模擬小信號電能表的應用及其檢測技術

艾 兵，江 波，楊華云，梁祖權，楊勇波

(四川電力科學研究院，四川 成都 610072)

隨著數字化智能技術不斷發展，傳統的變電站自動化系統已無法滿足智能化電網的要求，智能變電站將是電力系統變電站建設的一次革新，將來新建變電站將全部為智能變電站［1-4］。數字化技術的推廣，引發了電能計量技術的變革，包括新型電子式互感器的運用、一次側到二次側電參量傳輸的介質改變、電參量傳輸的信號模式改變、表計計量采用專用芯片與自用算法的數字信號處理、表計的容錯處理和表計的檢驗與溯源等［5-8］。智能變電站電能計量同樣是通過互感器及二次回路聯合電能表按照規定的接線方式進行組合構成在線電能計量系統來實現的。由于電子式互感器的應用，電能計量輸入信號為數字量和模擬小信號量，例如全國首座智能變電站北川永昌110 kV變電站高壓側采用的是全數字式電能計量，10 kV側則是符合IEC 60044-7/8標準輸出的電子式互感器的計量特點，采用的為模擬小信號量輸入的電能計量方式［9-14］。在電力市場條件下，為保證公開、公平、公正地為電能生產者和使用者提供優質服務，有必要在新的技術條件的基礎上有一套符合現代化智能變電站特點的計量和檢測系統。但是智能變電站電能計量暫無國家標準和行業標準，只有通過已有智能變電站的實際運用情況和參照地方標準和行業標準進行。隨著數字電路的發展，電路的可靠性和精度得到了提高，必定會推動了智能變電站電能計量快速發展［15，16］。

1 模擬小信號電能表的現場應用

模擬小信號電能表是一款符合IEC 60044-7/8標準的模擬信號接口規范的多功能電能表。其主要特點是計量電壓電流信號輸入采用模擬小信號輸入、電源設計采用交直流外接電源供電。適用于基于IEC 60044-7/8標準的電子式互感器模擬小信號輸出的計量方式。根據IEC 60044-7/8標準規定，輸出的模擬小信號全部為電壓模擬信號，對于三相三線系統為1.625 V、2 V、3.25 V、4 V、6.5 V，三相四線系統為 1.625/V、2/、3 .25/、4/V、6 .5/。但是對于特殊要求用戶，模擬量也可以設計成非標準大小，如北川永昌110 kV智能變電站就設計成1.5 V，主要是配合應用于保護測控。模擬小信號電能表的實際應用接線如圖1所示。

圖1 模擬小信號電能表的應用

2 工作原理及實現功能

模擬小信號電能表由電壓、電流分壓電路、計量芯片、微處理器、溫補實時時鐘、數據接口設備和人機接口設備組成。計量芯片將來自電壓、電流分壓電路的模擬信號轉換為數字信號，并對其進行數字積分運算，從而精確地獲得有功電量和無功電量，微處理器依據相應費率和需量等要求對數據進行處理。其結果保存在數據存儲器中，并隨時向外部接口提供信息和進行數據交換。其原理框圖如圖2所示，外形接線示意圖如圖3所示。

圖2 工作原理(三相四線表)

電能表須符合GB/T 17215-2002、GB/T 17882-1999、GB/T 17883-1999和 DL/T 614-1997等電能表有關標準，采用DL/T 645-1997通信規約(有擴展)。

三相三(四)線模擬小信號電能表與傳統的電子式電能表結構上差別為:用電壓、電流的分壓電路取代了原電子式電能表的電流互感器和電壓互感器，其輸出為規定的電壓信號。所以對于模擬小信號電能表的性能要求可以依據傳統的電子式電能表檢定所依據的GB/T 17215.322-2008，電能表基本參數一般設置如表1。

圖3 模擬小信號電能表外形示意圖

表1 電能表基本參數

模擬小信號電能表在實現功能方面與傳統電子式電能表一致，可以實現分時計量，可計量總及分相元件的正、反向有功，四象限無功及感、容性無功電能。月電量統計及實時測量總及三相電壓、電流、功率、功率因數、頻率?？捎涗浭骸⑹Я?、斷相、數據無效、裝置失電、電壓電流合格率記錄及自檢功能。最大需量可計量有、無功最大需量及出現時間，最大需量的積分周期和滑差步進時間。另外可以實現電量凍結、結算數據記錄、負荷曲線記錄可保存最近2個月或者更長時間的日負荷曲線，且負荷曲線保存的時刻與電表時鐘同步，以及可以實現其他事件記錄等主要功能。模擬小信號電能表面板上裝設有兩個紅色LED指示燈指示是否有有功、無功電量脈沖輸出，輔助端子配置正、反向有功，輸入無功、輸出無功光耦空接點脈沖輸出，可用于儀表誤差檢驗，也可接RTU等終端設備。

