數字化計量技術在智能化變電站中的應用

易 天 福， 曾 燕 波

(1．四川水利職業技術學院，四川成都 611231;2．國家電網四川省德陽供電公司，四川德陽 618000)

1 概述

隨著智能化開關、電子式互感器、IEC61850通信規約及計算機高速網絡在變電站實時系統中的應用，為智能化變電站建設提供了基礎。由于智能化變電站實現了信息采集、傳輸、處理和輸出過程全數字化，各種功能共用統一的信息平臺，因而避免了設備的重復投入。作為變電站智能化的主要特征之一，是電子式互感器、數字式電能表等數字化計量技術的應用。數字化計量系統具有測量精度高、無飽和、二次接線簡單等諸多優點，同時光纖取代了電纜，電磁兼容性能優越，信息傳輸通道可自檢，具有更高的可靠性。但至目前為止，數字化計量技術尚未普及，有些技術亦尚未完全成熟。筆者通過對電子式互感器、數字式電能表等數字式計量器具進行介紹與分析，以及對數字化計量系統與傳統計量系統進行比較，可為數字化計量技術在變電站中的應用提供參考。

2 電子式互感器

電子式互感器是指具有模擬量電壓輸出或數字量輸出、供電氣測量儀器和繼電保護裝置使用的電流或電壓互感器。

2．1 電子式互感器的分類

電子式互感器按其原理可以分為無源電子式互感器和有源電子式互感器。

(1)無源電子式互感器基于光學傳感技術，一次側光學電流、電壓傳感器無需工作電源，是獨立安裝互感器的理想解決方案。

(2)有源電子式互感器傳感頭部分具有需用電源的電子電路，將其用于GIS或罐式斷路器更為方便。對于戶外配電裝置則采用激光供能的辦法，從而較好地解決了電源問題。目前有源電子式互感器在工程中已獲得較多的應用。

無源電子式互感器是未來電子式互感器的發展方向，但直到目前為止其尚未完全成熟;有源電子式互感器目前已有成熟的產品，采用激光供能的方式較好地解決了獨立式互感器中傳輸距離和電磁干擾問題，且已有較多的工程實踐。因此，對于變電站，建議采用有源式電子互感器。

2．2 電子式互感器的主要特點

(1)高低壓完全隔離，絕緣簡單，安全性高，沒有因漏油而潛在的易燃易爆等危險。

(2)不存在磁飽和、鐵磁諧振等問題，TA二次輸出可以開路。

(3)頻率響應寬、動態范圍大、精度高，可同時滿足測量和繼電保護的需要，適應電力系統數字化、智能化和網絡化的需要。

(4)體積小、重量輕，節約占地面積;無污染、無噪音，具有優越的環保性能。

3 數字式電能表

數字式電能表是指輸入為數字量或小模擬量的電能表。主要分全數字式和半數字式兩種。

3．1 全數字式電能表

全數字式電能表是指輸入的電壓和電流全部為數字信號，電能表直接根據輸入的電壓、電流數字信號進行電能量計算，電能表無基本誤差，為真正意義的數字式電能表。目前大多應用在變電站的高壓側。

3．2 半數字式電能表

半數字式電能表是指輸入的為小模擬信號，電能表對輸入的小模擬信號需進行模數轉換后再進行電量計算，因此，半數字式電能表與傳統的電子式電能表類似，依然存在計量基本誤差。這種電能表主要用在變電站的低壓側。由于變電站低壓側的出線較多，為節省投資，一段母線一般共用一組電壓互感器，如果全部采用數字式電能表，光纖接口既復雜，也不經濟。

3．3 數字式電能表的特點

(1)全數字式電能表采用數字輸入接口模式。通過光纖接收以太網傳送的數字電流、電壓瞬時值計算各項電量值，不存在基本誤差。

(2)數字式電能表工作電源為外接，需敷設專用工作電源，但同時也消除了表計功耗對計量的影響。

(3)提供給表計的采樣值必須打上時標，現場試驗需要驗證各傳感器單元采樣數據以及時間同步準確度。另外，電能表誤差現場校驗需在停電狀態下進行。

(4)電能表的顯示值是一次數據需事先在表內設置互感器變比，雖然方便了運行人員的數據讀取，但同時也使表計的通用性受到影響。

4 數字化變電站計量系統與傳統變電站計量系統的比較

4．1 傳統變電站計量系統的組成

傳統變電站計量系統組成情況見圖1。

圖1 傳統變電站計量系統組成圖

傳統計量系統由電容式或電磁式電壓互感器、電磁式電流互感器對一次輸入量進行變壓、變流，經二次電纜將二次電壓、電流輸送至電能表，由電能表進行模數轉換、積分運算。該計量系統的誤差來源主要由電壓、電流互感器比差與角差、電能表誤差及二次回路電壓降構成。

