智能變電站電能計量模式分析

徐先勇，羅志坤，李勁柏，歐朝龍，萬全

(湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙 410007）

智能變電站電能計量模式分析

徐先勇，羅志坤，李勁柏，歐朝龍，萬全

(湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙 410007）

針對智能變電站電能計量系統新技術，以湖南電網2座典型智能變電站為背景，在介紹電能計量系統電能計量裝置配置的基礎上，研究2種電能計量模式工作機理，并深入分析2種電能計量模式各自的特點。

智能變電站;電能計量模式;光纖傳輸;數字電能表

1 110 kV曾家沖智能變電站電能計量系統

1.1 電能計量裝置配置

長沙110 kV曾家沖智能變電站電能計量裝置主要由3部分組成:電子式電壓互感器、光纖式電流互感器、計量用合并單元及其傳輸回路和三相四線制電子式多功能電能表〔1〕。電子式電壓互感器、光纖式電流互感器的分布如圖1所示，三相四線制電子式多功能電能表位于控制室電能計量屏內。電子式電流互感器配置在110 kV的延曾Ⅰ線、延曾Ⅱ線以及Ⅰ母、Ⅱ母之間母聯，Ⅱ母、Ⅳ母之間母聯處，主變10 kV出線處也采用光纖式電流互感器，為南瑞航天的全光纖型電流互感器;考慮穩定性、抗干擾性等因素，光纖式電流互感器采用冗余配置，每個安裝點均安裝2組全光纖電流互感器，每組電流互感器含1個獨立的電流傳感/采集光路，等級為0.2S(5TPE)級，保護、測量、計量合用，共30臺。電壓互感器配置:110 kV電壓互感器均采用西安華偉的電容分壓型電子式電壓互感器，分別分布在110 kV延曾Ⅰ線、延曾Ⅱ線 (單相均為A相)，110 kVⅠ母、Ⅱ母、Ⅳ母 (為三相)處，共11臺。110 kV電子式電壓互感器，等級為0.2(3P)級，保護、測量、計量合用。110 kV延曾Ⅰ線、延曾Ⅱ線A相電子式電壓互感器含1路獨立輸出回路，等級為0.2級。

圖1 曾家沖智能變電站電子式電壓、電流互感器分布圖

圖2為110 kV曾家沖智能變電站光纖式電流互感器和電子式電壓互感器分別與智能組件的連接示意圖。圖中光纖式電流互感器本體與其電氣單元盒之間的連接線、光纖式電流互感器電氣單元盒與對應智能組件之間的連接線均采用光纖。電子式電壓互感器本體與其電氣單元盒之間的連線為模擬信號線，而其電氣單元盒和對應智能組件之間的連接線采用光纖。計量、測量和保護所用的電壓、電流信號通過光纖由智能組件傳輸到合并單元。

圖2 電子式電壓、電流互感器光纖連接示意圖

三相電子式多功能電能表是一款符合DL/T 614《多功能電能表》標準的0.2S級三相電子式多功能電能表。其主要特點為計量信號為數字流輸入、采用光纖接口、高速的數據處理能力、電源采用雙路外接電源供電，適用于采用IEC61850-9-1/2LE標準協議的電能計量體系。曾家沖智能變電站在中控室共安裝了2塊智能光纖式電能表，分別計量110 kV延曾Ⅰ線、延曾Ⅱ線的電能，以便與延龍變出線處的電能表 (傳統電能表)所計電量進行對比。