3 電能計量檢測系統

電子式互感器的電流電壓信號在傳輸到二次設備和二次設備處理的過程中均會產生附加誤差，降低計量的精度，在二次回路上有功率傳輸，就有二次壓降和功率損耗，傳統的二次電壓降測試工作需要進行，根據現場測試和實驗室測試的結果，當輸入信號在10%額定以下時，受到的干擾較為嚴重，特別在變電站干擾復雜的環境下，波形出現了畸變和漂移，諧波含量豐富。故對模擬小信號電能表的檢測，檢測系統需要融合現代數字信號處理、計算機通信、最新電能計量理論和軟件工程思想于一體的高技術，具有對在線運行被檢表的接入影響極低、計量精度高、校驗參數靈活設置、適用復雜現場環境等特點。按照上述電能檢測系統的要求和原則，該系統的檢測原理如圖4所示。此檢測系統關鍵為標準表，該表必須通過最高計量單位的溯源論證，方可應用到本系統。

圖4 檢測系統原理示意圖

檢測系統主要由功率源、標準表、誤差處理設備以及控制計算機組成。信號分別從相互獨立高輸入阻抗模擬信號輸入通道 Ua、Ub、Uc、Ia、Ib、Ic接入，如圖5所示，經阻抗匹配，信號濾波等處理后輸入各通道對應的相互隔離的ADC模數轉換電路，并對輸入的信號做同步采樣量化，經FPGA讀出并傳送給DSP和管理工控機。ADC數據傳輸至數字信號處理DSP時對采樣的數據進行實時處理計算出電參量、頻率、功率信息等，控制計算機通過RS485總線與功率源以及誤差處理設備相連，由控制計算機來統一控制功率源和誤差處理設備。主臺軟件通過設置信號源參數使信號源工作在參數控制工作的模式下，輸出符合參數要求的IEC 60044-7/8標準電壓信號。在測試過程中通過調節運行參數，模擬各種測試條件，對被測表做各項測試。

圖5 信號調理處理方式

模擬小信號電能表可以根據現有標準GB/T 17882-1999《2級和3級靜止式交流無功電能表》、GB/T 17883-1999《0.2S級和0.5S級靜止式交流有功電能表》、DL/T 614-2007《多功能電能表》、DL/T 645-1997《多功能電能表通信規約》、GB/T 17215.322-2008等，實現電能表的功能測試，如基本誤差、分時、需量、事件記錄、負荷曲線等測試項目。一般現場試驗檢測項目如表2如下。

表2 試驗項目

對于初始起動，在參比電壓加到儀表接線端后，5S內儀表應達到全部功能狀態。在功率因數為1.0和0.001In下，表計能起動并連續計量。對于潛動試驗當施加電壓而電流線路無電流時，儀表的測試輸出不應多于一個脈沖。試驗時，電流線路應開路，電壓線路所加電壓為參比電壓的115%。最短時間△t為

式中，k為每千瓦小時脈沖常數，imp/kWh;m為測量單元數;Un為參比電壓，V;Imax最大電流，A。

4 電能計量性能考核系統

為了適應智能變電站電能計量技術的發展，為保證公開、公平、公正計量，現階段部分新建智能變電站的計量仍采用對側傳統電子式電能表計量的方式，故模擬小信號電能計量方式的可信度大打折扣，為了提供參考可對比的數據，這里構思了一套電能計量性能現場考核系統如圖6所示，在同一個母線下裝設傳統互感器和電子式多功能電能表的計量系統和模擬小信號電能表的計量系統，測量數據上傳至電能分析系統，實時對數據進行分析比較。

圖6 電量采集分析系統圖

該系統應用先進的信息和通信技術，采用分層、分布、開放型結構構造理念兼平臺一體化設計思想，可實現電能量信息的自動采集和管理。系統具備電量信息比對、電能有功、無功分析及對時等功能。系統以數據采集為基礎，以電量統計為核心，以用電量數據流為導向的并具備一個完整的數據流監控、統一接口、數據集中、服務于多個接口外部系統。系統可實現信息高度共享，使業務實現流程化，規范化管理，加速內部溝通，提高處理效率，從客戶用電信息的源頭提供數據支持。通過電量采集分析系統圖可以看出，該系統充分結合實用、先進、可靠、經濟幾方面因素，在工程技術上實現起來比較簡單。該系統可以長期實時監控模擬小信號電能表計量系統性能，可提供給廣大用戶真實的數據，對評估模擬小信號電能表計量準確度奠定技術基礎。

5 結語

結合電子式互感器輸出信號的特點及計量相關標準，著重討論符合IEC 60044-7/8標準輸入的模擬小信號電能表的工作原理、性能和實際應用，重點論述了模擬小信號電能表電能計量檢測系統和溯源方法，可供有關工程技術人員對智能變電站調試參考。確定了一套模擬小信號電能表的現場考核系統，該系統充分結合應用實際以實現公正計量為目標，在工程技術上實現可行。隨著對智能變電站電能計量和檢測新技術進行積極的研究探討，在逐步積累運行經驗基礎上，電能表的標準體系將逐漸完備，計量技術相關試驗及檢測標準即將形成規范。

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