4．2 數字化變電站計量系統的組成

圖2 數字化變電站計量系統組成圖

數字化變電站計量系統的組成情況見圖2。數字化計量系統由電子式電壓互感器、電流互感器、數字式電能表及光纖電纜組成。由于數字式電能表接收的是數字信號，直接對數字信息進行運算，不存在計量誤差，在光纖傳輸環節也不存在電能損耗，因此，該計量系統的誤差來源僅由電子式互感器構成。

4．3 傳統計量系統與數字化計量系統誤差之比較

傳統計量系統與數字化計量系統誤差比較情況見圖3。

圖3 傳統計量系統誤差分布圖

通過對上述兩個計量系統進行比較后可以看出:如果采用相同準確度等級的電壓、電流互感器，數字化計量系統的計量綜合誤差要小很多。

4．4 數字化計量系統的特點

(1)一次和二次系統無電的聯系，進而提高了現場工作的安全性。

(2)數字信號代替了傳統模擬量輸入信號，電能表無需進行模數轉換。

(3)無需進行回路壓降測試、絕緣電阻測試和回路接地的檢查。

(4)無需校驗互感器極性及二次回路接線的檢查。

(5)不存在二次電纜壓降問題，也不存在表計自身的誤差。因此，數字化計量系統的綜合誤差要小于傳統計量系統。

(6)數字化計量系統需增加接口可靠性試驗。對傳輸網絡需要進行激光電源模塊測試，合并光纖接口、以太網接口等試驗項目。

5 數字化計量系統的應用實例

作為浙江省首座智能化變電站——110kV諸暨大侶變，采用了較完整的數字化計量系統，該變電站已于2010年1月31日正式投運，其數字化計量系統構成情況如下。

5．1 高壓側計量系統配置

大侶變110kV高壓側采用了全數字化計量模式。

(1)互感器配置:線路側互感器采用有源電子式電壓、電流組合互感器，工作電源采用激光供能方式，電流互感器部分采用空心線圈采樣，電壓互感器部分采用電容分壓方式采樣;主變側互感器采用的是無源式磁光效應電子式電流互感器，工作原理為光在磁場中的偏轉。其產品均為南京南瑞繼保電氣有限公司生產。

(2)電能表配置:高壓側電能表采用的是由南京新寧光電自動化有限公司生產的全數字式電能表，工作電源采用110V直流供電，所有輸入信號由一對光纖提供，接線非常簡單。

(3)計量回路信道構成:由分相電子式互感器將采集到的各相電流、電壓數字信號經光纜小終端傳送至合并單元，再由合并單元將數字信號傳送至過程層交換機，電能表從過程層交換機獲取數據，完成電能量計算。

5．2 低壓側計量系統的配置

大侶變10kV低壓側采用半數字化小模擬計量模式。

(1)互感器配置:電流互感器采用由南京新寧光電自動化有限公司生產的電子式互感器，輸出為額定交流4V的小模擬信號，電壓互感器仍采用傳統電壓互感器。

(2)電能表配置:低壓側電能表采用的是由南京新寧光電自動化有限公司生產的半數字式電能表，工作電源采用110V直流供電，電流輸入為分相小模擬量，電壓輸入為傳統100V電壓，輸出為光纖。

(3)計量回路信道構成:低壓側計量回路與傳統方式類似，僅將二次電流改成小模擬信號，并增加了表計工作電源回路。

5．3 近期運行情況

從大侶變數字化計量系統近期運行情況看，總體情況較好，但也存在不少問題，主要有:

(1)數字式電能表運行不穩定，出現過死機、液晶顯示不正常等現象。

(2)全數字式電能表校驗脈沖誤差變動較大，主要是由于計量模塊與通訊模塊集成于同一CPU，使表內校驗脈沖輸出判斷時間過長，導致校驗脈沖精度不高。

(3)數字式電能表出現過運行時間失準現象，需解決設備對時和TA、TV的同步性問題。

(4)全數字式電能表出現過脈沖丟失和通訊不成功的問題。

(5)主變和線路側電子式互感器在無一次電流、電壓通過時，其合并單元有低頻信號輸出，其中電流回路有6A(一次電流值)左右，從而引起電能表錯誤計量。該回路有待進一步改進。

(6)電能表通訊抗干擾性有待測試。

(7)電能表丟幀插值算法的合理性有待論證。

6 變電站數字化計量模式廣泛應用尚需解決的問題

6．1 計量認證問題

由于電子式互感器、數字式電能表屬新型計量器具，必須獲得國家質量技術監督局頒發的計量器具制造許可證，目前很多廠家的產品尚未取得相應的許可證，從而給其應用帶來困難。

6．2 檢測手段問題

目前，對數字化計量器具尚無成熟的檢測手段，而貿易結算用電能表、互感器則為強制檢定計量器具，因此，檢測手段亟待跟進。

6．3 計量人員技能更新問題

由于數字化計量系統涉及很多光纖通信技術和通訊協議，而上述技術均不屬于傳統計量技術范疇，從而給計量工作人員帶來很大的挑戰。

7 結語

數字化計量系統作為一種新型電能計量模式，目前尚無成熟的運行經驗。但隨著智能電網建設的不斷推進，數字化計量技術在變電站中的應用將是一個發展趨勢。