数字化计量配置.doc

浅析智能化变电站计量方案

福建省电力勘测设计院
2009.12浅析智能化变电站计量方案
李毅
（福建省电力勘测设计院 350003）
摘要：分析了一直制约数字式电能表应用的检定问题，提出可靠的解决手段，实现了数字式电能表计量值溯源，使得数字式电能表在技术上符合国家相关计量法规的规定。分析了计量单元集成于智能组件的可行性，对今后智能化变电站中计量单元融入智能设备提出展望。
关键词：智能化变电站；计量；IEC61850
1 前言
在电力市场条件下，为保证公开、公平、公正的为电能生产者和使用者提供优质服务，必须建立现代化的电能计量系统。随着光电技术在传感器应用领域研究的突破，IEC61850标准的颁布实施，以及以太网通信技术的应用，有必要在新的技术条件的基础上设计一套符合智能化变电站特点的计量系统。本文从数字式电能表的配置方案和检定手段论述了智能化变电站的计量系统。
2 智能化变电站计量装置的组成
电流、电压互感器和电能表是计量装置中的重要组成部分，智能化变电站中的计量装置主要是由电子式互感器和数字式电能表组成。随着光电子技术的发展， 数字式计量装置将得到广泛应用。
2.1 电子式电流、电压互感器
电子式电流、电压互感器采用新型传感原理，利用光电子、光通信及电子技术，以光数字信号输出实现电力系统电流、电压测量的测量，从根本上解决了互感器电流、电压信号传输中产生的附加误差。
电子式互感器的传感头部件和电力设备的高压部分等电位，传感器变换后的电压和电流模拟量由采集器就地转换成数字信号。
2.2 数字式电能表
在智能化变电站中采用的数字式三相多功能电能表和传统的三相多功能电能表的工作原理完全不同，数字式电能表所接收的信号是以光纤传送的数字化电流、电压信号，而不是传统的57. 7 V/ 100 V 的电压信号和5 A/ 1 A 的电流信号。
数字式电能表采用数字信号处理器和中央微处理器相结合的构架，将数字信号处理器的高速数据吞吐能力和中央微处理器 复杂的管理能力完美结合。通过协议处理芯片获取合并单元的数据协议包，传送至数字信号处理单元完成对电参量测量，电能累计以及电能的计算等任务，后和中央微处理器进行数据交换，由中央微处理器最终完成表计的显示，数据统计，储存，人机交互，数据交换等复杂的管理功能（见图1）。由于数字计算过程理论上不会产生任何误差(实际可能产生的误差为浮点数运算时有效位误差，为计算机系统固有误差，和电能表型号无关，这种误差小于1/ 10000) ，所以不规定精度等级。

图1 实时运算处理系统图
数字式电能表具有分时计量、最大需量、月统计电量、实时测量、监控、负荷曲线记录、脉冲输出和通信接口等功能。
1) 分时计量功能，可按尖、峰、平、谷四种费率时段进行总有功、无功电量及A、B、C三相元件正、反向有功，四象限无功及感、容性无功电能的计量。
2) 最大需量功能，可计算总正、反向有功电度和四个象限无功电度的最大需量，并记录最大需量的出现时间。
3) 月统计电量功能，可计算当前月总电能及四种费率分时的电能，并存储最近12个月的总电
能及四种费率电能。
4) 实时测量功能，可测量总及A、B、C三相电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、及电网频率，并显示功率方向。
5) 监控功能，电能表可分别累计各相失压、失流、断相时间和该段时间内电表所计有功电量，并保存失压、失流、断相记录。
6) 负荷曲线记录功能。
7) 脉冲输出和通信接口，电表具有无源脉冲输出和无源测试脉冲输出并提供USB接口，可通过该接口使用PC编程软件对电表进行编程。
2.3 数字式计量装置二次连接部分
电子式电流、电压互感器二次部分采用新型的电子元器件，可通过合并器直接和数字式仪表和智能综合测量保护装置相连，较好的解决了计算机技术对电流、电压完整信息进行全过程数字化处理的要求。
合并器可以接收、处理来自多个采集器的数字信号。合并器对这些信号进行汇集处理后，输出到监控、保护、计量等装置。光电互感器的信号传输形式可以采用光缆(光纤) 实现，光信号的突出优点以及光纤通信技术的广泛采用使得变电站内部及其和上级站之间的数据传输更加可靠和迅速。
3 数字式计量系统的优越性
3.1 电子式电流、电压互感器在计量方面的优越性
电子式电流、电压互感器传送的是数字信号，完全不受负载的影响，同时由纯数字信号传输引起的误差被排除，只要计算精度选择恰当，仪表因是数字值的纯计算而不会增加任何误差。
3.2 数字式计量装置的优势
数字式电能表的电量输入采用了数字输入接口模式。它的信号接收通过光纤以太网传送的数字化电流电压瞬时值，传输数据快，抗干扰能力强，可以和电子式互感器实现真正意义上的无缝连接。其实际意义上是一个高精度的积分运算器， 从功能上说具备了现行电子式多功能电能表的所有功能，数字计算理论上可保证计算出的各项电量值完全没有误差。
智能化变电站的电子式电流、电压互感器和数字式电能表的接口在物理和链路层上采用了IEC61850推荐的高速光纤以太网，减少了传统二次回路的各种损耗，具有传输数据快，抗干扰能力强，接线简洁等特点。计量系统的误差由电子式电流、电压互感器决定。电子式互感器的测量精度能够满足电能计量装置技术管理规程要求，它的使用可以大大减少了电能计量装置的测量误差，从而提高了计量装置的精度。下面就传统计量装置和数字式计量装置的测量系统进行简要对比。
1）如图2所示，传统计量系统由电磁式模拟互感器、电能表通过电缆连接构成。假设电流、电压互感器、电能表均为0.2级，加上线缆传输误差，最终计量系统准确度为0.7。

