數(shù)字化計(jì)量配置

1、淺析智能化變電站計(jì)量方案福建省電力勘測設(shè)計(jì)院2009.12淺析智能化變電站計(jì)量方案李毅（福建省電力勘測設(shè)計(jì)院 350003）摘要：分析了一直制約數(shù)字式電能表應(yīng)用的檢定問題，提出可靠的解決手段，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字式電能表計(jì)量值溯源，使得數(shù)字式電能表在技術(shù)上符合國家相關(guān)計(jì)量法規(guī)的規(guī)定。分析了計(jì)量單元集成于智能組件的可行性，對今后智能化變電站中計(jì)量單元融入智能設(shè)備提出展望。關(guān)鍵詞：智能化變電站；計(jì)量；IEC618501 前言在電力市場條件下，為保證公開、公平、公正的為電能生產(chǎn)者和使用者提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，必須建立現(xiàn)代化的電能計(jì)量系統(tǒng)。隨著光電技術(shù)在傳感器應(yīng)用領(lǐng)域研究的突破，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，以及以太

2、網(wǎng)通信技術(shù)的應(yīng)用，有必要在新的技術(shù)條件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套符合智能化變電站特點(diǎn)的計(jì)量系統(tǒng)。本文從數(shù)字式電能表的配置方案和檢定手段論述了智能化變電站的計(jì)量系統(tǒng)。2 智能化變電站計(jì)量裝置的組成電流、電壓互感器與電能表是計(jì)量裝置中的重要組成部分，智能化變電站中的計(jì)量裝置主要是由電子式互感器和數(shù)字式電能表組成。隨著光電子技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)字式計(jì)量裝置將得到廣泛應(yīng)用。2.1 電子式電流、電壓互感器電子式電流、電壓互感器采用新型傳感原理，利用光電子、光通信及電子技術(shù)，以光數(shù)字信號(hào)輸出實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電流、電壓測量的測量，從根本上解決了互感器電流、電壓信號(hào)傳輸中產(chǎn)生的附加誤差。電子式互感器的傳感頭部件與電力設(shè)備的高壓

3、部分等電位，傳感器變換后的電壓和電流模擬量由采集器就地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。2.2 數(shù)字式電能表在智能化變電站中采用的數(shù)字式三相多功能電能表與傳統(tǒng)的三相多功能電能表的工作原理完全不同，數(shù)字式電能表所接收的信號(hào)是以光纖傳送的數(shù)字化電流、電壓信號(hào)，而不是傳統(tǒng)的57. 7 V/ 100 V 的電壓信號(hào)和5 A/ 1 A 的電流信號(hào)。數(shù)字式電能表采用數(shù)字信號(hào)處理器與中央微處理器相結(jié)合的構(gòu)架，將數(shù)字信號(hào)處理器的高速數(shù)據(jù)吞吐能力與中央微處理器 復(fù)雜的管理能力完美結(jié)合。通過協(xié)議處理芯片獲取合并單元的數(shù)據(jù)協(xié)議包，傳送至數(shù)字信號(hào)處理單元完成對電參量測量，電能累計(jì)以及電能的計(jì)算等任務(wù)，后與中央微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，由中

4、央微處理器最終完成表計(jì)的顯示，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，儲(chǔ)存，人機(jī)交互，數(shù)據(jù)交換等復(fù)雜的管理功能（見圖1）。由于數(shù)字計(jì)算過程理論上不會(huì)產(chǎn)生任何誤差(實(shí)際可能產(chǎn)生的誤差為浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算時(shí)有效位誤差，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)固有誤差，與電能表型號(hào)無關(guān)，這種誤差小于1/ 10000) ，所以不規(guī)定精度等級。圖1 實(shí)時(shí)運(yùn)算處理系統(tǒng)圖數(shù)字式電能表具有分時(shí)計(jì)量、最大需量、月統(tǒng)計(jì)電量、實(shí)時(shí)測量、監(jiān)控、負(fù)荷曲線記錄、脈沖輸出與通信接口等功能。1) 分時(shí)計(jì)量功能，可按尖、峰、平、谷四種費(fèi)率時(shí)段進(jìn)行總有功、無功電量及A、B、C三相元件正、反向有功，四象限無功及感、容性無功電能的計(jì)量。2) 最大需量功能，可計(jì)算總正、反向有功電度和四個(gè)象限無功電度

