基于数字化变电站电能计量技术研究

江玮

【摘 要】文章首先介绍数字变电站电能计量装置的构成，分析数字化电能计量装置的优点，最后对数字化变电站电能计量装置应用研究。

【关键词】数字变电站；电能计量；电子式互感器；可靠性

引言

目前“智能电网”已成为全球电力的热点话题，数字化变电站是建设智能电网的关键环节，随着光电技术在传感器应用领域研究的突破和IEC68850标准的颁布，数字化变电站在我国逐渐进推广应用，数字式电能计量装置也在电力大变革中脱颖而出。

一、数字变电站电能计量装置的构成

数字化变电站内设备从逻辑上分为三层：变电站层、间隔层和过程层。数字化变电站的计量回路覆盖过程层和间隔层，包括电子式互感器、合并单元、数字电能表和通信系统。数字计量回路采用光纤网络传输电子式互感器二次输出的电压、电流瞬时采样序列，而不像传统计量回路采用电缆传输互感器二次输出的模拟电压、电流信号。作为过程层设备的同一间隔内电子式电压、电流互感器采用某种策略保持采样时刻同步。

1.电子式互感器

电子式电流、电压互感器利用光电子、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。在数字化变电站中，电子式互感器是关键设备，电子式互感器远比传统互感器复杂，并且用光纤等传输方式代替了二次回路，这种情况下可靠性的重点主要在于电子式互感器，它具有无饱和、频带宽、体积小巧等诸多优点，适应电力系统数字化、智能化和网络化的需要。

2.数字式电能表

在数字变电站中采用的数字电能表与传统的多功能表工作原理完全不同，数字电能表所接收的信息是以光纤传送的电流、电压信号，而不是传统的57.7/100V的电流信号和5A/1A的电流信号。数字式电能表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电参量、电量累计以及电能计算等任务，然后与中央微处理进行数据交换，由中央微处理器最终完成表计显示、数据统计、数据交换、人机交互等功能。

3.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器件，可以通过合并单元直接与数字式仪表和智能综合测量保护装置相连，较好地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。合并单元可以接收、处理来自多个采集器的数字信号。经过合并单元处理的信号输出到监控、保护、计量等装置。

二、数字化电能计量装置的优点

数字化电能计量装置与传统电能计量装置相比，主要有以下优点：

1.智能变电站电能计量系统的误差优于传统变电站

数字化电能表接收通过光纤传送的电流电压采样点的数字流，基本避免了因二次电流电压模拟信号传输损耗引起的计量系统附加误差。

2.数字化电能表的高可靠性

数字化电能表与合并单元或电子式互感器物理间采用光纤通讯，实现完全电气隔离，保障在各种复杂的电磁环境下都不会造成数字电流、电压信号传输的改变。同时，数字化电能表已完全取消二次电流输入，有效的消除了过流或二次电流开路等安全事故隐患。

3.数字化电能表的高稳定性

电表的采用数字信号输入，无模拟采样电路，长期运行中有效避免传统电表因温度、采样电路的电阻电容变化、零漂、电磁干扰等可能对精度造成的影响。

4.数据可靠性

电流、电压数字信号采用标准协议进行传输，接收端即电能表可对来自互感器或者合并单元的电流、电压信号进行校验，有效避免了误码可能对电能计量造成的影响。

三、数字化变电站电能计量装置应用方面的问题探讨

数字化变电站是一个新生事物，与传统变电站相比，有了跨越性的进步。然而，电子式互感器的应用也给计量系统带来了一些新的问题，包括计量装置的检定、计量装置稳定性、人员技术等方面。

1.计量装置的检定问题

数字变电站中的电子式互感器的二次回路传输的是数字信号，而并非传统的模拟信号，因此传统的仪器无法直接对其进行误差检测，必须设计生产相应的检定设备。

（1）电子式互感器的校验。目前已有一些厂家生产电子式互感器校验仪，可以对模拟量输出的电子式互感器和符合IEC60044-7、IEC60044-8、IEC61850-9-1标准的数字量输出的电子式互感器进行精度校验，其工作原理如图1所示。