图2 传统计量系统组成示意图

2）如图3所示，数字式互感器和数字式电能表之间通过光纤传输电流、电压信号，可采用诸如CRC校验等检错手段保证数据传输的正确性。因此数字式计量系统的准确度由电子式互感器决定。假设数字式光电电流、电压互感器均为0.2级，最终计量系统的准确度为0.4。

图3 数字式计量系统组成示意图
通过以上比较可以看出，相对于传统计量系统，数字式计量系统的精确度有了很大的提高。
4 数字式电能表配置方案
根据数据传输所遵循的标准，数字式电能表的配置方案有如下四种：
1）采用IEC60044-7/8标准格式传输
IEC60044-7/8规范采样值报文传输遵循IEC60870-5-1的FT3格式，采用点对点传输，传输速率为2.5Mbit/s，采样值传输使用IEC60044-8硬件实现简单，软件编码也很简单，比较容易实现。
2）采用IEC61850-9-1标准格式传输
IEC61850-9-1在很大程度上遵循了IEC60044-7／8标准对合并单元的设定：输入通道为12路，采用专用数据集，帧格式固定，不允许改变，采用点对点或一点对多点的单向通信模式，并增加了反映开关状态的二进制输入信息和时间标签信息，通信采用以太网的链路层底层协议完成。
3）采用IEC61850-9-2标准格式传输
IEC61850-9-2方式中合并器将数字量采样信号以光纤方式接入过程层网络，电能表不再和合并器直接相连，而都是通过过程层网络获取采样值信号，这样就达到了采样信号的信息共享。
4）采用模拟小信号传输方式
将符合IEC60044-7/8标准的模拟小信号直接传输至电子式电能表，这种方式成本低，技术成熟，但只适用于电能表和互感器同柜的场合，如10kV和35kV开关柜。
以上四种传输方式的电能表均有厂家生产和应用，其中使用IEC61850 9-1方式的应用最多；IEC60044-7/8方式只有个别厂家应用，局限性较大；IEC61850 9-2方式实际应用较少。由于IEC61850-9-1标准存在着光纤连线较为复杂、安装方式不灵活等难以解决的缺点，现已被废止，而且国家电网公司330～750千伏智能化变电站设计技术规定中建议合并单元输出协议采用IEC61850-9-2标准。
5 数字式计量装置的检定
5.1 数字式计量装置的检定存在的问题
DL/ T 448 - 2000《电能计量装置技术管理规程》规定，贸易结算用计量装置必须定期进行误差测试，保证贸易结算的公平性。数字式电能表和电子互感器之间是一种数据通信方式，一个完好的数字式电能表本身可以做到无误差，因此数字式电能表校验仪对数字式电能表进行的误差测试本质上是对电能表通信误码率以及电能表的算法误差进行定级，这和常规电能表校验仪有本质的不同。
智能化变电站计量装置检定主要存在以下问题:
1）传统的变电站计量装置二次回路中传输的是模拟信号，而智能化变电站中的电子式互感器二次回路均为光纤传输的数字信号，因此无法直接使用传统的仪器对其进行误差检测。
2）由于电子式互感器及数字式电能表的计量标准无法向上级进行溯源，也缺少检定或检验所依据的规程，贸易结算用电子式互感器及数字式电能表也就无法进行合理、合法的溯源检定。因此智能化变电站中用于贸易结算的计量系统成为制约智能化变电站推广的瓶颈。
5.2 对于检定问题的解决方法
5.2.1 传统仪器无法检定数字式电能表的问题
数字式电能表的工作方式，导致传统电能表校验台无法对数字式电能表进行检定工作，有必要重新设计一个校验装置。该装置必须具备以下几个功能:
1） 具备光纤以太网接口；
2）具备电度计算功能；
3）链路层可采用IEC61850-9或FT3标准格式；
3）可接收被校电表输出的脉冲信号，并进行比较；
4）保留历史数据功能。
符合以上设计思想的电能表校验仪如图4所示，图中电能表校验仪配置出符合IEC61850-9或FT3标准的数字电流、电压信号,通过光纤传给被检的数字式电能表,电能表进行电度计算后,输出校验脉冲。电能表校验仪中有标准电能运算模块,根据配置好的电流、电压数据源计算出电能基准。电能表校验仪采集到校验脉冲后,和自身计算出的标准电度量比较,得出电能表误差。经过调研，这种电能表校验仪已有一些厂家在进行研发并已投入生产。