5、的最大需量，并記錄最大需量的出現(xiàn)時(shí)間。3) 月統(tǒng)計(jì)電量功能，可計(jì)算當(dāng)前月總電能及四種費(fèi)率分時(shí)的電能，并存儲(chǔ)最近12個(gè)月的總電能及四種費(fèi)率電能。4) 實(shí)時(shí)測量功能，可測量總及A、B、C三相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、及電網(wǎng)頻率，并顯示功率方向。5) 監(jiān)控功能，電能表可分別累計(jì)各相失壓、失流、斷相時(shí)間和該段時(shí)間內(nèi)電表所計(jì)有功電量，并保存失壓、失流、斷相記錄。6) 負(fù)荷曲線記錄功能。7) 脈沖輸出與通信接口，電表具有無源脈沖輸出和無源測試脈沖輸出并提供USB接口，可通過該接口使用PC編程軟件對電表進(jìn)行編程。2.3 數(shù)字式計(jì)量裝置二次連接部分電子式電流、電壓互感器二次部分采用新型的電子元

6、器件，可通過合并器直接與數(shù)字式儀表和智能綜合測量保護(hù)裝置相連，較好的解決了計(jì)算機(jī)技術(shù)對電流、電壓完整信息進(jìn)行全過程數(shù)字化處理的要求。合并器可以接收、處理來自多個(gè)采集器的數(shù)字信號(hào)。合并器對這些信號(hào)進(jìn)行匯集處理后，輸出到監(jiān)控、保護(hù)、計(jì)量等裝置。光電互感器的信號(hào)傳輸形式可以采用光纜(光纖) 實(shí)現(xiàn)，光信號(hào)的突出優(yōu)點(diǎn)以及光纖通信技術(shù)的廣泛采用使得變電站內(nèi)部及其與上級站之間的數(shù)據(jù)傳輸更加可靠和迅速。3 數(shù)字式計(jì)量系統(tǒng)的優(yōu)越性3.1 電子式電流、電壓互感器在計(jì)量方面的優(yōu)越性電子式電流、電壓互感器傳送的是數(shù)字信號(hào)，完全不受負(fù)載的影響，同時(shí)由純數(shù)字信號(hào)傳輸引起的誤差被排除，只要計(jì)算精度選擇恰當(dāng)，儀表因是數(shù)字值的

7、純計(jì)算而不會(huì)增加任何誤差。3.2 數(shù)字式計(jì)量裝置的優(yōu)勢數(shù)字式電能表的電量輸入采用了數(shù)字輸入接口模式。它的信號(hào)接收通過光纖以太網(wǎng)傳送的數(shù)字化電流電壓瞬時(shí)值，傳輸數(shù)據(jù)快，抗干擾能力強(qiáng)，可以和電子式互感器實(shí)現(xiàn)真正意義上的無縫連接。其實(shí)際意義上是一個(gè)高精度的積分運(yùn)算器， 從功能上說具備了現(xiàn)行電子式多功能電能表的所有功能，數(shù)字計(jì)算理論上可保證計(jì)算出的各項(xiàng)電量值完全沒有誤差。智能化變電站的電子式電流、電壓互感器與數(shù)字式電能表的接口在物理和鏈路層上采用了IEC61850推薦的高速光纖以太網(wǎng)，減少了傳統(tǒng)二次回路的各種損耗，具有傳輸數(shù)據(jù)快，抗干擾能力強(qiáng)，接線簡潔等特點(diǎn)。計(jì)量系統(tǒng)的誤差由電子式電流、電壓互感器決定

