一種新型一體化高壓計量檢定裝置的研制

陳海賓，張曉穎，陳麗雯，朱偉杰，張夢彧，陳耀高

（1.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海200051；2.廈門紅相電力設備股份有限公司，福建廈門361000）

0 引言

隨著電力改革的不斷深入，配送電環節之間的責任及管理分工越來越明確，作為受電側的配網公司，將對線損考核提出更高要求，因此，對配電網的精細化管理勢在必行。國家電網公司最近推出并確立了全新的一、二次融合技術方案，提出將高壓計量模塊作為精細化調度的重要設備，同時也是防竊電的關鍵技術手段［1-3］。如此，高壓電能表［4-10］、電子式互感器、高壓計量箱等作為高壓計量模塊的重要組成部分，將越來越多地得到應用［5］。因此，迫切需要有符合實際工作需求的高壓計量檢定裝置，能夠對高壓計量模塊及其各功能單元進行一體化的計量檢定，但截至目前，市場上還沒有比較完整的符合國網公司上述最新要求的相應檢定裝置［4，11］。

目前，在高壓電能表、電子式互感器的檢定技術領域，主要以高壓電能表檢定裝置和三相互感器同步檢定裝置為代表，互感器與電能表的檢定并未統一，造成高壓標準部分重復配置、浪費資源；檢定操作過程中需要手動切換標準互感器的量程；而且對有電容分壓裝置的高壓電能表的檢定，還需要對高壓側進行人工放電，所以，檢定操作的自動化程度低、安全性能差。

文章研制的這種類型一體化高壓計量檢定裝置，不僅可完成對傳統互感器的檢定，同樣也能用于實現對電子式互感器（數字和模擬）、高壓電能表以及高壓數字電能表（符合IEC 61850標準）的檢定。

1 一體化高壓計量檢定裝置的設計要素

高壓電能表及其他一體化的高壓計量、測控設備，在這里統稱為高壓計量模塊。對高壓計量模塊的檢定，分為互感器誤差檢定和高壓電能表一體化檢定兩個部分，其共同的特點，就是均要在三相高電壓條件下進行；同時，文章所研發的一體化高壓計量檢定裝置，具有以下多個關鍵要素：（1）互感器、電能表檢定的一體化。即，是在同一個高電壓平臺上，檢定裝置具有互感器比差、角差以及電能計量誤差的檢定功能。具體地，是利用一體化的檢定裝置，對互感器的二次信號進行測量，并進行離散傅里葉運算，得到互感器的比差和角差；而利用該一體化高壓計量檢定裝置檢定電能表時，其中的標準電能表接收標準互感器的二次信號，并將其高速地進行電能積分運算后，去與被檢電能表計量的電能量以脈沖的形式比較，從而得到被檢電能表有功電能和無功電能的計量誤差。（2）三相同步升壓、升流的一體化。即，為了取得與實際應用環境完全一致的測量條件，所研發的一體化高壓計量檢定裝置采用了電壓、電流同步升壓及升流的技術，而為滿足這個工況，標準電流互感器必須工作在高電壓下。但在高電壓下，如何實現標準電流互感器一次回路的自動安全切換是技術難點，具體地，文章所研發的一體化高壓計量檢定裝置采用的是無線控制的浮地電源自動切換技術。（3）三相四線與三相三線接法的一體化。配電網所需的高壓電能表，大多采用兩元件的V-V接法。但國網公司提出要采用的一、二次融合技術方案，則要求高壓電能表采取中心點非有效接地的三元件YY接法。針對于此，所研發的一體化高壓計量檢定裝置在互感器設計上，具體采用了雙絕緣的電壓互感器，旨在滿足不同接線方式的靈活應用需求。（4）常規互感器與電子式互感器的一體化。本一體化高壓計量檢定裝置在設計上，還確定了被檢定對象兼容常規電磁式互感器和電子式互感器的構建原則，其中，被檢電子式互感器，包括小模擬量輸出的電子式互感器，以及通過合并單元輸出遵文章所研發的一體化高壓計量檢定裝置，屬于常規互感器、電子式互感器、合并單元、數字電能表的一體化校驗儀器，這既是該檢定裝置的一個實現難點，也是它的一個亮點所在。（5）基波誤差與諧波誤差檢定的一體化。文章所研發的一體化高壓計量檢定裝置，采用高保真的自反饋電子功率源，其輸出電壓參照內部的6.3 V交流參考電壓基準，通過將該電壓基準設計成諧波成分精密可調的程控電壓信號源（DDS），最終使自饋式電子功率源可輸出諧波成分可調的諧波電能。如此，通過對互感器、電能表輸出信號中各次諧波成份誤差的測量，能明顯增強對特定非線性負荷用戶電能計量裝置的準確檢定能力。