图4 数字式电能表校验仪原理框图
5.2.3 数字式电能表的溯源问题
传统的三相四线制电子式电能表的输入为三路模拟电压、三路模拟电流，和互感器的二次输出存在电气连接。而数字式电能表的输入为以太网类型的数据帧，物理介质为光纤或者双绞线传输系统，电能表和互感器之间不存在电气连接。此类电能表的有功电能在理论上没有误差，但受字长、系统时钟等因素的影响，误差必然存在，只不过数字式电能表的精度稳定性更高，温漂的影响更小。因此，数字式电能表仍然要经过量值溯源，并只能采用非传统的检定方法。
若有一种装置，能够模拟合并单元连续输出符合IEC61850协议的数据帧，传输数据为标准对应的电压、电流采样值，数字抽样过程没有附加误差。被检电能表对数据帧进行运算，得到功率和电能，和设定功率比较可以得到被检电能表的误差。该方法在实施上较为简单，但根据国家溯源政策规定，量值溯源是通过一条具有规定不确定度的不间断的比较链，使测量结果能够和规定的参考标准联系起来，而该方法中的电流、电压值都未能参和量值溯源。不能满足国家政策的要求。
若采用标准表和数字抽样的误差作为整体由更高精度的模拟标准电能检定装置进行检定。校验装置的关键部分是模拟合并单元，将模拟信号采集后，按照IEC61850协议组成以太网帧，通过光纤网络发送给被检电能表。整个校验装置包含标准功率源、标准电能表和模拟合并单元三个部分。此量值传递模型结构既能向上溯源更高精度的电能标准装置，又能向下检定数字式电能表。具备这种溯源功能的检定装置已有一些厂家正在研发，一些产品将于09年10月底通过中国电科院和计量院的相关验证并投入使用。
由上可见，随着智能化变电站的发展，符合国家规范要求的检定设备将陆续投入运行，随着智能化变电站的成熟，相关的检定手段和规程也将进一步完善。
6 数字式电能表的布置
考虑到计量系统的重要性，集中布置在小室内运行环境更好，以及考虑现有技术水平、运行习惯和运行观念，智能化变电站的数字式电能表推荐布置集中组屏布置于各保护小室内，66kV及10kV可布置于智能柜内。但随着电子元器件性能进一步提高，一、二次设备厂家的整合，将数字式电能表布置于各间隔断路器汇控柜内，和保护、测控装置一起分散布置是变电站设备智能化的发展方向。
7 计量装置的展望
在采用了电子式互感器的智能化变电站，计量系统的精度基本不受电能表的影响，只要电子式互感器的精度可以满足计量要求，电能表的计量功能在数字式测控装置上完全可以实现。可见，智能化变电站为计量测控一体化的集成提供了成熟的技术条件。但由于受国家相关法律法规对于计量系统的硬性规定和计量系统在运行、检定规程中的限制，而且在现阶段，大部分测控设备厂家未具备计量设备生产资质。因此，电能表在当前阶段还不能被测控装置所代替，仍需独立设置。在智能化变电站技术飞速发展的条件下，在国家的法律法规和运行、检定规程相应调整后，将计量单元集成于智能化一次设备的智能组件中，是实现智能设备的最终目标。
8 结论
在智能化变电站的计量系统中采用遵循IEC61850-9-2标准格式的数字式电能表，配置相应检定装置以实现数字式电能表计量值溯源，能够进行更为精确的计量；较传统的计量装置而言，其具有运行稳定、可靠、精确以及重量轻、体积小、成本低的显著特点。数字式电能表在技术上符合国家相关计量法规的规定。
参考文献
[1] 国家电网公司企业标准《智能变电站技术导则》
[2] 国家电网公司企业标准《330kV～750kV智能变电站设计技术规定》
[3]《220kV～500kV变电所计算机监控系统设计技术规程》 DL/T5149-2001
作者简介：
李毅（1982-），男，福建三明人，助理工程师，主要从事电力系统电气二次设计研究工作。

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