8、。電子式互感器的測量精度能夠滿足電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程要求，它的使用可以大大減少了電能計(jì)量裝置的測量誤差，從而提高了計(jì)量裝置的精度。下面就傳統(tǒng)計(jì)量裝置和數(shù)字式計(jì)量裝置的測量系統(tǒng)進(jìn)行簡要對比。1）如圖2所示，傳統(tǒng)計(jì)量系統(tǒng)由電磁式模擬互感器、電能表通過電纜連接構(gòu)成。假設(shè)電流、電壓互感器、電能表均為0.2級，加上線纜傳輸誤差，最終計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度為0.7。圖2 傳統(tǒng)計(jì)量系統(tǒng)組成示意圖2）如圖3所示，數(shù)字式互感器和數(shù)字式電能表之間通過光纖傳輸電流、電壓信號(hào)，可采用諸如CRC校驗(yàn)等檢錯(cuò)手段保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。因此數(shù)字式計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度由電子式互感器決定。假設(shè)數(shù)字式光電電流、電壓互感器均為0.2級，最終

9、計(jì)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度為0.4。圖3 數(shù)字式計(jì)量系統(tǒng)組成示意圖通過以上比較可以看出，相對于傳統(tǒng)計(jì)量系統(tǒng)，數(shù)字式計(jì)量系統(tǒng)的精確度有了很大的提高。4 數(shù)字式電能表配置方案根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸所遵循的標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字式電能表的配置方案有如下四種：1）采用IEC60044-7/8標(biāo)準(zhǔn)格式傳輸IEC60044-7/8規(guī)范采樣值報(bào)文傳輸遵循IEC60870-5-1的FT3格式，采用點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，傳輸速率為2.5Mbit/s，采樣值傳輸使用IEC60044-8硬件實(shí)現(xiàn)簡單，軟件編碼也很簡單，比較容易實(shí)現(xiàn)。2）采用IEC61850-9-1標(biāo)準(zhǔn)格式傳輸IEC61850-9-1在很大程度上遵循了IEC60044-78標(biāo)準(zhǔn)對合并單元的設(shè)

10、定：輸入通道為12路，采用專用數(shù)據(jù)集，幀格式固定，不允許改變，采用點(diǎn)對點(diǎn)或一點(diǎn)對多點(diǎn)的單向通信模式，并增加了反映開關(guān)狀態(tài)的二進(jìn)制輸入信息和時(shí)間標(biāo)簽信息，通信采用以太網(wǎng)的鏈路層底層協(xié)議完成。3）采用IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)格式傳輸IEC61850-9-2方式中合并器將數(shù)字量采樣信號(hào)以光纖方式接入過程層網(wǎng)絡(luò)，電能表不再與合并器直接相連，而都是通過過程層網(wǎng)絡(luò)獲取采樣值信號(hào)，這樣就達(dá)到了采樣信號(hào)的信息共享。4）采用模擬小信號(hào)傳輸方式將符合IEC60044-7/8標(biāo)準(zhǔn)的模擬小信號(hào)直接傳輸至電子式電能表，這種方式成本低，技術(shù)成熟，但只適用于電能表與互感器同柜的場合，如10kV和35kV開關(guān)柜。以上四種

11、傳輸方式的電能表均有廠家生產(chǎn)和應(yīng)用，其中使用IEC61850 9-1方式的應(yīng)用最多；IEC60044-7/8方式只有個(gè)別廠家應(yīng)用，局限性較大；IEC61850 9-2方式實(shí)際應(yīng)用較少。由于IEC61850-9-1標(biāo)準(zhǔn)存在著光纖連線較為復(fù)雜、安裝方式不靈活等難以解決的缺點(diǎn)，現(xiàn)已被廢止，而且國家電網(wǎng)公司330750千伏智能化變電站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定中建議合并單元輸出協(xié)議采用IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)。5 數(shù)字式計(jì)量裝置的檢定5.1 數(shù)字式計(jì)量裝置的檢定存在的問題DL/ T 448 - 2000電能計(jì)量裝置技術(shù)管理規(guī)程規(guī)定，貿(mào)易結(jié)算用計(jì)量裝置必須定期進(jìn)行誤差測試，保證貿(mào)易結(jié)算的公平性。數(shù)字式電能表與電子

