現(xiàn)有的互感器測(cè)試儀無(wú)法對(duì)傳感器進(jìn)行單獨(dú)的檢定和測(cè)試,因而也就無(wú)法在計(jì)量裝置整體上對(duì)計(jì)量裝置的精度指標(biāo)進(jìn)行衡量和檢驗(yàn)。

4 解決方案的研究

針對(duì)上述主要問(wèn)題,經(jīng)過(guò)廣泛了解、仔細(xì)地分析研究和實(shí)驗(yàn)探索,確定了一整套新的基于電子式傳感器的高壓計(jì)量裝置及其測(cè)量系統(tǒng)方案,并對(duì)該方案進(jìn)行了產(chǎn)品試制、現(xiàn)場(chǎng)試點(diǎn)運(yùn)行,及測(cè)試調(diào)整試驗(yàn),取得了一系列令人鼓舞的成果,為產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)和應(yīng)用積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。新的解決方案主要進(jìn)行了如下兩方面改進(jìn)。

4.1 通過(guò)提高元件的抗干擾能力簡(jiǎn)化計(jì)量柜整體結(jié)構(gòu)

采用抗干擾技術(shù)進(jìn)行過(guò)獨(dú)特改進(jìn)的電阻分壓型的電壓傳感器、及使用納米晶鐵芯的高飽和度輕載線(xiàn)圈的電流傳感器與具有低電壓低功率模擬接口的數(shù)字式多功能電表通過(guò)屏蔽電纜連接的方式,直接對(duì)三相電氣數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和計(jì)量,通過(guò)增強(qiáng)抗干擾能力簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),減少誤差環(huán)節(jié),實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量。

4.2 利用遠(yuǎn)程測(cè)控手段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比測(cè)試

利用已有負(fù)荷管理系統(tǒng)的功能采集試點(diǎn)用戶(hù)原有的運(yùn)行參數(shù),通過(guò)新型計(jì)量柜和原有基于電磁型傳感器的計(jì)量柜并列在一條進(jìn)線(xiàn)上運(yùn)行,以原柜的計(jì)量數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值,以新型計(jì)量柜數(shù)據(jù)為待測(cè)和待調(diào)整值。在新型計(jì)量柜中增加一個(gè)GPRS遠(yuǎn)程測(cè)試控制終端,用來(lái)接收遠(yuǎn)方測(cè)試指令,向測(cè)試中心提供新型計(jì)量柜的運(yùn)行參數(shù),并接受誤差調(diào)整指令,對(duì)計(jì)量誤差進(jìn)行調(diào)整,以檢驗(yàn)新型計(jì)量柜在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地運(yùn)行環(huán)境中,能否通過(guò)遠(yuǎn)程的誤差調(diào)整手段達(dá)到和傳統(tǒng)型計(jì)量柜同等精度要求。

5 解決方案的實(shí)施

新的解決方案實(shí)施要點(diǎn)主要是電壓傳感器干擾屏蔽的改進(jìn)和整個(gè)系統(tǒng)的部署和測(cè)試運(yùn)行。

5.1 對(duì)電阻分壓器屏蔽的改進(jìn)

改進(jìn)前方案的屏蔽電極分高壓屏蔽罩和低壓屏蔽罩,兩屏蔽罩直徑相同,相對(duì)設(shè)置,由于絕緣的需要,相互之間存在對(duì)外電場(chǎng)的縫隙,外電場(chǎng)仍然可以直接作用到電阻分壓器,外電場(chǎng)對(duì)電阻分壓器的作用不穩(wěn)定性是造成干擾的主要原因。改進(jìn)的方案將兩屏蔽罩直徑做出調(diào)整,在設(shè)置上改為嵌套設(shè)置,維持絕緣所需的屏蔽縫隙改為與外電場(chǎng)垂直的方向,外電場(chǎng)對(duì)電阻分壓器的影響由于有高低壓屏蔽罩的阻隔作用而減弱,經(jīng)試驗(yàn)表明,改進(jìn)后的屏蔽罩能將外電場(chǎng)的干擾影響降低1個(gè)數(shù)量級(jí) (見(jiàn)圖1)。

圖1 對(duì)電阻分壓器蔽罩結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

5.2 遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)的主要目的是對(duì)比測(cè)試新型計(jì)量柜和傳統(tǒng)的基于電磁式互感器的計(jì)量柜的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表現(xiàn),并測(cè)試新型計(jì)量柜的遠(yuǎn)程誤差調(diào)整手段的有效性。其次,遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)還通過(guò)積累現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù),為開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)用于產(chǎn)品出廠(chǎng)試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)積累經(jīng)驗(yàn)。