新型一體化高壓計量檢定裝置的設計，可實現多種不同的一體化內涵，所具體研發實現的相應檢定裝置，可充分滿足配電網電能計量自動化面對不同對象的不同需求，對深入研究、摸清高電壓下運行的互感器、電能表的基波及諧波誤差，以及電能計量綜合誤差的規律等可提供支撐平臺。

2 一體化高壓計量檢定裝置的主要技術特征和指標

文章研制的這種一體化高壓計量檢定裝置，完全遵照GB/T 11150-2001《電能表檢驗裝置》、國家計量檢定規程 JJG 597-2005《交流電能表檢定裝置》及JJG 596-2012《電子式交流電能表》的相關規定，并以遵從國家電網公司新近提出并確立的一、二次融合技術指導意見為原則［1］。為使其滿足相關檢定試驗要求，其可控電流可以達到最小額定電流的0.1%；具有自動切換一次電流的功能；專門設計有一次開路檔位，便于進行不平衡負荷試驗和潛動試驗；一體化檢定的準確度達0.02S級，有功電能脈沖輸出頻率為60 kHz。該檢定裝置滿足GB 20840系列標準對互感器測量的要求，其內置的雙絕緣標準電壓互感器的工作電壓為10 kV，準確度為0.01級；標準電流互感器的準確度為0.01S級，一次額定電流可從5 A到500 A，所設計采用的自動切換技術，可有效保證一次電流在0.05 A到600 A范圍內，標準互感器的準確度均能達到0.01級。所配置的自動切換裝置運行在高電壓下，具體由浮動電源為其供電，并且經光纖或藍牙通訊對其進行控制，能確保其實現自動切換的安全可靠。

3 一體化高壓計量檢定裝置的工作原理

3.1 對高壓電能表或高壓計量模塊的檢定

10 kV高壓電能表的檢定線路見圖1，其中，由三相程控電源產生三相三線制的工作電壓和電流，經過升壓器和升流器后，形成高電壓虛功率回路；升流器和標準電流互感器處于高電壓下，與高壓電能表的工作狀態完全一致。對高壓電能表的檢定試驗，是通過運行裝設在三相互感器電能表一體化校驗儀中的10 kV高壓電能表檢定軟件，并具體按照國家有關標準和相應的檢定規程進行的。標準電流互感器的一次側具有自動切換功能，能使得每個試驗電流均能得到精確的測量。由于標準電流互感器工作在高電壓下，切換裝置將采用浮動電源供電，并通過藍牙或光纖通訊進行控制，以確保安全［6-8］。

圖1 三相三線（兩元件法）的高壓電能表檢定線路Fig.1 Three-phase three-wire（two elements method）of high-voltage watt-hour meter calibration circuit

3.2 對三相電子式互感器的檢定

圖2 三相四線狀態下的組合電子式互感器檢定線路Fig.2 Verification circuit of combined electronic transformer in three-phase four wire state

根據國網公司最新提出并確立的一、二次融合技術方案要求，高壓計量模塊將采用三相四線制接線，中心點要做非有效接地；而且，要采用模擬量輸出的電子式互感器，電壓輸出采用電阻分壓器，額定二次電壓為3.25 V，電流輸出采用小功率線圈，以電壓形式表示的額定輸出為1 V。圖2為檢定三相組合式電子式互感器誤差的原理接線圖，其中，高壓電能計量單元采用高電壓虛功率平臺。由于標準電壓互感器的額定二次電壓為100 V或標準電流互感器的額定二次電流為5 A或1 A，但是，被檢電子式電壓互感器的額定二次電壓為3.25 V、電子式電流互感器的額定二次電壓值是1 V，故，被檢與標準之間無法直接形成差壓或差流，所以，對三相互感器可實現同步檢定的一體化高壓計量檢定裝置采用了基于離散傅里葉變換的多通道直接測量法，其比差的分辨率達到0.001%，角差的分辨率達到0.01′，基本誤差滿足0.02級測量準確度；采用基于LINUX嵌入式系統的觸摸式大屏幕，能同時顯示三相電壓互感器和三相電流互感器各個檢定測量點的比差和角差，完全滿足檢定工作需求要求。