12、互感器之間是一種數(shù)據(jù)通信方式，一個(gè)完好的數(shù)字式電能表本身可以做到無誤差，因此數(shù)字式電能表校驗(yàn)儀對數(shù)字式電能表進(jìn)行的誤差測試本質(zhì)上是對電能表通信誤碼率以及電能表的算法誤差進(jìn)行定級，這和常規(guī)電能表校驗(yàn)儀有本質(zhì)的不同。智能化變電站計(jì)量裝置檢定主要存在以下問題:1）傳統(tǒng)的變電站計(jì)量裝置二次回路中傳輸?shù)氖悄M信號(hào)，而智能化變電站中的電子式互感器二次回路均為光纖傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)，因此無法直接使用傳統(tǒng)的儀器對其進(jìn)行誤差檢測。2）由于電子式互感器及數(shù)字式電能表的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)無法向上級進(jìn)行溯源，也缺少檢定或檢驗(yàn)所依據(jù)的規(guī)程，貿(mào)易結(jié)算用電子式互感器及數(shù)字式電能表也就無法進(jìn)行合理、合法的溯源檢定。因此智能化變電站中用于貿(mào)

13、易結(jié)算的計(jì)量系統(tǒng)成為制約智能化變電站推廣的瓶頸。5.2 對于檢定問題的解決方法 傳統(tǒng)儀器無法檢定數(shù)字式電能表的問題數(shù)字式電能表的工作方式，導(dǎo)致傳統(tǒng)電能表校驗(yàn)臺(tái)無法對數(shù)字式電能表進(jìn)行檢定工作，有必要重新設(shè)計(jì)一個(gè)校驗(yàn)裝置。該裝置必須具備以下幾個(gè)功能:1） 具備光纖以太網(wǎng)接口；2）具備電度計(jì)算功能；3）鏈路層可采用IEC61850-9或FT3標(biāo)準(zhǔn)格式；3）可接收被校電表輸出的脈沖信號(hào)，并進(jìn)行比較；4）保留歷史數(shù)據(jù)功能。 符合以上設(shè)計(jì)思想的電能表校驗(yàn)儀如圖4所示，圖中電能表校驗(yàn)儀配置出符合IEC61850-9或FT3標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字電流、電壓信號(hào),通過光纖傳給被檢的數(shù)字式電能表,電能表進(jìn)行電度計(jì)算后,輸出校

14、驗(yàn)脈沖。電能表校驗(yàn)儀中有標(biāo)準(zhǔn)電能運(yùn)算模塊,根據(jù)配置好的電流、電壓數(shù)據(jù)源計(jì)算出電能基準(zhǔn)。電能表校驗(yàn)儀采集到校驗(yàn)脈沖后,與自身計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)電度量比較,得出電能表誤差。經(jīng)過調(diào)研，這種電能表校驗(yàn)儀已有一些廠家在進(jìn)行研發(fā)并已投入生產(chǎn)。圖4 數(shù)字式電能表校驗(yàn)儀原理框圖 數(shù)字式電能表的溯源問題傳統(tǒng)的三相四線制電子式電能表的輸入為三路模擬電壓、三路模擬電流，與互感器的二次輸出存在電氣連接。而數(shù)字式電能表的輸入為以太網(wǎng)類型的數(shù)據(jù)幀，物理介質(zhì)為光纖或者雙絞線傳輸系統(tǒng)，電能表與互感器之間不存在電氣連接。此類電能表的有功電能在理論上沒有誤差，但受字長、系統(tǒng)時(shí)鐘等因素的影響，誤差必然存在，只不過數(shù)字式電能表的精度穩(wěn)定性

