智能变电站电能计量模式分析

徐先勇，罗志坤，李劲柏，欧朝龙，万全

(湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙 410007）

智能变电站电能计量模式分析

徐先勇，罗志坤，李劲柏，欧朝龙，万全

(湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙 410007）

针对智能变电站电能计量系统新技术，以湖南电网2座典型智能变电站为背景，在介绍电能计量系统电能计量装置配置的基础上，研究2种电能计量模式工作机理，并深入分析2种电能计量模式各自的特点。

智能变电站;电能计量模式;光纤传输;数字电能表

1 110 kV曾家冲智能变电站电能计量系统

1.1 电能计量装置配置

长沙110 kV曾家冲智能变电站电能计量装置主要由3部分组成:电子式电压互感器、光纤式电流互感器、计量用合并单元及其传输回路和三相四线制电子式多功能电能表〔1〕。电子式电压互感器、光纤式电流互感器的分布如图1所示，三相四线制电子式多功能电能表位于控制室电能计量屏内。电子式电流互感器配置在110 kV的延曾Ⅰ线、延曾Ⅱ线以及Ⅰ母、Ⅱ母之间母联，Ⅱ母、Ⅳ母之间母联处，主变10 kV出线处也采用光纤式电流互感器，为南瑞航天的全光纤型电流互感器;考虑稳定性、抗干扰性等因素，光纤式电流互感器采用冗余配置，每个安装点均安装2组全光纤电流互感器，每组电流互感器含1个独立的电流传感/采集光路，等级为0.2S(5TPE)级，保护、测量、计量合用，共30台。电压互感器配置:110 kV电压互感器均采用西安华伟的电容分压型电子式电压互感器，分别分布在110 kV延曾Ⅰ线、延曾Ⅱ线 (单相均为A相)，110 kVⅠ母、Ⅱ母、Ⅳ母 (为三相)处，共11台。110 kV电子式电压互感器，等级为0.2(3P)级，保护、测量、计量合用。110 kV延曾Ⅰ线、延曾Ⅱ线A相电子式电压互感器含1路独立输出回路，等级为0.2级。

图1 曾家冲智能变电站电子式电压、电流互感器分布图

图2为110 kV曾家冲智能变电站光纤式电流互感器和电子式电压互感器分别与智能组件的连接示意图。图中光纤式电流互感器本体与其电气单元盒之间的连接线、光纤式电流互感器电气单元盒与对应智能组件之间的连接线均采用光纤。电子式电压互感器本体与其电气单元盒之间的连线为模拟信号线，而其电气单元盒和对应智能组件之间的连接线采用光纤。计量、测量和保护所用的电压、电流信号通过光纤由智能组件传输到合并单元。

图2 电子式电压、电流互感器光纤连接示意图

三相电子式多功能电能表是一款符合DL/T 614《多功能电能表》标准的0.2S级三相电子式多功能电能表。其主要特点为计量信号为数字流输入、采用光纤接口、高速的数据处理能力、电源采用双路外接电源供电，适用于采用IEC61850-9-1/2LE标准协议的电能计量体系。曾家冲智能变电站在中控室共安装了2块智能光纤式电能表，分别计量110 kV延曾Ⅰ线、延曾Ⅱ线的电能，以便与延龙变出线处的电能表 (传统电能表)所计电量进行对比。

1.2 电能计量模式

如图3所示，该站电能计量系统为全数字化模式，从一次设备、二次设备及传输回路传输信号全为数字量。电子式电压互感器、光纤式电流互感器电气单元盒输出的数字信号经光纤分别传输至电压、电流合并单元，合并单元把数字信号传送至网络交换机。网络交换机输出的符合IEC61850-9-2LE通讯协议的数字信号经过2路光纤通道分别传送至延曾Ⅰ线、延曾Ⅱ线的三相电子式多功能电能表，电能采集终端和电能表之间通过RS485进行通讯。电能采集终端把采集到的电量信息上传到电能采集系统主站，便于远程操作人员监测电量信息。电子式电压互感器、光纤式电流互感器合并单元需接入工作电源和同步时钟。因该站一次系统为单母分段接线，计量用电压互感器采用母线电压互感器时，应根据一次运行要求，必要时电压二次回路配置电压并列装置，在传统变电站中一般设置专用电压并列屏柜，由小母线引入二次电压通过控制继电器逻辑动作及一次设备的操作实现TV并列。在该智能变电站中，母线TV电压二次回路并列功能直接由母线电压合并单元实现。

图3 曾家冲智能变电站电能计量模式示意图

2 220 kV林海智能变电站电能计量系统

2.1 电能计量装置配置

长沙220 kV林海智能变电站电能计量系统分为关口电能计量系统和非关口电能计量系统，其中关口电能计量系统构成和传统变电站电能计量系统的构成相似，而非关口电能计量系统主要由电磁式电压互感器、电磁式电流互感器、带模数转换器的电压及电流合并单元、三相四线制电子式多功能电能表组成。220 kV林海智能变电站220 kV侧一次主接线简易示意图如图4所示，全站电压互感器、电流互感器均为GIS型传统电磁式多绕组互感器(保护、计量、测量绕组分开)，计量用电压互感器二次输出为57.7 V模拟信号，等级为0.2级;计量用电流互感器二次输出为1A模拟信号，等级为0.2S级。现场一次设备区域每个间隔配备了智能汇控柜，由柜内带模数转换装置的合并单元把模拟信号转换成符合IEC61850-9-2LE通讯协议的数字信号。变电站主控室内配置了光纤网络交换机、电能计量屏、电能采集屏。全站共15块三相四线制电子式多功能电能表分别计量220 kV线路电量、110 kV线路电量，#1及#2主变中低压侧电量，其中#1及#2主变中低压侧电能表安装在专用计量屏中、220 kV线路电能表安装在保护屏中、110 kV线路电能表安装在一次设备区域智能汇控柜中。关口电能表为红相MK6E电能表，主副表共6块(分别计量#1及#2主变高压侧电量、220 kV林边线电量)。关口电能表和失压计时器安装在省关口电能计量屏内。

