智能变电站二次回路计量装置综合误差离线测量系统的设计

刘焕磊 贺晋宏 康 健

（国网山西省电力公司长治供电公司，山西 长治 046001）

智能变电站二次回路计量装置综合误差离线测量系统的设计

刘焕磊 贺晋宏 康 健

（国网山西省电力公司长治供电公司，山西 长治 046001）

针对国内智能变电站二次回路计量装置综合误差测量没有成熟测量设备的现状，本文设计了一套智能变电站二次回路计量装置综合误差离线测量系统。该系统通过接收被检电能表电能脉冲信号并与标准电能表测得的三相交流电能进行对比的方法，实现了智能变电站二次回路计量装置综合误差的测量。经实验室检测，该系统满足设计要求。该装置的设计填补了国内智能变电站二次回路综合误差测量的空白，简化了现场检测工作，为智能变电站安全稳定运行提供了保障。

三相交流源；综合误差测量；无线数据传输

随着IEC 61850应用的进一步深入，目前国内已经建成了相当一部分智能变电站试点，对于山西省内的智能变电站来说，基本都是“传统互感器+模拟量输入式合并单元”模式的智能变电站[1]，该变电站采用数字式电压、电流输入式智能电表[2-3]。目前，对于智能变电站计量二次系统计量装置综合误差的检测还没有成熟的检测设备，长治地区采用的方式是，变电站投运前对计量用电压、电流互感器进行升压、升流，通过观察数字表内信息来判断合并单元到数字表的计量二次回路数字信息传递是否通畅，对比数字表显示的电压电流值与互感器侧升压、升流值来粗略判断表计和其他二次回路计量装置的准确性。此种方式费时费力并且没有准确度可言，因此研发一种能够对智能变电站二次回路计量装置综合误差进行测量的装置势在必行。

针对上述问题，本文参考了文献[4]中合并单元误差范围的标准和文献[5-9]中数字电能表的检测方法研究，设计了一套智能变电站二次回路计量装置综合误差离线测量系统，由该系统直接输出模拟量进行测量[10]，可以在离线条件下测量智能变电站二次回路计量装置的综合误差，简化现场检测工作的复杂度，有效克服传统测量方法的缺点，加快了工程现场的验收进度，节省了人力，为智能变电站安全稳定运行提供了重要保障。

1 系统总体设计方案与工作原理

1.1 系统总体设计方案

离线测量系统由便携式电能计量二次回路检定装置、电压放线车和数字电能表脉冲无线发射端三部分组成。

便携式电能计量二次回路检定装置主要由三相交流模拟源和内置标准电能表组成。在离线测量时为 PT、CT模拟量输入合并单元提供电压、电流，并完成误差测量功能。

电压放线车实现为 PT端子箱模拟量输入合并单元输入电压的功能。

测试智能变电站二次回路计量装置综合误差时，表计侧到合并单元侧距离较远，脉冲信号若通过线车传输一方面会造成信号衰减；另一方面在拉线过程中容易短路或者开路，危险性高。本项目采用无线射频同步技术解决测量综合误差时的脉冲传输问题。数字电能表脉冲无线发射端将被测数字电能表的电能脉冲信号通过射频同步技术发送给便携式电能计量二次回路检定装置。进而计算出综合误差。

1.2 系统工作原理

在离线状态下测量智能变电站二次回路计量装置综合误差时，将便携式电能计量二次回路检定装置放置在CT端子箱附近，就近给CT端子箱提供三相交流电流，通过电压放线车给 PT端子箱提供三相交流电压；数字电能表脉冲无线发射端放在被检电能表附近采集并编码被检数字电能表脉冲信号，利用射频模块 CC1100把编码后的电能脉冲信号发送给便携式电能计量二次回路检定装置，该装置的FPGA将收到的脉冲信号解码后，根据脉冲中的时间标志将数据对齐，脉冲比较器同时接收标准电能表的脉冲和被检电能表的脉冲，根据时间标志将两者同步后，计算出回路综合误差。工作原理图如图1所示。

图1 智能变电站二次回路计量装置综合误差离线测量系统工作原理图

2 便携式电能计量二次回路检定装置设计

便携式电能计量二次回路检定装置主要由三相交流模拟源、标准电能表、射频接收模块和人机交互模块四部分组成。其中三相交流模拟源和脉冲无线收发模块的创新性设计使得装置整体更加轻便、易于携带，同时降低了装置生产成本。其结构框图如图2所示。

图2 便携式电能计量二次回路检定装置结构框图

2.1 三相交流模拟源

1）新型三相交流模拟源的优势

传统的电压、电流源采用数字信号处理器、D/A转换器、线性功放、电压电流互感器和线性电源的组合方式，存在体积笨重、效率低、成本高、故障率高、不易携带的缺点。在本项目中，用数字功率放大器、开关电源和低通滤波器来代替传统电压电流源中的线性功放、线性电源和电压电流互感器，使得设备体积小，重量轻，易携带。

2）新型三相交流模拟源的工作原理

工作时，三相交流模拟源先将交流信号变为高压直流信号，然后将输出的信号通过高速转换开关调制为所需信号；输出波形通过低通滤波器把超高频滤除，仅留所需的低频电压电流信号。