所確定的電子式計(jì)量柜遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)的方案如圖2所示,整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)由試點(diǎn)機(jī)房、試驗(yàn)柜臺(tái)管理系統(tǒng)、供電分公司負(fù)荷管理后臺(tái)系統(tǒng)組成。

圖2 遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

供電公司選擇其試點(diǎn)用戶(hù),并利用新投運(yùn)的負(fù)荷管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)收集試點(diǎn)用戶(hù)原有的基于電磁式傳感器的計(jì)量柜 (以下簡(jiǎn)稱(chēng) “對(duì)比柜”)信息。試點(diǎn)用戶(hù)提供試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備運(yùn)行的實(shí)地環(huán)境。整個(gè)試驗(yàn)以不影響對(duì)比柜的運(yùn)行和計(jì)量準(zhǔn)確性,不影響供電公司負(fù)荷管理系統(tǒng)運(yùn)行為基本原則進(jìn)行設(shè)計(jì),確保在不影響原供電能力和安全可靠性前提下,達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹Ｈ鐖D3,系統(tǒng)采用試驗(yàn)柜和對(duì)比柜串連在同一負(fù)載回路上進(jìn)行電能計(jì)量。試驗(yàn)柜在先,對(duì)比柜在后。確保試驗(yàn)柜運(yùn)行不影響對(duì)比柜對(duì)用戶(hù)電能計(jì)量的準(zhǔn)確性。

圖3 遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備配置關(guān)系圖

試驗(yàn)柜配備專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的遠(yuǎn)方測(cè)調(diào)終端,可以通過(guò)485接口和電子式多功能表通訊,按指定時(shí)間抄取電能表數(shù)據(jù),并下達(dá)計(jì)量精度調(diào)整指令,對(duì)電能表計(jì)量精度進(jìn)行調(diào)整。遠(yuǎn)方測(cè)控終端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)直接和產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)單位的上位機(jī)通訊,上位機(jī)通過(guò)發(fā)送指令和接受數(shù)據(jù)來(lái)獲得現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),調(diào)整控制現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量系統(tǒng)的計(jì)量精度。

對(duì)比柜是試點(diǎn)工程單位原有的計(jì)量柜,在試驗(yàn)進(jìn)行階段中照常運(yùn)行,不必做任何改動(dòng)。對(duì)比柜已經(jīng)安裝了用電現(xiàn)場(chǎng)負(fù)荷管理終端,該終端可以通過(guò)485接口和多功能表通訊,抄取多功能表運(yùn)行數(shù)據(jù),并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)回到供電公司負(fù)荷管理中心的后臺(tái)系統(tǒng)。

進(jìn)行多輪的測(cè)試調(diào)整,記錄測(cè)試數(shù)據(jù),分析總結(jié),發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)柜的計(jì)量數(shù)據(jù)能夠在以對(duì)比柜數(shù)據(jù)為中心的穩(wěn)定的相差級(jí)別范圍內(nèi)任意控制和調(diào)整,證明試驗(yàn)柜至少可以穩(wěn)定地運(yùn)行在對(duì)比柜精度等級(jí)上,根據(jù)可調(diào)整的精度等級(jí)差的大小,研究發(fā)現(xiàn)新型計(jì)量柜還有可能運(yùn)行于更高的進(jìn)度等級(jí)上。所得到的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù),也將是未來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)量柜動(dòng)態(tài)測(cè)試調(diào)整系統(tǒng)的寶貴基礎(chǔ)。

6 結(jié)論

通過(guò)研究和試驗(yàn)的工作,設(shè)計(jì)了對(duì)電阻分壓器更有效的屏蔽設(shè)計(jì)方案,在傳感器源頭最大限度地抑制了誤差的來(lái)源,使得一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的基于電子式傳感器的計(jì)量柜得以實(shí)現(xiàn),通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試運(yùn)行表明,這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的基于電子傳感器的計(jì)量柜,可以達(dá)到甚至超過(guò)目前廣泛使用的基于電磁式互感器計(jì)量柜的精度指標(biāo)。如何完善產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),如何在批量生產(chǎn)條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的快速檢驗(yàn)和校準(zhǔn),將是下一步的主要研究課題。