15、更高，溫漂的影響更小。因此，數(shù)字式電能表仍然要經(jīng)過量值溯源，并只能采用非傳統(tǒng)的檢定方法。若有一種裝置，能夠模擬合并單元連續(xù)輸出符合IEC61850協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，傳輸數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的電壓、電流采樣值，數(shù)字抽樣過程沒有附加誤差。被檢電能表對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行運(yùn)算，得到功率和電能，與設(shè)定功率比較可以得到被檢電能表的誤差。該方法在實(shí)施上較為簡單，但根據(jù)國家溯源政策規(guī)定，量值溯源是通過一條具有規(guī)定不確定度的不間斷的比較鏈，使測量結(jié)果能夠與規(guī)定的參考標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)系起來，而該方法中的電流、電壓值都未能參與量值溯源。不能滿足國家政策的要求。若采用標(biāo)準(zhǔn)表和數(shù)字抽樣的誤差作為整體由更高精度的模擬標(biāo)準(zhǔn)電能檢定裝置進(jìn)行檢定。校驗(yàn)裝

16、置的關(guān)鍵部分是模擬合并單元，將模擬信號(hào)采集后，按照IEC61850協(xié)議組成以太網(wǎng)幀，通過光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給被檢電能表。整個(gè)校驗(yàn)裝置包含標(biāo)準(zhǔn)功率源、標(biāo)準(zhǔn)電能表和模擬合并單元三個(gè)部分。此量值傳遞模型結(jié)構(gòu)既能向上溯源更高精度的電能標(biāo)準(zhǔn)裝置，又能向下檢定數(shù)字式電能表。具備這種溯源功能的檢定裝置已有一些廠家正在研發(fā)，一些產(chǎn)品將于09年10月底通過中國電科院和計(jì)量院的相關(guān)驗(yàn)證并投入使用。由上可見，隨著智能化變電站的發(fā)展，符合國家規(guī)范要求的檢定設(shè)備將陸續(xù)投入運(yùn)行，隨著智能化變電站的成熟，相關(guān)的檢定手段和規(guī)程也將進(jìn)一步完善。6 數(shù)字式電能表的布置考慮到計(jì)量系統(tǒng)的重要性，集中布置在小室內(nèi)運(yùn)行環(huán)境更好，以及考慮現(xiàn)有技

17、術(shù)水平、運(yùn)行習(xí)慣和運(yùn)行觀念，智能化變電站的數(shù)字式電能表推薦布置集中組屏布置于各保護(hù)小室內(nèi)，66kV及10kV可布置于智能柜內(nèi)。但隨著電子元器件性能進(jìn)一步提高，一、二次設(shè)備廠家的整合，將數(shù)字式電能表布置于各間隔斷路器匯控柜內(nèi)，和保護(hù)、測控裝置一起分散布置是變電站設(shè)備智能化的發(fā)展方向。7 計(jì)量裝置的展望 在采用了電子式互感器的智能化變電站，計(jì)量系統(tǒng)的精度基本不受電能表的影響，只要電子式互感器的精度可以滿足計(jì)量要求，電能表的計(jì)量功能在數(shù)字式測控裝置上完全可以實(shí)現(xiàn)。可見，智能化變電站為計(jì)量測控一體化的集成提供了成熟的技術(shù)條件。但由于受國家相關(guān)法律法規(guī)對于計(jì)量系統(tǒng)的硬性規(guī)定和計(jì)量系統(tǒng)在運(yùn)行、檢定規(guī)程中的限制，而且在現(xiàn)階段，大部分測控設(shè)備廠家未具備計(jì)量設(shè)備生產(chǎn)資質(zhì)。因此，電能表在當(dāng)前階段還不能被測控裝置所代替，仍需獨(dú)立設(shè)置。在智能化變電站技術(shù)飛速發(fā)展的條件下，在國家的法律法規(guī)和運(yùn)行、檢定規(guī)程相應(yīng)調(diào)整后，將計(jì)量單元集成于智能化一次設(shè)備的智能組件中，是實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的最終目標(biāo)。8 結(jié)論在智能化變電站的計(jì)量系統(tǒng)中采