2.2 标准电能表

标准电能表用来测量由三相交流模拟源输出的三相电能并与被测数字电能表电能脉冲信号对比计算出智能变电站二次回路计量装置的综合误差。

1）标准电能表的测量原理

标准电能表将输入的电压、电流信号经过信号调理分别送入模拟-数字转换器，转换为数字信号后由主控制器进行处理，计算出相应电参量的测量值，最后主控制器将测量结果送入显示器进行显示。

2）有效电压、有效电流及功率的计算方法

设Veff为交流电压的有效值，Ieff为交流电流的有效值，P为平均功率，T为周期，其计算式为

将上式表示为在一个周期内等时间间隔的取 N个点，设时间间隔为Δt，则得到下式：

式中，u(k)、i(k)分别为第k点u、i的采样值。因而，微处理器便可根据电压、电流的采样值计算出有效电压、有效电流及平均功率P。

2.3 射频同步接收模块

使用TI公司的CC1100射频芯片来实现无线射频信号接收，将电磁波频率设定为 433MHz，选择透明传输 GFSK调制方式。无线通信距离可达500m，时间同步误差小于1μs。完全满足传输要求。

2.4 人机交互模块

人机交互接口包括液晶显示器、面板按键、USB鼠标和键盘。用于显示测量结果和操作便携式电能计量二次回路检定装置完成各项功能。

3 数字电能表脉冲无线发射端设计

数字电能表脉冲无线发射端由 FPGA、射频同步发送模块、充放电管理电源电路和锂聚合物电池四部分组成。结构框图如图3所示。

图3 数字电能表脉冲无线发射端结构框图

3.1 数字电能表脉冲无线发射端的发射原理

数字电能表脉冲无线发射端的脉冲输入端子接收被检数字电能表的电能脉冲信号后将信后发送给FPGA，FPGA对信号进行压缩、编码后通过射频同步发送模块将脉冲信号转换成电磁波信号发送给便携式电能计量二次回路检定装置。

采用锂聚合物电池为数字电能表脉冲无线发射端供电，避免对测试结果产生干扰。

3.2 数字电能表脉冲无线发射端器件选型

FPGA同样选择 XILINX公司的 SPARTAN6 FPGA。对收到的被检表电能脉冲进行编码，驱动射频芯片将脉冲信号发送给便携式电能计量二次回路检定装置。

射频芯片同样选择TI公司的CC1100芯片。

充放电管理电源选择LINEAR公司的LT3652和LTC2943作为充放电管理和电量监测方案。LTC2943以1%的精度准确测量锂聚合物电池的电压、电流、电量和温度，能够准确评估锂聚合物电池的充电状态，通过I2C接口与FPGA进行通信，实时将锂聚合物电池的状态信息发送给低压侧数据接收终端。FPGA通过I/O控制LT3652可实现智能充放电管理，从而保障高压互感器的安全可靠运行。

4 实验结果

依据以上设计在实验室中对各部分进行检测，三相交流源的检测方法如图4所示。射频模块性能测试方法如图5所示。表1、表2分别为三相交流源检测结果。图6为射频模块实验结果。可以看出该离线测量系统符合设计要求。

图4 三相交流源检验方法

图5 射频模块性能测试方法

表1 电压、电流准确度检测

表2 功率检测

图6 射频同步模块实验波形图

1）三相交流源准确度评估

对三相交流源电压、电流、功率准确度及2min稳定度进行检验，检验方法如图4所示。检验结果分别见表1、表2。

经实验室检测，该三线交流源电压、电流准确度符合 0.1%，功率准确度符合 0.1%，电压、电流稳定度符合0.05%/2min。

2）射频模块性能试验

射频信号频率为433MHz，抖动小于1μs。

5 结论

本文设计了一套可在离线条件下测量智能变电站二次回路计量装置综合误差的系统。详细介绍了其中新型三相交流源、射频收发模块的技术原理和芯片选型。经实验室检测，各性能指标均达到了设计要求，该装置简化了现场检测工作，为智能变电站安全稳定运行提供了保障。

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[3] 姚建国, 严胜, 杨胜春, 等. 中国特色智能调度的实践与展望[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(17)： 16-20,48.

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The Design of Integrated Error Offline Measurement System for Secondary Loop Measurement Device of Intelligent Substation

Liu Huanlei He Jinhong Kang Jian
(State Grid Shanxi Electric Power Company Changzhi Power Supply Company, Changzhi, Shanxi 046001)

In view of the domestic intelligent substation secondary loop metering device integrated error measuring not mature and the present situation of the measuring equipment, design a set of intelligent substation secondary loop metering device integrated error off-line measuring system. By receiving the system checked watt-hour meter power pulse signal measured and compared with standard watt-hour meter three-phase ac electric energy comparing method, realizes the intelligent substation secondary loop metering device comprehensive error of measurement. The system meets the design requirements through laboratory testing. The design of the device fills the gap in the comprehensive error measurement of the secondary circuit of the domestic intelligent substation, simplifies the field testing work and provides the guarantee for the safe and stable operation of the intelligent substation.

three-phase communication source; comprehensive error measurement; wireless data transmission

刘焕磊（1983-），男，硕士研究生，工程师，长期从事计量检定一线技术工作。