直流配电网中计量设备的计量特性研究

袁欣雨，石振刚，孙 冲，张林浩，武超飞，李 涵

(1.天津大学，天津 300072；2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院，石家庄 050021)

随着直流配电网技术迅速发展，中低压直流配网将成为未来配网不可缺少的重要组成部分，目前，直流配电网计量设备缺乏权威的检测方法和检测标准，各级计量机构未建立完整的量传体系和计量授权标准和规范，因此有必要开展直流配电网计量设备计量特性研究[13]，提出不同应用场景下直流传感器选型方案，形成中低压直流配电网计量设备典型配置导则。

1 直流互感器计量特性

1.1 分压器式直流电压互感器

直流配电系统所用的分压器式直流电压互感器，一般由一次电压传感器、一次转换器、传输系统、二次转换器组成，基本原理如图1所示(图中并非每一个部件均为必需的)。

当直流输电系统中的一次直流高电压施加在一次电压传感器的高压端子上时，一次电压传感器输出与一次端子施加电压相对应的模拟信号。该模拟信号经一次转换器转换成适合于传输系统信号后，再经由传输系统传输到二次转换器。二次转换器将传输过来的信号进一步转换成测量仪器、仪表和控制保护装置所需的量。

图1 直流电压测量装置基本原理

分压器式直流电压互感器采用阻容分压器作为一次电压转换器，是整套装置的传感器部分，要求具有较高的稳定度和准确度。一次电压转换器的内绝缘一般采用变压器油、氮气或六氟化硫气体作为绝缘介质。分压器式直流电压互感器的一次电压传感器原理如图2所示。图中，R13、C11分别为一次电压传感器的高压臂电阻和高压臂电容；R24、C22分别为一次电压传感器的低压臂电阻和低压臂电容。

图2 一次电压传感器原理

阻容分压器电阻部分的主要作用是测量直流电压的大小，额定电流一般在m A数量级。高压臂电阻R13的选择不能太小，否则流过电阻的电流I1过大会增大电阻本身的热损耗，以致电阻的阻值不稳定而出现测量误差；也不能选得太大，否则会由于流过电阻的电流I1太小而使电晕放电和绝缘支架泄露对测量的影响增大。一次电压传感器低压臂的实际电阻大小等于低压臂电阻R24与电子线路输入电阻Rin的并联电阻大小。当测量的一次直流电压为UHV时，一次电压传感器的输出电压US由公式(1)计算得到，一般US的大小在几十伏数量级。

阻容分压器电容部分的主要作用是均匀雷电冲击电压和操作冲击电压的分布。电阻分压器在冲击电压作用下，由于受杂散电容的影响，分压器电阻上的冲击电压分布极不均匀，靠近高压侧的电阻将承受很高的冲击电压，这极有可能使单个电阻因过电压而损坏，从而导致整个分压器的损坏。而并联的补偿电容能够有效减小杂散电容的影响，有利于冲击电压的均匀分布。

电容还与电阻一起构成阻容分压器来测量谐波电压。一次电压传感器低压臂的实际电容大小等于低压臂电容C22、电缆等效电容Cc以及电子线路输入电容Cin的并联电容大小。电容分压比和电阻分压比应相等，则有:

分压器式直流电压互感器虽然体积、质量大，但是由于稳定性和可靠性相对较高，因此广泛应用于直流系统中。

1.2 光电式直流电压互感器

某些物质具有光电效应，在外加电场的作用下，对透过它的光发生Pockels效应，即其双折射快慢轴之间的相位差角φ与外加电压V之间呈线性正比关系:

式中:K为常数，与晶体材料、结构有关。

因此对电压V的测量可以转化为对相位差角φ的测量，其测量原理如图3所示。

图3 光电式直流电压互感器测量原理

整个系统由三部分组成:光发射部分、光纤传感部分、信号接收处理部分(模拟信号处理和数据采集)。系统工作时，光源发出的光(PO)经光纤传到互感器，光纤互感器在外加直流电压(实际为外加直流电压所激励的磁场)作用下，发生Pockels效应，分解为2束光Px和Py，其光强由马吕斯定理可知:

由式(4)、(5)可以看出:当外加电压V时，产生了1个与V呈正比的相位差角φ，同时φ又影响出射光Px、Py的光强。

由于φ比较小，故sin2φ≈2φ。结合式(4)、(5)可得测量电压的最终表达式:

式(6)表明，只需测出光纤互感器输出的2束光Px、Py的强度或相对强度，通过定标求得比例系数K，就可以得到被测电压的大小。

光电式直流电压互感器与分压器式直流电压互感器相比，具有体积小、质量轻、瞬变响应速度快、抗电磁干扰能力强、安全难燃、智能化等优点，应用前景十分乐观。但是，由于光电式直流电压互感器的光学器件制作和加工难度大，易受温度、震动等影响，导致光电式直流电压互感器的稳定性、可靠性较差，阻碍了光电式直流电压互感器的实用化进程。