3.3 三相一體化高壓計量檢定裝置工作原理

文中所研發的一體化高壓計量檢定裝置的核心模塊即構建原理見圖3。它們為實現對三相互感器和電能表的檢定提供了全面的檢定測試工具，兼顧了三相六模擬量輸出電子式互感器的誤差，三相高壓電能表的誤差檢定功能。該檢定裝置的后臺采用LINUX嵌入式操作系統，底層核心硬件由32位微型單片機、24位Σ-Δ高速AD轉換器和高速FPGA等組成，對單個電學量真有效值的測量的準確度可達到0.005%；對有功電能的測量準確度達到0.01級；測量互感器輸出的準確度為0.02級。

圖3 三相一體化高壓計量檢定裝置核心部分的模塊分布圖Fig.3 Module distribution diagram of the core part of three-phase integrated high voltage measurement and verification device

三相一體化高壓計量檢定裝置的主要硬件部分包括電源模塊、互感器模塊、AD模塊、同步模塊、光電模塊、控制和數據處理模塊，該檢定裝置實現檢定互感器誤差的原理框圖如見圖4所示。

圖4 互感器誤差檢定測試原理框圖Fig.4 Principle block diagram of error test and measurement ofmutual inductor

標準互感器和被測互感器接受同樣的一次側高電壓、大電流信號后，產生標準信號和被測信號。采樣單元同時對標準信號和被測信號進行采樣，得到相應的數字量。運算處理單元對標準數字量和被測數字量進行傅里葉變換，并計算出相應的有效值和初相角，每個周期的采樣點數250。再通過運算、比較及處理，獲得角差和比差等測試數據，并將這些測試結果送回上位機。在互感器誤差測量功能的實現上，采用了基于極坐標系的直接測量法，并且能夠兼顧完成對傳統電磁式互感器、模擬量輸出的電子式互感器以及數字量輸出互感器誤差的檢定測試。該檢定裝置實現電能計量誤差測量的原理框圖如圖5所示。

圖5 電能誤差測量原理框圖Fig.5 Principle block diagram of electric energy error measurement

從圖5可見，Linux上位機軟件根據界面設置，配置數字功率源和標準數字電能表。數字功率源輸出的數字報文，分別送到被測數字電能表和標準數字電能表，它們解析所收到的數字報文、計算出電能量，并根據計算出的相應電能量，分別產生相應頻率的高頻脈沖和低頻脈沖。誤差計算單元通過比較、分析高頻脈沖和低頻脈沖所代表的電能量，再計算出兩個數字電能表的電能計量誤差，并將測試結果送回上位機。該檢定裝置可以兼顧完成對數字電能表和普通模擬式電能表的檢定。

文章工作中研發的一體化高壓計量檢定裝置，以所具有的先進軟硬件架構、豐富的Linux嵌入式軟件界面，可完成從互感器到電能表的多種檢定測試功能；同時，其配備的以TCP/IP協議為基礎的工業以太網接口，能使其與后臺管理軟件快速地實現數據交互。因此，該檢定裝置在實驗室檢定或現場在線校驗方面有著廣泛的應用前景。

4 結束語

通過采用互感器直接測量法、高電壓下一次側電流自動切換技術、高壓標準電流互感器以及核心部件，研制出了一種0.05級一體化高壓計量檢定裝置，有效實現了對高壓計量模塊即互感器和電能表的一體化檢定。因此，文章所研發出的這款新型一體化高壓計量檢定裝置，將在配電網自動化及營銷計量領域，尤其是將在對國網公司最新提出并確立的一、二次融合技術方案所需的高壓電能表及組合電子式互感器的綜合、一體化檢定方面，具有推廣應用價值。