通过对互感器一次升流，对被测电子式互感器与基准互感器的输出量进行比对，将互感器的测试结果包括基频频率、基频幅值、基频相位分别与标准源的基频频率、基频幅值和基频相位比对，得出频差、比差和相位差。在对模拟量输出的电子式互感器进行校验时，比差和相位差即为最终的误差值；但在数字量输出的电子式互感器校验中，相位差除了包含相位误差外，还有额定相位偏移和额定延迟时间造成的相位差。

（2）数字式电能表的校验。数字电能表的工作方式决定传统电能表校验台无法对智能电表的误差进行检测，因此有必要重新设计一个校验装置。该装置应具备光纤以太网接口，具备电能量计算功能。链路层可采用IEC61850-9标准格式，可接收被校电表输出的脉冲信号，并进行比较，还应能够保留历史数据等，其校验原理如图2所示。

图1电子式互感器校验原理图

图2数字式电能表校验原理图

按照IEC61850-9标准要求，校验仪输出电流、电压至数字式电能表，在接收到数字式电能表输出的脉冲后与自己计算出的电量进行比较，算出误差。但是，现在已有电子式互感器的制造标准，但还未有试验标准。因此，电子式互感器校验仪和数字式电能表校验仪的测试结果是否得到认可将成为关键问题，使用设备生产厂家配套的校验仪的测试结果只能作为参考，应在第三方有检验资质的单位检测合格后才能作为实际计费之用。因此，需尽快出台电子式互感器和数字式电能表的检验标准，并开发相应的校验仪，以推动数字化变电站技术的发展和应用。

2.计量装置稳定性问题

数字化电能计量装置已进入了实用化阶段，但要保障装置长期运行可靠运行，还需不断积累经验和产品改进。由于计量原理不同，数字化变电站中电能计量系统可靠性与传统计量系统侧重点也不同，传统变电站计量系统中，电能表以及二次传输回路的故障率高于互感器。而在数字化变电站中，电子式互感器是关键设备，电子式互感器远比传统互感器复杂，并且用光纤等传输方式代替了二次回路，这种情况下可靠性的重点主要在于电子式互感器。电子式互感器按照原理分有源电子式互感器和无源电子式互感器。有源电子式互感器利用电磁感应原理感应被测信号，其传感头部分具有需用电源的电子电路，用于GIS断路器更方便，对于户外配电设备，可采用激光供能方法，能够较好的解决电子式互感器电磁干扰问题。

目前有源电子互感器已在工程实践中获得较多的应用，建议在数字化变电站初始阶段，采用有源电子互感器。另外，为了提高数字信号传输准确性，需对光纤等传输的信号要进行实时监视，通过检查校验方式，剔除错误信息。电能表的通信质量要重点监视，一般监视漏点率，即统计一段时间的传输漏点次数，并且设置上限值，若漏点率超过此值，则在LCD上报警，并上传警告，让工作人员对此线路进行重点检查。

3.计量人员技能更新问题

由于数字化计量系统涉及很多光纤通信技术和通信协议，数字计量装置必须使用全新的检定方法、检定技术和量值传递标准，而上述技术问题与传统的计量技术有较大差异，给计量工作人员带来很大的挑战。因此，在推进数字化计量系统应用的同时，相应的检定规程、验收规范、管理标准的制定应同步开展；计量人员的技术素质和管理能力也需要相应提高，这样才能适应数字化电能计量系统的操作、使用和维护工作。

四、结束语

数字化技术在电能计量领域的应用将推动计量装置在制造技术上的更新换代，从而不断促进检定技术的逐步完善，提高检定质量和工作效率，提高电能计量装置的准确性、安全性和可靠性。数字化电能计量系统的建设，将是电能计量领域的一次大转折、大变革、大机遇、大挑战。我们应做好充分准备，以全新的姿态，迎接数字化电能计量时代的到来！

参考文献：

[1]IEC60044-7仪表用互感器[S].

[2]IEC60044-8仪表用互感器[S].

[3]徐大可，汤汉松，孙志杰.电子式互感器在数字化变电站中的应用[J].电力设备，2008，（3）.

[4]高翔.数字化变电站应用技术[M].中国电力出版社，2008