1.2 電能計量模式

如圖3所示，該站電能計量系統為全數字化模式，從一次設備、二次設備及傳輸回路傳輸信號全為數字量。電子式電壓互感器、光纖式電流互感器電氣單元盒輸出的數字信號經光纖分別傳輸至電壓、電流合并單元，合并單元把數字信號傳送至網絡交換機。網絡交換機輸出的符合IEC61850-9-2LE通訊協議的數字信號經過2路光纖通道分別傳送至延曾Ⅰ線、延曾Ⅱ線的三相電子式多功能電能表，電能采集終端和電能表之間通過RS485進行通訊。電能采集終端把采集到的電量信息上傳到電能采集系統主站，便于遠程操作人員監測電量信息。電子式電壓互感器、光纖式電流互感器合并單元需接入工作電源和同步時鐘。因該站一次系統為單母分段接線，計量用電壓互感器采用母線電壓互感器時，應根據一次運行要求，必要時電壓二次回路配置電壓并列裝置，在傳統變電站中一般設置專用電壓并列屏柜，由小母線引入二次電壓通過控制繼電器邏輯動作及一次設備的操作實現TV并列。在該智能變電站中，母線TV電壓二次回路并列功能直接由母線電壓合并單元實現。

圖3 曾家沖智能變電站電能計量模式示意圖

2 220 kV林海智能變電站電能計量系統

2.1 電能計量裝置配置

長沙220 kV林海智能變電站電能計量系統分為關口電能計量系統和非關口電能計量系統，其中關口電能計量系統構成和傳統變電站電能計量系統的構成相似，而非關口電能計量系統主要由電磁式電壓互感器、電磁式電流互感器、帶模數轉換器的電壓及電流合并單元、三相四線制電子式多功能電能表組成。220 kV林海智能變電站220 kV側一次主接線簡易示意圖如圖4所示，全站電壓互感器、電流互感器均為GIS型傳統電磁式多繞組互感器(保護、計量、測量繞組分開)，計量用電壓互感器二次輸出為57.7 V模擬信號，等級為0.2級;計量用電流互感器二次輸出為1A模擬信號，等級為0.2S級?，F場一次設備區域每個間隔配備了智能匯控柜，由柜內帶模數轉換裝置的合并單元把模擬信號轉換成符合IEC61850-9-2LE通訊協議的數字信號。變電站主控室內配置了光纖網絡交換機、電能計量屏、電能采集屏。全站共15塊三相四線制電子式多功能電能表分別計量220 kV線路電量、110 kV線路電量，#1及#2主變中低壓側電量，其中#1及#2主變中低壓側電能表安裝在專用計量屏中、220 kV線路電能表安裝在保護屏中、110 kV線路電能表安裝在一次設備區域智能匯控柜中。關口電能表為紅相MK6E電能表，主副表共6塊(分別計量#1及#2主變高壓側電量、220 kV林邊線電量)。關口電能表和失壓計時器安裝在省關口電能計量屏內。

圖4 220 kV林海智能變電站部分一次主接線簡易圖

2.2 電能計量模式

圖5為林海智能變電站電能計量模式示意圖，含關口電能計量模式和非關口電能計量模式。關口電能計量模式與傳統變電站相同，母線電壓互感器二次輸出通過電纜接入智能匯控柜中，并在智能匯控柜中分成2路，一路接入帶模數轉換的合并單元，并被轉換成符合IEC61850-9-2LE通訊協議的數字信號為線路電能表提供計量電壓信號;另一路直接通過電纜接入控制室內的省關口電能計量屏為MK6E電能表提供計量電壓信號，也為失壓計時儀提供電壓信號。省關口計量用電流互感器二次輸出信號直接通過電纜傳輸到控制室內的省關口電能計量屏，為MK6E電能表和失壓計時儀提供電流信號。MK6E電能表通過RS485和電能采集終端通訊，并由電能采集終端把電量遠傳至省調計量主站。

線路電流互感器二次輸出電流信號經過電纜傳輸至智能匯控柜，由帶模數轉換的合并單元轉換成符合IEC61850-9-2LE通訊協議的數字信號。電壓互感器合并單元和電流互感器合并單元輸出的電壓、電流數字信號經過光纖傳送至光纖網絡交換機，網絡交換機輸出的數字信號經過光纖通道分別傳送至線路側三相電子式多功能電能表，電能采集終端和電能表之間通過RS485進行通訊。電能采集終端把采集到的電量信息上傳到地調電能采集系統主站，便于遠程操作人員監測電量信息。因該站一次系統為雙母分段接線，計量用電壓互感器采用母線電壓互感器時，應根據一次運行要求，必要時電壓二次回路配置電壓切換裝置，在傳統變電站中一般設置專用電壓切換屏柜，由小母線引入二次電壓通過控制繼電器邏輯動作及一次設備的操作實現TV切換。在該智能變電站中，母線TV電壓二次回路切換功能直接由母線電壓合并單元實現。