1.3 零磁通式直流电流互感器

零磁通式直流电流互感器是一个用于测量中性线上的直流电流和谐波电流的宽频带电流测量装置。它由安装于复合绝缘子上的一次载流导体、铁心、绕组和二次控制箱(室内部分)组成。一次载流导体和铁心、绕组之间的绝缘介质为SF6气体。

互感器模型的电路部分主要由振荡器和调制检测绕组的激励电源组成。它将正弦激励信号通过功率放大器A2进行功率放大，并将激励电流输入调制检测绕组W1和W2。峰差解调器，将调制检测绕组检测出的有用峰差信号，转换成一个直流控制电压。反馈放大器A1，将解调器输出的直流电压信号进行放大，供给二次绕组，形成反馈电流，实现原副方安匝平衡。电压输出单元，运算放大器A4将采样电阻上的电压信号放大并输出。

峰差调制是零磁通式直流互感器的核心，其原理如图4所示，振荡器把1个正弦波电压施加于2个反向串接的调制检测绕组上，使调制铁心每周期进入适当饱和状态。被测直流电流和反馈放大器输出电流在每1个检测铁心内将建立1个合成直流磁势，称之为净直流磁势。净直流磁势代表了零磁通直流电流互感器的误差分量。在任一瞬间，如1个检测铁心上的合成磁势由净直流磁势和激励电流建立的磁势(激励磁势)相加，则在另1个铁心上则一定是相减。

图4 互感器电路结构

当净直流磁势为零时，由于2个调制检测铁心的对称性，每个调制解调绕组采样电阻上的电压相等，峰差解调器中A3的输入差分电压为零。当净直流磁势不为零时，依据之前的分析，相对于2个调制解调绕组中激励磁势，净直流磁势的方向是相反的。调制解调绕组采样电阻上的电压一个变大，另一个变小。运算放大器A3输入差分电压变大，该电压控制反馈放大器A1的输出电流使得净直流磁势变小，进而A3的输入差分电压变小，直到达到1个平衡状态。在该平衡状态下，存在1个微小的净直流磁势，该净直流磁势使得峰差解调器产生1个控制电压，这个控制电压维持着反馈电流。因此，零磁通式直流电流互感器测量直流电流时，必然存在着三要素:被测直流电流、二次反馈电流和净直流磁势(由净直流安匝产生)，净直流安匝构成了直流电流测量的误差。

定义零磁通式直流开环增益为反馈放大器A1输出的直流电压与净直流安匝的比值，也称该开环增益为磁调制器的灵敏度。如果整个系统的开环增益相当大时，1个微小的净直流安匝即可维持系统的平衡，达到精确的安匝平衡，开环增益越大，直流电流测量误差越小。本系统的开环增益G，按式(7)计算:

式中:h1为磁调制器的灵敏度，或变换电阻，Ω，h1正比于调制铁心的匝数、净截面积、微分导磁率、激励频率f，反比于铁心的平均周长l；h2为磁调制器中放大器的电压增益；r2为二次绕组的导线电阻，Ω；ws为二次绕组的匝数。

与任何自控系统相同，在满足系统稳定的条件下，零磁通式直流电流互感器的开环增益，即磁调制器的灵敏度应尽量的大。要获得较高的磁调制器灵敏度，应提高铁心的磁导率，所以本样机采用高磁导率低矫顽力的坡莫合金；激励电源的频率适当选高一些，但不宜过高，频率太高增加铁心涡流(有去磁作用)，使铁心不易达到充分饱和，设计中的激励电源频率为500 Hz；激励交流电压适当选高一点，使铁心达到充分饱和，这样不仅可以提高灵敏度，而且可以提高零点的稳定性。零磁通式直流电流互感器二次反馈部分采用大功率运放作为反馈驱动，最大输出功率240 W。

1.4 有源光电式直流电流互感器

有源光电式直流电流互感器的原理示意如图5所示。

图5 有源光电式直流电流互感器原理

高压侧传感头部分含有分流器和Rogowski绕组，分流器用于测量直流电流，Rogowski绕组用于测量谐波电流。分流器和Rogowski绕组输出的信号经过高压侧电路板的信号调理、滤波、A/D转换、电光转换得到光信号，经过光纤传输至低压侧控制箱，低压侧处理模块将接收到的光信号转换为电信号，进一步D/A转化为模拟电信号输出。低压侧的激光模块通过光纤发射激光至高压侧，转化为电能供给高压侧电路板。利用分流器测量直流电流的方法的优点是不受外磁场影响，结构简单。设计的分流器的额定电流为4 500 A，额定输出电压为75 m V。误差影响因素有:温度系数的影响、电流分布不均匀造成的误差及热电势的误差。