图4 220 kV林海智能变电站部分一次主接线简易图

2.2 电能计量模式

图5为林海智能变电站电能计量模式示意图，含关口电能计量模式和非关口电能计量模式。关口电能计量模式与传统变电站相同，母线电压互感器二次输出通过电缆接入智能汇控柜中，并在智能汇控柜中分成2路，一路接入带模数转换的合并单元，并被转换成符合IEC61850-9-2LE通讯协议的数字信号为线路电能表提供计量电压信号;另一路直接通过电缆接入控制室内的省关口电能计量屏为MK6E电能表提供计量电压信号，也为失压计时仪提供电压信号。省关口计量用电流互感器二次输出信号直接通过电缆传输到控制室内的省关口电能计量屏，为MK6E电能表和失压计时仪提供电流信号。MK6E电能表通过RS485和电能采集终端通讯，并由电能采集终端把电量远传至省调计量主站。

线路电流互感器二次输出电流信号经过电缆传输至智能汇控柜，由带模数转换的合并单元转换成符合IEC61850-9-2LE通讯协议的数字信号。电压互感器合并单元和电流互感器合并单元输出的电压、电流数字信号经过光纤传送至光纤网络交换机，网络交换机输出的数字信号经过光纤通道分别传送至线路侧三相电子式多功能电能表，电能采集终端和电能表之间通过RS485进行通讯。电能采集终端把采集到的电量信息上传到地调电能采集系统主站，便于远程操作人员监测电量信息。因该站一次系统为双母分段接线，计量用电压互感器采用母线电压互感器时，应根据一次运行要求，必要时电压二次回路配置电压切换装置，在传统变电站中一般设置专用电压切换屏柜，由小母线引入二次电压通过控制继电器逻辑动作及一次设备的操作实现TV切换。在该智能变电站中，母线TV电压二次回路切换功能直接由母线电压合并单元实现。

图5 林海智能变电站电能计量模式示意图

3 智能变电站2种电能计量模式特点分析与对比

曾家冲智能变电站电能计量系统中的计量装置为全数字化装置体现了全智能概念，具有以下特点:

1)该智能变电站为全数字化计量模式，电能计量装置体积小、占地面积少，与传统变电站电能计量模式相比电能计量二次回路大大简化。

2)理论上分析，该智能变电站电能计量系统整体误差为0.4%(数字化电能表误差很小，可忽略)，而传统变电站电能计量系统整体误差为0.7%。

3)该智能变电站电能计量二次系统安全性强，不用考虑电压互感器二次短路、电流互感器二次开路，并且相关人员在运行维护时安全性较高。

4)光纤式电流互感器二次输出含有噪声信号，特别是一次电流较小时，其二次输出信号中的噪声信号几乎淹没了真实有用的电流信号，对电能计量的准确性将会造成一定程度影响。光纤易折断、光纤头易受污染，造成通讯不畅。全数字电能计量设备复杂环境下长期运行的稳定性还有待验证。

林海智能变电站电能计量系统的一次设备为户外GIS型传统设备，主要使用二次设备把模拟信号转换成数字信号实现保护、测量及计量等专业的智能化，具有以下特点:

1)该智能变电站具有2种计量模式，省关口电能计量系统为传统计量模式，非关口电能计量系统为智能电能计量模式，与传统变电站相比电能计量二次回路有所简化。

2)在同一个计量点没有安装传统电能表和数字电能表的比对系统，不利于2种计量模式长期运行时的电量比对。

3)电能计量系统中带有模数转换型的合并单元，此时需要检测整个电能计量二次回路的整体误差，以便分析判断电能计量系统的性能。

4 结论

4.1 文中研究了湖南电网智能变电站两种典型电能计量系统，曾家冲智能变电站电能计量系统为全数字化、全智能化;林海智能变电站电能计量系统具有2种模式:省关口电能计量系统与传统变电站电能计量系统相同，非省关口电能计量系统为数字化、智能化电能计量系统。

4.2 在介绍2种智能变电站电能计量系统电能计量装置配置的基础上，分析了它们各自的特点并进行了深入对比分析。

4.3 文中的研究成果可供智能变电站电能计量系统的建设、调试、管理及运行维护参考。

〔1〕徐先勇，欧朝龙，陈福胜，等.110 kV智能变电站复杂环境下电子式互感器校验方法〔J〕.湖南大学学报 (自然科学版)，2012，39(6):63-68.

〔2〕孙卫明，林国营，周尚历，等.数字化变电站计量装置整体准确度及其长期运行特性〔J〕.电测与仪表，2010，47(536):27-31.

〔3〕刘水，黄洋界，李斌.数字化电能计量检测技术方案研究〔J〕.电测与仪表，2011，48(544):66-71.

〔4〕姜鲲，尚韬，陈兵，等.智能变电站电能计量系统配置方案研究〔J〕.中原工学院学报，2012，23(2):15-22.

〔5〕王明俊.智能电网与智能能源网〔J〕.电网技术，2010，34(10):1-5.

TM932

B

1008-0198(2013)S1-0024-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2013.Z1.006

2013-04-15

徐先勇(1981— )，男，河南信阳人，博士，工程师，主要从事电力电子、智能电网、电能计量相关的研究工作。