圖5 林海智能變電站電能計量模式示意圖

3 智能變電站2種電能計量模式特點分析與對比

曾家沖智能變電站電能計量系統中的計量裝置為全數字化裝置體現了全智能概念，具有以下特點:

1)該智能變電站為全數字化計量模式，電能計量裝置體積小、占地面積少，與傳統變電站電能計量模式相比電能計量二次回路大大簡化。

2)理論上分析，該智能變電站電能計量系統整體誤差為0.4%(數字化電能表誤差很小，可忽略)，而傳統變電站電能計量系統整體誤差為0.7%。

3)該智能變電站電能計量二次系統安全性強，不用考慮電壓互感器二次短路、電流互感器二次開路，并且相關人員在運行維護時安全性較高。

4)光纖式電流互感器二次輸出含有噪聲信號，特別是一次電流較小時，其二次輸出信號中的噪聲信號幾乎淹沒了真實有用的電流信號，對電能計量的準確性將會造成一定程度影響。光纖易折斷、光纖頭易受污染，造成通訊不暢。全數字電能計量設備復雜環境下長期運行的穩定性還有待驗證。

林海智能變電站電能計量系統的一次設備為戶外GIS型傳統設備，主要使用二次設備把模擬信號轉換成數字信號實現保護、測量及計量等專業的智能化，具有以下特點:

1)該智能變電站具有2種計量模式，省關口電能計量系統為傳統計量模式，非關口電能計量系統為智能電能計量模式，與傳統變電站相比電能計量二次回路有所簡化。

2)在同一個計量點沒有安裝傳統電能表和數字電能表的比對系統，不利于2種計量模式長期運行時的電量比對。

3)電能計量系統中帶有模數轉換型的合并單元，此時需要檢測整個電能計量二次回路的整體誤差，以便分析判斷電能計量系統的性能。

4 結論

4.1 文中研究了湖南電網智能變電站兩種典型電能計量系統，曾家沖智能變電站電能計量系統為全數字化、全智能化;林海智能變電站電能計量系統具有2種模式:省關口電能計量系統與傳統變電站電能計量系統相同，非省關口電能計量系統為數字化、智能化電能計量系統。

4.2 在介紹2種智能變電站電能計量系統電能計量裝置配置的基礎上，分析了它們各自的特點并進行了深入對比分析。

4.3 文中的研究成果可供智能變電站電能計量系統的建設、調試、管理及運行維護參考。

〔1〕徐先勇，歐朝龍，陳福勝，等.110 kV智能變電站復雜環境下電子式互感器校驗方法〔J〕.湖南大學學報 (自然科學版)，2012，39(6):63-68.

〔2〕孫衛明，林國營，周尚歷，等.數字化變電站計量裝置整體準確度及其長期運行特性〔J〕.電測與儀表，2010，47(536):27-31.

〔3〕劉水，黃洋界，李斌.數字化電能計量檢測技術方案研究〔J〕.電測與儀表，2011，48(544):66-71.

〔4〕姜鯤，尚韜，陳兵，等.智能變電站電能計量系統配置方案研究〔J〕.中原工學院學報，2012，23(2):15-22.

〔5〕王明俊.智能電網與智能能源網〔J〕.電網技術，2010，34(10):1-5.

TM932

B

1008-0198(2013)S1-0024-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2013.Z1.006

2013-04-15

徐先勇(1981— )，男，河南信陽人，博士，工程師，主要從事電力電子、智能電網、電能計量相關的研究工作。