1.5 全光纤直流电流互感器

全光纤直流电流互感器的基本原理是基于Faraday磁光效应，当一束线偏振光入射至磁光介质后，其偏振面发生旋转，旋转的角度与外加的磁场强度成正比，即:

式中:V为光学介质的Verdet常数；H为磁场强度；L为光在介质中的传播的距离。

全光纤电流传感器则是以具有Faraday磁光效应的特殊光纤为传感介质，图6所示的是一种反射式的全光纤电流传感器原理框图。

图6 反射式全光纤电流传感器原理

典型的反射式全光纤电流传感器基本原理为:由光源发出的光经过耦合器后由光纤偏振器起偏，形成线偏振光。线偏振光以45°注入保偏光纤后，被等幅注入保偏光纤的X轴和Y轴传输。当这2束正交模式的光经过波片后，分别转变为左旋和右旋的圆偏振光，进入传感光纤。在传感光纤中由于被测电流产生磁场的Faraday效应，这2束圆偏振光以不同的速度传输。在由传感光纤端面的镜面反射后，2束圆偏振光的偏振模式互换(即左旋光变为右旋光，右旋光变为左旋光)，再次穿过传导光纤，并再次与电流产生的磁场相互作用，使产生的相位加倍。这2束光第2次通过波片后，恢复为线偏振光，并在光纤偏振器处发生干涉。最后，携带相位信息的光由耦合器耦合进探测器。由于发生干涉的2束光，在光路的传输过程中，分别经历了保偏光纤的X轴和Y轴及传感光纤的左旋和右旋模式，只在时间上略有差别，因此返回探测器的光只携带了由于Faraday效应产生的非互易相位差。其表达式为:

式中:φ0为调制相位；Kloss为光路损耗；I0为光源输出光强；N为传感光纤的匝数；I为导线中的电流。

2 计量设备典型配置方案

为实现直流配电网系统中光伏侧、线路侧、负荷侧及储能侧等直流电能计量，用于贸易结算，需在源网荷储各环节设置直流计量点。目前直流配电网常见典型电压为±20 k V、±10 k V、±375 V及±48 V等，即直流计量点需分别设置在±20 k V、±10 k V母线侧、±375 V母线侧、储能出线侧、新能源发电出线侧及直流负荷侧。

±20 k V和±10 k V中压母线侧采用电压、电流互感器加直流电能表的计量方案。国内尚未发布针对直流配网用直流计量器具的相关标准或规范。参考DL/T 448—2016《电能计量装置技术管理规程》，确定中压母线侧直流计量装置的准确度等级:额定电压为±20 k V和±10 k V，属于Ⅲ类电能计量装置，建议配置0.5 S级直流电能表、0.5级直流电压互感器及0.5S级直流电流互感器。根据母线额定电压值，确定直流电压互感器的额定电压为20 k V和10 k V，考虑到电压互感器量值溯源要求，二次输出电压设计建议为10 V或100 V。根据母线额定电流值，确定直流电流互感器的额定电流为50 A，额定电压为20 k V和10 k V。测量直流电流可采用全光纤、零磁通、分流器及霍尔4种原理，综合考虑设备的技术及经济性要求，拟采用零磁通电流互感器。中压母线侧直流电能表的电压及电流输入接口应与配置的直流电压、电流互感器相匹配。

针对低压计量配置方案，参照DL/T 448—2016《电能计量装置技术管理规程》:额定电压为±375 V或±48 V，属于Ⅳ类电能计量装置，应配置1级直流电能表、0.5级直流电压互感器及0.5S级直流电流互感器。参照GB/T 29318—2012《电动汽车非车载充电机电能计量》:低压侧计量拟采用直流电能表加分流器的计量方案，建议配置1级直流电能表，0.2级分流器。

同时，为了确保直流计量系统与保护系统相互独立、互不影响。应将中压计量点的直流计量装置安装在直流断路器与能量路由器之间，低压计量点的直流计量装置安装在直流断路器与低压直流母线之间，储能设备的直流计量装置安装在直流断路器与直流储能之间，新能源发电的直流计量装置安装在直流断路器与新能源设备之间，负荷侧直流计量装置安装在直流断路器与直流负荷之间。

3 结束语

以上介绍了各类直流互感器基本原理及特性，分析了各设备的应用特点，并根据互感器特性提出不同应用场景下直流互感器典型配置方案，形成中低压直流配电网计量设备典型配置导则，为直流配电网电能计量点设置和计量器具配置提供统一技术规范和技术支撑。